Vroegtijdig simuleren van productie-effecten bouwt robuuste ontwerpen

In ontwerp en engineering worden aannames vaak gemaakt als vereenvoudigingsmechanisme, en soms omdat die vereenvoudiging voldoende is. Maar vaak is het omdat men niet de adequate tijd noch tools heeft om non-lineaire effecten te rekening te houden.

Voor veel componenten hebben productieprocessen significante impact op productprestaties, maar zijn vaak een van de meest overgeslagen effecten. Welke productie-effecten moeten overwogen worden, en welke genegeerd? De antwoorden zijn niet altijd goed begrepen. Vaak is standaardpraktijk in engineering: ontwerpers bouwen een ontwerp, geven dat door aan analisten, en analisten bouwen en analyseren het ontwerp. Deze aanpak is vaak omslachtig en duurt langer dan ideaal. Vanwege niet-ideale verbindingen en tijd van CAD naar CAE, is het niet ongebruikelijk om meer tijd te besteden aan data-overdracht en initiële analyse-run dan aan het daadwerkelijk bouwen, analyseren en begrijpen van het model.

3DEXPERIENCE Platform – Ontwerp en Solid Mechanics Tools Samenbrengen:

Het 3DEXPERIENCE Platform van DASSAULT SYSTÈMES combineert de wereldklasse ontwerpkenmerken van CATIA met de lineaire en non-lineaire solid mechanics toolsets van SIMULIA. Zo'n krachtige mogelijkheid stelt een meer naadloze verbinding tussen CAD en CAE in dan typisch in de industrie. Het stelt ook begeleide processen en gestandaardiseerde sjablonen in, wat kan resulteren in een snellere eerste antwoord. In plaats van initiële vereenvoudigde berekeningen en aannames door expert structurele analyse-ingenieurs, kunnen deze eerste doorloop antwoorden ingebed worden in de CAD en vroege engineering toolsets om zowel een eerste model als een eerste initiële gok naar de structurele key performance indicators te bereiken. Dit stelt eerste doorloop lineaire structurele antwoorden in staat om uitgevoerd en geanalyseerd te worden binnen de CAD voordat ze aan analisten doorgegeven worden.

De structurele analyse-ingenieur kan dan "de mes scherper maken" door het model verder te verfijnen en passende effecten toe te voegen aan het "eerste-doorloop" model dat aan hen geleverd wordt. Sommige van deze productie-overwegingen kunnen simpelweg "uitgebreide" lineaire aannames zijn, maar men kan contact, materiaal non-lineariteit, en zelfs spanning-stijfheidseffecten opnemen waar toepasselijk. Zoals we zullen zien, kan deze verfijning cruciaal zijn en gemakkelijk falen onthullen die anders over het hoofd gezien zouden worden. Sommige "klassieke" voorbeelden van non-lineariteit zijn materiaal non-lineariteiten – plasticiteit in staal, non-lineair gedrag van rubberen, barsting en falen in diverse materialen en componenten. Terwijl deze vaak goed begrepen zijn, zijn twee andere vormen van non-lineariteit vaker over het hoofd gezien – het effect van contact, en de impact van "non-lineaire geometrie". Alle drie deze vormen van non-lineariteit kunnen een resultaat zijn van het productieproces, en allemaal gemakkelijk gemodelleerd, geanalyseerd, en post-geprocest op het 3DEXPERIENCE Platform.

We hebben twee voorbeelden geëvalueerd die deze productie-effecten demonstreren, met focus op hoe elk een rol kan spelen bij het overwegen van de impact van productie-effecten op systemen.

Perspas verbinding in een onderste stuurarm (Press Fit Connection in a Lower Control Arm)

Contact is doorgaans goed begrepen door ingenieurs – twee of meer componenten "botsen" in elkaar, en krachten worden tussen hen overgedragen, wat spanningen en vervormingen oplevert. Een voorbeeld van contact dat vaak niet overwogen wordt, maar quite kritiek kan zijn in implicaties, is een "perspas". Bij een perspas wordt één component met een iets groter buitendiameter "geperst" in een ander met een kleinere diameter, vandaar de naam. De perspas moet concurrerende eisen balanceren: te weinig interferentie kan resulteren in een pas die te gemakkelijk kan uittrekken en de integriteit van het systeem door deelscheiding compromitteren. Te veel interferentie resulteert in hoge spanningen en vervormingen met falen in één of beide delen.

De simulatiemodule binnen het 3DEXPERIENCE Platform stelt gemakkelijk de mogelijkheid in om zo'n perspas vast te leggen (in plaats van de vereenvoudigde aanpak), maar ook om rekening te houden met variatie in de interferentie om de resulterende spanningen door de perspas zelf te bestuderen en wanneer die perspas spanningen opgenomen zijn binnen "standaard" belasting. Het niet rekening houden met perspas effecten kan catastrofale gevolgen hebben.

Zoals getoond in het voorbeeld, kan een onderste stuurarm (een veelvoorkomend voorbeeld van perspas) onverwacht falen als de effecten van de perspas niet overwogen worden tijdens simulatie. De resultaten links zijn misleidend en kunnen garantiekwesties voor fabrikanten veroorzaken. Dergelijke onverwachte falen en terugroepacties kunnen ook de reputatie van OEMs beïnvloeden.

Vaak worden perspas effecten in de industrie overwogen tijdens gedetailleerde componentanalyse. Overmatige perspas gedetecteerd en gecorrigeerd in vroege ontwerpfase zou algeheel projecttijd en -kosten besparen.

Hieronder hebben we de 3DEXPERIENCE workflow samengevat om dit te bereiken:

• Parametrische CAD Modelleren: Parameter-gebaseerd ontwerp op 3DEXPERIENCE platform benut mogelijkheid om een ontwerp te testen voor verschillende configuraties. Interferentie tussen onderste stuurarm en bushing kan gedefinieerd en gevarieerd worden via een ontwerpparameter.
• Geïntegreerde Modelleren en Simulatie: Geünificeerd platform voor CAD modelleren en simulatie maakt het makkelijk voor ontwerper om het ontworpen component te analyseren voordat het aan de simulatie-ingenieur doorgegeven wordt. Simulatie Assistentie in 3DEXPERIENCE platform kan zelfs een non-expert analist begeleiden om basale lineaire en non-lineaire simulaties uit te voeren voordat het model aan een expert analist doorgegeven wordt. In dit geval: twee afzonderlijke simulatiegevallen voor verticale belasting van 4KN en laterale (X-richting) belasting van 2,5KN gedefinieerd. Om non-lineaire effecten op ontwerpniveau te negeren, zijn bushings aan de onderste stuurarm gebonden en de binnenste cylinder van de bushing geklemd.
• Hergebruik van Lineaire Simulatie voor Geavanceerde Non-lineaire Simulatie: Voor gedetailleerde en accurate studie kan ontwerper verbindingsparameters tussen bushing en onderste stuurarm wijzigen om perspas effecten in de simulatie op te nemen. Associativiteit tussen CAD en FEM maakt het eenvoudig om een nieuwe simulatie-functie te definiëren of een bestaande te wijzigen binnen de lineaire simulatie. Feature manager geeft een geconsolideerd overzicht van gedefinieerde simulatie-functies en maakt het zeer makkelijk om in minimum muisklikken te wijzigen.
• Automatisering en Samenwerking: Een expert analist kan simulatiesjablonen definiëren voor bepaalde wel-gedefinieerde workflows en deze beschikbaar maken voor ontwerpers om gedetailleerde analyse uit te voeren met rekening houdend met productie-effecten. Web-based widgets om deze vooraf gedefinieerde simulaties uit te voeren, stimuleren effectieve samenwerking tussen ontwerper en simulatie-ingenieur, die samen kunnen reviewen en het ontwerp finaliseren.

Dus, uitgebreide tools op 3DEXPERIENCE platform maken het mogelijk om de perspas interferentie in de vroege ontwerpfase te optimaliseren en ongewenste falen en terugroepacties te voorkomen.

Boutmodellering in een Klevis-gewricht (Bolt Modeling in a Clevis Joint)

Het tweede voorbeeld van productie-effecten is een klevis-gewricht. Een klevis-gewricht is een koppeling bestaande uit een U-vormige verbinding (soms "vork-uiteinde" genoemd) waaraan een pen of bout door gaat. Deze pen bevestigt typisch aan een verbinding of staaf, wat de verbinding laat draaien om de pen terwijl het "vastgezet" is in alle andere richtingen.

Klevis-gewrichten worden gebruikt over een myriade producten, en zijn vrij veelvoorkomend in auto- en zware apparatuur vering, industriële machine-toepassingen, luchtvaartkoppelingen, en diverse andere use cases. Ze kunnen heel klein zijn met een simpele "pen" als gewricht voor goedkope huishoudartikelen, maar voor industriële apparatuur en grote machines vaak zo massief dat ze een persoon wegen en zeer grote bouten als "pen" vereisen. In grotere machine-toepassingen is het vaak niet voldoende om de vork-eind en de staaf simpelweg te "verbinden", want de bout zelf moet stevig aangezogen worden, wat productiespanningen aan het deel toevoegt voordat er "operationele belasting" overwogen wordt. Deze boutbelastingen neigen de vork-eind te "buigen" en kunnen resulteren in significante voorspanningen. Als deze productiespanningen genegeerd worden, kunnen onjuiste veiligheidsfactoren voor operationele belasting resulteren, wat leidt tot non-conservatieve piekbelastingsspanningen en overvoorspelling van vermoeidheidslevensduur.

