mérnöki objektumok leírása és elemzése virtuális terekben c. tantárgy

Mérnöki objektumok leírása és elemzése virtuális terekbenc. tantárgy

Budapesti Műszaki FőiskolaNeumann János Informatikai Kar

Intelligens Mérnöki Rendszerek Intézet

Mérnöki Informatikus MSc

5. Előadás

Virtuális prototípus

Dr. Horváth László egyetemi tanár

http://nik.bmf.hu/lhorvath/

Tartalom

Dr. Horváth László BMF-NIK-IMRI http://nik.bmf.hu/lhorvath/

Fizikai és virtuális törésteszt

Véges elemeken alapuló elemzési modellezés és elemzés

Fizikai és virtuális prototípus

Fizikai és virtuális prototípus


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 építettmatematikai 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 elemzésFEM, Finite Element Modeling and FEA, Finite Element Analysis


Csomó Él

A véges elemek módszerének rövid fejlődés-története


Repülőgépek szerkezeti elemeinek elemzésénél merült fel hagyományos vizsgálatokkal nem megoldható feladat.

A kifejezést Clough használja először, 1960 –ban.

Első könyv: Zienkiwiecz és Chung, 1967.60-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


Numerikus módszer, amelynél hálóban elhelyezett véges elemekkel való közelítést alkalmaznak.

A vizsgált paraméterek értékét elemző programokba építettmatematikai 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


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


P-elemek: pontos illesztés a geometriára, pl. max. ötöd rendű ábrázolással

A másodfokú élen egy, a harmadfokú élen két közbenső csomópont definiálható.

ElsőfokúAhol megengedhető linearizálni kell a

diszkretizált geometrián.

Tömör testHáromdimenziós héj

Kétdimenziós héjEgydimenziós

Hálógenerálás


Geometriával asszociatív, paraméteres háló generálásagörbéken,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 csökkentésea hálósűrűség,az elem-rendűség ésaz elemalak

automatikus módosításával egy korábban létrehozott durva hálón.

Terhelések és határfeltételek


Terhelések definiálása:Ponton, élen, görbén, felületen, szekción.Csomókban és elemekenMatematikai 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 http://nik.bmf.hu/lhorvath/Forrás: www.catia.com

Az elemzések eredményeinek megjelenítése


Forrás: www.catia.com

Törésteszt (Crash test)


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)


Számítógép-rendszer a törésteszt szimulációjára.

Az új konstrukciók finomításának új eszköze

Emberszerű modellt helyeznek el a vezetőülésben (virtual crash-test dummy).

Kétlépéses vizsgálatElső 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

mérnöki objektumok leírása és elemzése virtuális terekben c. tantárgy

Documents