Simulasi Efek Manufaktur Dini Membangun Desain yang Kuat
Dalam desain dan teknik, asumsi sering dibuat sebagai mekanisme penyederhanaan, dan terkadang karena penyederhanaan itu sudah cukup. Namun seringkali itu karena seseorang tidak memiliki waktu atau alat yang memadai untuk menaklukan efek non-linear.
Banyak komponen, proses manufaktur memiliki dampak signifikan pada kinerja produk, tetapi seringkali merupakan beberapa efek yang paling sering diabaikan. Efek manufaktur mana yang harus dipertimbangkan, dan mana yang dapat diabaikan? Jawaban untuk ini tidak selalu dipahami dengan baik. Seringkali, praktik standar dalam teknik adalah memiliki desainer membangun desain, melewakkannya ke analis, dan kemudian memiliki analis membangun dan menganalisis desain. Pendekatan ini seringkali cukup rumit dan, sebagai hasilnya, memakan waktu lebih lama dari yang diinginkan. Karena koneksi yang tidak ideal dan waktu dari CAD ke CAE, tidak jarang untuk menghabiskan lebih banyak waktu pada transfer data dan analisis awal daripada pada membangun, menganalisis dan memahami model.
Platform 3DEXPERIENCE – Menggabungkan Alat Desain dan Mekanika Padat:
Platform 3DEXPERIENCE oleh DASSAULT SYSTÈMES menggabungkan fitur desain kelas dunia CATIA dengan serangkaian alat mekanika padat linear dan non-linear dari SIMULIA. Kemampuan canggah ini memungkinkan koneksi yang lebih mulus antara CAD dan CAE dari yang biasanya di industri. Ini juga memungkinkan proses terpandu dan templat terstandarisasi, yang dapat menghasilkan jawaban pertama yang lebih cepat. Jadi, alih-alih perhitungan dan asumsi yang disederhanakan awal dilakukan oleh insinyur analisis struktural ahli, jawaban lulusan pertama ini dapat disematkan dalam CAD dan serangkaian alat teknik awal untuk mencapai baik model pertama dan tebakan awal mengenai indikator kinerja kunci struktural. Ini memungkinkan jawaban struktural linear lulusan pertama untuk dieksekusi dan dianalisis dalam CAD sebelum diserahkan kepada analis.
Insinyur analisis struktural kemudian dapat "mengasah bilah" dengan menyempurnakan model lebih lanjut dan menambahkan efek yang sesuai ke model "lulusan pertama" yang diserahkan kepada mereka. Beberapa pertimbangan manufaktur ini mungkin hanya "diperluas" asumsi linear, tetapi seseorang dapat menyertakan kontak, non-linearitas material, dan bahkan efek stres-kekakuan di mana yang sesuai. Seperti yang akan kita lihat, penyempurnaan ini dapat sangat penting dan dapat dengan mudah mengungkap kegagalan yang mungkin sebaliknya diabaikan. Beberapa contoh "klasik" non-linearitas adalah non-linearitas material – plastisitas pada baja, perilaku non-linear karet, pecahan dan kegagalan pada berbagai material dan komponen. Sementara ini sering dipahami dengan baik, dua bentuk non-linearitas lainnya lebih sering diabaikan—efek kontak, dan dampak dari "geometri non-linear." Ketiga bentuk non-linearitas ini dapat menjadi hasil dari proses manufaktur, dan semuanya dapat dengan mudah dimodelkan, dianalisis, dan di-post-proses pada Platform 3DEXPERIENCE.
Kami telah mengevaluasi dua contoh yang menunjukkan efek manufaktur ini, dan khususnya berfokus pada bagaimana masing-masing dapat memainkan peran dalam mempertimbangkan dampak efek manufaktur pada sistem.
Koneksi Pas Tekan di Lengan Kontrol Bawah:
Kontak biasanya dipahami oleh insinyur – dua atau lebih komponen "benturan" satu sama lain, dan gaya ditransfer di antara mereka, yang menghasilkan stres dan regangan. Contoh kontak yang sering tidak dipertimbangkan, tetapi dapat sangat kritis dalam implikasinya, adalah "pas tekan." Dalam pas tekan, satu komponen dari bagian luar sedikit lebih besar "dipaksa" ke dalam yang lain dengan bagian yang lebih kecil, sehingga namanya. Pas tekan harus menyeimbangkan persyaratan yang bersaing: terlalu sedikit interferensi di antara bagian dapat menghasilkan pas yang terlalu mudah ditarik keluar dan mengkompromi integritas sistem melalui pemisahan bagian. Namun, terlalu banyak interferensi akan menghasilkan stres dan regangan tinggi yang mengakibatkan kegagalan dalam satu atau kedua bagian.