In deze kaakgreper wordt een bout-gekoppeld klevis-gewricht gebruikt om de link met het kaakcomponent te verbinden. Voor zo'n montage zijn grote bouten (met bijbehorende hoge boutvoorspanningen) nodig om ontkoppeling te voorkomen. De boutlasten trekken de klevis-gewricht vorken samen en resulteren in montagespanningen. Zware apparatuur als deze is vaak over-dimensioneerd – het is beter om extra massa te hebben dan risico op downtime voor zo dure apparatuur. Maar zelfs met hoge veiligheidsfactoren is het belangrijk te overwegen hoe deze productie-effecten combineren met operationele belasting.

Voor de simulateresultaten getoond in figuur 9, resulteren operationele belasting op zich in bescheiden spanningen in de vorken en zijn bijna 20% onder de doelspanningen. Echter, rekening houdend met de productie-geïnduceerde spanningen bovenop de operationele spanningen, zijn de daadwerkelijke resultaten 30% hoger dan de doel. Zulke spanningen, hoewel ver onder de vloeispanning, kunnen toch eventuele componentvermoeidheid resulteren, wat leidt tot veldfalen en operationele downtime. Daarom is het selecteren van een optimale boutaantrekkracht heel belangrijk om deze issues te voorkomen. 3DEXPERIENCE platform biedt een ontwerpvriendelijk tool om deze soort simulaties uit te voeren zoals samengevat in de volgende workflow:

• Een virtuele bout modelleren: Het definiëren van een bout CAD geometrie om het effect van aantrekken te bestuderen kan onnodige complexiteit (zoals non-lineariteit door contact) voor een ontwerper bevatten. Daarom biedt het virtuele bout definitie tool in 3DEXPERIENCE een vereenvoudigde aanpak om een boutrepresentatie als FE entiteit te definiëren en voorspanning toe te staan om de aantrekkingseffecten te bestuderen. De ontwerper kan simpelweg randen van een deel selecteren of boutdetectie gebruiken om virtuele bout op klevis-gewricht locatie te definiëren.
• Een lineaire simulatie definiëren: Vergelijkbaar met het perspas voorbeeld, kan simulatie-assistentie de ontwerper begeleiden om de simulatie op te zetten. Door CAD-functies zoals vlak, rand of hoekpunt te selecteren, kan de ontwerper eenvoudig belasting en randvoorwaarden definiëren. In dit geval: de kaak wordt geklemd aan de bodem en 10KN belasting toegepast aan klevis-gewricht.
• Aangepaste sjabloon voor DOE en Optimalisatie: Expert analist kan een web-gebaseerde simulatiesjabloon definiëren voor ontwerper om effect van verschillende waarden van boutaantrekkracht op klevis-gewricht te bestuderen. Design of experiments kan gevormd worden in vroege ontwerpfase zonder expert analist in de lus. In dit geval: effect van boutvoorspanning varierend van 1KN tot 5KN met verschil van 500N bestudeerd met het procescomponist DOE sjabloon.
• Web-gebaseerde resultaatvalidatie in Results Analytics: Eenmaal het proces voltooid, kan ontwerper samenwerken met expert analist om resultaten te visualiseren op de web-gebaseerde widget Results Analytics. Door invoerparameters zoals belasting en boutaantrekkracht te wijzigen, kan de ontwerper de sjabloon hergebruiken voor verschillende modellen met een vergelijkbare toepassing. Zoals getoond in de afbeeldingen, kan de ontwerper concluderen dat boutkracht boven 2KN de spanning boven de acceptabele limiet (150 MPa) kan drijven.

Dus, een expert CAE-ingenieur kan zich concentreren op meer geavanceerde simulaties en de ontwerper zorgt voor productie-effecten in vroege ontwerpfase en bespaart algehele proces tijd en kosten.

Conclusie

Als productie-effecten vroeg tijdens de ontwerpfase overwogen worden, kan men nauwkeuriger de echte "veiligheidsfactoren" in het ontwerp begrijpen. Ontwerpvriendelijke tools op het 3DEXPERIENCE platform kunnen helpen productprestaties consistenter te voorspellen en als resultaat garantiekosten, terugroepkosten, en operationele kosten voor klanten te verlagen.

Bekijk al onze Transport & Mobiliteit oplossingen op:

https://www.3ds.com/products-services/simulia/solutions/transportation-mobility/