Wprowadzenie do symulacji dynamicznych z wykorzystaniem

pakietu Autodesk Inventor

Opracował: mgr inż. Wojciech Czuba

Plan prezentacji

• Symulacja dynamiczna - omówienie

• Typowe przypadki użycia

• Etapy przeprowadzania symulacji dynamicznej

• Typy połączeń i ich właściwości

• Wyniki symulacji dynamicznych

Symulacja

Symulacja - przybliżone odtwarzanie zjawiska lub zachowania danego obiektu za pomocą jego modelu. Szczególnym rodzajem modelu jest model matematyczny, często zapisany w postaci programu komputerowego, ale czasem niezastąpione jest wykorzystanie modelu fizycznego w zmniejszonej skali np. do badań aerodynamicznych. Symulacja znajduje szerokie zastosowanie w każdej dziedzinie nauki i techniki. Wykorzystywana jest też do celów wojskowych jak i czystej rozrywki np. w grach komputerowych. (Źródło: Wikipedia)

Symulacja dynamiczna

Symulacja ruchu mechanizmu: pozycji, prędkości, przyspieszenia w funkcji czasu pod wpływem obciążeń zewnętrznych

Zalety • Redukcja prototypów fizycznych

• Analiza różnych wariantów

• Poprawa/Optymalizacja funkcjonowania

• Walidacja projektu

• Dane do następnych analiz (MES)

Przykłady zastosowania

• Jaki jest czas ukończenia operacji/ruchu? • Czy siła jest wystarczająca do podniesienia

obiektu? • Jakiego silnika powinniśmy użyć? • Czy ten kształt zapewni odpowiedni ruch? • Jaka siła reakcji działa na tą część?

Definicje

Kinematyka badanie/analiza ruchu bez uwzględniania sił

Dynamika analiza sił masowych i bezwładnościowych działających na mechanizm i wynikający z tego ruch

Bryła sztywna obiekt posiadający masę i momenty bezwładności charakteryzujące jego właściwości ruchowe, nieodkształcalny. Posiada 6 stopni swobody

Etapy tworzenia symulacji

1. Przygotowanie modelu

2. Zdefiniowanie połączeń

3. Dodanie sił zewnętrznych/wymuszeń

4. Analiza wyników

1. Przygotowanie

• Grupowanie części, które nie poruszają się względem siebie

- W środowisku zespołu

- W środowisku Symulacji Dynamicznej

• Przypisanie wszystkim częścią odpowiednich materiałów

Połączenia

• Połączenia – wiązania pomiędzy dwoma sztywnymi elementami

• Połączenia pozwalają na przekazywanie siły pomiędzy komponentami

• Każde połączenie ma swój układ współrzędnych względem którego definiowany jest ruch i praca mechanizmu

2. Tworzenie połączeń

• Najważniejszy etap budowy modelu

• Czasochłonne

• Połączenia kontrolują stopnie swobody i pozwalają na aplikację właściwości takich jak tarcie czy tłumienie

Standardowe połączenie mechaniczne

• 0 stopni swobody translacyjnych

• 1 stopień swobody obrotowy

Połączenia specjalne

Pasy Przekładnie

Sprężyny Kontakt

Wiązania zespołu a Połączenia Wiązania zespołu zapewniają ustalenie geometrii względem siebie, natomiast połączenia w symulacji dynamicznej zawierają też informację o prędkościach, siłach itp

Łańcuch kinematyczny Zespół części związany Połączeniami i lub Złączami. Wyróżnia się łańcuchy otwarte i zamknięte

Łańcuch otwarty

Łańcuch zamknięty

Model kinematyczny Grupa posiadająca co najmniej jeden łańcuch kinematyczny rozpoczynający się od nieruchomej części. Model kinematyczny może posiadać dowolną ilość łańcuchów otwartych i zamkniętych.

Właściwości połączeń • Współczynnik restytucji

Określa prędkości na kierunku normalnym do kontaktu po zderzeniu/styczności dwóch komponentów. Wartość 1 określa idealnie sprężysty kontakt (brak rozpraszania energii) natomiast 0 kontakt całkowicie nieelastyczny (ciało się nie odbija).

• Współczynnik tarcia

Jest wielkością charakteryzującą siłę tarcia. W tarciu suwnym czyli ślizgowym, współczynnik tarcia jest równy stosunkowi siły tarcia T do sił nacisku Fn ciała na podłoże (drugie ciało)

3. Obciążenia zewnętrzne Siły zewnętrzne muszą zostać określone i zaaplikowane do modelu aby zapewnić prawidłową pracę mechanizmu i pozwolić na efektywną analizę.

Typowe siły zewnętrzne:

- Siła grawitacji

- Siły skupione

- Momenty

4. Analiza wyników Po wykonaniu symulacji pracy modelu, użytkownik może przeanalizować i porównać wyniki takie jak:

- Siły reakcji

- Prędkości

- Przyspieszenia

- Momenty

- Przemieszczenia

Połączenia standardowe

Połączenia standardowe są najczęściej używanymi połączeniami. Te złącza są oparte na różnych kombinacjach stopni swobody ruchu obrotowego i przesuwnego. W tej kategorii dostępne są następujące połączenia

1 – obrót Brak translacji, obrót wokół osi z, 1 stopień swobody

2 – pryzmatyczne Translacja na kierunku osi z, brak rotacji, 1 st. swobody

3 – walcowe Translacja i rotacja względem osi z, 2 st. swobody

4 – sferyczne Rotacja względem wszystkich osi, brak translacji, 3 st. swobody

5 – płaskie Translacja względem x i z, rotacja względem y, 3 st. swobody

6 – punkt-linia Translacja względem z, 3 rotacje, 4 st. swobody

7 – linia płaszczyzna Translacja względem x i z, rotacja względem y, 3 st. swobody

8 – punkt płaszczyzna Translacja względem x i z, obrót względem wszystkich osi, 5 st. swobody

9 – przestrzenne Translacja x,y,z, rotacja x,y,z, 6 st. swobody

10 – spawane Brak translacji, brak rotacji, 0 st. swobody

Połączenia toczne Mimo że obrazy wskazują, że złącza mogą być wykorzystywane do symulowania mechanizmów przekładniowych, rzeczywista siatka zębów przekładni nie jest brana pod uwagę. Używając tej metody, stosunek ustalany jest w oparciu o geometrię wybraną na efektywnym promieniu toczonym koła zębatego. Uwaga: Jeśli na efektywnym promieniu tocznym nie istnieje geometria, do części należy dodać szkic.

