Inżynieria Produkcji 2015-10-31 Inżynieria Produkcji • Współczesne maszyny i urządzenia stanowią bardzo złożone systemy elementów i układów: mechanicznych, elektronicznych, pneumatycznych czy hydraulicznych. • Muszą one spełniać.

Download Report

Transcript Inżynieria Produkcji 2015-10-31 Inżynieria Produkcji • Współczesne maszyny i urządzenia stanowią bardzo złożone systemy elementów i układów: mechanicznych, elektronicznych, pneumatycznych czy hydraulicznych. • Muszą one spełniać.

Inżynieria Produkcji
2015-10-31
1
Inżynieria Produkcji
• Współczesne maszyny i urządzenia stanowią bardzo złożone systemy
elementów i układów: mechanicznych, elektronicznych,
pneumatycznych czy hydraulicznych.
• Muszą one spełniać duże wymagania dotyczące dokładności
wykonania, posiadać wysoką trwałość, a także spełniać wysokie
warunki współpracy poszczególnych elementów i układów.
• Coraz częściej do ich sterowania, diagnostyki oraz projektowania i
wytwarzania elementów części maszyn stosuje się analizę
komputerową.
• Aby tym wymaganiom sprostać i takie obiekty wytwarzać, należy
posiadać obszerną wiedzę z zakresu inżynierii i ekonomi, jak i
organizacji oraz zarządzania.
2015-10-31
2
• Inżynieria produkcji
to dyscyplina naukowa zajmująca się
zasadami projektowania wyrobów i
procesów, a także podstawami
sterowania, eksploatacji, organizacji i
zarządzania procesami wytwarzania.
2015-10-31
3
Podejście analityczne i numeryczne w
modelowaniu zjawisk
• Wielorakość i wielość danych wejściowych, a także
relacji pomiędzy nimi powoduje, że zajmowanie się
rzeczywistym systemem bywa często bardzo trudne, czasami
wręcz niemożliwe. W takich przypadkach stosuje się zwykle
uproszczoną reprezentację rzeczywistego procesu/zjawiska,
zwaną modelem.
• Przez model rozumie się taki dający się pomyśleć lub
materialnie zrealizować układ, który odzwierciedlając lub
odtwarzając przedmiot badania, zdolny jest zastępować go
tak, że dostarcza nowych informacji o tym przedmiocie
i/lub pozwala na sprawdzenie informacji już znanych.
2015-10-31
4
Podejście analityczne i numeryczne w
modelowaniu zjawisk
• Jeżeli zależności opisujące model są odpowiednio
proste, wówczas matematyczne narzędzia, takie jak
algebra czy teoria prawdopodobieństwa są wystarczające
do uzyskania dokładnych wyników. Mamy wtedy do
czynienia z podejściem analitycznym.
• Praktycznie zjawiska rzeczywiste, w tym wszelkiego
rodzaju konstrukcje inżynierskie, a zwłaszcza procesy
technologiczne, są w większości przypadków zbyt
skomplikowane i nie mogą być opisane zadowalająco w
sposób analityczny (na rysunku A mamy przykład takiego –
stosunkowo prostego - problemu z dziedziny analizy
konstrukcji). W takiej sytuacji model poddaje się symulacji.
2015-10-31
5
Podejście analityczne i numeryczne w
modelowaniu zjawisk
2015-10-31
6
Podejście analityczne i numeryczne w
modelowaniu zjawisk
• Jeśli chodzi o procesy technologiczne i analizę konstrukcji,
proces symulacji komputerowej dostarcza informacji
dotyczących nie tylko rozkładu naprężeń czy odkształceń, ale
również szerokiej gamy danych umożliwiających interpretację:
jak materiał płynie, w jaki sposób wypełniana jest
matryca/forma, jakie są prawdopodobne rozkłady
temperatury i przepływu ciepła, czy istnieje
niebezpieczeństwo pojawienia się defektów, itp.
• Możliwość redukowania w trakcie projektowania naprężeń, np.
w narzędziach, może mieć znaczący wpływ na podniesie
trwałości narzędzi w produkcji.
2015-10-31
7
Podejście analityczne i numeryczne w
modelowaniu zjawisk
• Dzięki uzyskanym rozkładom naprężeń można w razie
konieczności przeprojektować poszczególne podzespoły,
wyrób czy układ całego procesu (kolejne operacje) w
celu zoptymalizowania wybranych parametrów
technologicznych jak i eksploatacyjnych.
