Obr. 1 – Ukázka vlastního tvaru na vlastní frekvenci modulu
Metoda konečných prvků (MKP) je numerická metoda, která slouží k simulaci průběhu napětí, vlastních frekvencí, šíření tepla a dalších veličin na vytvořeném fyzikálním modelu. Na konci 60. let nechala NASA vyvinout první výpočetní konečnoprvkový software NASTRAN pro řešení složitých pevnostních úloh. V dnešní době je na trhu k dispozici několik výpočetních softwarů. My v ALCZ používáme software ANSYS Structures – modul pro pevnostní výpočty.
V oddělení R&D ALCZ jsme se pevnostními simulacemi v programu ANSYS začali zabývat od roku 2016, dříve byly pevnostní simulace řešeny pouze v ALDE-RT. Simulace v ANSYS jsme začali používat z důvodu rostoucího počtu pevnostních problémů, převážně na světlometech s LED moduly, které mají oproti běžným reflektorům větší hmotnost.
Pevnostní problémy s sebou nesou nemalé náklady na následné opravy. Použitím simulací se snažíme těchto problémů vyvarovat už v procesu návrhu. V současné době jsou pevnostní simulace plně zapracovány do vývoje světlometů a slouží k odhalení kritických míst světlometů již v počáteční fázi vývoje a také pro optimalizaci konstrukcí světlometů. Simulační tým se rozrůstá, nyní se skládá z pěti specialistů na pevnostní výpočty.
Obr. 2 – Výpočetní model 3D rámečku modulu s detailem uchycení
Náplní práce těchto „simulantů“ je analyzovat konstrukci světel z hlediska pevnosti ve třech fázích vývoje:
- Předvývoj
- Status 1
- Status 2
Požadavky na simulace zadávají většinou konstruktéři nebo vedoucí projektu. „Principem všech MKP simulací je diskretizace spojitého kontinua do konečného počtu prvků“, tvrdí teorie. Zjednodušeně řečeno se z 3D CAD modelu vytvoří síť definovaného počtu elementů, na které probíhá výpočet.
Pak se nadefinují materiály, okrajové podmínky a vazby mezi jednotlivými díly, které popisují chování modelu. V závislosti na počtu elementů a náročnosti úlohy je výpočetní čas v řádu hodin až dní. Záleží především na složitosti úlohy, ale také na výkonu počítačové stanice.
Modely celých světel se nedají počítat na standardních počítačích. Model celého světlometu obsahuje pro názornost cca 2,5 milionu elementů. Pro výpočet takové úlohy je zapotřebí počítačová stanice disponující operační pamětí RAM 256 GB a pevným diskem s extrémní rychlostí zápisu o velikosti 2 000 GB.
Obr. 3 – Ukázka konvergence výpočtu v programu ANSYS
Zdálo by se, že pevnostní problémy se vyřeší pořízením simulačního programu ANSYS a výkonné počítačové stanice, ale jak je již zmíněno v nadpisu (citát Seneca), není vše tak jednoduché. Záleží především na znalostech výpočtáře, aby vytvořil model, který se svým chováním bude blížit realitě.
Naše pevnostní simulace se dají rozdělit na dvě hlavní oblasti: Simulace montážního (výrobního) procesu, což je statická analýza a simulace provozu světlometu ve vozidle (životnost), což je dynamická analýza.
Výstupy pevnostní simulace
Vlastní frekvence – velikost vlastní frekvence a tvar kmitání na vlastní frekvenci nám určují tuhost konstrukce, která má přímý vliv na výchylku světelného paprsku.
Rozložení napětí – je výstupem jak ze statické tak i dynamické analýzy. Znázorňuje nám namáhání dané součásti a určuje, zda nebylo překročeno dovolené napětí, což by ústilo v destrukci dílu.
Rozkmit HDG hranice – její výstup je průběh kmitání světelného paprsku při definovaném zatížení od zákazníka.
Obr. 4 – Rozložení namáhání na reflektoru
Zákazníkem je také definována maximální přípustná amplituda kmitání světelného paprsku. V našem týmu se řídíme mottem celého oddělení vývoje – „neprezentuj problémy, ukaž výsledky“. Naší prací tedy není jen tvořit výstupy z pevnostních simulací, ale v případě negativních výsledků i konstrukční doporučení a návrhy na změny vedoucí k lepším výsledkům.
Ověření výsledků s realitou
Jak již bylo zmíněno, snažíme se vytvořit výpočetní modely, které se svým chováním co nejvíce blíží realitě. Proto úzce spolupracujeme s testovacím vývojovým oddělením EEV. Jejich reálná naměřená data porovnáváme s našimi vypočtenými výsledky a tím ověřujeme naše modely. Podle případných rozdílů mezi naměřenými a vypočítanými výsledky můžeme model upravit tak, aby naše výstupy při příští simulaci maximálně odpovídaly realitě.