Analiza techniczna
Skrót CAE oznacza computer-aided engineering, podkategorię narzędzi wspomaganych komputerowo, które obejmują CAD do projektowania i CAM do produkcji.
Według firmy Siemens, jednego z głównych graczy w dziedzinie oprogramowania inżynieryjnego na świecie, CAE odnosi się do „wykorzystania oprogramowania komputerowego do symulacji wydajności w celu poprawy projektów produktów lub pomocy w rozwiązywaniu problemów inżynieryjnych”, w tym do walidacji i optymalizacji produktów.
W skrócie, oprogramowanie CAE symuluje, jak części i produkty będą działać w warunkach, dla których zostały zaprojektowane. To z kolei pomaga projektantom i inżynierom przewidywać wydajność, a tym samym umożliwia im dokonywanie świadomych wyborów projektowych w trakcie całego procesu projektowania.
Podsumowując, CAE może być rozumiany jako cyfrowy proces prototypowania. Chociaż wiele z nich odnosi symulację do analizy strukturalnej, CAE wykracza daleko poza symulację analizy naprężeń. Rozciąga się on na szeroki zakres aspektów inżynierskich, takich jak temperatura, akustyka a nawet procesy produkcyjne, takie jak formowanie.
W tym artykule omówimy najbardziej krytyczne aspekty CAE i zbadamy niektóre z jego rzeczywistych zastosowań, zaczynając od kontekstualizacji i tego, jak odnosi się on do innych narzędzi wspomaganych komputerowo.
Era technologii CA
Technologie CA od jakiegoś czasu obecne są w wielu sektorach przemysłu. Projektowanie nowego samochodu lub samolotu bez takich narzędzi jest naprawdę niemożliwe, biorąc pod uwagę dzisiejsze wysokie wymagania w zakresie wydajności i szybkie tempo rozwoju rynku.
Rewolucja rozpoczęła się wraz z pojawieniem się w latach 80 narzędzi C). Firmy mogły teraz tworzyć wszystko, od domów po małe produkty bezpośrednio na ekranie komputera, obniżając koszty i drastycznie obniżając czas projektowania. CAE w końcu zapewnił środki na udoskonalenie takich produktów, podczas gdy CAM zaczął wspierać rzeczywistą produkcję.
Obecnie większość narzędzi wspomaganych komputerowo jest zintegrowana z rozwiązaniami programowymi typu all-in-one, które są łatwo dostępne na rynku. Być może z tego powodu niewiele osób wie, że narzędzia CAE zostały faktycznie opracowane zanim system CAD stał się powszechnie dostępny.
Trochę historii
Analiza CAE opiera się głównie na numerycznej technice rozwiązywania problemów znanej jako metoda elementów skończonych (FEM). Jej wynalezienie jest prawie niemożliwe, jednak jej wczesne zastosowanie odnotowano już w latach 40. ubiegłego wieku, kiedy to wykonywano obliczenia balistyczne dla celów wojennych.
Przechodząc do lat 60-tych, analiza metodą elementów skończonych (MES) rozprzestrzeniała się szybko, ale w tamtych czasach inżynierowie wykonywali wszystkie jej skomplikowane obliczenia ręcznie. Zanim proces ten został zautomatyzowany, co nastąpiło w 1970 r., kiedy to John Swanson założył firmę Ansys.
Zwiększona wydajność obliczeniowa pozwoliła na dalszy rozwój narzędzi CAE, zarówno pod względem ich możliwości, jak i przeznaczenia. Wisienką na torcie była zdecydowanie integracja z narzędziami CAD 3D, która zarówno usprawniła, jak i poprawiła procesy projektowania i symulacji.
Obecnie narzędzia CAE są dość łatwo dostępne i choć do przygotowania analizy wymagane jest jeszcze zaplecze inżynierskie, cały proces jest nieporównywalnie prostszy niż pracochłonne, ręczne obliczenia wykonywane w przeszłości.
Plusy i minusy
Istnieje wiele korzyści wynikających z zastosowania CAE w kontekście rozwoju produktu:
Zmniejszenie kosztów i czasu projektowania: Narzędzia CAE umożliwiają inżynierom eliminowanie wszelkich potencjalnych problemów na bardzo wczesnym etapie projektowania, kiedy zmiany w projekcie są mniej kosztowne. Co więcej, mniej fizycznych prototypów jest wymaganych na dalszym etapie procesu rozwoju, co jeszcze bardziej redukuje koszty i czas.
Pomaga tworzyć lepsze produkty: Symulacje komputerowe dostarczają wystarczającą ilość danych do właściwej optymalizacji i udoskonalenia produktu, pozwalając inżynierom na poprawę wydajności i jakości produktu .
Wyboru projektu należy dokonywać w oparciu o wydajność: Efekty nawet najmniejszych zmian projektowych mogą być oceniane za pomocą CAE, co pozwala na przeprowadzenie bardziej ekonomicznych zmian wraz ze spostrzeżeniami dostarczanymi przez inne narzędzia CAD i CAM.
Kilka niedociągnięć
Chociaż CAE jest niezwykle użyteczny w rozwoju produktu, nie jest dla wszystkich. Profesjonalne oprogramowanie CAE jest bardzo drogie, zwykle wymaga potężnych stacji roboczych, aby móc prawidłowo działać.