• Symulacje procesów umożliwiają wzięcie pod uwagę faktu,
że rozkłady nacisków na narzędziach podczas rzeczywistego
procesu są dalekie od jednorodności (co było
dotychczas standardowym założeniem w konstrukcji i co
skutecznie uniemożliwiało dokładne szacowanie trwałości).
2015-10-31
8
Podejście analityczne i numeryczne w
modelowaniu zjawisk
• Przez wiele lat opierano się na metodach empirycznych, za
pomocą których określano wymagane wielkości istotnych
parametrów.
• Pojawiły się obecnie możliwości – przede wszystkim
dzięki gwałtownemu rozwojowi technologii
komputerowych - zastosowania zaawansowanych metod
numerycznych, opartych na różnych sposobach analizy w
celu optymalnego wyznaczenia wybranych wielkości. :
– metoda elementów skończonych – MES,
– metoda elementów brzegowych – MEB,
– metoda różnic skończonych – MRS),
2015-10-31
9
Podejście analityczne i numeryczne w
modelowaniu zjawisk
• W zastosowaniach zarówno przemysłowych,
jak i naukowych, dominuje wyraźnie
metoda elementów skończonych.
Zdecydowana większość komercyjnego
oprogramowania obliczeniowego oparta
jest na MES.
2015-10-31
10
Podejście analityczne i numeryczne w modelowaniu zjawisk
2015-10-31
11
Metoda elementów skończonych (MES)
•
•
•
•
Rys historyczny
Metoda została po raz pierwszy zastosowana w przemyśle lotniczym w latach
pięćdziesiątych w odpowiedzi na zapotrzebowanie na efektywne narzędzie do
obliczeń złożonych części pojazdów lotniczych.
Jej początki jednak sięgają lat czterdziestych, kiedy to w 1941 roku matematyk
Courant opublikował pracę zawierającą opis podstaw przybliżonej metody
analizy za pomocą elementów skończonych – choć terminu element skończony
jeszcze wtedy nie używano – w rozwiązywaniu problemów ośrodków ciągłych.
Praca ta nie została wówczas doceniona, a powrócono do jej założeń w
latach pięćdziesiątych właśnie.
Pierwsze próby zastosowania MES w technologii np. obróbce plastycznej,
przypadają na przełom lat 60-tych i 70-tych.
Szczególny postęp w rozwoju programów komputerowych widoczny jest w
latach 80-tych. Stało się to głównie ze względu na gwałtowny rozwój technologii
komputerowej i dostępność coraz silniejszych komputerów.
2015-10-31
12
Metoda elementów skończonych (MES)
•
•
•
•
Rys historyczny
Pojawiły się wówczas niezwykle sprawne – jak na owe czasy - stacje
robocze dostępne dla szerszego kręgu użytkowników (uczelni), które
były w stanie udźwignąć ciężar szerokiej gamy obliczeń bez
konieczności zastosowania bardzo drogich superkomputerów
dostępnych jedynie w wysoko wyspecjalizowanych jednostkach
naukowo - badawczych, centrach wojskowych, czy np.
meteorologicznych.
MES stawiała (i stawia) komputerom znaczne wymagania.
Niezbędna jest duża moc obliczeniowa – jak najsilniejszy procesor już choćby po to, aby czas obliczeń był jak najkrótszy.
Drugim bardzo istotnym parametrem jest odpowiednia – znowu: im
więcej, tym lepiej - ilość pamięci operacyjnej (w celu bieżącego
składowania wyników po każdej iteracji).
2015-10-31
13
Metoda elementów skończonych (MES)
•
•
•
•
•
•
•
•
Historia MES w zarysie:
1943 - francuski matematyk Courant publikuje artykuł, w którym opisuje
zastosowanie nowej metody ,,podziału na odcinki/elementy” w próbie uzyskania
rozwiązaniu problemu skręcania,
lata 50 - inżynierowie firmy Boening wprowadzają MES (która nota bene jeszcze
się tak nie nazywa) do analiz skrzydeł typu delta,
1960 - Clough proponuje jako pierwszy zastosowanie terminu ,,element
skończony”,
1963 - następuje matematyczne dopracowanie metody; MES zostaje po
raz pierwszy zastosowana w dziedzinie niekonstrukcyjnej,
lata 60 - pojawia się pierwszy kod liczący ogólnego przeznaczenia oparty na MES,
lata 70 - pojawiają się programy liczące przeznaczone do analizy zagadnień
nieliniowych,
lata 80 - wejście na rynek graficznych pre - post-procesorów,
lata 90 - narzędzia MES zaczynają być wkomponowywane w programy CAD;
powstają pierwsze systemy zintegrowane.
