Opublikowano: 23 września 2017

Przy projektowaniu mechanizmów lub elementów maszyn często zachodzi potrzeba wykonania symulacji ruchu. Nie zawsze jest to proste, gdyż ruch bywa bardzo skomplikowany. Jeśli odbywa się on na jednej płaszczyźnie, sprawa jest łatwiejsza, gdyż większość przemieszczeń można zdefiniować za pomocą odpowiednio utworzonych silników. Problemy występują w sytuacji, kiedy ruch odbywa się w kilku płaszczyznach. Spowodowane jest to faktem, że koordynować trzeba wtedy przemieszczenia w trzech wymiarach, a to już nie jest takie proste za pomocą samych napędów.

Bernard Pacula

W przypadku pokazanym na rysunku 1 widać, iż detal, umieszczony na przenośniku, musi się przemieścić wzdłuż górnej części urządzenia, a następnie zjechać na dolny przenośnik i kontynuować ruch wzdłuż niego.

Rys. 1

W celu poprawnego zdefiniowania odpowiedniego położenia detalu należy przemyśleć, w jaki sposób nadać relacje, aby można było przeprowadzić taką symulację. Możliwe są dwa rozwiązania – wykorzystanie blokowania relacji poprzez użycie zmiennych lub w przypadku starszych wersji Solid Edge – przez wykorzystanie ukrywania/pokazywania części w odpowiednim czasie symulacji. W pierwszej kolejności wykorzystamy zmienne.
Aby element przemieszczany mógł być odpowiednio przesuwany konieczne jest przypisanie relacji. Pierwszą z nich jest przyleganie do górnej powierzchni górnego przenośnika. W celu ułatwienia orientowania się, która relacja tyczy się której zmiennej, można podczas tworzenia relacji nazwać je odpowiednio. W tym przypadku relacja nazywa się PrzyleganieGornyPrzenosnik. Aby można było zdefiniować kolejną relację (przyleganie do dolnego przenośnika) konieczne jest zablokowanie relacji pierwszej. Odbywa się to przez kliknięcie prawym klawiszem myszy i wybranie polecenia Blokuj. Jest to o tyle ważne, że jeśli nie wykona się tej czynności, to nie będzie możliwe zdefiniowanie drugiego przylegania ze względu na konflikt relacji. Ostatnią relacją, która będzie potrzebna do dalszych działań jest wyrównanie lica przedniego detalu z licem dolnego przenośnika. Po zdefiniowaniu tych relacji konieczne będzie zablokowanie ostatnich dwóch relacji i pozostawienie tylko pierwszej. Wynika to z faktu, iż tylko ona pasuje do położenia początkowego, a pozostałe powodowałyby konflikt.
Pozostaje jeszcze zdefiniowanie relacji wyrównania płaszczyzny przenośnika pionowego z licem górnego przenośnika taśmowego. Będzie ona później blokowana, aby możliwe było wykonanie ruchu przenoszącego detal na dolną taśmę.

cały artykuł dostępny jest w wydaniu 9 (120) wrzesień 2017

Opublikowano: 23 września 2017

Części z tworzyw sztucznych produkowane w technologii wtrysku, przy mniejszych ilościach generują spore koszty narzędzi (sięgające setek tysięcy euro), co znacząco ogranicza rentowność projektów wnętrz pojazdów szynowych. W tej branży dla mniejszych serii wykorzystuje się technologie kompozytów, a w szczególności laminat poliestrowo-szklany.

Jan Szabla

Materiał ten od wielu już lat cieszy się popularnością i z powodzeniem wykorzystywany jest w obszarze konstrukcji kolejowych, zarówno wnętrz wagonów, jak i elementów zewnętrznych. Szerokie zastosowanie tego laminatu powodowane jest również jego właściwościami wytrzymałościowymi, które dorównują klasycznym konstrukcjom, przy mniejszej – prawie o połowę – masie. Sam temat redukcji masy w konstrukcjach pojazdów szynowych nie jest jeszcze tak bardzo popularny jak w inny branżach, np. w przemyśle samochodowym, ale pojawia się coraz częściej, jako wymóg klienta, czy też kryterium oceny jakości dostarczanych podzespołów. W najbliższych latach nastąpi jeszcze większy wzrost znaczenia konstrukcji szynowych z wykorzystaniem materiałów lekkich oraz superlekkich.

