Co to jest analiza MES i dlaczego jest ważna w projektowaniu części?

Obliczenia MES (Metoda Elementów Skończonych) to wirtualne testy, które umożliwiają szybkie określenie wytężenia, deformacji oraz trwałości konstrukcji pod wpływem różnych obciążeń. W przypadku analizy przepływu ciepła lub płynów pozwalają również ocenić efektywność procesów.

Analiza MES to jeden z najważniejszych etapów projektowania części, głównie ze względu na to, iż pozwala na dokładne odwzorowanie zjawisk zachodzących wewnątrz struktur. Taką analizę można wykorzystać praktycznie na każdym etapie projektowania części, a więc zarówno w fazie koncepcyjnej, jak i pod sam koniec, gdy trzeba zweryfikować poprawność konstrukcji oraz wprowadzonych danych. Co jeszcze trzeba wiedzieć na jej temat?

Analiza MES to nic innego jak Metoda Elementów Skończonych (po angielsku Finite Element Method – FEM), bazująca na zamianie modelu ciągłego na dyskretny. Typowo na model dyskretny składa się od kilkuset do kilku milionów elementów skończonych. Zanim wykonany zostanie prototyp, na wydzielonych elementach dokonuje się niezbędnych obliczeń wytrzymałościowych i sprawdza się merytorykę danego projektu oraz prawidłowość całej konstrukcji. Analiza MES pozwala na:

• dokonanie analiz statycznych i dynamicznych,
• przeprowadzenie analiz nieliniowych i termicznych,
• wykonanie analiz częstotliwościowych,
• weryfikację wyników.

Decydując się na taką analizę, ma się zdecydowanie większe szanse na to, że realizowany projekt zakończy się powodzeniem, a części nie będą zawierać w sobie uchybień i możliwe będzie stworzenie z nich maszyn lub innych pożądanych konstrukcji. Wykonując komputerowe testy, możliwym staje się niskokosztowe modelowanie zjawisk fizycznych wykorzystywanych do obliczeń składowych wytężenia konstrukcji, przemieszczeń czy odkształceń, analizy przepływów wewnętrznych, aerodynamiki zewnętrznej czy przepływu ciepła w przypadku analiz termicznych lub termostrukturalnych.

Obliczenia wytrzymałościowe MES niosą za sobą wiele różnych korzyści. W ten sposób doprowadza się m.in. do:

• optymalizacji czasu związanego z analizą wytrzymałości poszczególnych części
• skrócenia czasu wprowadzenia części na rynek,
• zmniejszenia kosztów związanych z budową prototypów.

Analiza MES ma głęboki sens, ponieważ nie tylko wpływa na pozbycie się ewentualnych wątpliwości co do jakości projektowanych części oraz urządzeń, ale też umożliwia sprawne usunięcie potencjalnych awarii. Najważniejsze parametry techniczne części są poddawane dogłębnym analizom i obliczeniom, a następnie wprowadza się zmiany i poprawki. Typowo w jednostkach projektujących przeprowadza się szereg analiz, w tym statycznych, zmęczeniowych jak i dynamicznych, ażeby zapewnić konstrukcji niezawodność na wszystkich płaszczyznach pracy. Obliczenia wytrzymałościowe MES dają szansę na ekonomiczne wykorzystywanie materiałów i gwarantują spore oszczędności w zakładowym budżecie. Dzięki nim stworzy się maszynę, która sprosta oczekiwaniom najbardziej wymagających inwestorów. Analiza MES sprawdza się też przy wzmacnianiu najważniejszych elementów części i konstrukcji, tak aby w krótkim czasie usunąć najsłabsze punkty i zabezpieczyć poszczególne elementy przed dużymi przeciążeniami i naprężeniami.

Jeśli rozważasz wdrożenie systemu umożliwiającego analizę MES w swojej firmie, warto zwrócić uwagę na rozwiązania, które mogą być integrowane z zaawansowanymi narzędziami projektowymi, takimi jak SOLIDWORKS Simulation. SOLIDWORKS Simulation to wydajne narzędzie do symulacji inżynierskich, które umożliwia precyzyjne modelowanie i analizę wydajności produktów w różnych warunkach, jeszcze przed rozpoczęciem produkcji.

