Mérnöki objektumok leírása és elemzése virtuális terekben c. tantárgy Budapesti Műszaki Főiskola Neumann János Informatikai Kar Intelligens Mérnöki Rendszerek Intézet Mérnöki Informatikus MSc 5. Előadás Virtuális prototípus Dr. Horváth László egyetemi tanár
Tartalom Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Fizikai és virtuális törésteszt Véges elemeken alapuló elemzési modellezés és elemzés Fizikai és virtuális prototípus
Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Fizikai prototípus Valóságos termék a benne megvalósuló mérnöki munka, valamint az annak alapját képező elmélet és módszertan kipróbálására. Egyszerűsített és gyors prototípusok. Költséges és időigényes gyártást és méréseket igényelnek. Ésszerű költségek mellett csak korlátozott vizsgálatok valósíthatók meg. Virtuális gyártás Termékfejlesztés fizikai gyártás és mérés nélkül, virtuális prototípus segítségével. Fizikai vizsgálatok, az ezekből leszűrt tapasztalatok alapján kidolgozott szimuláción alapul. Virtuális prototípus A virtuális prototípus a virtuális térben épül, elemzések során mutatja, hogy a valóságos prototípus, amelynek számítógépi reprezentációja, miként viselkedne. Nagytömegű tervezett kísérlet végezhető. Tudásháttere folyamatosan fejleszthető, sok év tapasztalata építhető be. Az ember általában a számítép képernyőjén keresztül kommunikál vele, de már alkalmaznak ennél fejlettebb eszközöket is. Modellezési, szimulációs és alkalmazási területi szakértők magas szintű együttműködését igényli.
Numerikus módszer, amelynél hálóban elhelyezett véges elemekkel való közelítést alkalmaznak. A modellezés és elemzés egyeduralkodó módszerévé vált Az elemzés az alkatrészen elhelyezett, alkalmas nagyságú, az elemzési feladat igénye szerint meghatározott, véges számú elemen történik. Felület vagy test bármely pontjában alkalmas az igénybevételek számítására. Számítógépben szimulált valósággal végzett vizsgálat. Valóságos üzemi környezetben való működés szimulációja valósítandó meg. A vizsgált paraméterek értékét elemző programokba épített matematikai összefüggések alapján határozzák meg. Általános feladatmegoldó eszköz: bármely bonyolultságú alakon, bármely helytől függően meghatározható jellemző elemezhető, bármely terhelés vagy határfeltétel figyelembe vehető. Terhelési modell: terhelések és határfeltételek definiálása és elhelyezése csomókon vagy geometrián Véges elemeken alapuló elemzési modellezés és elemzés FEM, Finite Element Modeling and FEA, Finite Element Analysis Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Csomó Él
A véges elemek módszerének rövid fejlődés-története Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Repülőgépek szerkezeti elemeinek elemzésénél merült fel hagyományos vizsgálatokkal nem megoldható feladat. A kifejezést Clough használja először, 1960 –ban. Első könyv: Zienkiwiecz és Chung, as évek vége: nemlineáris problémák első megoldásai. Oden, 1972: könyv nemlineáris problémákról. 70 -es évek: matematikai alapok lefektetése. Ma gyakorlatilag minden mérnöki virtuális rendszer tartalmaz vagy integrál ilyen funkcionalitást.