Rys. 1    Insert z blachy metalowej z wykonanymi otworami technologicznymi umożliwiającymi wlaminowanie

O jakości elementów poliestrowo-szklanych decyduje w głównym stopniu poprawne wykonanie detalu. Jednak równie ważna jest odpowiednia konstrukcja i właściwa metodologia modelowania, dzięki czemu unikamy zmian konstrukcyjnych na etapie produkcji seryjnej, zapobiegając w ten sposób dodatkowym kosztom.
Projektując elementy poliestrowo-szklane należy pamiętać o zasadach i ograniczeniach (czy może raczej – możliwościach) tej technologii. Jeśli osoby odpowiedzialne za rozwój produktu w dziale konstrukcyjnym nie mają odpowiedniej wiedzy na ten temat, warto by na wczesnym etapie projektowym postarały się o wsparcie ze strony kolegów technologów bądź specjalistów ze strony poddostawcy, który laminaty będzie wykonywać.

Technologia
Projektując detal, należy zdefiniować, w jakiej technologii będzie on produkowany, a tę dobiera się w zależności od stawianych wymagań. Laminat wytworzony metodą infuzji będzie odznaczać się lepszymi parametrami wytrzymałościowymi niż laminat ręczny. Wynika to z kierunkowego ułożenia mat włókna szklanego i związanej z tym anizotropii materiału. Na wybór technologii wytwarzania mają wpływ również założenia jakościowe. Jeżeli produktem będzie uchylny stolik w przedziale pasażerskim, i jako jeden element ma on być obustronnie gładki, to trudno będzie uzyskać taki efekt laminując ręcznie. Wymagałoby to dodatkowego klejenia dwóch oddzielnych elementów. Klejenie zaś zaliczane jest do procesów specjalnych – zawsze więc warto sprawdzić, jaki wpływ będzie to miało na koszty i jakie zmiany wygeneruje w procesie.

cały artykuł dostępny jest w wydaniu 9 (120) wrzesień 2017

Opublikowano: 23 września 2017

Klasyczne zabytkowe samoloty są ozdobą wszystkich imprez lotniczych. Często zdarza się, że ich właściciele rezygnują z przywrócenia ich do dawnej świetności i zasłużone maszyny stanowią ekspozycje statyczne. Tymczasem w wielu wypadkach można sprawić aby znowu wzniosły się w przestworza.

Raimund Engwer

Pod koniec kwietnia 1996 roku mój szef po pracy wezwał mnie do swojego biura. Po krótkiej rozmowie wsiedliśmy do samochodu i wyjechaliśmy poza teren firmy. Zapytałem dokąd jedziemy, odpowiedział, że na lotnisko. Zdziwiło mnie to, ponieważ w środy zwykle nie wylatywał do domu. Okazało się jednak, że lotnisko w Hannoverze nie było naszym celem.

Pojechaliśmy na lotnisko w Braunschweigu, do firmy Aerodata, gdzie stał piękny, żółto-niebieski, dwupłatowy samolot Boeing Stearman. Miał zamontowany 7-cylindrowy silnik gwiaździsty firmy Continental. Zwracał uwagę sylwetką starego samolotu ale wyglądał tak, jakby przed chwilą opuścił hale produkcyjne.
– Polecimy, czy się boisz? – zapytał szef. Moja odpowiedź była jednoznaczna. Po półgodzinie byliśmy w powietrzu. Zrobiliśmy dwa kółka nad budynkami naszej firmy, po czym wróciliśmy na lotnisko. Wrażenie było niesamowite! Po powrocie dostałem od szefa dwie książki o Stearmanie i miałem się zapoznać z tematem, ponieważ chciał kupić coś podobnego.

Już pięć dni później, w czteroosobowej grupie siedzieliśmy w samolocie lecącym do Orlando na Florydzie. Stamtąd odebrał nas Tom Reilly, właściciel muzeum lotniczego w Kissimmee i restaurator starych samolotów. W Chickasha, na terenach firmy Dusters & Sprayers zobaczyliśmy pierwszy samolot dla jednej z osób z naszej grupy. Umowa została podpisana i samolot kupiony.