2015-10-31
14
Metoda elementów skończonych (MES)
MES znalazła zastosowanie w rozwiązywaniu wielu problemów w
ramach:
• typowych zagadnień o charakterze naprężeniowo odkształceniowym (analiza konstrukcji, projektowanie
przebiegu procesów technologicznych, ...),
• dynamiki konstrukcji (testy wytrzymałościowe,...),
• zagadnień termicznych,
• przepływu płynów,
• zjawisk elektromagnetycznych.
2015-10-31
15
Metoda elementów skończonych (MES)
2015-10-31
16
Metoda elementów skończonych (MES)
2015-10-31
17
Metoda elementów skończonych (MES)
2015-10-31
18
Metoda elementów skończonych (MES)
•
•
•
•
•
•
Opis ogólny
MES opiera się na naturalnym toku myślenia polegającym na dążeniu do podziału
złożonego systemu na mniejsze ,,podzespoły” (elementy) w celu obserwacji ich
zachowania, a następnie określenia zachowania całego systemu złożonego z
tych elementów (na rysunku C reprezentacja MES problemu z rysunku A).
Mamy zatem do czynienia ze skończoną liczbą zdefiniowanych elementów
struktury. Taki model zwykło się nazywać dyskretnym. Bazą do takiego podziału
jest geometria.
Opis geometrii jest zawsze pierwszym etapem analizy problemu, bezpośrednio
poprzedzający zdefiniowanie siatki elementów skończonych.
Podział struktury/obszaru/ modelu na elementy jest równoznaczny z
zastąpieniem regionu o nieskończonej liczbie stopni swobody przez system, który ma
skończoną ich ilość.
Ten proces jest uważany za szczególny test inżynierskiej oceny i zrozumienia
analizowanego zjawiska.
Jest to niewątpliwie jeden z najważniejszych etapów symulacji, aczkolwiek przesadzają
ci, którzy twierdzą, że wszystko – jeżeli chodzi o dokładność obliczeń – zależy od siatki
elementów.
2015-10-31
19
Metoda elementów skończonych (MES)
2015-10-31
20
Metoda elementów skończonych (MES)
•
•
•
•
•
•
Element skończony może być odcinkiem (element liniowy) lub prostą figurą
geometryczną (płaską lub przestrzenną), dla której określone zostały wyróżnione
punkty zwane węzłami, oraz pewne funkcje interpolacyjne służące do opisu rozkładu
analizowanych wielkości w jego wnętrzu i na jego bokach. Funkcje te nazywają się
funkcjami kształtu (funkcjami węzłowymi).
Węzły znajdują się w wierzchołkach elementu skończonego, ale mogą być
również umieszczone na jego bokach i w jego wnętrzu. Jeżeli węzły znajdują się
tylko w wierzchołkach, to element skończony jest nazywany elementem liniowym
(ponieważ funkcje interpolacyjne są wtedy liniowe).
W pozostałych przypadkach mamy do czynienia z elementami wyższych rzędów.
Rząd elementu jest zawsze równy rzędowi funkcji interpolacyjnych (funkcji
kształtu).
Liczba funkcji kształtu w pojedynczym elemencie skończonym jest równa liczbie
jego węzłów.
Funkcje kształtu są zawsze tak zbudowane, aby w węzłach których dotyczą, ich
wartości wynosiły jeden, a w pozostałych węzłach przyjmowały wartość zero.
2015-10-31
21
Metoda elementów skończonych (MES)
2015-10-31
22
Metoda elementów skończonych (MES)
•
•
•
Kształt, rozmiary, liczba i konfiguracja elementów muszą być dobierane świadomie, z
wyczuciem, najlepiej ze znajomością tzw. ,,benchmarków” (testów
sprawdzających poprawność ,,działania” danego rodzaju elementów do symulacji
określonego typu zjawiska), tak aby model zjawiska jak najdokładniej
odzwierciedlał rzeczywistość, a uzyskane wyniki pozostawały w granicach
założonych błędów. A wszystko to bez znacznego wysiłku obliczeniowego (czasu
obliczeń).