SOLIDWORKS Simulation może być wykorzystywany do analizy MES i przynieść w ten sposób dodatkowe korzyści, takie jak lepsze zarządzanie danymi projektowymi w czasie rzeczywistym, szybsza reakcja na występujące w procesie produkcji problemy i bardziej efektywna komunikacja między działami inżynieryjnymi a produkcją. Jest to szczególnie wartościowe w dynamicznie rozwijających się branżach, gdzie szybkość wprowadzania innowacji i skrócenie czasu produkcji mają kluczowe znaczenie.

Choć zwykło się mówić, że analizy MES są tak dokładne jak inżynier je wykonujący, to oferowane rozwiązania z portfolio DPS Software (np. SOLIDWORKS Simulation) ze względu na wbudowane narzędzia pozwalają zapewnić staranność setupu analizy zarówno na etapie pre- jak i postprocessingu.

Gdy znane są już warunki brzegowe, dane materiałowe i pozostałe założenia, przeprowadzana jest analiza MES. Wtedy też dokonuje się iteracji obliczeń na zagęszczonej siatce. Instytucje outsourcingowe, biura analityczne jak I konstrukcyjne najczęściej tworzą przynajmniej dwie siatki. Jedna do obliczeń wstępnych, walidacji setupu – druga z kolei budowana jest już przy uwzględnieniu kryteriów jakościowych narzucanych przez normy lub know-how danej jednostki. W ten sposób sprawdza się zbieżność otrzymanych wyników i analizuje najważniejsze elementy projektowanych części. Zainteresowane osoby mogą samodzielnie decydować o miejscu zagęszczenia siatki lub wykorzystać automatyczną adaptację.

Podczas realizowania iteracji obliczeń, pojawienie się znacznej rozbieżności wyników może wskazywać na występowanie wysokich wartości naprężeń. Wysokie wartości ciśnień kontaktowych, naprężeń etc. mogą mieć wiele korzeni. Od osobliwości, przez naturalną numeryczną koncentrację (wybrany typ elementu skończonego) po błędny preprocessing (założenia, warunki brzegowe, przesztywnienie konstrukcji). Oczywiście wspomniana koncentracja na dobrze zamodelowanych karbach jest rzeczywista.

Osobliwości uświadcza się przy punktowych siłach, ale też często bezpośrednio w okolicach elementów sztywnych, na ostrych krawędziach, przy umocowaniach, spawach, pęknięciach i innych. Przy zagęszczaniu siatki obliczeniowej w okolicy tych elementów obszar naprężenia ma tendencję do zmniejszania się, zbliżając się ostatecznie do wartości 0, nawet jeżeli wartość działającego obciążenia nie ulega zmianie.

Analitycy musieliby dysponować niezmiernie dokładnym modelem obliczeniowym, ażeby wyzbyć się osobliwości czy koncentracji, co zupełnie wypaczałoby sens stosowania MES-u. Dopuszczamy ich występowanie, nie iterujemy dopóki, dopóty kolejne mapy naprężeń nie będą się między sobą różnić, ale musimy być świadomi, skąd one pochodzą. Jak to mawiamy „duży model – duży problem” – warto działać z głową i umieć zbalansować czas analizy z dokładnością wyników.

Decydując się na rozwiązania numeryczne chcielibyśmy, ażeby charakter pracy naszego cyfrowego bliżniaka jak najbardziej odpowiadał temu rzeczywistemu. Wraz z nabywanym doświadczeniem, adekwatną dyskretyzacją czy precyzyjnym opisem zachowania konsytutywnego materiału jednostka projektująca może dojść od „zwykłych” analiz do analiz „high-fidelity”, które pozwalają przenieść na ekran komputera rzeczywiste zachowanie konstrukcji nawet z dokładnością do dziesiątych części procenta!