Po wszystkich ustaleniach udaliśmy się w dalszą drogę do miejsca, gdzie na starej farmie bawełnianej miał stać Stearman dla szefa. Gdy dotarliśmy do celu, syn właściciela farmy otworzył wielkie, metalowe drzwi stodoły; w środku stał kremowy Stearman PT-17 E-75 z pomarańczowym pasem wzdłuż kadłuba. Samolot był w rękach właściciela od 1953 roku i został zakupiony za symbolicznego dolara z bazy wojskowej w Altus. Ostatni lot tego samolotu, według wpisu, odbył się 11 września 1968 roku. Samolot od blisko trzydziestu lat nie latał ale właściciel dbał, aby chociaż na zewnątrz dobrze wyglądał. Wkrótce, z pomocą Toma Reilly, rozpoczęliśmy demontaż samolotu. Zdemontowaliśmy skrzydła, statecznik pionowy i poziomy, centropłat i śmigło. Po dwóch dniach pracy samolot w częściach znajdował się już w kontenerze. W Kissimmee uzupełniliśmy kontener nowym 7-cylindrowym silnikiem gwiaździstym Jacobs R-755 (R – Radial, a więc silnik gwiazdowy, 755 – pojemność silnika w calach sześciennych, a w litrach: 12,4) i 9-cylindrowym Lycoming R 680-8. Aby wypełnić wolne miejsca w kontenerze dołożyliśmy mnóstwo nowych części zamiennych. Po dziesięciu dniach od przylotu do USA kontener był gotowy do wysyłki do Europy.

Elementy konstrukcyjne skrzydeł

W 1926 roku Lloyd Stearman założył firmę Stearman Aircraft Corporation w kalifornijskim Venice. Zanim produkcja została wstrzymana, z braku środków finansowych, powstały cztery Stearmany C1 i C2. Rok później, w Wichita, w stanie Kansas, powstała nowa firma pod tą samą nazwą, finansowana przez Waltera Innes’a. Boeing mając już wiedzę o zapotrzebowaniu na samoloty szkoleniowe dla United States Navy i United States Army Air Corps (USAAC) (poprzednik United States Air Force – USAF) przejął w 1934 roku od Lloyda Stearmana kompletną produkcję jego firmy. Choć nawet na tamte czasy ten dwupłatowiec zaliczał się już do przestarzałych konceptów lotnictwa, udało się Boeingowi otrzymać duże zlecenie od Senatu USA. Już w 1936 roku pierwszych sześćdziesiąt jeden samolotów trafiło do szkół lotniczych US Navy jako typ Boeing Stearman NS.

Elementy konstrukcyjne skrzydeł

Jeszcze w tym samym roku firma otrzymała zamówienie od USAAC na znaczną ilość maszyn typu PT-13 (Primary Trainer). W dalszych latach wojsko kupiło około 4270 sztuk samolotu (już jako NS2), przeważnie w żółtym kolorze, przez co otrzymał on przydomek Yellow Peril (żółte niebezpieczeństwo). Seria NS2 wychodziła z różnymi typami silników. Na początku drugiej wojny światowej również siły lądowe zgłosiły zapotrzebowanie na samoloty szkoleniowe i otrzymały prawie 700 sztuk typu NS2-4 z 7-cylindrowymi silnikami gwiaździstymi Continental R-670-4, o mocy 220 KM.

Model A-75 był wyposażony w 9-cylindrowe silniki Lycoming R-680 o mocy 225 KM. Stearmanów PT-13 wyprodukowano 2873 sztuki w wielu wersjach i z różnymi markami silników. Najbardziej popularną wersją był jednak typ PT-17 z 7-cylindrowym silnikiem Continental R-670-5 o mocy 220 KM. Wyprodukowano ich około 3520 sztuk. Sto pięćdziesiąt Stearmanów PT-13 otrzymało silniki R-755 Jacobs o mocy 245 KM. W samolotach tych zmieniono oznaczenie typu na PT-18. W ramach Lend-Lease Act (umowa pożyczki-dzierżawy) zostało przekazanych trzysta sztuk typu PT-17 jako typ PT-27 do Royal Canadian Air Force. Na samolotach Stearman wykształciły się tysiące amerykańskich pilotów.

Po zakończeniu działań wojennych Stany Zjednoczone sprzedały dużą ilość Stearmanów do krajów Ameryki Środkowej i Południowej, oraz do Chin, Iranu i na Filipiny. Duże ilości maszyn trafiły w prywatne ręce. Po 1945 roku 2100 sztuk przekazano rolnictwu do oprysków, jednak te maszyny musiały być zmodyfikowane. Chemikalia owadobójcze szkodziły płótnu, którym były pokryte skrzydła i kadłub samolotu. Skrzydła takiej maszyny trzeba było pokrywać cienką blachą aluminiową, a kadłub lakierowano nieco grubiej farbą, co chroniło materiał bawełniany na dłużej.

