SOLIDWORKS Simulation: pomocna dłoń dla branży meblarskiej

Twarzą do czołowej gałęzi przemysłu

Wraz z postępem i galopującym rynkiem rosną również wymagania klientów. Designy stają się coraz bardziej śmiałe, użytkowanie coraz dłuższe, a w parze z tym nieczęsto idzie doposażenie warsztatów w odpowiednią aparaturę umożliwiającą złożone testy wytrzymałościowe. Idealnym rozwiązaniem pozwalającym znacznie zaoszczędzić koszty i wykonać krok przed konkurencję są sprawdzone w boju testy wirtualne.

Poszerz grono zadowolonych klientów dzięki SOLIDWORKS Simulation

W jaki sposób SOLIDWORKS Simulation przyczyni się do rozwoju Twojej firmy?

Dzięki szybkiej i intuicyjnej cyfrowej analizie statycznej liniowej i nieliniowej zmaleją, lub nawet zupełnie odejdą koszty związane ze statycznymi testami eksperymentalnymi.

Szeroka baza wbudowanych danych materiałowych pozwala na szybką aproksymację pracy sklejki lub drewna. Oprogramowanie dysponuje również funkcją wprowadzania własnych danych materiałowych – od materiałów izotropowych, przez ortotropowe (jak drewno), po silnie nieliniowe.

Firma przeprowadziła już dokładne testy materiałowe? Wykorzystaj to! SOLIDWORKS Simulation pozwala na definicję zachowania materiału za pomocą danych z wykresu.

Pojawiają się spawy? Pakiet Simulation nie tylko wskaże połączenia zagrożone uszkodzeniem, ale również zasugeruje minimalną dopuszczalną grubość spoiny.

Krótki czas obliczeń – dzięki uproszczonemu sformułowaniu połączeń takich jak śruby, złożona siatka obliczeniowa może odejść w zapomnienie.

Bezbłędne efekty badań dynamicznych – sprawdź, czy Twoje meble są odporne na dzieci i brutalną eksploatację.

Wiarygodne badania zmęczeniowe potwierdzone doświadczeniem.

Liczne pomoce dla nowych użytkowników w Metodzie Elementów Skończonych.

Dzięki pełnej skalowalności rozwiązania jesteśmy w stanie dobrać zakres funkcjonalności pod indywidualne potrzeby klienta! Podejmując współpracę z nami otrzymujesz profesjonalne wprowadzenie przedsprzedażowe, pomoc postsprzedażową, jak i bogatą ofertę szkoleniową.

Konkrety – po inżyniersku!

Rys. 1 Rozważany model wykonany w oprogramowaniu SOLIDWORKS

Przed przystąpieniem do tworzenia symulacji zdefiniowano wpierw model przykładowego drewna. Utworzono w tym celu nowy układ współrzędnych o osi Z skierowanej równolegle do włókna, a następnie zdefiniowano dane materiałowe w oparciu o nowoutworzony układ.

Rys. 2 Dane materiałowe

Badania statyczne

W pierwszym podejściu zakładamy częściowe utwierdzenie tylnej części konstrukcji na zewnętrznym stelażu pozwalającym na przesuwanie się węzłów konstrukcji spawanej jedynie w jedynym kierunku. Każda z drewnianych półek obciążona jest w tym scenariuszu rozprowadzoną masą o wartości 300 kg. Dodatkowo uwzględnia się siłę ciężkości konstrukcji przypisując w badaniu statycznym grawitację zorientowaną w odpowiedni sposób.

Siatka dyskretyzacyjna może być zaproponowana na kilka sposobów. W przypadku konstrukcji spawanych najczęściej wykorzystywanymi elementami skończonymi są elementy ramowe i/lub kratownicowe. Odróżnia je ilość stopni swobody na węzeł. Jest to podejście umożliwiające znaczną redukcję czasu obliczeń w przypadku skomplikowanych złożeń, jak i wyświetlenie unikalnych dla elementów 1D charakterystyk pracy w procesie postprocessingu. Elementy o znamiennej grubości (jak w tym przypadku drewniane półki) modelowane będą za pomocą elementów bryłowych 3D. Siatka zaprezentowana niżej posłuży jedynie do wstępnej walidacji wytrzymałościowej oraz zaprezentowania możliwości oprogramowania. W rzeczywistych problemach inżynierskich należy mieć na uwadze fakt, iż zobrazowanie wytężenia po grubości wymaga minimum 5 węzłów obliczeniowych (w modelu są jedynie trzy). Dzięki intuicyjnej definicji kontaktów możliwe jest bezproblemowe łączenie ze sobą komponentów dyskretyzowanych różnymi typami siatki obliczeniowej.

Rys. 3 Model obliczeniowy w pierwszym scenariuszu wraz z siatką belkowo – bryłową

SOLIDWORKS Simulation pozwala na dokładny wgląd w elementy ramowe oraz bryłowe z osobna. Ponieważ drewniane półki jedynie pośredniczą w przenoszeniu naprężeń, naszym głównym obiektem zainteresowania jest spawana rama. Spośród dostępnych danych nt. wytężenia obrano górne osiowe i zginające. Maksymalne naprężenia wynoszą w przybliżeniu 191 MPa i są poniżej granicy plastyczności dla obranej stali. Należy mieć na uwadze jednak, że wartość ta osiągana jest w okolicy „prawie” utwierdzenia, co powoduje jej zawyżenie.