Rozmiar oraz liczba elementów są czynnikami wpływającymi zarówno na
dokładność jak i czas obliczeń. Trzeba także wiedzieć, że chociaż wzrost ilości
elementów w modelu daje – ogólnie rzecz ujmując – dokładniejsze wyniki, to istnieje
dla każdego analizowanego problemu taka ich liczba N, po przekroczeniu której nie
nastąpi znaczy wzrost dokładności rozwiązania przy znacznym wzroście czasu
obliczeniowego.
Symbolicznie prezentuje to rysunek E. Przyjmuje się, że generalnie siatka powinna
być zagęszczania w rejonach gdzie spodziewana jest koncentracja wielkości
pochodnych (np. naprężeń). I tu właśnie przydaje się znajomość analizowanego
problemu.
2015-10-31
23
Metoda elementów skończonych (MES)
2015-10-31
24
Uwagi ogólne o modelowaniu CAE
•
•
•
•
Po dwóch pierwszych etapach tworzenia modelu – opis geometrii i narzucenie
siatki elementów skończonych – następują kolejne:
definicja warunków brzegowych i obciążeń (stopnie swobody, siły i sposób
ich działania, temperatura, tarcie, itp.),
opis zachowania materiału (w analizach mechanicznych czy cieplno –
mechanicznych należy wybrać konkretny model materiału dla poszczególnych
stref modelu),
wybór typu własności geometrycznych zastosowanych elementów (częsty
element analizy np. dla modeli dwuwymiarowych – 2D – kiedy modelujemy
przypadki przestrzenne za pomocą odpowiednich przybliżeń elementami
dwuwymiarowymi),
wybór parametrów obliczeniowych charakterystycznych dla danej klasy
zagadnień.
2015-10-31
25
Uwagi ogólne o modelowaniu CAE
• Oprogramowanie, które wykorzystuje metody przybliżone (jak już
wspomniano - głównie MES) do wspomagania analiz inżynierskich
należy do kategorii CAE (Computer Aided Engineering –
Komputerowe Wspomaganie Obliczeń Inżynierskich, lub Komputerowe
Wspomaganie Analiz Inżynierskich).
• Ujmując zagadnienie ogólnie, zastosowanie oprogramowania typu
CAE można sprowadzić do podstawowego zadania: badania
zachowania układu/systemu/modelu na określone wymuszenie, przy
założonych warunkach brzegowych.
• Wynika z tego podstawowa zaleta - możliwość analizy wpływu
wybranych czynników na interesujące parametry z punktu widzenia
właściwej (czy spodziewanej) pracy modelu.
2015-10-31
26
Uwagi ogólne o modelowaniu CAE
Dynamiczny rozwój oprogramowania oraz zastosowań tłumaczyć można
tym, że:
• wirtualny prototyp kosztuje o wiele mniej niż model rzeczywisty,
• za pomocą MES (CAE) możliwe jest jednoczesne uruchamianie wielu
analiz o zmiennych parametrach - a przez to skrócenie czasu
prototypowania/konstruowania (znowu pieniądze),
• można ponadto podejmować się analizy złożonych przypadków pod
względem geometrii, obciążenia, wymiarów, itd., których badania ze
względu na wybrane parametry (jak chociażby trudności z wykonaniem
pomiarów) nie byłyby możliwe do przeprowadzenia w rzeczywistości.
2015-10-31
27
Uwagi ogólne o modelowaniu CAE
Ze względu na wspomniany rozwój omawianych
metod/oprogramowania świadomy inżynier powinien zdawać sobie
sprawę pojawiających się czasami nieporozumień związanych z
zastosowaniem MES- u:
• modelowanie typu CAE z wykorzystaniem MES nie zastąpi całkowicie
innych metod modelowania (np. fizycznego); w zasadzie powinno się
używać - jeśli tylko to możliwe - kilku metod analizy jednocześnie w
celu poprawnej analizy zagadnienia,
• osiatkowanie modelu nie jest najważniejsze, tzn. nie jest jedynym
ważnym elementem modelowania (choć niewątpliwie bardzo istotnym z
punktu widzenia chociażby dokładności wyników),
• otrzymanie pierwszych wyników jest przeważnie łatwe, ale otrzymanie
wyników dokładnych wiąże się z rozwiązaniem analitycznym problemu, o
czym często się zapomina.