W latach 50-tych ubiegłego wieku wojsko musiało się pozbyć tak jeszcze licznie stojących w bazach Stearmanów aby zrobić miejsce w hangarach na nowsze samoloty szkoleniowe, jak np. North American T-6 Texan albo Beechcraft T-34 Mentor. Łącznie, w ciągu ponad dziesięciu lat produkcji zbudowano ponad 8500 sztuk Stearmanów i około 2000 w formie części zamiennych. Dlatego samoloty te zmieniały potem właścicieli za symboliczne sumy. Niestety, części zamienne nie były już tak tanie i firma Boeing nieźle na nich zarabiała. Przez dwadzieścia lat po wojnie można było spotkać Stearmany na wielu farmach i pokazach lotniczych w USA. Dziś posiadanie takiego samolotu związane jest z zasobnym kontem bankowym.

Autor artykułu w trakcie odbudowy jednego ze Stearmanów

Restauracja zakupionego przez szefa Stearmana zaczęła się na początku sierpnia 1996 roku. Do tej pracy zaangażowałem jeszcze dwie osoby, a poza tym miałem stały kontakt telefoniczny z Tomem Reilly. Niedaleko naszej firmy została wynajęta hala o powierzchni ponad 400 m² z wysoką i szeroką bramą. Pierwszym krokiem naszych działań był całkowity demontaż kadłuba i wykonanie opisu pozycji wszystkich części demontowanych oraz stworzenie dokładnej dokumentacji fotograficznej. Po trzech tygodniach samolot był całkowicie zdemontowany, a wszystkie części poukładane na regałach.

Ramę samolotu oddaliśmy do specjalistycznej firmy, która chemicznie usunęła farbę i nałożyła nową powłokę lakierniczą. Po ustaleniu z szefem wyposażenia samolotu zaczęliśmy z elektrykiem ustalać długości przewodów elektrycznych i montować je w kadłubie. Dwóch pozostałych kolegów zajmowało się przygotowaniem skrzydeł do nowego poszycia, którym zamiast płótna bawełnianego miała być tkanina Ceconite 101.

Podczas naciągania materiału na kadłub samolotu

Hybrydowa budowa skrzydeł jest delikatna i skomplikowana. Część skrzydła wykonana jest z drewna wiśniowego, które ma średnią gęstość około 600 kg/m³, a więc stanowi średnio ciężki gatunek drewna. Jest to drewno półtwarde, do twardego, o twardości w skali Brinella 31 N/mm², przy prostokątnym obciążeniu. Jego elastyczność jego bardzo dobra, a obrzęk stosunkowo niski. Cienkie profile aluminiowe są w skrzydle użyte jako stabilizatory, bowiem utrzymują jego sztywność.

Jeszcze tylko skrzydła...

Kwadratowe druty napinające ze stali o przekroju 1,5 mm służą do równomiernego rozstawienia obu drewnianych dźwigarów. Ze względu na dodatkowy montaż światła lądowania, które waży około 6,3 kg, musiały być wzmocnione dwa żebra z każdej strony dolnych skrzydeł. Równocześnie zleciłem w naszym firmowym oddziale rymarskim, uszycie na miarę czterech pokrowców na skrzydła z materiału Ceconite 101. Po zakończeniu prac naprawczych skrzydeł, zostają one pomierzone i ewentualnie poprawione. Żebra muszą być powiązane między sobą cienką taśmą bawełnianą, o szerokości 1,5 cm, aby nie przemieszczały się na boki. Zanim jednak naciągnie się pokrowiec z Ceconite, wszystkie powierzchnie zewnętrzne, na których osiądzie płótno, muszą być pokryte grubą warstwą specjalnego kleju. Dopiero teraz wciąga się pokrowiec na skrzydło i klei przedni szew równo z krawędzią natarcia. Ostrożnie i starannie nagrzewamy opalarką (max. 150 °C) ten termokurczliwy materiał, tak aby tylny szew leżał na krawędzi spływu skrzydła. Teraz przyklejamy materiał do krawędzi i w dalszym etapie ponownie naciągamy tkaninę za pomocą opalarki. Materiał musi być tak naprężony, jak bęben. Wszystkie miejsca, do których przylega materiał, a które wcześniej zostały pokryte klejem, nawilżamy specjalnym rozpuszczalnikiem, który rozpuszcza klej i natychmiastowo odparowuje. Klej łączy się z materiałem i po sześćdziesięciu godzinach utwardza się nieodwracalnie. W odstępach co jeden cal przyszywa się za pomocą bardzo długiej igły i specjalnej dratwy żebra z poszyciem.

Silnik Stearmana

W miejscach, gdzie powstaje duży podmuch powietrza od śmigła, odstęp przeszycia zmniejsza się do pół cala. Aby zapobiec przetarciu się dratwy, oraz z powodów estetycznych, nakleja się na te miejsca taśmę maskującą. Teraz zostają tylko prace lakiernicze i skrzydła gotowe są do montażu na samolocie. Taki proces z jednym skrzydłem może trwać nawet od trzech do czterech tygodni, a przecież mamy ich cztery sztuki i jeden centropłat, w którym znajduje się zbiornik paliwa o pojemności 46 galonów (175 litrów)... Po około sześciu miesiącach pracy (większość – w weekendy, a w tygodniu – po godzinach) kadłub i skrzydła były gotowe.

Mechanizmy sterowania

Nadszedł czas na montaż silnika Jacobs R-755 (tak naprawdę jego pojemność wynosi 757 cali sześciennych, a moc 275 KM). Taki silnik waży ze śmigłem 302 kg i jest montowany do kadłuba na czterech śrubach o średnicy 9⁄16 cala (14,29 mm). Montaż silnika i osprzętu oraz podłączenie elektryki, układu paliwowego i olejowego zajęło nam następne trzy tygodnie. Teraz został tylko montaż skrzydeł, statecznika poziomego i pionowego. W takim stanie samolot musiał się dostać jak najbliżej lotniska.
We wtorek 8 kwietnia 1997 roku nasz Stearman dotarł do firmy Aerodata przy lotnisku w Braunschweigu. Do pierwszej rocznicy zakupu samolotu zostało nam jeszcze czternaście dni. Założyliśmy, że do tego czasu powinien już latać. Może ten okres wydawać się długi, ale odpowiednie ustawienie skrzydeł w samolocie dwupłatowym nie jest proste dla takich żółtodziobów, jakimi wtedy byliśmy. Na szczęście z USA przyleciał nam na pomoc Tom Reilly, ale nawet on, który już wtedy miał prawie trzydziestoletnie doświadczenie w biznesie odbudowy samolotów zabytkowych, walczył z nami trzy dni aby poprawnie ustawić skrzydła. Procedura ta obejmuje szereg bardzo dokładnych pomiarów i wymaga posiadania dużej ilości specjalistycznych narzędzi (różnowymiarowych poziomnic, pionów ciężarkowych, bardzo dokładnych miar i szeregu kątomierzy).

Elementy układu sterowania maszyną

Jako pierwsze montujemy i ustawiamy stateczniki – poziomy i pionowy. Następnie kadłub samolotu poddany zostaje niwelacji podłużnej i poprzecznej. Potem ustawia się centropłat, który łączony jest czterema rozpórkami i ustawiany ośmioma zastrzałami. Cztery zastrzały służą do ustawienia centropłatu w lewą lub prawą stronę, pozostałe cztery służą do ustawiania w przód lub w tył. Boczne ustawienie centropłatu, od punktu pomiarowego na kadłubie do końca centropłatu, wynosi 58,42 cm ± 0,8 mm. Następnie montuje się dolne skrzydła i ustawia się centropłat tak, aby odległość ich krawędzi natarcia wynosiła 68,1 cm ± 3,1 mm. Nastąpił wreszcie czas na montaż górnych skrzydeł. Po każdej stronie od dołu skrzydła montujemy przed montażem do centropłatu trzy rozpórki, które łączymy z dolnym skrzydłem. Pozostał jeszcze montaż sześciu zastrzałów po każdej stronie. Cztery zastrzały montowane są od kadłuba do górnego skrzydła, a dwa pozostałe – od centropłatu do dolnego skrzydła. Teraz dopiero zaczyna się zabawa z naprężaniem zastrzałów. Każdy zastrzał musi mieć odpowiednie naprężenie, które jest bardzo ważne, a które sprawdza się za pomocą urządzenia do pomiaru naprężenia. Kto kiedyś próbował wycentrować koło szprychowe wie, jak to jest. Razem ze statecznikiem i skrzydłami samolot ten ma dwadzieścia osiem zastrzałów, które muszą być odpowiednio ustawione i naprężone. Próby naziemne naszego Stearmana zakończyły się bez zastrzeżeń i trzy dni przed terminem samolot był gotowy do oblotu.
W słoneczne, ale dość zimne sobotnie przedpołudnie, 19 kwietnia 1997 roku, pilot doświadczalny Rolf Hankers wsiadł za stery samolotu, który prawie trzydzieści lat nie był w powietrzu. Patrzyliśmy jak kołuje na pas trawiasty, po krótkim postoju startuje na wschód i po około 150 m unosi się w powietrze. Po około 20 minutach samolot powraca na lotnisko i ląduje. Pilot nie wysiada z samolotu lecz przywołuje nas do siebie i prosi o podkręcenie lewej podpórki skrzydła. Niecałe 15 minut po pierwszym locie Rolf startuje jeszcze raz. Mała rundka nad lotniskiem i znów lądowanie, jeszcze raz prosi o pół obrotu na nakrętce od podpórki, po czym oglądamy trzeci lot. Po wylądowaniu pilot kołuje na płytę przed hangarem i wysiada z uśmiechem na twarzy, mówiąc – Teraz lata prosto. Miłej zabawy. Niestety, samolot wtedy trafił do hangaru ponieważ pogoda się zmieniła i zaczął padać śnieg z deszczem. W końcu, po ponad ośmiu miesiącach i ponad 2650 roboczogodzinach, samolotu dosiadł sam właściciel ze słowami – Dzięki, chłopaki. Byliśmy dumni z siebie, a ja dostałem później jeszcze cztery okazje do kompletnych restauracji Boeingów Stearman.

