Изображения на окачването на велосипед Santa Cruz V10, илюстриращи значително количество повдигащи движения. Това показва необходимостта да се прецени цялото пространство, необходимо при движението
Как да разберете дали вашият механизъм - съвкупност от най-малко една подвижна част - е точният чрез простия въпрос: “Ще се сблъскат ли движещите се части?” до този “Колко добре ще бъде направена?” или “Колко ще е трайна?“ Софтуерът, който генерира твърди отговори на тези въпроси, се основава на симулация на движението. Една базова CAD система може да свърши тази работа въз основа на чисто геометрични заключения; проверете софтуера на AR-CAD за симулация на свободното движение. И ако искате да работите с клиентски алгоритми, имайте предвид MathWorks на SimMechanics. Но ако трябва да разглеждате въздействието на различни товари на получения диапазон на движение, или да предвидите стабилизиращ механизъм, може би се нуждаете от анализ на крайните елементи (finite element analysis - FEA). В тази статия се разглежда широкия спектър от пакети за симулация на движението, задачите, с които могат да се справят, както и значението на резултатите.След като кинематичния и динамичен дизайн са завършени, противодействащите сили (показани в синьо), могат да бъдат прехвърляни за автоматично включване в Pro/ENGINER Mechanica за структурен анализ.
Кинематика срещу динамика
Много от съвременните CAD пакети отиват отвъд възможностите на механизмите от преди пет го- дини, вглеждайки се в кинематиката на един механизъм – движенията на частите в рамките на система, без да се имат предвид масата или силата. Кинематичният анализ обобщава, че всички части са твърди и транслира всички дадени точки и повърхности в различни съединения. След като вече съединението е раздвижено с дадена скорост, софтуерът генерира резултатна позиция, скорост и ускорение на всички свързани части. Този подход не дава информация за натиска или деформацията, но позволява да се оценят и елиминират конструкторските пътища, които не отговарят на основни оперативни изисквания. Така например, в Pro/ENGINEER на PTC, можете буквално да се плъзнете по частта, за да видите пътя на движение. Освен това, всеки път, когато се произвежда едно съединение, софтуерът изгражда кинематичен модел, като автоматично определя ограниченията, на базата на съединенията и степените на свобода (DOFs).
Но кинематичната гледна точка понякога може да не е достатъчна. Както John Buchowski, продуктов мениджър в PTC, казва, “С кинематика, въпросът е, когато скоростта е известна, как ще се движат частите? С динамиката, задавайки приблизителна скорост, питаме как ще се движат останалите части? А с динамиката, просто казвате колко бързо и с какво ускорение, а след това добавете маса F = ma, което ви позволява да изведете силите.” Pro/ENGINEER представя динамични анализи на базата на по-реалистични твърди части, например с различна гъвкавост, така че да може да се идентифицира резултантната сила, трансферирането на товари, и да се проследи какъв е натиска в резултат на това. Buchowski добавя, “Ние можем да направим директни динамични модели, където чрез прилагане на сила, може да се разбере колко бързо ще се движат, или индиректни, където може да се задава скоростта на движение и по този начин да се установи каква сила или задействане ще са необходими, за да се направи това.”
Накрая, виждайки свързаните симулации, свързани структурно с (FЕ), чрез динамични анализи, можете да кажете дали движещите се части ще бъдат достатъчно стабилни, за да издържат даден товар. Buchowski отбелязва, че докато можете да направите така, че симулацията на движението да започне директно с FE модел, може да се направи по компромис по отношение както на времето, така и на софтуерните ресурси. Семейството на SolidWorks софтуера също предлага набор от функции за по-нататъшна симулация на движението на преден план, а не само на FEA етапа. Както Kishore Boyalakuntla, “Мениджър - Симулационен продуктов мениджмънт” в SolidWorks казва, “Когато хората правят симулация на движението, те искат да се уверят, че някои от системите се движат по начина, по който са поискали. Например, вие използвате специален механизъм за отваряне на гаражни врати, механизмът се задейства и вратата се повдига. Вие, обаче, в този случай не сте много заинтересовани (в този момент) от деформацията или колко сила е нужна.” SolidWorks предлага на потребителите на този тип кинематичен анализ инструмент от своите SolidWorks 3D CAD пакети.
Всичко необходимо за представяне на симулацията на движенията е дефинирано в CAD модела и просто трябва да бъде прехвърлено в цифров вид. Събирайки твърдите тела и няколко DOF-ове, уравненията на движението се решават бързо. Резултатите включват премествания, скорости, ускорения, съвместни реакции и инерционни натоварвания на всички компоненти, както енергията, необходима за поддържане на движението. Boyalakuntla обяснява, че за конструкторите, които искат да постигнат движение до FEA, изходните данни от симулацията на движението са точно входните данни, необходими за структурен анализ, който може да бъде направен със Solid- Works Premium. FEA възможностите също са налични като самостоятелни приложения в други продукти на SolidWorks. Той добавя, че потребителите могат да бъдат сигурни, че в постигането на най-добрите динамични резултати, ако стойностите са автоматично изнесени; също така, ако потребителят работи в интегрирана среда, като SolidWorks, траекториите на движение лесно могат да бъдат върнати за ревизия в CAD геометрията и използвани за дефиниране на софтуер за системен контрол.
