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 ReportTranscript 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