Symulacja MES

Metoda elementów skończonych to sprawdzony sposób na skrócenie czasu opracowywania nowych produktów. Metoda oparta na analizach numerycznych pomaga wytwarzać trwałe i wysoce odporne produkty. Zapewnia również optymalne bezpieczeństwo użytkowania.

Symulacja MES pokazuje, jak komponent lub materiał reaguje na określone czynniki. Opiera się ona na metodzie elementów skończonych (MES). W tej metodzie obliczeń numerycznych komponent lub cały zespół jest dzielony na skończoną liczbę elementów (podobszarów). Umożliwia to obliczenie mechanicznego zachowania poszczególnych podobszarów, a ostatecznie całego komponentu. Symulacja MES opiera się na specjalnych algorytmach, które określają przybliżone wartości przy użyciu złożonej kombinacji równań różniczkowych. Do symulacji MES wymagany jest wydajny komputer o dużej mocy obliczeniowej. Oprogramowanie MES jest często łączone z aplikacjami CAD. Wyniki symulacji MES mogą być wykorzystywane w wielu różnych obszarach dotyczących różnych zagadnień fizycznych. Jednym z najczęstszych zastosowań jest analiza wytrzymałości komponentów bryłowych o złożonych kształtach. 

Symulacja MES jest efektywna pod względem czasu i kosztów, szczególnie w przypadku prototypów lub produktów, które są drogie w produkcji i wymagałyby dużego nakładu pracy, aby je przetestować. Dotyczy to zwłaszcza produkcji części o lekkiej konstrukcji, które zyskują na większej dynamice osiągalnej dzięki symulacji MES, zmniejszonemu zużyciu materiałów i zoptymalizowanej wydajności energetycznej.

Osobliwości to punkty krytyczne, które powstają z powodu nieciągłości w geometrii, materiale lub warunkach brzegowych i które wymagają szczególnej uwagi w modelu elementów skończonych. W tych punktach wymagane jest silne zagęszczenie siatki, aby uzyskać wiarygodne wyniki. W mechanice strukturalnej w tych punktach często występuje wiele lokalnych szczytów naprężeń, których wartość i zakres mogą znacząco zależeć od stopnia zagęszczenia siatki. Osobliwości mogą mieć różne przyczyny:

• zakamarki (osobliwości narożne)
• wprowadzenie obciążeń
• kontakt między różnymi komponentami
• połączenie różnych materiałów

Aby określić wytrzymałość zmęczeniową komponentu, konieczna jest wysoka jakość siatki. Aby dokładnie odwzorować powstałe naprężenia, siatka MES musi być tak drobna, jak to możliwe dla obliczeń statycznych lub cyklicznych. Zgodnie z zasadą mechaniki strukturalnej: co najmniej 5 do 6 kwadratowych elementów na łuku 90 stopni. Komponent musi być również precyzyjnie połączony we wszystkich trzech kierunkach przestrzennych w celu obliczenia jego żywotności, ponieważ oceniany jest również spadek napięcia w kierunku głębokości.

Aby możliwe było przeprowadzenie obliczeń w oparciu o metodę elementów skończonych, geometria komponentu musi najpierw zostać wczytana z programu CAD. Następnie wymagane wpisy są wprowadzane do preprocesora MES. Wprowadzane są parametry siatki, takie jak typ elementu, rozmiar elementu, właściwości materiałowe, warunki brzegowe i obciążenia działające na komponent, takie jak temperatura lub ciśnienie. Po podzieleniu komponentu na małe elementy tworzona jest odpowiednio drobna siatka. Specjalne funkcje interpolujące są definiowane dla elementów, które opisują ich zachowanie na wpływy i warunki brzegowe. Są to równania różniczkowe opisujące odpowiednie prawa fizyczne. Te równania różniczkowe, w połączeniu z odpowiednimi warunkami brzegowymi, warunkami początkowymi i przejściowymi wszystkich elementów, dają w rezultacie kompletny układ równań. Jest to następnie rozwiązywane w przybliżeniu za pomocą solwera równań zaimplementowanego w oprogramowaniu do symulacji MES. W analizie mechanicznej przemieszczenia (deformacje) są podstawową wielkością wynikową. Na tej podstawie można wyprowadzić wartości odkształcenia i naprężenia. Wynik oparty na zachowaniu elementów cząstkowych pozwala przewidzieć reakcję całego komponentu. Na koniec analiza metodą elementów skończonych musi zostać zweryfikowana. Metoda numeryczna pozwala nawet na łączenie zadań fizycznych i dlatego jest wszechstronnym narzędziem. Z jego pomocą można z wyprzedzeniem uniknąć kosztownych błędów w rzeczywistych prototypach. Ponadto ocena symulacji MES skraca czas rozwoju produktu. Metoda elementów skończonych umożliwia między innymi obliczenia dla:

• statyka liniowa i nieliniowa
• termomechanika
• dynamika
• symulacja formowania
• stabilność eksploatacji

Ogólnie rzecz biorąc, w symulacji MES mogą wystąpić następujące błędy:

• Nieprawidłowa analiza problemu może zostać przeprowadzona z powodu niewystarczającej wiedzy podstawowej
• Jeśli zasady siatki MES nie będą przestrzegane, spowoduje to, że przybliżone rozwiązanie będzie bardziej odbiegać od normy
• Używane są elementy z funkcjami interpolującymi, które są nieodpowiednie dla danego problemu
• Używane są nieodpowiednie właściwości materiałowe
• Obciążenia działające nie są brane pod uwagę lub są zakładane nieprawidłowo
• Inne warunki brzegowe nie są stosowane lub są stosowane w uproszczony sposób

Aby wykluczyć ewentualne błędy, symulacja musi zostać zweryfikowana. Można to zrobić na przykład poprzez porównanie symulacji z wynikami uzyskanymi w teście.

Metoda elementów skończonych jest używana do:

• Analiz strukturalnych. Służą one do określania obciążeń i odkształceń materiałów i komponentów, a także do analizy styków.
• Analiz sztywności. Korzystając z nich, inżynier MES może określić deformację komponentu spowodowaną naciskiem lub naprężeniem.
• Obliczeń wytrzymałościowych. Określają one, czy dany komponent ma wytrzymałość zgodną z odpowiednimi standardami.
• Analiz cyklu życia. Odgrywają one szczególnie ważną rolę w rozwoju nowych produktów. Jeśli komponenty i całe zespoły nie są wystarczająco trwałe, wycofywanie produktów z rynku będzie wiązać się ze znacznymi kosztami.
• Obliczeń pełzania. Za ich pomocą można określić zależną od temperatury i czasu deformację plastyczną materiału lub komponentu pod obciążeniem (zachowanie pełzania).
• Symulacji termicznych. Ilustrują one mechaniczny wpływ ciepła na komponenty. W produkcji modułów słonecznych, na przykład podczas lutowania ogniw, mogą występować rozszerzenia termiczne i naprężenia mechaniczne, które są wizualizowane za pomocą oprogramowania do symulacji MES.
• Analiz drgań. Są one wykorzystywane do określenia, w jaki sposób działanie obciążeń stymuluje częstotliwości drgań własnych komponentów: Konstrukcja może zawieść w wyniku drgań.

Bezstykowa optyczna technika pomiarowa firmy ZEISS oferuje wydajne testowanie materiałów w różnych scenariuszach. Można ją łatwo zintegrować z istniejącymi pomocniczymi przyrządami pomiarowymi i wykorzystać do badań zachowania materiałów, komponentów i przyrządów w 2D lub 3D. Nie ma znaczenia, czy struktury są sztywne czy elastyczne. Optyczne systemy pomiarowe ZEISS pozwalają badać wpływ obciążeń termicznych i mechanicznych oraz oferują szeroki zakres możliwych zastosowań wyników pomiarów. Takie systemy pomiarowe mogą być używane:

• do wspierania symulacji numerycznych poprzez określanie właściwości materiałowych dzięki określeniu warunków brzegowych
• do weryfikacji symulacji numerycznych dzięki porównaniu i weryfikacji warunków brzegowych poprzez porównanie wyników na całej powierzchni
• w charakteryzacji materiałów
• w rozwoju produktu
• do zapewnienia jakości

Bezstykowa optyczna technika pomiarowa ZEISS oferuje możliwość testowania różnych materiałów blaszanych pod względem wpływu naprężeń przepływu. Podczas opracowywania nowych narzędzi do formowania wybierany jest odpowiedni model konstrukcji. W tym celu należy rozważyć zachowanie modeli pod wpływem określonych obciążeń. Punkty krytyczne są widoczne od razu, co umożliwia wprowadzenie odpowiednich poprawek.