Rys. 4 Wartości naprężeń w konstrukcji spawanej

Użycie naprężeń zredukowanych von Misesa w przypadku materiału ortotropowego jakim jest drewno byłoby błędem merytorycznym. Mając na uwadze, że częstym kryterium wytrzymałościowym drewna są naprężenia ścinające w kierunku równoległym do włókien, szczególną uwagę poświęcono właśnie im. Otrzymane wyniki zostały przedstawione na rysunkach poniżej.

Rys. 5 Wartości naprężeń ścinających XZ w lokalnym układzie współrzędnych

Rys. 6 Wartości naprężeń ścinających YZ w lokalnym układzie współrzędnych

Porównując otrzymane wartości z wartościami wytrzymałości drewna uzyskanymi w drodze badań materiałowych dojść można do wniosku, iż drewniane półki nie ulegną zniszczeniu. Wartości naprężeń ścinających w kierunku wzdłuż włókien wynoszą odpowiednio 0.72 MPa i 0.91 MPa, co stanowi odpowiednio 42% i 54% wytrzymałości doraźnej drewna gatunków iglastych klasy C14 (źródło: „Charakterystyka wytrzymałościowa drewna jako jego podstawowej właściwości mechanicznej” – Anna i Piotr Lis)

Wytrzymałość drewna na ścianie wzdłuż włókien dla gatunków iglastych MPa [5]

Klasy wytrzymałościowe | C14 | C16 | C18 | C20 | C22 | C24 | C27 | C30 | C35 | C40 | C45 | C50
Ścinanie wzdłuż włókien | 1,7 | 1,8 | 2,0 | 2,2 | 2,4 | 2,5 | 2,8 | 3,0 | 3,4 | 3,8 | 3,8 | 3,8

Analizę wytrzymałościową można było również przeprowadzić w oparciu o model powłokowo – bryłowy. Elementy płaskie pracujące wg teorii Kirchhoffa lub Mindlina Reissnera pozwalają na zgrubne wyświetlenie rozkładu naprężeń po grubości (stałe bądź liniowe). Atutem podejścia do dyskretyzacji elementami 2D jest niewątpliwie możliwość efektywnego zastosowania modułu do definicji spawów. Pozwala on na wyzbycie się uproszczenia inżynierskiego jakim jest lokalne wiązanie wprowadzając „connectory” będące przedmiotem łatwej walidacji wytrzymałościowej w procesie postprocessingu. Po wykonaniu obliczeń program zweryfikuje bezpieczeństwo spoiny z zadanym współczynnikiem bezpieczeństwa oraz zasugeruje ewentualną poprawkę pozwalająca na bezpieczną pracę konstrukcji.

Rys. 7 Alternatywna siatka dyskretyzacyjna w podejściu powłokowo-bryłowym

Rys. 8 Moduł umożliwiający weryfikację spoin (obciążenie 100 kg na każdą półkę)

Literatura z zakresu wytrzymałości materiałów i konstrukcji podparta badaniami doświadczalnymi pokazuje, iż naprężenia uzyskane w wyniku dynamicznego obciążenia konstrukcji mogą być wielokrotnie większe niż w przypadku badania statycznego. SOLIDWORKS Simulation umożliwia przeprowadzanie analiz dynamicznych zarówno w dziedzinie czasu jak i częstotliwości. Mając na uwadze warunki pracy mebli zdarzenia takie jak gwałtowny naskok dziecka na łóżko, bądź „wieszanie się” dorosłego człowieka na szafkę powinny być uwzględnione już na etapie projektu wstępnego. W poniższym scenariuszu rozważono siłę 3000 N przyłożoną prostopadle do górnej półki, narastającą liniowo przez 0.2 s, a następnie gwałtownie zdjętą. Korzystając z metody superpozycji modalnej wyniki, będące alternatywą dla bezpośredniego rozwiązywania różniczkowego równania ruchu, są wyliczane przez solver w niezwykle krótkim czasie.

Rys. 9 Wartości naprężeń badania dynamicznego wykraczają poza granicę plastyczności użytej stali

Dzięki wbudowanej funkcjonalności pozwalającej na definiowanie sensorów uzyskanie wartości takich jak naprężenia, przemieszczenia, prędkości czy przyspieszenia w danym obszarze zainteresowania nie jest wyzwaniem. SOLIDWORKS Simulation umożliwia również wyświetlenie danej wartości w historii czasu.

Rys. 10 Przemieszczenie wzdłuż osi OY arbitralnie obranego węzła na górnej półce

Animacja 1 Przeskalowana odpowiedź konstrukcji na wymuszenie dynamiczne

Wśród wielu atutów SOLIDWORKS Simulation użytkownicy wskazują najczęściej intuicyjność rozwiązania, łatwą implementację oraz pełną asocjatywność z SOLIDWORKS. Nie pozwól, by klienci byli pierwszym frontem testów wytrzymałościowych. Wprowadź testy cyfrowe, zredukuj koszty i zostań liderem innowacji!

Post: SOLIDWORKS Simulation: pomocna dłoń dla branży meblarskiej