Americká společnost Dana je světovým lídrem v oblasti návrhů a výroby vysoce účinných hnacích ústrojí a elektrifikovaných pohonných systémů vozidel. Významnou pozici na trhu zaujímá díky inovativním a udržitelným řešením, elektrodynamickým technologiím, řídicím systémům a tepelným a digitálním řešením, kterými podporuje téměř všechny výrobce vozidel po celém světě. Pro vývoj hnacích ústrojí využívá simulační software CAEfatigue sloužící k predikci únavové životnosti konstrukcí. Software CAEfatigue byl dříve distribuovaný společností MSC Software, která je nyní součástí skupiny Hexagon.
Spolehlivá hnací ústrojí terénních vozidel bez ohledu na jejich aplikaci
Při vývoji terénních vozidel je klíčové, aby jejich hnací ústrojí a celková konstrukce byly přizpůsobeny široké škále uplatnění, pro která jsou tato vozidla určena. Konstruktéři zohledňují různé konfigurace a způsoby použití, které mohou ovlivňovat výkonnost a spolehlivost těchto hnacích ústrojí.
Společnost Dana se vývojem pohonných jednotek snaží pokrýt co největší rozsah aplikací a způsobů použití. V některých případech se však může stát, že uživatelé v terénu narazí na problém, který nebyl ve fázi vývoje, z důvodu nedostatku vstupních dat, stoprocentně postižen. Tento nedostatek informací může vést k neefektivitě, vyšším nákladům při konstrukci a validaci a delší době vývoje.
Pro minimalizaci těchto problémů musí mít konstruktéři k dispozici co nejvíce relevantních údajů a informací o konkrétních aplikacích a použití terénních vozidel. Takové informace by měly být zahrnuty již v raných fázích vývoje tak, aby vedly ke snížení rizika neefektivního vývoje a zvýšení spolehlivosti a výkonnosti hnacích ústrojí.
Pro zlepšení odolnosti a výkonnosti náprav terénních vozidel společnost rozhodla o nutnosti efektivnějšího zahrnutí nejistot do procesu návrhu a vývoje.
Využití metodiky „Robust Design" při konstrukci hnacího ústrojí pomocí CAEfatigue
Společnost Dana chtěla vytvořit robustnější konstrukci pohonných jednotek. Konstruktéři věděli, že při návrhu a ověřování na zkušební stolici musí zohlednit náhodnost a variabilitu. Navázala tak spolupráci s firmou Hexagon, která projekt pomohla optimalizovat pomocí vícefázového přístupu simulačního softwaru CAEfatigue.
Fáze 1. Životnost při provozním zatížení
Týmy začaly s analýzou kritických oblastí vozidla, ve kterých určily různé druhy únavových zatížení při různých manévrech. Společnost Dana poskytla data zatížení z měření v terénu (síly a kroutící momenty) pro několik manévrů vozidla a týmy následně nastavily analýzu pracovního cyklu v softwaru CAEfatigue: kombinací časových průběhů zatížení s namáháním získaným z analýzy konstrukce metodou konečných prvků (MKP) pak bylo možné rekonstruovat časový průběh napětí na každé uzlové konstrukci, a tím efektivně vypočítat poškození konstrukce po celou dobu životnosti součásti.
CAEfatigue konstruktérům poskytl uživatelsky přívětivé prostředí pro nastavení vstupních parametrů, materiálových vlastností, propojení výsledků výpočtů metodou konečných prvků s časovými průběhy zatížení a generování výsledků v přehledném grafickém rozhraní. Díky tomu mohli identifikovat, jaké manévry vozidla způsobují vyšší úroveň poškození a zároveň definovat kritické oblasti součásti, u nichž je největší pravděpodobnost selhání.
Fáze 2. Stochastická analýza po náhodném výběru zatížení a únavových parametrů za účelem zjištění účinků variability
Po provedení simulace životnosti ve fázi 1 týmy nasadily modul programu CAEfatigue - Robust Design, který automaticky provedl stochastickou variaci všech vstupních proměnných a vytvořil výpočetní model metodou Monte Carlo. Všechny parametry byly nastaveny s Gaussovým normálním rozdělením na základě tří informací: střední hodnoty, variačního koeficientu a mezní hodnoty (počet směrodatných odchylek, který určuje procento přesnosti). Jedinými výjimkami byly parametry „využití zákazníkem" a „počet opakování" pro každý manévr.
