POWRÓT

SEMESTR VI

Autodesk Inventor, jako narzędzie do symulacji dynamicznej i kinematycznej - podstawy teoretyczne. Opracowano na podstawie - A. Jaskulski - Autodesk Inventor, Metodyka projektowania


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Założenia teoretyczne do symulacji dynamicznej w systemach CAD
Etapy tworzenia symulacji dynamicznej
Analizy dynamiczne - wstęp


 

Założenia teoretyczne do symulacji dynamicznej w systemach CAD

   

   Symulacja umożliwia zrozumienie kinematycznego i dynamicznego zachowania mechanizmów. Dla przypomnienia Kinematyka odnosi się do ruchu mechanizmu, w tym do określania położenia, prędkości i przyspieszenia, natomiast dynamika zajmuje się ruchem ciał materialnych pod działaniem sił. To oddziaływanie sił jest treścią drugiej zasady dynamiki, zgodnie z którą, jeżeli na ciało działa stała siła wypadkowa, to ciało porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do działającej siły, a odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała.

a = F/m lub F = m * a (1)

gdzie F = siła zewnętrzna, m - masa, a - przyspieszenie

W równaniu przyspieszenie możemy wyrazić jako funkcję prędkości a = dv/dt. Wtedy po przekształceniu wzór na siłę (F) możemy wyrazić równaniem.

F = m * dv/dt (2)

Całkując przyspieszenie otrzymamy wzór na prędkość

dv/dt = F/m (3)

v = dx/dt = F*t2/m (4)

Całkując prędkość otrzymamy wzór na położenie

x = (1/2)*(F*t2/m) (5)

   Wzory 4 i 5 praktycznie wykorzystano w symululatorze Inventora do obliczeń przyspieszenia, prędkości oraz położenia części/zespołów na każdym etapie symulacji.

   Podczas typowego procesu projektowania, projektant musi znaleźć odpowiedziedź na kilka ważnych pytań, min. takich jak:

  • Czy zaprojektowane części, elementy będą pasowały do siebie oraz czy elementy będą współpracowały ze sobą idealnie?
  • Czy podczas pracy zespołu wystąpią zakłócenia mogące być przyczyną awarii?

   Okazuje się, że bardzo szybko na tego rodzaju pytania uzyskamy odpowiedź korzystając z pakietu do symulacji kinetycznej i dynamicznej Inventora. Pakiet ten pozwala uzytkownikowi w sposób automatyczny przetwarzać wprowadzone ograniczenia montażowe dla połączeń mechanicznych, zapewnia możliwość przyłożenia sił zewnętrznych do wyznaczonych miejsc części lub zespołu, w tym grawitacji, a także uwzględnia skutki tarcia stykowego, tłumienia i bezwładności.

   Możliwości symulacyjne Inventora są następujące;

  • Pozwala, m.in. na przeprowadzenie symulacji dynamicznej (badanie ruchu i związanych z nim naprężeń),
  • zbadać linowe naprężenia statyczne i wykonać analizę modalną (przewidywanie naprężeń i ugięć),
  • wykonać optymalizację projektu parametrycznego (badanie wpływu różnych zmian parametrów projektu na jego działanie) oraz wstępną symulację form wtryskowych (automatyzacja najważniejszych czynności procesu projektowania form wtryskowych dla wyrobów z tworzyw sztucznych).

   Bardziej zaawansowane możliwości symulacyjne dostępne są w Autodesk Nastran In-CAD, Autodesk Simulation, Autodesk Moldflow. Dzięki tym informacjom projektant może korzystając z symulatora poszukać odpowiedzi w jaki sposób będzie zachowywało się urządzenie przy zadanych parametrach, a tym samym zmniejszyć ryzyko pojawienia się błędu.
Cztery kroki do zrobienia dobrej symulacji w Inventorze sa nastepujące

  • Przygotuj dobry model. Dobry, czyli taki, który będzie można łatwo liczyć. Pierwsza zasada to zdefiniowanie jako odrębne komponenty lub podzespoły każdego z elementów, który będzie się poruszał w naszej symulacji. Stworzenie dobrego modelu, ułatwia zbudowanie symulacji.
  • Przypisz wiązania Połączenia określają zależności pomiędzy poszczególnymi elementami. Inventor może stworzyć je automatycznie - wiązania zespołów przekształcane są na połączenia w symulacji dynamicznej.
  • Przypisz wymuszenia i uruchom symulację Wybierz wymuszenia w postaci stałej: siła, ruch, przyspieszenie lub wybierz scenariusze symulacji w kontekście działania Twojego wymuszenia. Określ, czy wymuszenia są stałe, czy zmienne w czasie zgodnie z rzeczywistą charakterystyką pracy urządzenia.
  • Analiza Sprawdź czy urządzenie działa tak, jak oczekiwałeś. Dokładnie przeanalizuj działanie mechanizmu. Zrób to wykorzystując wykresy przebiegu zmiennych w czasie.