Modul simulasi dalam Platform 3DEXPERIENCE dengan mudah memungkinkan kemampuan untuk tidak hanya menangkap pas tekan ini (alih-alih pendekatan yang disederhanakan), tetapi juga dapat menghitung variasi dalam interferensi untuk mempelajari stres yang dihasilkan dari pas tekan itu sendiri dan ketika stres pas tekan tersebut disertakan dalam pemuatan "standar." Gagal mempertimbangkan efek pas tekan dapat memiliki konsekuensi yang merusak.
Seperti yang ditunjukkan dalam contoh di atas, lengan kontrol bawah (yang merupakan contoh umum dari pas tekan) dapat gagal secara tidak terduga jika efek pas tekan tidak dipertimbangkan selama simulasi. Hasil di sisi menyesatkan dan dapat menyebabkan masalah garansi bagi produsen. Kegagalan dan panggilan balik yang tidak terduga seperti ini juga dapat mempengaruhi reputasi OEM.
Seringkali, dalam industri, efek pas tekan dipertimbangkan selama analisis rinci komponen. Interferensi pas terlalu banyak terdeteksi dan diperbaiki di tahap desain awal akan menghemat waktu dan biaya proyek keseluruhan.
Di bawah ini, kami merangkum alur kerja 3DEXPERIENCE untuk mencapai ini:
Modelling CAD Parametrik:
Desain berbasis parameter pada platform 3DEXPERIENCE memanfaatkan kemungkinan untuk menguji desain untuk konfigurasi yang berbeda. Interferensi antara lengan kontrol bawah dan bushing dapat didefinisikan dan bervariasi melalui parameter desain seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah.
Modelling dan Simulasi Terintegrasi:
Platform terpadu untuk modelling CAD dan simulasi memudahkan desainer untuk menganalisis komponen yang dirancang sebelum menyimpannya kepada insinyur simulasi. Bantuan Simulasi di platform 3DEXPERIENCE dapat memandu bahkan analis non-ahli untuk melakukan simulasi linear dan non-linear dasar sebelum menyampaikan model kepada analis ahli. Dalam kasus ini, dua kasus simulasi terpisah untuk beban vertikal 4KN dan beban lateral (arah X) 2.5KN didefinisikan. Untuk mengabaikan efek non-linear pada tingkat insinyur desain, bushing diikat ke lengan kontrol bawah dan silinder dalam bushing diikat.
Penggunaan Ulang Simulasi Linear untuk Melakukan Simulasi Non-linear Lanjutan:
Untuk studi yang detail dan akurat, insinyur desain dapat mengubah parameter koneksi antara bushing dan lengan kontrol bawah untuk menyertakan efek pas tekan dalam simulasi. Asosiatifitas antara CAD dan FEM memudahkan untuk mendefinisikan fitur simulasi baru atau memodifikasi fitur yang ada dalam simulasi linear. Manajer fitur memberikan tampilan terpadu dari fitur simulasi yang didefinisikan dan membuatnya sangat mudah untuk dimodifikasi dalam jumlah klik mouse minimum.
Otomatisasi dan Kolaborasi:
Analis ahli dapat mendefinisikan templat simulasi untuk alur kerja yang ditentukan dengan baik dan membuatnya tersedia dengan mudah untuk insinyur desain untuk melakukan analisis rinci sambil mempertimbangkan efek manufaktur. Widget berbasis web untuk melakukan simulasi yang telah ditentukan ini mendorong kolaborasi yang efektif antara desainer dan insinyur simulasi, yang dapat meninjau bersama dan menyelesaikan desain.
Oleh karena itu, alat komprehensif pada platform 3DEXPERIENCE memungkinkan untuk mengoptimalkan interferensi pas tekan di tahap desain awal dan menghindari kegagalan serta panggilan balik yang tidak diinginkan.
Modelling Baut di Sendi Clevis:
Contoh kedua dari efek manufaktur adalah sendi clevis. Sendi clevis adalah sekoci yang terdiri dari rangkaian berhuruf U (kadang disebut "ujung garpu") yang melalui pin atau baut. Pin ini biasanya melekat pada rangkaian atau batang, memungkinkan rangkaian untuk berputar sekitar pin sambil "mengunci" pada ujung garpu di semua arah lainnya.
Sendi clevis digunakan di seluruh berbagai produk, dan cukup umum dalam sistem suspensi otomotif dan peralatan berat, aplikasi mesin industri, rangkaian penerbangan ruang angkasa, dan berbagai kasus penggunaan lainnya. Mereka dapat sangat kecil dengan "pin" kecil sederhana sebagai sendi untuk barang rumah tangga murah, tetapi untuk peralatan industri dan mesin besar seringkali dapat sangat masif sehingga melebihi berat orang dan memerlukan baut yang sangat besar sebagai "pin.a" Dalam aplikasi mesin yang lebih besar, seringkali tidak cukup untuk sekadar "menghubungkan" ujung garpu ke batang, karena baut itu sendiri harus dikencangkan erat, yang dapat menambahkan stres manufaktur pada bagian sebelum "beban operasional" sama sekali dipertimbangkan. Beban baut ini cenderung "membengkokkan" ujung garpu dan dapat menghasilkan pre-stres signifikan. Jika stres manufaktur ini diabaikan, faktor keamanan yang salah untuk beban operasional dapat menghasilkan, menghasilkan stres puncak non-konservatif dan prediksi umur fatigue yang terlalu tinggi.
