Fejlett numerikus szimulációk az optimalizált tömítésekért

Csökkenő költségek a prototípuskészítésben és gyorsabb termékfejlesztés

2013. június 05., szerda, 11:42

Címkék: numerikus szimuláció SKF SKF orpheus szimuláció tömítők végeselem módszer

Napjainkban a numerikus szimulációk kulcsfontosságúak az új termékek fejlesztése és a meglévők korszerűsítése szempontjából. A terméktervezés javítása és a vevők támogatása érdekében az SKF a hollandiai SKF Engineering and Research Centerben kifejlesztett végeselemeszközöket bocsát mérnökei rendelkezésére.

A numerikus szimulációk fontos szerepet játszanak egyre több termék életciklusának különböző szakaszaiban. A virtuális szimulációk a koncepció kialakításának és a prototípus elkészítésének fázisában csökkentik a költségeket, köszönhetően a jobb prototípus tervek fizikai tesztelését lehetővé tevő kiterjedt numerikus elemzéseknek.
 

Kipróbált, bevált szoftverek az SKF-től

A piacon számos számítási eszköz kapható kereskedelmi forgalomban, amelyek különböző területeken nagyon megbízhatónak bizonyultak és széles körben alkalmazottak. Ezek a szoftvercsomagok általános célokat szolgálnak, ezért különböző jelenségek vizsgálatára alkalmasak. Ugyanakkor használatukhoz, valamint az eredmények értelmezéséhez, és azoknak értelmes megoldásokra való konvertálásához magasan képzett felhasználókra van szükség. Az SKF nagy tapasztalattal rendelkezik a numerikus szimulációk terén, nem csupán a kereskedelmi forgalomban kapható szoftvercsomagokkal, de a házon belül kifejlesztett számítási eszközökkel kapcsolatban is. Az SKF Orpheus és SKF BEAST platformokat az SKF mérnökei naponta használják, hogy megfelelő válaszokat adjanak, illetve segítsék a vevőket. Ezekkel a házon belüli eszközökkel az SKF csapágyakat szimulál különböző módokon és bonyolultsági szinteken. A tapasztalatokat és az eszközöket folyamatosan új funkciókkal és képességekkel fejlesztik tovább, hogy megfeleljenek az SKF numerikus szimulációkkal kapcsolatos törekvésének, ahol minden alkatrészt – csapágyakat, tengelyeket, tömítéseket, fogazásokat és házakat – komplett rendszerként szimulálnak (1. ábra).
 
(1. ábra) SKF Orpheus-szal szimulált hajtómű
 

Tömítések és numerikus szimulációk

A komplett rendszerek szimulációja felé az első lépés a tömítésnek, mint különálló komponensnek a szimulációja (2. ábra). Az egyedi alkatrész ezen részletes fókuszba állításával az SKF mélyebb ismereteket szerez arról, hogy a tömítések milyen teljesítményt nyújtanak majd, ha végleges helyükre beszerelik őket. A tömítések numerikus szimulációjának számos mechanikai aspektusa van. A következőkben ezeket a szempontokat ismertetjük röviden, hogy áttekintést adjunk a tömítés szimulációk komplexitásáról, és hogy nagy teljesítményű és megbízható szoftvert adjunk a terméktervezők kezébe.
 
(2. ábra) A tömítések összetettsége: autóipari tömítés(balra) és ipari tömítés (jobbra)
 

Gumi szimulációk: egy nagyon nemlineáris anyag

Napjaink mérnöki számításainak többsége azon a feltételezésen alapul, hogy az anyag lineárisan és elasztikusan viselkedik – vagyis hogy az erő és az elmozdulás lineárisan függ egy állandótól, amit merevségnek hívunk. A gumianyagok általában nem lineárisan viselkednek. Nem elegendő csupán egyetlen állandót meghatározni az erő és az elmozdulás, illetve a feszültség és az összenyomás viszonyára. A gumi ennél összetettebb  anyagmodellt igényel, ami kezelni tudja a soktengelyes nemlinearitást.A gumi viselkedésének szimulálására gyakran használják egyebek között a hiperelasztikus modelleket. Ezek az anyagmodellek elasztikusak, de ahogy a 3. ábrán látható egy bizonyos feszítési határon túl a feszültség-összenyomás viszony nemlinearitása jelentősen eltér a lineáris viselkedéstől. Ezen túlmenően az anyag által adott válasz nagymértékben függ a deformáció irányától. A gumi a legáltalánosabban használt tömítőanyag, mivel lehetővé teszi, hogy a tömítések kövessék azon felületek mozgását, amellyel érintkeznek, vagyis a tengely, a rúd, vagy csapágyak mozgását. Ezért fontos, hogy a tömítések szimulációjához rendelkezzünk azon hiperelasztikus anyagmodellek megbízható szimulációjával, amelyek többirányú nagy deformáción mennek keresztül.
 