   Aby końcowa analiza działania mechanizmu była przepowadzona prawidłowo, a uzyskane wyniki nie zawierały błędów, każdy użytkownik pakietu symulacyjnego musi poznać i przyswoić sobie wybrane pojęcia z kinematyki i dynamiki. Należy pamiętać, że kinematyka odnosi się do ruchu mechanizmu, w tym do określania pozycji, prędkości i przyspieszenia, natomiast dynamika to badanie mas i sił bezwładności działających na mechanizm.
Ostatecznie wszystkie powyższe informacje pomagają projektantom zbudować optymalny produkt, co ilustruje poniższy przykład.

Do góry


 

Etapy tworzenia symulacji dynamicznej

   

   Do tworzenia dynamicznej i kinematycznej symulacji w Inventorze wykorzystuje się Moduł Dynamic Simulation, w którym konstruktor ma możliwość określenia wartości tych wielkości, które są istotne dla projektowanej konstrukcji. Tymi wielkościami są; siła, prędkość, przyspieszenie, opory i inne wielkości, które decydują o zachowaniu się pracującego pod obciążniem urządzenia. Moduł umożliwia również tworzenie dynamicznych wiązań, dodawania elementów sprężystych i tłumiących, jak i również zdefiniować współczynnik tarcia pomiędzy ruchomymi elementami.
   Aby wynik badań był wiarygodny, moduł został uzbrojony w specjalny edytor do badania symulacji w czasie. Aby zrozumieć istotę zachodzacych zjawisk kinematycznych, program pokazuje przebieg symulacji w postaci wizualizacji 3D, bezpośrednio na modelu.

   Badanie danego urządzenie nie kończy sie na symulacji dynamicznej. Program umożliwia również wykonanie analizy naprężeń i odkształceń części urządzenia w module MES. Efekt? Konstruktor nie musi ponownie definiować warunków obciążenia do prowadzenia obliczeń wytrzymałościowych.

Kolejność czynności podczas tworzenia symulacji dynamicznej:

  • Na wstępie należy stworzyć połączenia (wiązania) pomiędzy częściami które, względem siebie wykonują ruch. Do symulacji dynamicznych stosuje się funkcję Połączenia (Joint), gdzie mamy możliwość wyboru z katalogu połaczen, interesujące nas połączenie.
  • W przypadku pary przesuwnej wybieramy Przesuwne i zaznaczamy punkty na pierwszej i drugiej części względem których mają się poruszać, po czym zatwierdzamy.
  • Mając zdefiniowane połączenie (wiązanie), wybieramy w oknie programu na wstążce zakładkę Środowiska i dalej wybieramy Symulacja dynamiczna.
  • Aby mechanizm zadziałał prawidłowo należy dla każdego zdefiniowanego połączenia dodac wymuszenia np. prędkość obrotowa. W tym celu klikamy na nasze połączenie prawym przyciskiem myszy i wybieramy właściwości -> sss 1 (R) -> edycja ruchu wymuszonego i zaznaczamy prędkość. W oknie po prawej wpisujemy jej wartość i zatwierdzamy. Sss 1 (R) oznacza parę kinematyczną o jednym stopniu swobody, w przypadku bardziej skomplikowanego połączenia pojawi się zakładka sss 2 (R), sss 3 (R).
  • W przypadku symulacji przedstawionej na filmie, przed rozpoczęciem symulacji należy także zdefiniować kontakty 3D. Klikamy wstaw połączenie -> kontakt 3D i wybieramy interesujące nas elementy.
  • Po tak zdefiniowanych połączeniach możemy w odtwarzaczu uruchomić symulacje. Program na bieżąco tworzy wykresy które możemy obejrzeć w zakładce Grapher wyjściowy.
  • Do symulacji możemy dołączyć działanie sił grawitacji czy też sił zewnętrznych. W tym celu w drzewku wybieramy obciążenia zewnętrzne -> siła ciężkości. W celu bardziej zaawansowanych symulacji w właściwościach połączenia wymuszającego ruch w oknie prędkości gdzie wpisaliśmy stałą wartość wybieramy tryb Graphera co pozwala zdefiniować bardziej skomplikowany ruch za pomocą wykresu.