Obecnie na świecie wciąż lata ponad tysiąc Stearmanów i nadal jeszcze są duże szanse odnalezienia, gdzieś w starej szopie, takiego samolotu, który nadawałby się do remontu.

Raimund Engwer

artykuł pochodzi z wydania 9 (120) wrzesień 2017

Opublikowano: 23 września 2017

Andrzej Wełyczko

Na tym etapie realizacji procedury projektowej można rozpocząć poszukiwanie rozwiązania optymalnego, czyli uruchomić polecenie Compute Shape (Rys. 13). Proces poszukiwania rozwiązania optymalnego jest iteracyjny i może trwać od kilku minut do kilkunastu godzin, w zależności od tego, jak bardzo złożona jest definicja samego zadania, jaka licencja jest dostępna oraz jakie zasoby (liczba procesorów) są do dyspozycji.

Rys. 13

Wyniki obliczeń są dostępne po uruchomieniu polecenia Select Shape (Rys. 14).

Rys. 14

Użyłem liczby mnogiej (wyniki), bo dla różnych wartości parametru Iso-value (patrz: okno View cuts) dostępne są różne rozwiązania (Rys. 15).

Rys. 15

Zadaniem konstruktora jest wybór jednego lub kilku rozwiązań, które będą w dalszej kolejności analizowane.
Wynik optymalizacji topologicznej jest siatką MES, która w celu ostatecznej weryfikacji kształtu musi być zamieniona na dokładną reprezentację geometryczną. W tym celu należy uruchomić polecenie Generate Concept Shape (Rys. 16), które automatycznie generuje zestaw powierzchni (tu: Splitting surfaces.1) wymaganych do zdefiniowania koncepcyjnego modelu bryłowego (tu: Concept shape.1).

Rys. 16

Struktura takiego modelu bryłowego nie jest zbyt skomplikowana (Rys. 17):
 A→ Add.1 – przestrzeń projektowa (Design Space) bez obszarów zdefiniowanych za pomocą polecenia Partition Design Space,
 A→ Split.1 – odcięcie bryły A za pomocą powierzchni zdefiniowanej na podstawie siatki MES wybranego rozwiązania optymalnego,
 B→ Add.2 – dodana przestrzeń zarezerwowana na otwór centralny Solid Partition.2,
 C→ Add.3,... , Add.7 – dodane przestrzenie zarezerwowane Solid Partition.3,... , Solid Partition.7.

Rys. 17

Bryła, którą system proponuje, jest tylko koncepcją optymalnego modelu bryłowego projektowanej części i dlatego jej kształt powinien być zweryfikowany. Dzięki opisanej wcześniej strukturze modelu Sim_WA4_Joiner_Variant0 system automatycznie zastosuje zadane w punkcie Analysis Setup obciążenia i warunki brzegowe do wykonania analizy Validate Shape (Rys. 18) dla aktualnej geometrii projektowanej części, czyli bryły Concept shape.1.

