Simular Efectos de Fabricación Temprano Construye Diseños Robustos

En diseño e ingeniería, a menudo se hacen suposiciones como mecanismo de simplificación, y a veces porque esa simplificación es suficiente. Pero a menudo es porque no se tiene el tiempo adecuado ni las herramientas para contabilizar efectos no lineales.

Para muchos componentes, los procesos de fabricación tienen impacto significativo en el rendimiento del producto, pero a menudo son algunos de los efectos más comúnmente pasados por alto. ¿Qué efectos de fabricación deben considerarse y cuáles pueden ignorarse? Las respuestas no siempre se entienden bien. A menudo, la práctica estándar en ingeniería es que los diseñadores construyan un diseño, pasen eso a analistas, y luego los analistas construyan y analicen el diseño. Frecuentemente este enfoque es bastante engorroso y toma, como resultado, más tiempo del ideal. Debido a conexiones no ideales y tiempo para ir de CAD a CAE, no es raro pasar más tiempo en la transferencia de datos y la corrida inicial de análisis que en realmente construir, analizar y entender el modelo.

Plataforma 3DEXPERIENCE – Uniendo Herramientas de Diseño y Mecánica de Sólidos:

La 3DEXPERIENCE Platform de DASSAULT SYSTÈMES combina las funciones de diseño de clase mundial de CATIA con los conjuntos de herramientas de mecánica de sólidos lineal y no lineal de SIMULIA. Tal capacidad poderosa permite una conexión más fluida entre CAD y CAE que lo típico en la industria. También permite procesos guiados y plantillas estandarizadas, que pueden resultar en una primera respuesta más rápida. Así, en lugar de cálculos iniciales simplificados y suposiciones hechas por ingenieros expertos en análisis estructural, estas respuestas de primer paso pueden estar incrustadas dentro del CAD y herramientas de ingeniería temprana para llegar tanto a un primer modelo como a una primera estimación inicial de los indicadores clave de rendimiento estructural. Esto permite que respuestas lineales estructurales de primer paso se ejecuten y analicen dentro del CAD antes de pasarlas a analistas.

El ingeniero de análisis estructural puede luego "afilar la navaja" refinando el modelo y añadiendo efectos apropiados al modelo de "primer paso" entregado. Algunas de estas consideraciones de fabricación pueden ser simplemente suposiciones lineales "expandidas", pero se puede incluir contacto, no linealidad de material, e incluso efectos de endurecimiento por tensión donde sea apropiado. Como veremos, este refinamiento puede ser crucial y revelar fallos que de otro modo se pasarían por alto. Algunos ejemplos "clásicos" de no linealidad son no linealidades de materiales —plasticidad en acero, comportamiento no lineal de cauchos, agrietamiento y fallo en variedad de materiales y componentes. Aunque estos a menudo se entienden bien, otras dos formas de no linealidad se pasan por alto más frecuentemente —el efecto de contacto, y el impacto de "geometría no lineal". Las tres formas de no linealidad pueden ser resultado del proceso de fabricación, y todas son fácilmente modeladas, analizadas y post-procesadas en la 3DEXPERIENCE Platform.

Hemos evaluado dos ejemplos que demuestran estos efectos de fabricación, enfocándonos en cómo cada uno puede jugar un papel al considerar el impacto de efectos de fabricación en sistemas.

• Conexión Ajuste a Presión en Brazo de Control Inferior:

El contacto es generalmente bien entendido por ingenieros —dos o más componentes "chocan" entre sí, y se transfieren fuerzas entre ellos, dando lugar a tensiones y deformaciones. Un ejemplo de contacto a menudo no considerado, pero que puede ser bastante crítico en sus implicaciones, es el de un "ajuste a presión". En un ajuste a presión, un componente de sección exterior ligeramente mayor es "forzado" dentro de otro de sección menor, de ahí el nombre. El ajuste a presión debe balancear requisitos competidores: muy poca interferencia entre partes puede resultar en un ajuste que se salga demasiado fácil y comprometa la integridad del sistema através de separación de partes. Sin embargo, demasiada interferencia resultará en altas tensiones y deformaciones resultando en fallo en una o ambas partes.