Dla pełnego zrozumienia czynności podczas tworzenia symulacji dynamicznej, na przykładzie zostanie opisany sposób postępowania podczas tworzenia symulacji dynamicznej. Dlatego w tym miejscu należy -

Do góry


 

Analizy dynamiczne - wstęp

   

Płączenia standardowe

   Różnego rodzaju mechanizmy, koncepcyjnie postrzega się jako zestaw sztywnych części połączonych ze sobą za pomocą połączeń, które umożliwiają, ale nie ograniczają, względnego ruchu między dowolnymi dwoma częściami. Wyróznia się następujące kategorie połaczeń;

  • Sztywne - Usuwa wszystkie stopnie swobody. Elementy względem siebie są nieruchome.
  • Obrotowe - Pozostawia jeden stopień swobody - obrót. Zawiasy i obracane dźwignie są przykładami połączenia obrotowego.
  • Przesuwne - Pozostawia jeden stopień swobody - ruch liniowy. Suwak w prowadnicy jest przykładem tego połączenia.
  • Walcowe - Pozostawia jeden przesuwany i jeden obrotowy stopień swobody. Tuleja na wale jest przykładem połączenia walcowego.
  • Planarne - Pozostawia dwa przesuwne i jeden obrotowy stopień swobody. Użyj tego typu połączenia, aby umieścić komponent na płaskiej powierzchni. Komponent można przesuwać lub obracać na płaszczyźnie.
  • Kuliste - Pozostawia trzy obrotowe stopnie swobody. Sworzeń kulowy jest przykładem połączenia kulowego.

   Każda z wymienionych wyżej kategorii połączeń jest dostępna po wybraniu w Inventorze przycisku Symulacja dynamiczna --> Wstaw połączenie Po kliknięcie pojawi się okno, w którym znajdziemy katalog różnego rodzaju połączeń, z których każde ma swoją nazwę i inne możliwości.

Automatyczne tworzenie par kinematycznych

   Samo wybranie przycisku Symulacja dynamiczna --> Wstaw połączenie nie spowoduje uzyskania zakładanego efektu, w postaci poruszania się poszczególnych elementów (animacji). Aby ten efekt można było uzyskać konieczne jest zdefiniowanie odpowiedniej liczby par kinematycznych połaczeń odpowiednich klas. Inventor umożliwa nam ręczne definiowanie par i automatyczną konwersja więzów na pary kinematyczne.
   W celu automatycznego tworzenie par kinematycznych, należy z położonego na karcie Symulacja dynamiczna panelu Zarządzanie wybrać przycisk narzędzia Ustawienia i wypełnić pola okna dialogowego jak na poniższym rysunku i kliknąć OK

Po kliknięciu przycisku OK przebiegła automatyczna konwersja, a efekt konwerski możemy objrzeć na powyższym rysunku w przeglądarce obiektów, oznaczenia 1, 2, 3 i 4.

W wyniku konwersji składniki modelu zstały podzielone na grupy. Składniki grupy 1 mają odebran wszystkie stopnie swobody ruch bezwzględnego (są unieruchomione modelu). Grupa (2) to ruchome człony tworzące mechanizm. Powstało automatycznie siedem par kinematycznych (3) różnych klas na podstawie istniejących w zespole więzów montazowych. Folder (4) na razie jest pusty, a siła ciężkości nie została jeszcze zdefiniowana.

Definiowanie siły ciężkości i uruchomienie symulacji

Z menu kursowa uruchamiamy okno siły ciężkości, które wypełniamy, dokładnie tak jak na poniższym rysunku i klikamy OK.

Z panelu Odtwarzanie symulacji ależy wybrać przycisk narzędzia Uruchom lub ponownie uruchom symulację.

Efekt symulacji jest widoczny na poniższym rysunku.

Do góry


   

 

 (C) 2019 - 2020 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved