Steve Pitz, Senior Product Manager Превод: инж. Красимир Захариев

Предположението, че по време на работа на една сглобена единица всички части в нея се държат като твърди тела е все едно да предположим, че Земята е плоска: истината не може да бъде откритата, докато всяко едно твърдение не бъде оспорено и проверено. Разбира се, оспорването на статуквото е съпроводено с много рискове, но за щастие използването на ANSYS Flexible Dynamics е много по-безопасно, отколкото да паднеш от края на Земята. Често при разработването на прототипи на машини, инженерите търсят решение в т.н. програми за анализ на твърдотелни сглобени единици (ТСЕ), което е напълно оправдано. Симулацията на машина, изградена от недеформируеми части, свързани помежду си със стави, има неоспорими преимущества: много по-бързо и по-голям брой различни идеи могат да бъдат проверени, което води до по-голяма производителност.

Както можем да се досетим, спестяването на време води след себе си до пропускането понякога на толкова важни детайли от анализа, че те могат да се превърнат в кошмар дори и за опитни инженери. Ето няколко примера за подобни проблеми: Възможно ли е някоя от частите да се деформира до такава степен, че да се наруши устройството на машината и това да доведе до задиране или повреда още на първия оборот? Възможно ли е вибрациите при работа да са извън определените норми за изделието? Възможно ли е проблеми с умора на материала да станат причина за извънредно много гаранционни аварии? Възможно ли е репутацията на инженерния екип и компанията да бъде подложена на съмнение заради подобно недоглеждане на проблеми? Отговорът на тези въпроси може да се намери при използването на анализ с еластични (деформируеми) елементи и контакта между тях. При анализ на твърдотелни сглобени единици можем да определим колко бързо и с какво ускорение се движи всяка една част, също така силите и реакциите в ставните връзки между отделните елементи. Времето за решаване на подобен модел често се измерва в секунди, тъй като броя на степените на свобода на системата е малък и всички елементи в нея са недеформируеми. Подобен подход може да бъде привлекателен най-вече за хора, които са притиснати от крайни срокове за изпълнение.

От друга страна, динамичният анализ с еластични тела предоставя всички гореизброени резултати плюс деформацията и вътрешните напрежения в елементите на сглобената единица. Въпреки, че анализът дава необходимата информация за цялостно решаване на проблема, времето за изпълнение е по-дълго. Това е и основната причина еластичният анализ да има ограничено приложение в ранния стадий на разработване на едно изделие. За да преодолеят това неудобство, по-находчивите инженери търсят решение, като съвместяват бързината на твърдотелния анализ с извличането на допълнителна информация, което е възможно само при анализ с деформируеми елементи. През последните 20 години има разработени няколко метода, които в различна степен решават нелеката задача.

Използване на ставните реакции от ТСЕ за гранични условия при статичен анализ.

Най-често използваният и най-лесно приложимият метод за съвместяване на положителните черти на анализа на ТСЕ с тези на анализа на еластичните модели е използването на резултатите от ТСЕ, т.е. опорните реакции в ставите и ускоренията са входни данни за статичния деформируем анализ на отделните елементи от системата. Ето до какви плюсове и минуси води това:
Плюсове: Динамичните натоварвания върху частите са точно изчислени и не се налага статичните натоварвания на модела да бъдат изкуствено завишени. Това понякога е твърде консервативно, но понякога е и недостатъчно. Статичният анализ на деформируеми тела е един от най-ефективните начини за анализ чрез метода на крайните елементи (МКЕ):
Минуси: Методът принуждава инженера да избере определени моменти от работата на ТСЕ, които да използва при статичния анализ. При този метод е възможно да бъде пропусната критичната фаза на натоварване на определен детайл, особено при по-сложни ТСЕ. Това налага използването на завишени коефициенти на сигурност.

Метод на Крейг - Бамптон.