El módulo de simulación dentro de la 3DEXPERIENCE Platform permite fácilmente no solo capturar tal ajuste a presión (en lugar del enfoque simplificado), sino también contabilizar variación en la interferencia para estudiar tensiones resultantes debidas al ajuste a presión mismo y cuando esas tensiones de ajuste a presión se incluyen dentro de carga "estándar". No contabilizar efectos de ajuste a presión puede tener consecuencias catastróficas.

Como se muestra en el ejemplo anterior, un brazo de control inferior (ejemplo común de ajuste a presión) podría fallar inesperadamente si los efectos del ajuste a presión no se consideran durante la simulación. Los resultados a la izquierda son engañosos y podrían causar problemas de garantía para fabricantes. Estos fallos inesperados y retiros también podrían afectar la reputación de OEMs.

A menudo, en la industria, los efectos de ajuste a presión se consideran durante el análisis detallado de componente. Un ajuste a presión excesivo detectado y corregido en etapa temprana de diseño ahorraría tiempo y costo total del proyecto.

A continuación, resumimos el flujo de trabajo 3DEXPERIENCE para lograr esto:

• Modelado CAD Paramétrico:

Diseño basado en parámetros en plataforma 3DEXPERIENCE aprovecha posibilidad de probar un diseño para sus diferentes configuraciones. La interferencia entre brazo de control inferior y buje puede definirse y variarse a través de un parámetro de diseño como se muestra en la imagen abajo.

• Modelado y Simulación Integrados:

Plataforma unificada para modelado CAD y simulación hace fácil para diseñador analizar componente diseñado antes de pasarlo a ingeniero de simulación. Asistencia de Simulación en 3DEXPERIENCE puede guiar incluso a analista no experto para realizar simulaciones lineales y no lineales básicas antes de pasar modelo a analista experto. En este caso, dos casos de simulación separados para carga vertical de 4KN y lateral (direccional X) de 2.5KN se definen. Para ignorar efectos no lineales a nivel de ingeniero de diseño, bujes se atan al brazo de control inferior y el cilindro interno del buje se sujeta.

• Reutilización de Simulación Lineal para Realizar Simulación No Lineal Avanzada:

Para un estudio detallado y preciso, el ingeniero de diseño puede cambiar parámetros de conexión entre buje y brazo de control inferior para incluir efectos de ajuste a presión en la simulación. La asociatividad entre CAD y FEM hace fácil definir una nueva característica de simulación o modificar una existente dentro de la simulación lineal. El gestor de características da una vista consolidada de características de simulación definidas y hace muy fácil modificar en mínimo número de clics.

• Automatización y Colaboración:

Un analista experto puede definir plantillas de simulación para flujos de trabajo bien definidos y hacerlas disponibles para ingenieros de diseño para realizar análisis detallado considerando efectos de fabricación. Widgets basados en web para realizar estas simulaciones predefinidas impulsan colaboración efectiva entre diseñador e ingeniero de simulación, que pueden co-revisar y finalizar el diseño.

 

Así, herramientas completas en plataforma 3DEXPERIENCE hacen posible optimizar la interferencia de ajuste a presión en etapa temprana de diseño y evitar fallos y retiros no deseados.

• Modelado de Perno en Junta Clevis:

El segundo ejemplo de efectos de fabricación es el de una junta clevis. Una junta clevis es simplemente un acoplamiento que consiste en enlace en forma de U (a veces llamado "extremo horquilla") a través del cual pasa un pasador o perno. Este pasador típicamente se une a un enlace o varilla, permitiendo que el enlace gire sobre el pasador mientras "fija" en todas las otras direcciones.

Las juntas clevis se usan en una miríada de productos, y son bastante comunes en suspensiones automotrices y de equipos pesados, en aplicaciones de maquinaria industrial, en enlaces aeroespaciales, y en una variedad de otros casos de uso. Pueden ser muy pequeñas con un simple "pasador" diminuto como junta para bienes domésticos baratos, pero para equipos industriales y maquinaria grande a menudo pueden ser tan masivas como para superar el peso de una persona y requerir pernos muy grandes como "pasador". En aplicaciones de máquinas grandes, a menudo no basta con simplemente "conectar" el extremo horquilla a la varilla, ya que el perno mismo debe apretarse fuertemente, lo que puede añadir tensiones de fabricación a la parte antes de que se consideren "cargas operativas". Estas cargas de perno tienden a "doblar" el extremo horquilla y pueden resultar en pre-tensiones significativas. Si se ignoran estas tensiones de fabricación, factores de seguridad incorrectos para cargas operativas pueden resultar, resultando en tensiones pico de carga no conservadoras y sobre-predicción de vidas de fatiga.

En este gripper de mandíbula, una junta clevis atornillada se usa para conectar el enlace al componente de mandíbula. Para un ensamblaje como este, pernos grandes (con pre-tensiones altas asociadas) necesitan usarse para evitar desconexión. Las cargas del perno "tirarán" los extremos horquilla de la junta clevis juntos y resultarán en tensiones de ensamblaje. Equipos pesados como este a menudo son sobrediseñados—es mejor tener algo de masa extra que arriesgar tiempo de inactividad para equipos tan caros. Pero incluso con altos factores de seguridad, es importante considerar cómo estos efectos de fabricación se combinan con cargas operativas.

Para los resultados de simulación mostrados en figura 9, las cargas operativas por sí solas resultan en tensiones bastante modestas en los extremos horquilla y están casi 20% por debajo de tensiones objetivo. Sin embargo, contabilizando tensiones inducidas por fabricación encima de tensiones operativas, resultados reales son 30% más altos que objetivo. Tales tensiones, aunque bien por debajo de fluencia, pueden resultar en fatiga eventual del componente, resultando en fallos en campo y tiempo de inactividad operacional. Por tanto, seleccionar una fuerza de apriete de perno óptima es muy importante para evitar estos problemas. 3DEXPERIENCE platform proporciona una herramienta amigable para diseñador para realizar este tipo de simulaciones como se resume en el siguiente flujo de trabajo:

• Modelado de un perno virtual:

Definir geometría CAD de perno para estudiar efecto de apriete podría incluir complejidad innecesaria (como no linealidad debido a contactos) para un ingeniero de diseño. Por tanto, herramienta de definición de perno virtual en 3DEXPERIENCE proporciona un enfoque simplificado para definir una representación de perno como entidad FE y permitir precarga para estudiar efectos de apriete. El diseñador puede simplemente seleccionar bordes de una parte o usar detección de perno para definir perno virtual en ubicación de junta clevis.

• Definición de una simulación lineal:

Similar al ejemplo de ajuste a presión, asistencia de simulación puede guiar al ingeniero de diseño para configurar la simulación. Seleccionando características CAD como cara, borde o vértice, el ingeniero de diseño puede definir fácilmente carga y condiciones de contorno. En este caso, la mandíbula se sujeta en cara inferior y 10KN de carga se aplica en junta clevis.

• Plantilla personalizada para DOE y Optimización:

Analista experto puede definir una plantilla de simulación basada en web para ingeniero de diseño para estudiar efecto de diferentes valores de fuerza de apriete de perno en junta clevis. Diseño de experimentos puede formarse en etapa temprana de diseño sin involucrar analista experto en bucle. En este caso, el efecto de pre-carga de perno variando de 1KN a 5KN con diferencia de 500N se estudia usando plantilla DOE del compositor de procesos.

• Validación de resultados basada en web en Results Analytics:

Una vez completado el proceso, el ingeniero de diseño puede colaborar con analista experto para visualizar resultados en el widget basado en web llamado Results Analytics. Simplemente modificando parámetros de entrada como carga y fuerza de apriete de perno, el diseñador puede reutilizar la plantilla para diferentes modelos con aplicación similar. Como se muestra en las imágenes abajo, el ingeniero de diseño puede concluir que fuerza de perno arriba de 2KN podría exceder el esfuerzo más allá del límite aceptable (150 MPa).

Así, un ingeniero CAE experto puede concentrarse en simulaciones más avanzadas y el ingeniero de diseño se encarga de efectos de fabricación en etapa temprana de diseño y ahorra tiempo y costo total del proceso.

Conclusión:

Si los efectos de fabricación se consideran temprano durante la etapa de diseño, se puede entender más exactamente los verdaderos "factores de seguridad" en el diseño. Herramientas amigables para diseñador en la plataforma 3DEXPERIENCE pueden ayudar a predecir rendimiento de producto más consistentemente y como resultado pueden reducir costos de garantía, retiros y costos operativos para clientes.

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