Ponadto, aby uzyskać jak najdokładniejsze wyniki, niezbędna jest wyspecjalizowana kadra z głęboką wiedzą inżynierską. Większość pakietów oprogramowania wymaga specjalistycznej wiedzy, co dodaje dodatkowy czas szkolenia do ogólnych kosztów wdrożenia.
Główne zastosowania
Podczas gdy wdrożenie CAE wymaga znacznych nakładów inwestycyjnych, w przypadku kilku branż nie trzeba długo czekać, aby koszty początkowe były warte zachodu.
Inżynieria mechaniczna
Biorąc pod uwagę zwiększoną złożoność dzisiejszych zespołów mechanicznych dla przemysłu motoryzacyjnego, maszyn i innych, CAE jest bardzo przydatny do analizy złożonych interakcji. Nie ogranicza się to w żaden sposób do analizy naprężeń, co zobaczymy w poniższym przykładzie.
Wydajność wewnętrznego chłodzenia silnika pojazdu ma kluczowe znaczenie zarówno dla jego funkcjonalności, jak i trwałości. Podczas gdy efektywność chłodzenia oleju jest zazwyczaj oceniana za pomocą fizycznego prototypowania z wykorzystaniem ogromnej liczby czujników, dział Napędów Toyoty wykorzystał symulacje CAE do oszacowania tej wydajności na znacznie wcześniejszym etapie. Schematy przepływu oleju i wymiana ciepła wiążą się z niezwykle złożonymi trójwymiarowymi interakcjami, ale zespół mógł odpowiednio modelować problem i ostatecznie był w stanie zmniejszyć masę komponentów, jednocześnie poprawiając wydajność chłodzenia.
Architektura i inżynieria lądowa
Branża budowlana w dużej mierze skorzystała również z analizy symulacji prognostycznych. Ze względu na wielkoskalowy charakter jej projektów, fizyczne prototypowanie musiało zostać uproszczone, ponieważ tworzenie modeli o rzeczywistych rozmiarach jest niepraktyczne.
Biuro architektoniczne AS+GG zastosowało oprogramowanie obliczeniowe do dynamiki płynów w celu przetestowania i walidacji wczesnych projektów wieżowca w odniesieniu do wpływu środowiska. W przypadku takich budynków wpływ wiatru jest niezwykle ważny, ponieważ silnie wiążą się z kształtem i orientacją budynku. Na podstawie danych dostarczonych przez oprogramowanie CAE, architekci opracowali projekt, który zmniejszył wpływ wiatru o 35% w stosunku do ich własnych początkowych projektów.
Lotnictwo
Części samolotów muszą być tak niezawodne i lekkie, jak to tylko możliwe, a takie cechy są klasycznym kompromisem inżynierskim. Analiza CAE pomaga inżynierom zmaksymalizować redukcję masy komponentów lotniczych, gwarantując jednocześnie ich właściwe funkcjonowanie w eksploatacji.
Carbon Freight opracował elastyczny panel załadunkowy dla samolotów towarowych, który jest o 18% lżejszy. Amerykański startup wykorzystał analizę strukturalną do testowania i walidacji nowych materiałów, ponieważ jego elementy są produkowane z materiałów kompozytowych, a nie z aluminium. Według firmy, zastosowanie CAE skróciło czas opracowania o połowę i pozwoliło zaoszczędzić setki tysięcy dolarów w testach.
Liderzy branży i opcje oprogramowania
Chociaż nie jest to tak powszechne jak oprogramowanie CAD czy CAM, na rynku jest wiele pakietów CAE. Do najbardziej znanych twórców CAE należą Ansys, Altair i SimScale, a niektóre inne firmy produkujące oprogramowanie, takie jak Autodesk i Dassault Systèmes, również mogą pochwalić się wieloma programami symulacyjnymi w swoich obszernych portfolio.
Podążając za najnowszym trendem aplikacji opartych na chmurze, twórcy CAE (w tym wyżej wymienionych) podążyli za nim. Przetwarzanie w chmurze jest szczególnie przydatne do symulacji, ponieważ do przeprowadzenia wielu lokalnych analiz często potrzebny jest specjalny (i kosztowny) sprzęt.
Przyjrzyjmy się kilku opcjom:
Fusion 360: Jeszcze kilka miesięcy temu Fusion 360 udostępniała swoje środowisko symulacyjne na swoich bezpłatnych kontach osobistych. Mimo, że obecnie ogranicza się do licencji edukacyjnych, start-upowych i płatnych, Fusion 360 pozostaje dostępną platformą dla CAE, w tym optymalizacji topologii i projektowania generatywnego, które zasadniczo wykorzystują analizę FEM w swoich podstawowych procesach.
HyperWorks: Po bardziej profesjonalnej stronie, Altair’s HyperWorks jest jednym z liderów rynku w CAE. Wraz z ich solwerem Optistruct, ten pakiet oprogramowania obejmuje cały proces tworzenia, eksplorowania i optymalizacji projektów.
Abaqus: Abaqus firmy Dassault Systèmes jest również dość popularnym pakietem CAE, ponieważ ich rozwiązania CAD (jak SolidWorks i CATIA) są tak powszechne w zastosowaniach przemysłowych. Oferuje on ujednoliconą platformę dla różnych typów analizy FEM i jest uważany za odpowiedni zarówno dla nowych jak i doświadczonych użytkowników.
Źródło: https://all3dp.com