1 – walec na płaszczyźnie Ruch pomiędzy cylindrem a płaszczyzną

2 – walec na walcu Obrót dwóch cylindrów względem siebie

3 – walec w walcu Ruch obrotowy cylindra wewnątrz nieruchomego cylindra

4 – krzywa walca Ruch pomiędzy obrotowym cylindrem i krzywką

5 – pas Ruch dwóch cylindrów z tą samą prędkością obwodową

6 –stożek na płaszczyźnie Ruch pomiędzy powierzchnią stożkową a płaską

7 – stożek na stożku Ruch pomiędzy dwiema powierzchniami stożkowymi

8 – stożek w stożku Ruch stożka wewnątrz stożka

9 – śruba Jak połączenie cylindryczne + skok

10 – przekładnia ślimakowa Ruch ślimaka i koła zębatego

Połączenia przesuwne

1 – walec na płaszczyźnie Poślizg (bez obrotu) cylindra po płaszczyźnie

2 – walec na walcu Poślizg jednego walca po drugim. Jeden z walców nie obraca się

3 – walec w walcu Poślizg nieobracającego się walca wewnątrz drugiego, nieruchomego walca

4 – krzywa walca Ruch pomiędzy nieobracającym się cylindrem i ruchomą krzywką

5 – krzywa punktu Wymuszony ruch po krzywej punktu należącego do komponentu

Połączenia kontaktowe 2D

Umożliwia ruch krzywej jednego elementu po krzywej drugiego elementu, wykrycie kontaktu w płaszczyźnie i możliwość oddzielenia kontaktujących się elementów. Jest to złącze precyzyjne, w przypadku takich mechanizmów jak np. krzywki, należy stosować złącze Kontakt 2D zamiast kontakt 3D. Jest wydajniejsze i obarczone mniejszym błędem analizy.

Połączenia siłowe

1 – Sprężyna/amortyzator Umożliwia dodanie elementów takich jak sprężyny, amortyzatory, siłowniki

2 – kontakt 3D Kontakt dwóch elementów w przzestrzeni

Połączenia siłowe

Interface użytkownika

1 – Zakładka środowiska symulacji dynamicznej

2 – Panel narzędzi

3 – Narzędzie do wstawiania połączeń

4 – Przeglądarka: komponenty, połączenia, obciążenia

5 – Odtwarzacz symulacji

1 – Narzędzia do tworzenia połączeń, przekształcania wiązań i analizy statusu mechanizmu

2 – Narzędzia do aplikacji sił i momentów

3 – Narzędzie do analizy wyników

4 – Narzędzia do tworzenia animacji

5 – Narzędzia do zarządzania symulacją

6 - Narzędzia do eksportowania obciążeń do środowiska analizy naprężeń

7 – Wyjście z symulacji

Panel narzędzi symulacji dynamicznej

1 – Sztywne, utwierdzone do podłoża komponenty i wszystkie elementy nie zdefiniowane w mechaniźmie

2 – Podzespoły, grupy spawane i elementy, które nie są unieruchomione

3 – Połączenia. Utworzone automatycznie lub manualnie

4 – Obciążenia zewnętrzne

Przeglądarka obiektów

Właściwości połączeń

Definicja siły w połączeniu

Właściwości połączeń

Definicja ruchu wymuszonego

Odtwarzacz symulacji

1 – Tryb konstrukcyjny

2 – Wyłączenie odświeżania obrazu

3 – Czas symulacji

4 – Ilość klatek (więcej = dokładniejsza symulacja, dłuższe obliczenia

5 – Przy wyłączonym odświeżaniu: co ile klatek pokazywany jes stan mechanizmu

Grapher wyjściowy

1 – Najczęściej stosowane narzędzia

2 – Lista z wszystkimi dostępnymi danymi (siły w połączeniach, prędkości, trajektoria itp.)

3 – Wartości wybranej zmiennej w czasie

4 – Wykres przebiegu zmiennej w czasie

Ćwiczenia

Ćwiczenie 2.1 – Krzywka. Instrukcja. Pliki do ćwiczenia: Zawór i krzywka.pdf, Krzywka.zip

Ćwiczenie 2.2 – Czworobok. Do samodzielnego wykonania. Pliki do ćwiczenia: Czworobok.pdf

Ćwiczenie 2.3 – Urządzenie do odkręcania śrub. Instrukcja. Pliki do ćwiczenia: Bolt Removal.pdf, Bolt Removal.zip

Ćwiczenie 2.4 – Mechanizm. Do samodzielnego wykonania. Pliki do ćwiczenia: Mechanizm.pdf, Mechanizm.zip

W przypadku ćwiczeń 2.2 i 2.4, proszę zapisać wyniki, wykresy itp. – potrzebne do sprawozdania!

Źródła

1. Up and running with Autodesk Inventor 2011, Wasim Youanis 2. http://www.andrew.cmu.edu/course/24-688/ 3. wikihelp.autodesk.com