A véges elemeken alapuló elemzés módszere Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Numerikus módszer, amelynél hálóban elhelyezett véges elemekkel való közelítést alkalmaznak. A vizsgált paraméterek értékét elemző programokba épített matematikai összefüggések alapján határozzák meg. Általános feladatmegoldó eszköz: bármely bonyolultságú alakon, bármely helytől függően meghatározható jellemző elemezhető, bármely terhelés vagy határfeltétel figyelembe vehető. Terhelési modell: terhelések és határfeltételek definiálása és elhelyezése csomókon vagy geometrián
Vizsgált paraméterek Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Példák: Erők és hőmérsékletek csomókban. Élekre és felületekre ható koncentrált vagy megoszló erő vagy nyomás. Gyorsulás: gravitáció, egyenes vonalú, körpályán. Környezeti hőmérséklet. Csomóban és elosztva ható hőforrások. Hővezetés és sugárzás lapon és élen. Feszültség, alakváltozás, gradiens, nyomás. Belső erő, reakcióerő. Nyomaték. Alakváltozási energia. Sajátfrekvencia, Hőmérséklet, gradiens, hő áram. Mágneses tér. Kompozit anyagoknál: rétegenkénti vizsgálat, rétegszakadás vizsgálata. A terhelés hely és idő függvényében, matematikai összefüggéssel leírhatóan változhat
Véges elemek Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI P-elemek: pontos illesztés a geometriára, pl. max. ötöd rendű ábrázolással A másodfokú élen egy, a harmadfokú élen két közbenső csomópont definiálható. Elsőfokú Ahol megengedhető linearizálni kell a diszkretizált geometrián. Tömör test Háromdimenziós héj Kétdimenziós héjEgydimenziós
Hálógenerálás Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Geometriával asszociatív, paraméteres háló generálása görbéken, felületeken, tömör testeken, furatokat tartalmazó térfogatokon és belső üregeken. Globális és lokális hálósűrűség-definíció. Automatikus sűrűségátmenet. Adaptív hálógenerálás a háló által okozott elemzési hibák minimálisra csökkentése a hálósűrűség, az elem-rendűség és az elemalak automatikus módosításával egy korábban létrehozott durva hálón.
Terhelések és határfeltételek Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Terhelések definiálása: Ponton, élen, görbén, felületen, szekción. Csomókban és elemeken Matematikai összefüggéssel. Meghatározott pontokon átmenő felületen. Korlátok definiálása: Szabadságfokok. Ponton, élen, görbén, felületen, szekción. Alaptípusok: befogás, csap (1R), csúszó támasz (1T), érintkezés (2T). Virtuális alkatrész: 3T, 3R definiálásának lehetőségével, implicit. Matematikai összefüggéssel. Meghatározott pontokon átmenő felületen. Csomó elmozdulása. Több terhelés és korlát összetett definiálása.
Az elemzések eredményeinek megjelenítése Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Forrás:
Az elemzések eredményeinek megjelenítése Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Forrás:
Az elemzések eredményeinek megjelenítése Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Forrás:
Törésteszt (Crash test) Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Autógyártók biztonságot hagyományosan az új modellek töréstesztjével biztosítják Emberszerű fizikai modellt helyeznek el a vezetőülésben: crash-test dummy. Nekivezetik pl. téglafalnak. Egy törésteszt nagyjából 750,000 dollár. Szabványos országúti törésteszt babával végzett számítógépi szimuláció a várható fej és mellkas sérülés meghatározására a karambol során. Az autókat és biztonsági rendszereiket számítógépen tervezik. Ez kényszerít a kapcsolódó töréstesztek szimulációra való áthelyezésére.
Virtuális törésteszt (Virtual crash test) Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI Számítógép-rendszer a törésteszt szimulációjára. Az új konstrukciók finomításának új eszköze Emberszerű modellt helyeznek el a vezetőülésben (virtual crash-test dummy). Kétlépéses vizsgálat Első lépés: a teljes emberi testre kiterjedő szimuláció azoknak a részeknek a meghatározására, amelyek sérülhetnek. A második lépés: a sérülékeny részek részletes modellje alapján állapítják meg a lehetséges sérülést. Számítógépes tomográfiával is összekapcsolják. Minél fejlettebb a modell, annál kevesebb fizikai autót kell összetörni.
Virtuális törésteszt módszerei Az emberi test virtuális reprezentációja képes ellátni a járművek tervezőit a valóságos emberek sérüléseiről, amelyeket különböző típusú ütközéseknél szerezhetnek. Az ütközési embermodellt nem csupán felszíni jellemzők írják le: csontszilárdság, bőr flexibilitás. A sérült testrészeket és a sérülés fokát is vizsgálják. A járműben utazókon kívül a járókelőket is vizsgálják már. Modellek fejlesztése valódi áldozatok eseteivel való összehasonlítással. Passzív biztonság tervezése a járműkarosszériában, a sérülést okozható elemek azonosítása, a módosítások hatásainak értékelése.
Toyota szimulációs rendszere: Total Human Model Safety (THUMS) Forrás: Toyota THUMS az emberi test precíz modellje, amely adatokat szolgáltat azokról a sérülésekről, amelyeket egy valóságos ember szenvedhet különböző típusú ütközéseknél