Díky tomuto pravděpodobnostnímu přístupu mohly týmy vyhodnotit vliv neurčitostí na robustnost konstrukce a identifikovat vstupy, které vedly k nejvyššímu potenciálu poškození a k dalším nežádoucím stavům. To jim umožnilo vytvořit robustnější konstrukce, schopné odolat neurčitostem a variabilitě v reálných podmínkách.
Aplikace CAEfatigue Robust Design poskytuje dva grafické nástroje (obrázek 3 - rozhodovací mapa a koláčový graf), které konstruktérům pomáhají pochopit, jak různé proměnné ovlivňují životnost součásti nápravy. Rozhodovací mapa zobrazuje vztah mezi vstupními parametry a požadovanými výstupy, přičemž velikost modrých kroužků ukazuje relativní vliv vstupu na výstupu. Koláčový graf zobrazuje všechny relativní vlivy parametrů vstupu na daný výstup, například jejich vliv na maximální hodnotu poškození.
CAEfatigue Robust Design umí také vygenerovat vizualizaci rozložení dvojic vstup-výstup v podobě mračna bodů. Toto vizuální zobrazení usnadňuje konstruktérům identifikaci kombinací vstupů, které s největší pravděpodobností povedou k nepřijatelnému výstupu, například k pravděpodobnosti poškození nebo k nežádoucímu chování.
Fáze 3. Syntéza zatížení s cílem navržení reprezentativního fyzického testu
Jakmile konstruktéři dosáhli svých cílů v rámci fáze 2, zahájili fázi syntézy zatížení a hledali zjednodušenou kombinaci zatěžovacích podmínek využitelných při fyzickém testování na zkušební stolici. Cílem bylo najít takové zatížení, které způsobí stejné poškození konstrukce, jaké je vypočteno s použitím dat (zatížení) získaných z měření v terénu.
Pro tento účel byl nasazen další z nástrojů v rámci CAEfatigue Robust Design - metoda stochastického zlepšování parametrů návrhu. Prostřednictvím tohoto přístupu se postupně provádí určitý počet stochastických simulačních kroků, z nichž každý zahrnuje malé změny vstupních parametrů, tentokrát však z pohledu parametrů nastaveni zatížení na zkušební stolici. Například se může upravit počet opakování nebo měřítko velikosti zatížení a provádět opakované simulace, dokud se nezíská poškození, které se co nejvíce blíží tomu, které bylo vypočteno na základě skutečných manévrů v terénu. Toto v software CAEfatigue probíhá automaticky.
Specializované grafické nástroje CAEfatigue Robust Design pak umožňují konstruktérům rychle interpretovat obrovské množství výsledků a umožňují jim krok za krokem sledovat vliv změn vstupních proměnných na výsledné hodnoty včetně konečného zobrazení optimální kombinace vstupních parametrů, zajištujících požadovaný cíl.
Výsledky: Náhodnost a variabilita
Společnost Dana byla s výsledky získanými prostřednictvím řešení Robust Design v CAEfatigue spokojena. Zohlednění variability vstupů a tím získání potřebných informací o variabilitě poškození umožnilo snížit nastavené limity a poté optimalizovat konstrukci pohonné jednotky.
Společnost nadále plánuje pokračovat v aplikaci této metodiky, tedy vyhodnocovat, jak různé vstupní parametry ovlivňují poškození konstrukce a získávat zjednodušenou, reprezentativní sadu náhradních zatížení pro validační fyzické zkoušky. V konečném důsledku pak vyvinout plně opakovatelný proces, který bude možné snadno a konzistentně aplikovat na více výrobků jejího výrobního programu.
Simulace pomocí softwarů společnosti Hexagon umožňují virtuálně analyzovat zatížení konstrukcí, predikovat stejné poškození, jakého by bylo dosaženo v reálném provozu a tyto informace využít jako základ pro budoucí optimalizaci výrobků.
|
CAEfatigue je softwarové řešení pro predikci únavové životnosti, odolnosti a náhodné odezvy, založené na analýze pomocí metody konečných prvků (MKP). Přináší efektivní prostředky pro rychlou a přesnou predikci odolnosti výrobků při různých kombinacích časově nebo frekvenčně závislých zatížení. Mezi výhody tohoto analytického nástroje patří zkrácení doby potřebné pro testování prototypů, méně stahování výrobků z trhu, nižší náklady a větší jistota, že konstrukce výrobků projdou požadovanými certifikacemi. |
Obchodní oddělení Praha
Jana Tvarohová
E-mail: jana.tvarohova@hexagon.com
Mobil: +420 727 983 625