A gépészeti tervezés, fejlesztés, terméktervezés napjainkban reneszánszát éli. A használati eszközök esetében kiemelt jelentőséggel bír a forma, az anyagválasztás, a gyárthatóság és természetesen a használhatóság. Ahhoz, hogy a termék, illetve az alkotóik mindezeknek a kihívásoknak megfeleljenek, már nem elég a rajztábla, a kétdimenziós műszaki rajzolás, és gyakran a modern 3D-s modellezés sem ad mindenre választ.
A 2D-s szoftverek használata esetében a mérnöki tapasztalat, tudás igen sokat számít egy terv elkészítésénél, a módszer természeténél fogva viszont korlátokba ütközhetünk. Például egy kétdimenziós rajz önmagában nem tartalmaz anyagjellemzőket, amíg egy 3D-s szoftvertől ez igencsak elvárható.
Analízisszoftverek jelentősége
A tervezőszoftverek mellett kialakult egy nagyon fontos szoftverfejlesztési irány, mégpedig az analízisszoftvereké. Ezek a szoftverek szinte valamennyi fizikai probléma számítógépes modellezésére alkalmasak: szilárdságtani, hőtani és frekvenciavizsgálatokra, dinamikai és ütközési analízisekre, valamint számos más kérdés elemzésére. Az analízisszoftverek végeselemmódszer alapján működtek (és működnek ma is), de kezelőjüknek a modellek megalkotásán túl igen tapasztaltnak kell lennie a módszer alkalmazásában, például a hálózási típus és minőség meghatározásában.
Viszont az analízisszoftverek igen jó eredményeket mutattak, és nagy százalékban közelítettek a valósághoz, tehát az analízis-szakember által kapott eredményeket a tervezőmérnökök nagy biztonsággal fel tudták használni. Például gépjárműmotort befogadó vázszerkezetnek mekkora a sajátfrekvenciája, és ez hogyan viszonyul a motor fordulatszám-tartományához? Van-e a vázszerkezetnek olyan sajátfrekvenciája, amelyet a motor erősíthet? Ha igen, ezt milyen módon és hogyan kell elhangolni? Más esetben a gépjármű ütközését és a vázszerkezet megbízhatóságát vizsgálták: hova, milyen elemet kell beilleszteni az ütközés biztonsága érdekében, vagy honnan lehet anyagot kivenni, hogy ez a biztonság ne sérüljön?
Tehát az analízis-szakember és a mérnök együtt dolgozik: a mérnök megpróbál egy megfelelő megoldást létrehozni, az analízist végző kolléga pedig ellenőrzi azt. Ebből azonnal adódik egy kérdés. Ha már van egy könnyen kezelhető és jó modellezési képességekkel rendelkező 3D-s CAD szoftver, miért ne lehetne egy hasonló tulajdonságokkal rendelkező analízisszoftver is?
A Dassault Systèmes SolidWorks létrehozta azt a megoldást, amely a SolidWorks tervezőrendszer által biztosított könnyedséget és rugalmasságot ötvözi a rendkívül gazdag tudásbázisú analízisszoftverrel. A korábban Cosmos márkanéven létező szimulációs rendszert teljes mértékben integrálták a SolidWorks alá, és a SolidWorks Simulation-csomagokban érhető el. A továbbfejlesztések során megvizsgálták, vannak-e a végeselemes analízis szoftvereiben olyan műveletek, amelyeket részben automatizálni lehet, vagy lehet-e úgy intelligenssé tenni a szoftvert, hogy a 3D-s modellek alapján bizonyos beállításokat automatikusan megtegyen.
Modellezés és hálózás automatizálása
Aki már használt valamilyen szimulációs vagy analízisszoftvert, tudja, hogy a vizsgálatokhoz az eredeti számítógépes modellektől kissé eltérő egyszerűsített modellekre van szükség. Az analízisre használt modellek általában nem tartalmaznak olyan alkotóelemeket, mint lekerekítés, letörés vagy a vizsgálat szempontjából elhanyagolható részletek. A vizsgált szerelésekből vagy összeállításokból kihagyhatók a csavarok, amelyeket csavarkötéses kapcsolattal helyettesítünk, így csökken az alkatrészek száma, de a vizsgálat során ez nem befolyásolja lényegesen az eredményeket. Tehát, ahol lehet, ott minél egyszerűbb legyen a vizsgált modell, de mégis a valósághoz közeli állapotot szimuláljuk.
Szintén egy fontos szempont, hogy milyen az alkatrészek geometriája, és ezekre a szoftver milyen hálózást hajtson végre. Természetesen ez is automatizálható. Ha például egy zártszelvényekből álló szerkezetet vizsgálunk, sokszor elég úgynevezett rúdelemeket használni, vagy a lemezalkatrészek esetében felületelemeket. Az már alapvető, hogy ezek bármely kombinációja lehetséges, és a legtöbb szimulációnál nem okoz számottevő veszteséget az ilyen egyszerűsítés, ugrásszerűen csökkenti viszont a szimuláció számítási idejét.
Az analíziseknél fontos szerepe van annak, hogy az alkatrészek egymáshoz képest hogyan mozdulhatnak el: például fixen rögzítettek, csak síkban mozoghatnak, vagy szabadon mozoghatnak, de egymásba nem hatolhatnak.
A tervezők szolgálatában
A SolidWorks Simulation szoftver alkalmas a 3D-s modellek bizonyos egyszerűsítésére, az úgynevezett hálózás automatikus változtatására (adaptív hálózás), és nem utolsósorban a kényszerek és kapcsolódások automatikus megadására. A felhasználónak szinte elég csak az alkatrészek anyagait definiálni, a terheléseket (erő, nyomás, hőhatás stb.) megadni. Gondoskodni kell a speciálisabb elmozdulásokról, az alkatrészek közötti kontaktokról, a megfogásokról, bár ezek jelentős részét a jól felépített analízisszoftver képes a szerelési modell alapján értelmezni (példa erre a már említett csavarkötés vagy a hegesztett kapcsolat). Ezekkel az automatizmusokkal, valamint a szoftver és felhasználója közötti interakciók egyszerűsítésével rendelkezésre áll egy olyan szoftvereszköz, amelyet a tervezőmérnökök is használhatnak, és megteremti a lehetőséget az általuk tervezett szerkezet gyorsabb analízisére.
Az eredmények számos kiértékelésre adnak lehetőséget: meghatározhatók az alkatrészekben fellépő kritikus feszültségek, vizsgálhatjuk a biztonsági tényezőt, meghatározhatjuk szerkezetünk sajátfrekvenciáit. A SolidWorks Simulation Professional esetében ennél tovább is mehetünk: kifáradás- és ejtésvizsgálatot is végezhetünk, illetve nemlineárisan viselkedő anyagokat is szimulálhatunk. E megoldás sok szempontból előnyös. A tervező gyorsan tesztelheti saját koncepcióit, és már a tervezés korai fázisában kiválaszthatja a legjobb megoldásokat. Nem kell terhelni az analízises kollégát az egyszerű alakoptimalizálásokkal (gyorsan meghatározható, hogy egy alkatrészből honnan vehető el anyag, vagy hol kell erősíteni).
Látszólag a mérnökökre több feladat hárul, és mondhatják, hogy a tervezés közben nincs idő az ilyen vizsgálatokra. A teljes projekt idejét tekintve azonban jelentős idő megtakarítható: később kevesebb változtatás szükséges. Növekszik a legyártott szerkezetek megbízhatósága, csökkennek a gyártási hibák, selejtek, rövidül a szerelési és gyártási időszak. Az alkatrészek súlyát csökkenteni, a beépített anyagokat ár és minőség szempontjából is optimalizálni lehet. Ma már egyre nagyobb jelentőséggel bír a gyártandó alkatrészek anyagainak megfelelő megválasztása, hiszen az alapanyagok ára jelentősen nő. A mérnöki munka mind nagyobb hozzáadott értéket képvisel.
Speciális szimulációk
A tervezési feladatok egyre komplexebbek, ezért nő az igény a speciális szimulációs szoftverekre, amelyek lassan, de biztosan közelebb kerülnek a mérnökökhöz. Például az áramlástani szoftverek egyre fontosabb szerepet játszanak az elektronikai eszközök fejlesztésénél a hűtési rendszer kialakításában, a keverőberendezések tervezésénél vagy bármely olyan eszköznél, illetve alkatrésznél, amelyet folyadék, gáz vagy kevert halmazállapotú közegek kezelésére fejlesztettek ki. Természetesen a végeredmény érdekében itt is a megfelelő geometria kialakítása a cél. Ezekre a problémákra ad választ a SolidWorks FlowSimulation szoftver. A vizsgált áramlás lehet külső és belső, lamináris és turbulens. A program alkalmas hőcserélők vizsgálatára is.
Nem szabad megfeledkezni a kinematikai és dinamikai szoftverekről sem: ezek általában a szerkezetek mozgását tesztelik, hol, mikor, melyik alkatrész ütközik. Visszanyerhetünk azonban ennél sokkal fontosabb információkat is. Egy valós mozgó szerkezetben tömegek mozognak valamilyen súrlódással, veszteségekkel, gravitációs környezetben. A szimuláció során a legtöbb esetben arra kapunk választ, hogy a megfelelő mozgatáshoz mekkora erő szükséges, vagyis milyen hajtást, motort, gerjesztést adjunk a rendszernek. Megtudhatjuk, hogy az alkatrészek kiválasztott pontjaiban milyen erők, reakcióerők ébrednek, és ezeket az erőket felhasználhatjuk a korábban említett szilárdsági analízisekhez. Az ilyen analízisek elvégzésére a SolidWorks Motion alkalmas, amely már teljes egészében része a SolidWorks tervezői csomagnak a Premium szinten.
Határterületeken is alkalmazhatók
Ma már a nem teljesen gépészeti területeken történő fejlesztések esetében is számos lehetőség van a szimulációra, és mint ilyenek, 3D-s tervezőszoftvert igényelnek. Például egy villanymotor-fejlesztés is nagy részben kíván gépészeti feladatokat, és a tervezői-szimulációs környezetben alkalmazhatunk elektromágneses analízist. Az említett esetek vizsgálatában a SolidWorks CAD és a SolidWorks Simulation csomagjai egyedülálló megoldást biztosítanak az egyszerű kezeléssel és a magas szintű tudásbázissal.
A SolidWorks esetében további partneralkalmazások teszik lehetővé az egyéb szimulációs vizsgálatokat is. A lámpatestek, fényszórók, lencserendszerek tervezésénél is a gépészeti, terméktervezői szoftver szolgáltatja az alapot. A geometriák meghatározása után a felhasználó megadhatja a tükrök, lencsék anyagait, felületi tulajdonságait, a fényforrásokat. A végeredmény a valóságot jól megközelítő fényeloszlás-, színkép-, sugár- és fotometriai analízis, amelyekből a terméktervező ergonómiailag tesztelt modellt kap.
A műanyag alkatrészek tervezése esetében meg kell említenünk a fröccsöntési szimulációkat, amelyekkel választ kaphatunk a megfelelő fröccsöntési pont elhelyezéséről, a nyomás- és hőmérséklet-eloszlásról, a kitöltés jóságáról vagy a beszívódási helyekről. Ezek az információk mind a gyártás, mind az alkatrész megfelelő megoldásait elősegítik.
Visszatérve a gépészeti életben szükséges analízisekre, a tervezők komolyan profitálhatnak az olyan eszközök használatából is, mint például a tűrésanalízis vagy a gyárthatósági vizsgálat. A tűrésanalízis segítségével a tűrésmezők kombinációival alapvetően a szerelések legjobb és legrosszabb eseteit találhatjuk meg, illetve a szórásértékeket vizsgálhatjuk. A gyárthatósági vizsgálattal a tervező figyelmét nem kerülik el a gyárthatatlan részletek (például éles belső sarkok) vagy a nem szabványos alkotóelemek (például helytelen magméretű menetes furatok). Ezek segítségével apró, de fontos lépéseket lehet tenni a minőségi tervezés és gyártás irányába.
A felhasználók esetében minden döntés alapja, hogy megéri-e a beruházás, mikor és hogyan térül meg az új szoftvereszköz. Ha a beruházó a bemutatott lehetőségeket ki tudja használni, a mai szimulációs szoftverek két-három megbízás, néhány hónap alatt visszatermelhetik az árukat. Igaz, hogy már nemcsak az olcsó távol-keleti termékek özönéről beszélhetünk, hanem egyre több, például kínai tervezésű gyártóeszköz is megjelenik az európai piacon. Hogyan lehet ilyen környezetben egy hazai gyártó versenyképes? A minőség növelésével jelentősen növelheti esélyeit. A SolidWorks teljes mértékben támogatja, hogy felhasználói minőségi termékeket fejlesszenek és gyártsanak.
Wiesler Zoltán