Dalam pemegang rahang ini, sebuah sendi clevis yang diatur baut digunakan untuk menghubungkan rangkaian ke komponen rahang. Untuk rangkaian seperti ini, baut besar (dengan pre-tensi baut yang terkait) perlu digunakan untuk menghindari pemutusan. Beban baut akan "menarik" cabang sendi clevis bersama-sama dan menghasilkan stres perakitan. Peralatan berat seperti ini seringkali over-engineered—lebih baik memiliki massa tambahan daripada risiko waktu henti untuk peralatan yang mahal ini. Tetapi bahkan dengan faktor keamanan yang tinggi, penting untuk mempertimbangkan bagaimana efek manufaktur ini digabungkan dengan beban operasional.
Untuk hasil simulasi yang ditunjukkan dalam gambar 9, beban operasional itu sendiri menghasilkan stres yang cukup kecil di cabang dan hampir 20% di bawah stres target. Namun, dengan mempertimbangkan stres yang diinduksi manufaktur di atas stres operasional, hasil aktual 30% lebih tinggi dari target. Stres ini, sementara jauh di bawah limit luluh, mungkin tetap mengakibatkan fatigue komponen pada akhirnya, yang mengakibatkan kegagalan di lapangan dan waktu henti operasional. Oleh karena itu, memilih gaya pengangkatan baut yang optimal sangat penting untuk menghindari masalah ini. 3DEXPERINCE platform provides a design friendly tool to perform these kind of simulations as summarized in the following workflow:
Modelling baut virtual:
Menentukan geometri CAD baut untuk mempelajari efek pengangkatan dapat mencakup kompleksitas yang tidak perlu (seperti non-linearitas karena kontak) bagi insinyur desain. Oleh karena itu, alat definisi baut virtual di 3DEXPERINCE menyediakan pendekatan yang disederhanakan untuk mendefinisikan representasi baut sebagai entitas FE dan memungkinkan preload untuk mempelajari efek pengangkatan. Desainer dapat dengan memilih tepi bagian atau menggunakan deteksi baut untuk mendefinisikan baut virtual di lokasi sendi clevis.
Menentukan simulasi linear:
Serupa dengan contoh pas tekan, bantuan simulasi dapat memandu insinyur desain untuk menyiapkan simulasi. Memilih fitur CAD seperti wajah, tepi atau titik sudut, insinyur desain dapat dengan mudah menentukan kondisi beban dan batas. Dalam kasus ini, rahang diikat pada wajah bawah dan beban 10KN diterapkan pada sendi clevis.
Templat kustom untuk DOE dan Optimasi:
Analis ahli dapat mendefinisikan templat simulasi berbasis web bagi insinyur desain untuk mempelajari efek nilai yang berbeda dari gaya pengangkatan baut pada sendi clevis. Desain eksperimen dapat dibentuk di tahap desain awal itu sendiri tanpa melibatkan analis ahli dalam lingkaran. Dalam kasus ini, efek preload baut yang bervariasi dari 1KN hingga 5KN dengan selisih 500N dipelajari menggunakan templat DOE komposer proses.
Validasi hasil berbasis web di Analitik Hasil:
Setelah proses selesai, insinyur desain dapat berkolaborasi dengan analis ahli untuk memvisualisasikan hasil pada widget berbasis web yang disebut Analitik Hasil. Hanya dengan memodifikasi parameter input seperti beban dan gaya pengangkatan baut, desainer dapat menggunakan kembali templat untuk model yang berbeda yang memiliki aplikasi yang serupa. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah, insinyur desain dapat menyimpulkan bahwa gaya baut di atas 2KN dapat melebihi stres di luar batas yang dapat diterima (150 MPa).
Jadi, insinyur CAE ahli dapat berkonsentrasi pada simulasi yang lebih lanjutan dan insinyur desain menangani efek manufaktur di tahap desain awal dan menghemat waktu dan biaya proses keseluruhan.
Kesimpulan:
Jika efek manufaktur dipertimbangkan sejak awal selama tahap desain, seseorang dapat lebih akurat memahami "faktor keamanan" yang sebenarnya dalam desain. Alat yang ramah desain pada platform 3DEXPERIENCE dapat membantu untuk memprediksi kinerja produk dengan lebih konsisten dan sebagai hasilnya dapat mengurangi biaya garansi, biaya panggilan balik, dan biaya operasional bagi pelanggan.
Lihat semua solusi Transportasi & Mobilitas kami dengan mengunjungi:
