|
Experiment a počítačové modelování – základ optimálního dimenzování mechanických konstrukcí
Příspěvek stručně shrnuje současný světový stav experimentální základny, tvořící spolu s počítačovým modelováním základ pro optimální dimenzování mechanických konstrukcí. Upozorňuje na nežádoucí útlum zájmu o tuto problematiku v ČR.
Tempo a kvalita inovačních procesů strojírenských výrobků soustavně rostou v důsledku mj. rozsáhlejšího využívání mikroelektroniky, informační techniky a poznatků materiálového inženýrství. Desítky let se však nemění skutečnost, že koincidence počítačového modelování a experimentu je základem pro optimální dimenzování mechanických konstrukcí. Samozřejmě nastává změna v tom, že současný experiment používá výhradně číslicovou elektroniku a umožňuje tak s velkou přesností simulovat požadované průběhy zatěžování zkoumaného objektu a měřit je přesněji, rychleji a na více místech. Současné počítačové modelování, opírající se o zvýšenou rychlost a větší objem výpočetních operací, realizuje (za přispění experimentálně zjištěných dat) do požadovaných podrobností obraz rozložení teoreticky stanoveného zatížení zkoumaných objektů při běžném provozu i v navozovaných mezních situacích.
Zaměření optimálního konstruování strojírenských výrobků
Optimální metody konstruování jsou přednostně rozvíjeny v automobilovém a leteckém průmyslovém výzkumu a ve výzkumu a vývoji raket pro lety do vesmíru a satelitů Země. Důvodem je konkurence při ohromných finančních nákladech na rozsáhlou produkci automobilů, u letadel k tomu přistupují požadavky na bezpečnost cestujících. U kosmické techniky je to nutné k dosahování logických cílů dalšího vývoje. Uvedené oblasti jsou nejvýznamnějším zdrojem pro aplikace optimálního konstruování v dalších strojírenských oborech (zbraňové systémy, kolejová vozidla, zemědělské, zemní a stavební stroje, části různých výrobních zařízení atd.).
V posledních několika letech jsou metody optimálního konstruování podstatně ovlivňovány také častějším zaváděním do praxe nových konstrukčních kovových i nekovových materiálů (vyvinutých a používaných zejména v automobilovém a leteckém průmyslu) s vysokými pevnostními a životnostními parametry a malou hmotností, které je třeba experimentálně ověřovat v podmínkách blízkých skutečné exploataci nově vyvíjených výrobků.
Optimální konstruování je zaměřeno na:
provozní spolehlivost, pevnost a životnost mechanických konstrukcí s ohledem na zmenšování jejich hmotnosti (u mobilních výrobků i na zmenšování energetické náročnosti),
využívání nových materiálů a nových způsobu výroby,
růst pasivní bezpečnosti,
zvyšování komfortu při provozu stroje (zmenšování vibrací a hluku),
zkracování doby výzkumu a vývoje,
získávání dat potřebných pro počítačové modelování,
zdokonalování designu,
zmenšování nákladů na produkci, zkracování doby výzkumu a vývoje, a tudíž i na snižování celkových nákladů na výrobek.
Žádoucí je, aby fyzická životnost výrobku byla ve shodě s jeho životností morální. Zatímco mechanická konstrukce zpravidla má shodu fyzické a morální životnosti podstatně delší, je shoda fyzické a morální životnosti automatizační a řídicí techniky výrazně kratší. Například nadzvukový dopravní letoun Concorde poprvé vzlétl v roce 1969 (po velmi podrobných dlouhodobých pevnostních zkouškách) a létá dodnes s jednou minimální úpravou mechanické konstrukce, ale zato se šesti zásadními změnami v avionice.
Na základě zdokonalených experimentů a počítačového modelování lze přesněji dimenzovat výrobek jako celek i jeho komponenty na požadovanou spolehlivost a životnost bez zbytečných rezerv v jejich hmotnosti. I pro zkrácení doby trvání experimentu a počítačového modelování platí „time is money“.
Experimenty jsou převážně uskutečňovány na elektrohydraulických zkušebních strojích a systémech (dále EH stroje, EH systémy), které fungují jako elektromechanické servomechanismy s jednou nebo několika smyčkami. Lze je definovat jako zkušební a současně metrologická zařízení pro experimentální výzkum některých mechanických vlastností vzorků konstrukčních materiálů a spolehlivosti a životnosti mechanických konstrukcí strojů, jejich částí a součástek.
Elektrohydraulické zkušební stroje
Standardní EH stroje zatěžují zkušební vzorky konstrukčních materiálů tzv. řídicí veličinou (např. žádanou silou, silou odpovídající žádané dráze, žádané poměrné deformaci). Programy zatěžování jsou u současných EH strojů řízeny s vyhovující přesností číslicově prostřednictvím PC a vhodných programových prostředků. K dispozici jsou standardní programy: např. zkouška tahem, nízkocyklová a vysokocyklová únavová zkouška, zkoušky blokovým a náhodným zatěžováním, zkoušky šíření trhlin apod. Standardní EH stroje s přímočarými hydromotory mohou v mnoha případech zatěžovat součástky podobně jako při exploataci v praxi.
EH stroje jsou vyráběny pro generování sil o velikosti od stovek newtonů až po 20 MN. Frekvenční rozsah zatěžování může být od nejnižších frekvencí řádu setin hertzu až do desítek kilohertzů. Zatěžovat lze zkoumané objekty i v klimatických komorách při teplotách –70 až +300 °C, v různých agresivních prostředích atd.
Standardní EH stroje s torzním hydromotorem jsou nyní častěji využívány pro torzní zatěžování součástek (hřídelí točivých strojů) než vzorků konstrukčních materiálů. Jsou vyráběny pro standardní krouticí momenty od ±1 kNm do ±64 kNm s úhlem torzního pohybu až ±50° ve frekvenčním rozsahu až do 150 Hz.
Výjimkou nejsou standardní EH stroje pro kombinované zatěžování vzorků konstrukčních materiálů a součástek např. podélnými a torzními silami, které v provozu různých strojů není výjimečné. Dříve neuvažované složky kombinovaného namáhání, jevící se jako zanedbatelné, mohou podstatně přispět např. ke vzniku a šíření trhliny.
Elektrohydraulické zkušební systémy
Mezi EH systémy patří zařízení, která nejsou standardně vyráběna, ale sestavována ze stavebnicových dílů podle požadavků zákazníků. Vyznačují se především tím, že zatěžují zkoumaný objekt několika nezávisle působícími silami. Tímto objektem bývá zpravidla celý stroj (např. automobil) nebo jeho montážní skupiny (např. podvozek, sedačka – obr. 3) či součásti (obr. 2) a jen výjimečně speciální vzorky konstrukčních materiálů kombinovaně zatěžované několika hydromotory např. tahem, ohybem a krutem.
Využívání EH systémů je zaměřeno především na podporu a ověřování numerických výpočtových metod dimenzování mechanických konstrukcí dokonalou simulací dynamických provozních namáhání zkoumaných objektů. To znamená na měření jejich spolehlivosti a životnosti, na zjišťování frekvenčních charakteristik, módů kmitání a rezonancí mechanických konstrukcí, na určování mezních stavů namáhání atd.
EH systémy s několika nezávislými i popř. vzájemně definovaně závislými regulačními obvody jsou řízeny multiprocesorovými systémy. Jejich funkce zahrnuje sběr a zpracování signálů ze snímačů mechanických veličin (nejčastěji kovových tenzomerů a akcelerometrů) a následnou číslicovou regulaci řídicího signálu. Snímače slouží k řízení experimentu a současně mapují rozložení mechanického zatížení konstrukcí v jejich pevnostně exponovaných částech. Pro tato měření na stovkách až tisících míst jsou EH systémy zpravidla vybaveny rychlou externí měřicí ústřednou.
Jako příklad uveďme, že EH systémy pro simulaci provozního zatížení motocyklů jsou nejčastěji vybaveny třemi zatěžovacími hydromotory, pro zatěžování automobilů čtyřmi až šestnácti zatěžovacími hydromotory (obr. 1) a pro provozní zatěžování dopravních letadel i více než stem zatěžovacích hydromotorů. Snímek ze statické pevnostní zkoušky železničního vagonu je na obr. 4. Také u těchto konstrukcí se dále vykonávají dynamické zkoušky pro určení přenosových funkcí v návaznosti na modální analýzu kmitání konstrukce vagonu.
Dynamické zkušebny ve světě a v České republice
Experimenty podporující optimální konstruování se uskutečňují v dynamických zkušebnách vybudovaných ve všech světových automobilkách, ve větších podnicích leteckého průmyslu či v jejich výzkumných ústavech vyvíjejících popř. i techniku pro kosmické lety, v průmyslu kolejových vozidel a u výrobců dalších strojírenských výrobků v provozu dynamicky namáhaných (zemědělských strojů, vojenské mobilní techniky, zemních strojů atd.). Efektivnost současného zkušebnictví je podmíněna kvalifikovaným teoretickým zázemím výpočtářů, konstruktérů a technologů.
V České republice jsou moderními dynamickými zkušebnami s EH systémy vybaveny: Škoda Auto v Mladé Boleslavi, Výzkumný a zkušební letecký ústav v Praze, Škoda výzkum v Plzni, Výzkumný ústav kolejových vozidel v Cerhenicích a podnik Tatra v Kopřivnici. Dynamických zkušeben vybavených EH stroji je v České republice několik desítek. Menší vytížení stávajících dynamických zkušeben (až na výjimky) ostře kontrastuje se situací v devadesátých letech, kdy se československé zkušebnictví rychle rozvíjelo. Současné menší vytížení našich dynamických zkušeben je způsobeno útlumem výzkumných a vývojových aktivit v českém strojírenství. Je v zájmu naší ekonomiky a i dosud vynikajícího odborného zázemí českého strojírenství tuto situaci změnit, zvláště s ohledem na náš vstup do Evropské unie. Čas v tomto případě není náš přítel.
Ve státech Evropské unie je v současné době přibližně 100 větších a velkých dynamických zkušeben, každá nejméně s několika EH systémy a s úrovní experimentů odpovídající současnému standardu.
Jiří Černohorský,
Antonín Řehák
|