Rys. 18

Jedyne co można zmienić na tym etapie to dokładność siatki MES (FEM of Shape Validation.1), na podstawie której wykonane będą obliczenia. Lista dostępnych wyników obliczeń dla Shape Validation.1 jest dostępna w oknie Plots (Rys. 19).

Rys. 19

W podobny sposób, dla tych samych obciążeń i warunków brzegowych, ale różnych wartości współczynnika Iso-value lub innych ograniczeń (Constraints i/lub Shape Controls), można zdefiniować kolejne warianty projektowe (Rys. 20) oraz porównać nie tylko ich kształt, ale także masę, objętość, parametry wytrzymałościowe oraz odkształcenia. Dzięki takiemu porównaniu łatwiej jest wybrać wariant najlepszy, czyli optymalny.

Rys. 20

Ostatnim etapem takiego procesu projektowego jest rekonstrukcja powierzchni, która jest wynikiem optymalizacji topologicznej. Dlaczego? Powierzchnia zdefiniowana automatycznie po wykonaniu polecenia Generate Concept Shape (na rysunku 21 są to dwie powierzchnie: Subdivision Surface.1 i Subdivision Surface.2, połączone w jeden logiczny obiekt: Join.1) jest jedynie propozycją koncepcji kształtu i nie jest idealna, bo algorytm definiujący tę powierzchnię wykonuje jej rekonstrukcję na podstawie przybliżonej definicji w postaci siatki MES.

Rys. 21

Użytkownicy rozwiązań z grupy Reverse Engineering systemu CATIA V5 zapewne znają polecenie Automatic Surface dostępne w środowisku Quick Surface Reconstruction. Podobny algorytm został zastosowany w przypadku polecenia Generate Concept Shape. Już w nazwie tego polecenia pojawia się słowo Concept, które sugeruje, że nie jest to model finalny. Kształt powierzchni koncepcyjnej jest związany z wielkością elementów siatki (im mniejsze elementy tym gładsza powierzchnia), ale trzeba pamiętać, że im mniejsza wielkość elementów siatki, tym dłuższy jest czas obliczeń. Jakość tej powierzchni przekłada się oczywiście na jakość bryły Concept shape.1 i dlatego rekonstrukcja, której celem jest uproszczenie i wygładzenie powierzchni, jest konieczna.

Aplikacja GDE oferuje wiele narzędzi wspomagających proces takiej rekonstrukcji, bazujący na technologii subdivision surface modeling (patrz środowisko Imagine and Shape). W szczególności chciałbym zwrócić uwagę Czytelnika na dwa z nich (Rys. 22):

• IMA-Tube Drawing – polecenie, które na istniejącej powierzchni lub bryle pozwala zdefiniować powierzchnię typu tuba dla zadanego przekroju (okrąg, elipsa, kwadrat lub prostokąt). Wydawałoby się, że to nic specjalnego, ale te przekroje są definiowane na płaszczyznach prostopadłych do ekranu za pomocą ręcznie szkicowanych i automatycznie prostowanych linii.
• IMA-Strip Drawing – polecenie, które na istniejącej siatce, powierzchni lub bryle pozwala zdefiniować kolejne płaty powierzchni swobodnej z zachowaniem ciągłości pomiędzy tymi płatami.

Rys. 22

Położenie wierzchołków sieci kontrolnej takiej powierzchni może być dowolnie modyfikowane, a kształt definiowanej powierzchni jest automatycznie odświeżany.
Wymienione wyżej polecenia, a także IMA-Modification czy IMA-Symmetry pozwalają wykonać rekonstrukcję dowolnej powierzchni w ciągu minut lub godzin, a nie dni.
Jeśli model części jest symetryczny, to wystarczy wykonać rekonstrukcję powierzchni finalnej na fragmencie bryły (Rys. 23).

Rys. 23

Różnica pomiędzy powierzchnią koncepcyjną a finalną jest ewidentna: powierzchnia Subdivision Surface.3 jest gładka i ma mniej płatów elementarnych (tylko 59 w porównaniu z 1446 dla powierzchni koncepcyjnej).
Aby zintegrować zrekonstruowaną powierzchnię z modelem bryłowym należy wykonać operacje symetrii (koniecznie za pomocą polecenia IMA-Symmetry, bo rezultat tego polecenia gwarantuje ciągłość G2 powierzchni podstawowej i jej symetrycznej kopii). Następnie wykonujemy kopię bryły Concept shape.1 (tu: Final Shape na rysunku 24) i modyfikujemy dane wejściowe polecenia Split.2 (zamiana Join.1 na Subdivision Symmetry.2). Aż tyle i tylko tyle – optymalny model bryłowy jest prawie gotowy.

