ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ

Transcript

1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ 2o Mάθημα: Η χρήση των CAD/CAM/CAE στην ανάπτυξη προϊόντων Λεωνίδας Αλεξόπουλος, Λέκτορας, Τομέας ΜΚ&ΑΕ τηλ: Βοηθοί διδασκαλίας: Δημήτριος Βενετσάνος, ΙΔΑΧ, Τομέας ΜΚ&ΑΕ τηλ: Γιάννης Μελάς, Διδακτορικός φοιτητής, Τομέας ΜΚ&ΑΕ τηλ:

2 Ανάπτυξη ενός προϊόντος:

3 Η βάση της καινοτομίας! Δημιουργικότητα Σύλληψη ιδέας Σκαρίφημα Γρήγορη μελέτη σκοπιμότητας Back of the envelope calculations

4 1. ΟΡΙΣΜΟΣ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ (SPECS): ΤΙ χρειάζεται να σχεδιαστεί; Εξακρίβωση αναγκών αγοράς Χαρακτηριστικά προβλήματος (specs) Περιορισμοί σχεδιασμού QFD (Quality function deployment: method to transform user demands into design) Στόχοι σχεδίου 2. CONCEPTUAL DESIGN: ΠΩΣ πρέπει να σχεδιαστεί; Brainstorming, Synthesis, Functional decomposition, Πιθανά σχέδια 3. DETAILED DESIGN: ΠΟΙΟ είναι το βέλτιστο σχέδιο; Επιλογή σχεδίου Μηχανολογικά σχέδια, CAD, FEA Βελτιστοποίηση (λιγότερο υλικό, ευκολότερη κατεργασία, μικρότερες τάσεις/παραμορφώσεις) Κατασκευή πρωτοτύπου (ταχεία προτυποποίηση, Rapid Prototyping, 3D printers) Deliverables: σχέδια, κατάλογος υλικών

5 Γραμμή παραγωγής (assembly line) Σταθερή.vs. Κινητή (i.e. Boeing 777 engines) Make or BUY decisions CAM (G code), Route sheets, Operation sheets Παραγγελίες προϊόντων, οργάνωση αποθήκης (FIFO, LIFO) Ποιοτικός έλεγχος, CAQ Πακετάρισμα

6 Ανάπτυξη ενός προϊόντος με CAx CAx: CAD: Computer Aided Design CAM: Computer Aided Manufacturing CAE: Computer Aided Engineering (FEA) CAQ: Computer Aided Quality Control CAPS: Computer Aided Packaging CAPP: Computer Aided Process planning DMU: Digital Mock-up (3Ds)

7 Ανάπτυξη ενός προϊόντος με CAx CAM: Manufacturing CAQ: Quality control CAE / FEA Simulations (Digital Mock-Up)

8 Χρησιμότητα CAD/CAE Βελτιστοποίηση κατασκευών, αναγνώριση λαθών 3D απεικόνιση και αναγνώριση λαθών ΠΡΙΝ την παραγωγή Ταχεία παραγωγή παρουσίαση από PhiloNet Ο κύκλος ζωής ενός προϊόντος (PLC):

9 Χρησιμότητα CAD/CAE Βελτιστοποίηση κατασκευών, αναγνώριση λαθών 3D απεικόνιση και αναγνώριση λαθών ΠΡΙΝ την παραγωγή Ταχεία παραγωγή παρουσίαση από PhiloNet First to the Market:

10 ΧΡΗΣΕΙΣ CAE A. Simulation : Υπολογισμός τάσεων, παραμορφώσεων, ροής Β. Design optimization: Ελάχιστο υλικό/βάρος, μέγιστη αντοχή Γ. Δυναμική ανάλυση (modal analysis) Δ. Υπολογισμός Μηχανικών Ιδιοτήτων

11 ΧΡΗΣΕΙΣ CAE A. Simulation : Υπολογισμός τάσεων, παραμορφώσεων, ροής

12 ΧΡΗΣΕΙΣ CAE Β. Design optimization: Ελάχιστο υλικό/βάρος, μέγιστη αντοχή Π.χ.: Βέλτιστο σχέδιο σκηνής κάτω από διάφορες καιρικές συνθήκες

13 ΧΡΗΣΕΙΣ CAE Γ. Δυναμική ανάλυση (modal analysis) Modal analysis σε διαπασών Από 0:01:22

14 ΧΡΗΣΕΙΣ CAE Δ. Υπολογισμός Μηχανικών Ιδιοτήτων biomechanics.berkeley.edu/

15 ABAQUS ΠΑΚΕΤΑ CAD/CAE ANSYS SOLIDWORKS (CAD) +COSMOS (FEA) NASTRAN (FEA, από NASA, Fortran based) COMSOL (CAD+FEA) AutoCAD (CAD) + ALGOR (FEA) Pro-Engineer (CAD) / pro mechanica (FEA) by PCT

16 Φάσεις CAE Pre-processing: γεωμετρία, γένεση πλέγματος, κατανομή κόμβων Αρχικές /οριακές συνθήκες + SOLVER Post-processing: visualization tools (stress/strain/temperature/pressure fields)

17 Τα ποιο σημαντικά στοιχεία σε μία κατασκευή είναι η φαντασία, η δημιουργικότητα και η θέληση και μπορούμε απλά να τα αναφέρουμε Τα CAD/CAM/CAE είναι απλά απαραίτητα εργαλεία που μπορούμε να σας τα διδάξουμε

18 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ 2o Mάθημα: Εισαγωγή στο ANSYS Λεωνίδας Αλεξόπουλος, Λέκτορας, Τομέας ΜΚ&ΑΕ τηλ: Βοηθοί διδασκαλίας: Δημήτριος Βενετσάνος, ΙΔΑΧ, Τομέας ΜΚ&ΑΕ τηλ: Γιάννης Μελάς, Διδακτορικός φοιτητής, Τομέας ΜΚ&ΑΕ τηλ:

19 Στάδια εργασιών στα FEA 1 ο / 2 o Στάδιο: Κατασκευή της γεωμετρίας 1 o / 2 ο Στάδιο: Ορισμός μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων των υλικών και επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων 3 ο Στάδιο: Meshing: Διακριτοποίηση της γεωμετρίας και επιβολή οριακών συνθηκών 4 ο Στάδιο: Επιλογή τρόπου επίλυσης του προβλήματος (γραμμικό, μη γραμμικό, μεταβατικό, modal analysis) και ΕΠΙΛΥΣΗ 5 ο Στάδιο: Ανάγνωση και γραφική παράσταση αποτελεσμάτων

20 1 ο Κατασκευή γεωμετρίας 3 τρόποι κατασκευής γεωμετρίας: 1 ος Τρόπος: Απευθείας κατασκευή πλέγματος (Direct approach) (προσδιορισμός σχήματος και μεγέθους κάθε πεπερασμένου στοιχείου καθώς και τις συντεταγμένες κάθε κόμβου) PROS: Πλήρης έλεγχος γεωμετρίας CONS: Μόνο για πολύ μικρές και απλές γεωμετρίες 2 ος Τρόπος: Μέσω κατασκευής της γεωμετρίας (Solid modeling) Δημιουργία γεωμετρίας μέσω προσθαφαίρεσης (Boolean operators) βασικών γεωμετρικών σχημάτων και αυτόματη πλεγματοποίηση PROS: Εύκολος, γρήγορος τρόπος CONS: Η αυτόματη πλεγματοποίηση μπορεί να έχει λάθει

21 1 ο Κατασκευή γεωμετρίας 3 τρόποι κατασκευής γεωμετρίας: 3 ος Τρόπος: Εισαγωγή από CAD software Εισαγωγή γεωμετρίας μέσω αρχείου και στη συνέχεια πλεγματοποίηση Αποδεκτοί τύποι αρχείων:.igs (Initial Graphics Exchange Specification),.SAT (Standard ACIS Text),.x_t (Parasolid), CIF (Crystallographic Information File) Αποδεκτά αρχεία από: CATIA, Pro/Engineer, UniGraphics

22 1 ο Κατασκευή γεωμετρίας 3 τρόποι κατασκευής γεωμετρίας: 3 ος Τρόπος: Εισαγωγή από CAD software (παράδειγμα)

23 1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Χρήση συμμετρίας Axisymmetry Rotational Reflective (planar) Repetitive (translational)

24 1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Χρήση συμμετρίας Full 3D 2D

25 1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Παραδείγματα συμμετρίας? y x

26 1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Παραδείγματα συμμετρίας Οριακές συνθήκες? UX=0 UY=0 y x

28 1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Παραδείγματα συμμετρίας Οριακές συνθήκες? UX=0 UX=0 y x

30 1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Παραδείγματα συμμετρίας Οριακές συνθήκες? UY=0 UY=0 y x

31 1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Παραδείγματα συμμετρίας? y Καμία συμμετρία x

32 1 ο Κατασκευή γεωμετρίας Παραδείγματα συμμετρίας y Καμία συμμετρία x

33 Στάδια εργασιών στα FEA 1 ο / 2 ο Στάδιο: Κατασκευή της γεωμετρίας 1 o / 2 ο Στάδιο: Ορισμός μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων των υλικών και επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων 3 ο Στάδιο: Meshing: Διακριτοποίηση της γεωμετρίας και επιβολή οριακών συνθηκών 4 ο Στάδιο: Επιλογή τρόπου επίλυσης του προβλήματος (γραμμικό, μη γραμμικό, μεταβατικό, modal analysis) και ΕΠΙΛΥΣΗ 5 ο Στάδιο: Ανάγνωση και γραφική παράσταση αποτελεσμάτων

34 2: Ιδιότητες και Πεπ. στοιχεία Ορισμός μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων των υλικών!!! ΠΡΟΣΟΧΗ!!! ΣTO ANSYS: ΔΕΝ επιλέγουμε Σύστημα Μονάδων! εισάγουμε ΜΟΝΟΝ αριθμητικές τιμές Άρα, ΠΡΕΠΕΙ να επιλέξουμε τιμές, έτσι ώστε: Οι μονάδες τους να ανήκουν στο ίδιο σύστημα (π.χ. SI) Οι μονάδες τους να είναι μεταξύ τους ΣΥΜΒΑΤΕΣ Παράδειγμα: Έστω πρόβλημα ελαστικότητας. Αποδεκτές επιλογές: Μήκος: [mm] [m] [m] Δύναμη: [Ν] [N] [kn] Μέτρο ελαστικότητας: [MPa] [Pa] [kpa]

35 2: Ιδιότητες και Πεπ. στοιχεία Επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων

36 2: Ιδιότητες και Πεπ. στοιχεία Επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων TRUSS ή BAR ή SPAR ή LINK (ΡΑΒΔΟI) Παραλαμβάνουν ΜΟΝΟ αξονικά φορτία BEAM (Δοκός): Παραλαμβάνει αξονικά, καμπτικά και στρεπτικά φορτία PLANE42: Παραλαμβάνει 2D

37 2: Ιδιότητες και Πεπ. στοιχεία Επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων TRUSS ή BAR ή SPAR ή LINK (ΡΑΒΔΟI) Παραλαμβάνουν ΜΟΝΟ αξονικά φορτία BEAM (Δοκός): Παραλαμβάνει αξονικά, καμπτικά και στρεπρικά φορτία

38 2: Ιδιότητες και Πεπ. στοιχεία Επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων TRUSS ή BAR ή SPAR ή LINK (ΡΑΒΔΟI) Παραλαμβάνουν ΜΟΝΟ αξονικά φορτία BEAM (Δοκός): Παραλαμβάνει αξονικά, καμπτικά και στρεπρικά φορτία

39 Στάδια εργασιών στα FEA 1 ο / 2 ο Στάδιο: Κατασκευή της γεωμετρίας 1 ο / 2 ο Στάδιο: Ορισμός μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων των υλικών και επιλογή είδους πεπερασμένων στοιχείων 3 ο Στάδιο: Meshing: Διακριτοποίηση της γεωμετρίας και επιβολή οριακών συνθηκών 4 ο Στάδιο: Επιλογή τρόπου επίλυσης του προβλήματος (γραμμικό, μη γραμμικό, μεταβατικό, modal analysis) και ΕΠΙΛΥΣΗ 5 ο Στάδιο: Ανάγνωση και γραφική παράσταση αποτελεσμάτων

40 3: Πλεγματοποίηση Ημιαυτόματη διαδικασία 1. Επιλογή είδους και πλήθος πεπερασμένων στοιχείων για κάθε μέρος της συσκευής 2. Βελτιστοποίηση πλέγματος σε περιοχές με συγκέντρωση τάσεων και παραμορφώσεων 3. Επιλογή οριακών συνθηκών

41 3: Πλεγματοποίηση Ημιαυτόματη διαδικασία 1. Επιλογή είδους και πλήθος πεπερασμένων στοιχείων για κάθε μέρος της συσκευής 2. Βελτιστοποίηση πλέγματος σε περιοχές με συγκέντρωση τάσεων και παραμορφώσεων 3. Επιλογή οριακών συνθηκών

43 4: Επίλυση Γραμμικό Μη γραμμικό (π.χ. large strains, λυγισμός, πτύχωση) Μεταβατικό ( F=F(t) ) Modal analysis (υπολογισμός ιδιοσυχνοτήτων)

45 5: Ανάλυση Αποτελεσμάτων Stress/ Stein fields Reaction forces Displacement fields.

46 Έναρξη Ansys από Cloudfront

47 Περιβάλλον Ansys Product Luncher Φάκελος εργασίας../ansys/firstlesson Ονομασία εργασίας Truss01

48 Περιβάλλον Ansys Παραθυρικό περιβάλλον ANSYS ANSYS OUTPUT WINDOW ΠΟΤΕ MHN TO ΚΛΕΙΣΕΤΕ

49 Παραθυρικό Περιβάλλον Ansys UTILITY MENOU ΓΡΑΜΜΗ ΕΝΤΟΛΩΝ Save_DB ΓΡΑΜΜΗ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ (customization) MAIN MENU ΠΑΡΑΘΥΡΟ ΓΡΑΦΙΚΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗ ΟΨΕΩΝ

50 Αρχεία Ansys.db ή.ddb : DATABASE FILE element type, mat. properties, geometry,.err mesh, : ERRORFILE results All.log ANSYS : LOGFILE warnings Command.out equivalents : OUTPUTFILE from GUI All ANSYS comments RESULTS FILES Structural analysis: Truss01.rst Thermal analysis: Truss01.rth Fluids analysis: Truss01.rfl

51 Επιλογή GUI

52 Παραθυρικό Περιβάλλον Ansys 3:POSTPROCESSOR 1:PREPROCESSOR 2:SOLUTION

53 1:Preprocessor Με τι είδος πεπερασμένων στοιχείων θα δουλέψουμε? Ποια θα είναι τα βασικά χαρακτηριστικά των πεπ. στοιχείων (εμβαδόν, ύψος, κτλ)? Ποιες σταθερές υλικού θα χρησιμοποιήσουμε? Τι γεωμετρία έχουμε? Τι πλεγματοποίηση θα κάνουμε? Τι οριακές συνθήκες θα έχουμε?

54 2: Solution Τι είδους ανάλυση θα κάνουμε? Τι οριακές συνθήκες θα έχουμε? Επίλυση πλέγματος

55 3: PostProcessing Τάσεις, Μετατοπίσεις κτλ σε κάθε κόμβο Πχ: Stress field, strain field, deformed shape, vector plot etc

56 APDL: ANSYS Parametric Design Language SESSION EDITOR LOG FILE

57 APDL: ANSYS Parametric Design Language *ABBR Ορίζει συντομογραφία (σειρά αλφαριθμητικών χαρακτήρων) ABBRES Διαβάζει τις συντομογραφίες από κωδικοποιημένο αρχείο ABBSAV Γράφει την τρέχουσα ομάδα συντομογραφιών σε κωδικοποιημένο αρχείο *AFUN Specifies units for angular functions in parameter expressions. *ASK Ζητά από το χρήστη να εισάγει την τιμή μιας παραμέτρου *CFCLOS Κλείνει το αρχείο εντολών (command file). *CFOPEN Ανοίγει το αρχείο εντολών *CFWRITE Γράφει μια εντολή ANSYS (or similar string) στο αρχείο εντολών *CREATE Ανοίγει ή δημιουργεί ένα αρχείο μακροεντολής *CYCLE Προσπερνάει εντολές μέσα σε ένα βρόχο DO *DEL Σβήνει μία ή περισσότερες παραμέτρους (GUI). /DFLAB - Changes DOF labels for user custom elements. *DIM Ορίζει μια παράμετρο σε μορφή πίνακα και τις διαστάσεις του /DIRECTORY - Put the file names in the current directory into a string parameter array. *DO Ορίζει την έναρξη ενός βρόχου DO *DOWHILE Πραγματοποιεί συνεχώς βρόχους μέχρι την επόμενη εντολή τερματισμού (*ENDDO) *ELSE Διαχωρίζει το τελικό κομμάτι ενός if-then-else block.