Методът на Крейг-Бамптон е един по-находчив вариант за комбиниране на преимуществата на двата начина за моделиране. При този подход еластичното поведение на системата първо се симулира чрез т.н. модално-динамичен анализ. Резултатът от него е, че собствените честоти на трептене и техните модалните форми, се използват като входни данни при последващ динамичен анализ на ТСЕ. Въпреки, че представлява един по-естествен начин на симулация, методът Крейг-Бамптон също така е съпроводен с плюсове и минуси:
Плюсове: Модалният анализ е една от най-ефективните динамични симулации. Динамичният модел на ТСЕ придобива еластични характеристики по най-икономичен начин. Това прави метода популярен сред тези, които се нуждаят от повече увереност в резултатите.
Минуси: Методът се ограничава до симулирането само на линейни еластични модели, поради използването на модален анализ. Това води до невъзможността да се симулират следните явления:
- Пластични деформации, хипереластичност и високоеластичност на материала.
- Реалистичен нелинеен контактен анализ със или без триене и промяна на статуса.
- Деформации в относително големи размери.

Методът е по-усложнен и отнема много инженерно време. Развитието на автоматизацията на трансфер на резултатите от модалния анализ към динамичния твърдотелен модел е на сравнително ниско ниво. Изследването на различни варианти на модела е изключително затруднено, поради значителния обем ръчна обработка на данните при трансфера им. Обикновено цената е доста висока, тъй като се поддържат два отделни софтуера, често произвеждани от различни компании, които се използват от двама обучени инженера.

Твърдотелно моделиране в комбинация с еластични звена.

Най-съвременният метод, по който могат да бъдат съвместени преимуществата на твърдотелния и еластичния динамичен анализ е изграждането на система, способна да моделира както редуцирани твърдотелни модели, така и напълно еластични такива, която дава възможност и за комбинация от двата вида. По този начин инженерът може да се възползва от скоростта при анализа на ТСЕ в началната фаза на разработване на изделието, когато се налага често промяна на дизайна. В следващия етап, който изисква по-задълбочен и точен анализ се добавя еластичност в компонентите на целия модел или само на отделни критични звена. Все още повечето компании предлагат само отделни модули за твърдотелно или еластично моделиране, докато единствено ANSYS има цялостно решение, което успешно се прилага вече две години. Това става чрез използването на ANSYS Rigid Dynamics като приложение към ANSYS Structural, ANSYS Mechanical или ANSYS Mulitiphisics.

Плюсове: Един и същ CAD модел се използва за твърдотелния и еластичен анализ. Обикновено това е триизмерен модел внесен от ANSYS Design- Modeler или друга CAD система. Интерфейсът е абсолютно идентичен за двата типа динамични анализи, което не налага допълнително обучение. Конвертирането от единия тип модел към другия става за броени минути и е възможно дори само с четири кликвания на мишката.
Итерациите при дизайна са улеснени: промяна на CAD модела, “update” на динамичния модел и преизчисляване на твърдотелния, твърдотелно-еластичния или напълно еластичния модел. Ограниченията на метода Крейг-Бамптон, вече не са проблем т.е. анализ на нелинейни контакти заедно с нелинейно поведение на материала е реалност.
Минуси: Въпреки, че моделирането на нелинейни контакти и материали е лесно да се постигне, често това създава математически неопределими модели и тяхното решение изисква опит и находчивост от страна на инженера. Необходимостта от мощен компютър е по-голяма от тази за предните два метода, което е задължително при пълния-нелинеен динамичен анализ. Независимо от това, съществуват нови математически методи за решаване съвместно с използването на паралелни процесори за намаляване времето за решение. Тъй като някой се е осмелил да оспори твърдението, че Земята е плоска, падането от края на света вече не е толкова сериозна грижа, колкото до преди няколко века. Продължаващото развитие на съвременния софтуер за инженерни симулации, а така също овладяването и използването на динамичния анализ за развитие на нови изделия от все повече инженери, ще доведе до ограничаване на несполучливите разработки.