2015-10-31
28
Uwagi ogólne o modelowaniu CAE
•
•
•
•
W związku z powyższym należy również wspomnieć o
potencjalnych źródłach błędów przy modelowaniu metodami
przybliżonymi. Tkwią one w:
sposobie modelowania (zastosowanie teorii np. wytrzymałościowych
- opis własności elementów: prętowych, płytowych, powłokowych,
..., modele materiałowe, modele tarcia, itd.),
dyskretyzacji (podziale struktury na elementy skończone),
błędy numeryczne (związane z rozwiązywaniem równań metody
elementów skończonych).
błędy związane z algorytmem pracy komputera (sposobem wykonywania
obliczeń).
2015-10-31
29
Uwagi ogólne o modelowaniu CAE
•
•
•
•
Ważne stają się zatem wskazówki dla początkujących adeptów
modelowania CAE:
nie zabierać sie od razu za rozwiązywanie MES-em;
rzeczywista sytuacja/proces/zjawisko muszą być dobrze
wcześniej zrozumiane,
wyniki powinny być sprawdzone, aby mieć pewność, że
problem został opisany prawidłowo,
kompetentny użytkownik musi wiedzieć jak zachowują się
poszczególne elementy,
MES jest matematyczną implementacją problemu
fizycznego, a więc trzeba znać założenia i ograniczenia
teorii/modeli teoretycznych.
2015-10-31
30
Oprogramowanie CAD/CAM/CAE
w działalności inżynierskiej i naukowej
•
•
•
•
•
•
•
•
Inwazja komputerów w świat nauki i inżynierii przejawia się w tworzeniu takich
dziedzin jak:
matematyka komputerowa (przeprowadzanie dowodów, statystyka, poszukiwanie
liczb pierwszych, budowa modeli i algorytmów matematycznych, ...),
fizyka komputerowa (fizyka teoretyczna studiowana metodami
eksperymentalnymi),
mechanika komputerowa (modelowanie i symulacje przestrzennych konstrukcji
mechanicznych i zjawisk mechanicznych),
chemia komputerowa (chemia kwantowa, analiza zachowania cząsteczek, budowa
modeli struktur, ...),
biologia i biocybernetyka komputerowa (symulacje makroskopowe - ekologiczne,
symulacje na poziomie biomolekularnym, genetyka i biologia molekularna, ...),
ekonomia komputerowa (przewidywanie sytuacji ekonomicznych w wybranych
dziedzinach, analiza tendencji rozwojowych, ...),
nauki o poznaniu (psychologia, lingwistyka filozofia i neurobiologia w komputerze –
tworzenie sztucznej inteligencji, ...),
komputerowe wspomaganie przemysłu - inżynieria produkcji (zastosowanie
technik komputerowych CAx do projektowania wyrobów i procesów, sterowania,
eksploatacji, organizacji i zarządzania procesami wytwarzania).
2015-10-31
31
Komputerowe wspomaganie przemysłu CAI
Computer Aided Industry
CAI = CIM + CAO
CIM - Computer Integrated Manufacturing
Komputerowo zintegrowane wytwarzanie
CAO - Computer Aided Office
Komputerowe wspomaganie prac biurowych
2015-10-31
32
Komputerowe wspomaganie przemysłu CAI
Computer Aided Industry
CIM = CAD + CAP + CAQ + CAM + CAPPS + …
CAD – Computer Aided Design
Komputerowe wspomaganie projektowania
CAP – Computer Aided Planning
Komputerowe wspomaganie planowania
CAQ – Computer Aided Quality
Komputerowe wspomaganie jakości
CAM – Computer Aided Manufacturing
Komputerowe wspomaganie wytwarzania
CAPPS – Computer Aided of Production Planning System
Komputerowe wspomaganie planowania produkcji
2015-10-31
33
Komputerowe wspomaganie przemysłu CAI
Computer Aided Industry
CIM = … + CAT + CAE + CARC + CATS + CAA
CAT – Computer Aided Testing
Komputerowe wspomaganie testów
CAE – Computer Aided Engineering
Komputerowe wspomaganie obliczeń inżynierskich
CARC – Computer Aided Robot Control
Komputerowe wspomaganie sterowaniem robotów
CATS – Computer Aided Tranport and Store
Komputerowe wspomaganie transportu i magazynowania
CAA – Computer Aided Assembly
Komputerowe wspomaganie montażu
2015-10-31
34