Rys. 24

W ostatnim kroku gotowy model bryłowy sprawdzamy pod kątem wytrzymałości i odkształceń, czyli ponownie wykonujemy polecenie Validate Shape, ale tym razem dla bryły Final Shape (Rys. 25). Obciążenia oraz warunki brzegowe pozostają takie, jak zdefiniowane w definicji zadania optymalizacyjnego – wystarczy wskazać nową geometrię, uruchomić obliczenia i poczekać na wizualizację wyników.

Rys. 25

Gdyby jednak okazało się, że konieczna jest jeszcze „drobna” modyfikacja geometrii (na przykład dlatego, że naprężenia maksymalne są za duże), to można ją wykonać za pomocą polecenia IMA-Modification (dostępnym w aplikacji Functional Generative Design) lub zdefiniować zadanie optymalizacji parametrycznej w aplikacji Design Optimization. To aplikacja, która jest odpowiednikiem środowiska Product Engineering Optimizer w systemie CATIA V5. Przed zastosowaniem optymalizacji parametrycznej należy przygotować dodatkowe elementy geometryczne (punkty, linie, krzywe lub powierzchnie), które w kolejnym kroku zostaną powiązane z punktami kontrolnymi powierzchni deformowanej (tu: Subdivision Surface.3). Na przykład, jeśli dla współrzędnych punktu oznaczonego jako Linked Point na rysunku 26 zdefiniujemy relacje równości z parametrami LinkedPoint-H i LinkedPoint-V, a następnie zwiążemy ten punkt z punktem kontrolnym powierzchni Subdivision Surface.3 (polecenie IMA – Link na rysunku 27), to każda zmiana wartości tych parametrów wpłynie na zmianę kształtu powierzchni (w pobliżu powiązanego punktu kontrolnego) i w konsekwencji także zmieni rozkład naprężeń i odkształceń modelu finalnego.

Rys. 26

Rys. 27

Modyfikacje wartości parametrów LinkedPoint-H i LinkedPoint-V mogą być wykonane „ręcznie” lub automatycznie po zdefiniowaniu zadania optymalizacyjnego w aplikacji Design Optimization. Szczegóły pominę, bo zastosowanie tej aplikacji nie różni się zasadniczo od jej odpowiednika w CATII V5. Istotne jest to, że po niewielkich modyfikacjach można osiągnąć znaczącą redukcję wartości naprężeń (tu: z 3,92e8 MPa na 2,82e8 MPa – Rys. 28).

Rys. 28

Oczywiście sprawdzenie poziomu naprężeń i odkształceń powinno być wykonane dla wszystkich zdefiniowanych przypadków obciążeń, czyli w tym przypadku nie tylko dla Linear Load Case.1, ale także dla Linear Load Case.2 i Linear Load Case.3.
Czy taki sposób definiowania geometrii projektowanych części jest interesujący, bardziej wydajny i oferujący znacznie więcej niż tradycyjne metody projektowania i weryfikacji konstrukcji? Moim zdaniem tak, bo GDE wspomaga definiowanie i weryfikację komponentów o niekonwencjonalnych kształtach, które w konsekwencji pozwalają uzyskać znaczące oszczędności materiałowe. Trzeba jednak pamiętać, że rezultat procesu wspomaganego przez tę aplikację jest w dużej mierze zależny od specyfikacji materiału, z którego projektowana część ma być wykonana. Materiały stosowane w „klasycznych” metodach wytwarzania są znane od lat, a ich parametry, przetestowane w wielu zastosowaniach produkcyjnych, nie zmieniają się znacząco w procesie produkcji. W przypadku druku 3D materiał wejściowy (zwykle sproszkowany) ma parametry inne niż materiał części po wykonaniu. Można powiedzieć, że parametry materiałowe drukowanej części są definiowane w procesie jej wytwarzania (temperatura, rodzaj procesu, strategia ruchu lasera, itp.). Z tego powodu kalibracja materiału, czyli iteracyjny proces definiowania specyfikacji materiałowej i weryfikacja tych parametrów po zakończeniu druku 3D, oraz symulacja i optymalizacja samego procesu drukowania 3D są niezbędne. To jednak jest temat na kolejny artykuł.

Andrzej Wełyczko

artykuł pochodzi z wydania 9 (120) wrzesień 2017