Doporučujeme, Horizonty

Jak se stavějí modely. Ty virtuální

4 září 2018   Galerie

V oboru pracuje již sedmnáct let, je tedy na slovo vzatým odborníkem. S Petrem Malým z hořické společnosti Altran CZ jsme si povídali o tom, co obnáší stavba takzvaných výpočtových FE modelů.

„Tyto modely jsou  jakési virtuální prototypy. Slouží k různým numerickým analýzám. Používáme několik metod, nejčastěji tu zvanou FEM, tedy metodu konečných prvků z anglického finite element method,“ popisuje Malý, jenž v Altranu pracuje v oddělení zkušebny jako výpočtář.

To, co chceme analyzovat, je nejprve nutné mít jako CAD data, ty pak rozdělit na malé části o konečné velikosti (finite element), které lze matematicky popsat. K tomu slouží speciální programy zvané pre-procesory. Ty geometrický model připraví tak, aby se na něm vytvořila síť uzlů tvořící elementy, takzvanou FE-síť. Je možné vytvořit sítě nosníkové (1D), plošné (2D) a objemové (3D). Většina složitějších sestav obsahuje všechny druhy sítí. Takto vytvořená síť konečných prvků musí být doplněna o okrajové podmínky, těmi jsou vazby mezi díly, zatížení, které na součást působí atd.

Takto vytvořený model lze použít k vlastním analýzám či výpočtům, které zpracovává program zvaný řešič – solver. Po zpracování řešičem vznikají výsledkové soubory, které musí výpočtář vyhodnotit. Nejvíc lidské práce tedy zabere příprava modelu a pak vyhodnocení výsledků, to mezi tím dělá počítač.

Několikaletá optimalizace

Na tomto modelu se zjišťují vlastnosti dílu nebo sestav: jestli tuhost odpovídá zadání; zda je jeho funkce taková, jaká má být; jestli díl není poddimenzovaný nebo příliš těžký; a samozřejmě i to, jestli je ekonomicky výhodný.

Budoucí výrobek následně prochází několika cykly optimalizací. Teprve pak z konceptu vznikne finální návrh, z něhož se nakonec vyrobí prototyp. „Může se jednat klidně i o pět optimalizačních cyklů, které mohou trvat i několik let. Samozřejmě záleží na tom, jak složitá věc se dělá. Například celé sestavy, které v nejsložitějším případě tvoří celý automobil, mají několik tisíc součástí. A každá z nich projde podobným vývojovým cyklem,“ popisuje výpočtář a dodává, že vývoj i optimalizace často probíhají už ve firmách, které automobilkám díly dodávají.

„Jsme tedy jednom malým kolečkem v obrovském soukolí procesu, který vede k jednomu cíli: vyrábět levněji lepší, kvalitnější výrobky, které navíc mají například nižší spotřebu energií,“ říká Malý. „Metodu konečných prvků lze použít na dlouhou řadu fyzikálních oborů. Nejde tedy jen o tuhost nebo nárazové zkoušky, které jsou nejčastější u nás. Může se simulovat třeba proudění vzduchu, tekutin, tepla nebo například magnetismus,“ dodává.

Přečtěte si, jak v Hořicích „počítali“ závodní speciál Škodu Fabia R5.

 

Od čtverečkovaného papíru k milionům

Pojďme se teď konkrétněji podívat, jak celý proces v počítači probíhá. Jak už zaznělo, v CAD programu vznikne konstrukční návrh. Ten si výpočtář přehraje do zmiňovaného pre-procesoru a v něm díl virtuálně „rozřeže“. „Vznikne tak síť konečných prvků, v dnešní době nejčastěji o velikosti hrany tři až pět milimetrů podle toho, jak hustá síť je potřeba a jak detailně ji chceme popsat. Můžeme to dělat ručně, většinou se ale využívají poloautomatické algoritmy, které si nejběžnější  tvary umějí samy najít a sítí pokrýt. Lze také využít automatiku, která má ale u složitějších tvarů zatím nevyhovující výsledky,“ popisuje Malý.

Každá taková analýza samozřejmě narazí na limit v podobě počtu prvků a jejich velikosti. Roli totiž  hraje i čas: čím menší elementy, tím je jich více a tím vzrůstá i strojový čas na řešení daného výpočtu – zákazníci jsou netrpěliví a chtějí výsledky hned, nemohou čekat týden, než se spočítá jeden výpočet. „Jde tedy o vyvážení rozměrů jednotlivých elementů, jejich počtu a nároků na výpočetní čas s požadavkem zákazníka na termín dodání. Pokud se podíváme na jednoduchou úvahu a délku strany čtyřuzlového elementu zmenšíme na polovinu, počet elemetů celkem naroste na čtyřnásobek. Na druhé straně všechny metody jsou o míře zjednodušení, čili by jemnější model mohl být i přesnější. Metoda  FEM vznikla ve čtyřicátých letech minulého století. Nebyly počítače, všechno se kreslilo ručně na čtverečkovaný papír, zpracování úloh muselo být velmi náročné i pro jednoduché modely (v každém uzlu dochází k výpočtu soustavy parciálních diferenciálních rovnic). Dnes běžně používáme modely se čtyřmi miliony elementů a výsledky jsou hotové v řádu hodin,“ ilustruje Malý, jaký pokročil obor a vývoj IT zařízení.

Společně na několika kontinentech

Když je model takto nasíťovaný, musí se pospojovat (vytvořit vazby). Používají se na to jiné elementy než čtyř- nebo tříuzlové nosníkové prvky pro svary nebo lepidla. Petr Malý k tomu dodává: „Dnes se používají nezávislé elementy na uzlech sítě, není tedy nutné vytvářet kompatibilní sítě jako dřív. Před lety byl model mnohem náročnější na přípravu a nešel dělat nezávisle na času a místě. Dnes na každém dílu sestavy může pracovat někdo jiný a fyzicky přitom být každý na jiném kontinentu. I to se děje. Pak je jen nezbytné vše sehrát dohromady a pospojovat to.“

Vznikne tedy nějaká sestava. Ta buď patří do další, nadřazené sestavy, nebo jde o samostatný celek, který se už podrobuje analýze. „Stručně řečeno, když nás zajímá tuhost dveří, nemodelujeme kvůli tomu celý automobil. Vymodelujeme pouze dveře, podobně jako by to bylo s reálným dílem ve zkušebně. Ona vůbec většina simulací, kterými se zabýváme, je virtuální obdoba skutečných, fyzických testů. Představte si například kliku dveří auta. Jakou silou je potřeba za ni zatáhnout, aby se dveře otevřely? A jakou silou, abyste dveře vytrhli z pantů? To všechno se dá nasimulovat,“ popisuje Malý.

S odchylkami se počítá

Takový model pochopitelně není zcela přesný. Ani nemůže být, jde přece o počítačovou simulaci pomocí zjednodušeného modelu. S odchylkou od reality se proto počítá. Výhodou ovšem je, že tato odchylka je předem známá a při dodržení parametrů sítě stejná. „Ze zkušenosti  třeba víme, že konkrétní výpočet vyjde o deset procent příznivěji než fyzická zkouška. Absolutně správná čísla nám to neřekne, ale víme, že když provedeme nějakou změnu, optimalizaci, která povede k pětiprocentnímu zlepšení, vyjde přibližně stejné zlepšení i u reálného testu. Můžeme tedy vybrat takovou kombinaci jednotlivých zlepšení, která nám dá nejlepší výsledek. A právě tohle jsou ty opakující se cykly vývoje, který může trvat i několik let, jak jsem zmiňoval na začátku,“ vysvětluje Malý.

Jaké jsou nejčastější „výpočtářské“ zakázky? „Typicky jsou to právě ty dveře, kliky, páté dveře, občas kapota nebo celá karoserie. Nebo se zabýváme deriváty: k už existujícímu modelu hatchbacku přidáme jinou záď a stvoříme tak kombík. Dá se říct, že rukama nám projde všechno, co se bude nějak analyzovat.  Často jde o přípravky, které později slouží ve zkušebně, a jen se ověřuje, jestli je jejich vlastní frekvence v dostatečném odstupu od zkoušených dílů,“ uzavírá specialista Altranu.

 

, ,



Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Anti SPAM *

Buďme v kontaktu

Sledujte VVAutomotive na síti LinkedIn a na Facebooku – buďte v kontaktu s profesionály z oboru. Odebírejte aktuální informace a rozšiřte komunitu odborníků.