Bob Williams от ALGOR твърди, че симулация на движенията може да се разглежда като прогресия, защото всеки метод дава полезна информация при определени условия. Той изтъква, че “Такъв тип технологията често е включена по подразбиране в CAD пакетите, което ви позволява да симулирате основни движения, за да видите как една връзка би се движила. При това, някои пакети имат възможност да вземат изходящи параметри и от присъединителните връзки в тези механизми.” Използването на тези натоварвания като изходни данни, изисква прилагане на FEA модел. И както казва Williams “След това можете да пуснете статични анализ на натиска и да получите моментална снимка на натоварването на дадена част от механизма. А следващата стъпка, включва използване на нелинейни анализи за проверка по- скоро на динамичния, а не статичния натиск.
Той твърди, че този подход, заимстван от Mechanical Event Simulation (MES) софтуера на ALGOR може да се прилага при нелинейни материали, сили на допир, различни влияния и други сложни ситуации. Възможността да се направи пълно разгръщане на FEA върху движещи се съединения може да бъде критична. Уилямс обяснява, “Има много предположения за това, какво е действителното натоварване на механизмите. В действителност, определянето на товарите е много сложно в повечето случаи. Например, когато се симулира капков тест на продукта, например за панел за мобилен телефон, падане от само няколко фута върху твърда повърхност може да генерира значителен товар, както при това тези сили могат да се променят през целия процес на анализа. С нелинейните FEA, вместо да разполагате с една моментална снимка, имате потенциал да разполагате с хиляди такива, при промяна на силите, при промяна на местоположението на отделните части, както и при промяна на подвижността на частите.”
Симулационен анализ на движещи се части на мултифункционално устройство Siemens, представен, за да се определи оперативното време. Симулацията акцентира на евентуалните проблеми със скенера в резултат от претоварване в края на цикъла, които могат да бъдат коригирани външно, без да се налагат физически тестове.Съзнавайки, че нелинейната симулация може да бъде сложна, ALGOR насочва усилията си към аспектите на потребителския интерфейс на MES софтуера, като го прави сравним с настройките на статичната симулация, включвайки и автоматизацията, за да се осигури сходство с цел вземане на по-бързи решения и точни резултати, както и възможност да се видят резултатите в реално време.
Предложените от SolidWorks симулационни резултати предоставят данни като съвместни реакции и инерционно сили; единствените изходни данни, необходими за анализ, които могат да бъдат извършени в SolidWorks Premium. FEA се предлага и като самостоятелно допълнение към други продукти.
Dennis Sieminski, Маркетинг директор на NEi Software, повтаря твърдението, че въпреки желанието анализът да бъде възможно най-близо до реалността, винаги се правят предположения.
Той казва: “Можете да направите кинематични (устойчиви) анализи за определяне на скорости и ускорения, след което да използвате силите като входни условия при FE (деформиращи) анализи. Необходими са ви DOF, за да изобразите точно модела, но също така и да постигнете висока ефективност.” Симулация на фиксиращ механизъм на скенер чрез Siemens NX Motion Simulation NEi Motion се обръща към динамичното решение на Fedem Technology. С цел да се симулират динамичните събития от реалния свят, автоматичният супер елементарен метод на NEi Motion намалява броя на DOF-те до минимум. Симулацията може да бъде направена със съединение, съдържащо едновременно твърди и съставни модели, докато за твърдотелните анализи, симулациите са на базата на проста геометрия вместо на елементи. Семейството на Siemens PLM продуктите предлага пълна гама от продукти с възможности за симулация на движението от кинематични възможности в рамките на Velocity SolidEdge CAD софтуера за анализ на широк спектър от възможности в NX6. Компанията вярва, че наличието на широко портфолио от симулации в рамките на една среда, спестява време, защото промените в конструкцията може незабавно да актуализират симулацията на движението, без да се изисква допълнителна намеса.
Интегрираната система NX също спестява време, като достига зададените условия, дефинирайки съединенията при този тип анализ. Siemens вече разширява възможностите за включване на интегриран контрол на движението чрез анализ в реално време на връзката с Simulink. Richard Bush, Siemens PLM Продуктов мениджър Симулации, казва, че в началото на проекта, първо трябва да се прецени най-доброто място за работа и положително въздействие на представянето на продукта. Съвременните конструкторски системи като NX предоставят много възможности за мащабируемост, която помага при решаването на сложните проблеми в динамично променящата се среда; не просто движение, но може би с включен контрол на циклите на системата. Той цитира искането на клиента, немски малки OEM автомобилни предприятия проектирали сложен покривен механизъм с 3 сечения, като казва: “Те използват NX Motion Simulation, за да управляват всеки механизъм чрез хидравличен мотор, както проверяват толерансите и позиционирането. Ако има някаква промяна в дължината на страните, това се отразява. Редица свойства също преведен автоматично. При промяна в средата, това наистина се отплаща.”
Да платя сега или да платя по-късно?
Както Williams от ALGOR казва: “Колко ще се разчита на опита на физически тестове от миналото спрямо виртуалните?” Както и на това, че всички аспекти на съвременното производство, разходите на време и пари на по-ранен етап на процеса, за да се определи дали сте избрали правилната посока на проектиране, което може да ви спести време и пари по-нататък.