(3. ábra) Feszültség-nyúlás viszony egy NBR gumi anyagban
 

Gumi szimulációk: egy szinte összenyomhatatlan anyag

A gumi ugyanakkor egy majdnem összenyomhatatlan anyag – ezért egy összenyomott vagy kinyújtott guminak a deformáció előtti és utáni tömegváltozása majdnem nulla. Ez egy sajátos anyagviselkedés, ami kihívás elé állítja a hagyományos szimulációs szoftverekben használt numerikus módszereket. A gumi összenyomhatatlansága numerikus instabilitást okoz, amit normál esetben „térfogat blokkolásnak” neveznek. Ennek a kihívásnak a leküzdéséhez egy speciális integrációs rendszer került megvalósításraa korrekt és stabil eredmények elérése érdekében [1]. Az irodalomkutatás vezetett el a térfogat blokkolás megoldásához, az F-bar módszerhez [1], ami megkívánja az irodalomban bemutatott hagyományos integrációs módszerek módosítását [2]. Ebből a szempontból az akadémiai világgal, különösen a hollandiai Twente Egyetemmel való együttműködés bebizonyította az elvégzett algoritmusok pontosságát. Ez pedig összehasonlíthatóvá tette a számítások minőségét a kereskedelemben kapható FE csomagokkal, mint az ABAQUS, a Marc, illetve az ANSYS.
 

Tömítések szimulációja: érintkezési mechanizmusok a szoros illesztés kezeléséhez

A tömítőelemeket a furat és a tengely között bizonyos szoros illesztéssel kell a munkapozícióba behelyezni. Ezért döntő fontosságú, hogy szimulálni tudjuk a tömítések és a környező felületek (mint a házak, tengelyek, csapágyak) érintkezését (4. és 5. ábrák).
 
(4. ábra) A tömítés és merev érintkező felület közötti érintkezés szimulációja
 
Ahhoz, hogy megfelelően szimulálni tudjuk a csapágyazásban a tömítések és a körülöttük lévő elemek szoros illesztését, a legfontosabb az volt, hogy az érintkezési mechanizmusok az egyik legfontosabb követelményként szerepelnek a szoftvereszközökben.
 
(5. ábra) Nagy átmérőjű tömítés szimulációja, hogyan illeszkedjen a merev ház belsejébe
 
Az érintkezés többféle módon megoldható a numerikus kódokban. Figyelembe véve az érintkezésben résztvevő anyag jellegét (általában gumi az acéllal szemben), feltételezzük, hogy nincs kölcsönös behatolás az érintkező testek között. Ez a feltételezés a büntetés módszer helyett (a tömítés deformációt büntető funkciókkal kényszerítik ki, amelyek azonnal aktiválódnak, amint a határokat megsértették) a Lagrange szorzó módszer elfogadásához (a tömítés deformációt matematikailag egyenlőnek vesszük a környező ellenfelületek feszültségével) vezetett.
 
 

Tömítési rendszer szimulációk: FE megoldó

Az összes fenti tételnek a numerikus szimulációkban való egyesítésére a legjobb módszer a végeselem módszer (FEM) használata. A Lagrange szorzó módszer és a speciális végrehajtás alkalmazásával ez a módszer ténylegesen könnyedén tudja kezelni a hiperelasztikus anyagmodellek, a nagy deformációk, az érintkezési mechanizmusok valamennyi aspektusát, az anyag összenyomhatatlansága miatt felmerülő numerikus blokkolási problémák elkerülése érdekében.
 

SKF Tömítés Tervező

Az SKF, az SKF Engineering and Research Center támogatásával terméktervezőit az SKF Orpheus platformra alapozott legkorszerűbb számítási eszközzel látja el. Az eszköz neve SKF Tömítés Tervező. A szoftver képességei a gyártási és teljesítmény előrejelzéseket egyaránt lefedik. Az SKF tervezőmérnökei számára rendelkezésre állnak a gyártásszimuláció lehetőségei, hogy jobban tanulmányozni tudják a végleges tömítésforma kialakítását. A szimuláció arra is használható, hogy tökéletesítse az öntőforma geometriáját, ami a költségek szempontjából az egész tervezési folyamat egyik legfontosabb része, de azért is, mert a sablon geometria más tervezésekhez is felhasználható.  
 
(6. ábra) SKF Tömítés Tervező szerelési szimuláció rugó nélkül
 
A tervezőszoftver egy további jellemzője, hogy lehetővé teszi a tengelyre szerelt tömítés kiszámítását. Ha egy tömítést felhelyezünk, az erőt gyakorol az ellenfelületre, ezt ajakon ható erőnek (lip force) nevezzük (6. ábra). Az ajakon ható erő a tömítés egyik legfontosabb paramétere, mind statikus, mind dinamikus körülmények között. Az ajakon ható erő biztosítja a kívánt tömítőképességet, de felelős az ajak alatti súrlódásért is. Emellett a csavarrugó arra használható, hogy a tömítőanyag öregedésével megtartsa az ajak szükséges tömítő erejét (7. ábra).
 
(7. ábra) SKF Tömítés Tervező szerelési szimuláció rugóval
 
Ezen okokból a különböző üzemi viszonyok között az ajakon ható erő pontos előrejelzése kulcsfontosságú elvárás a szimulációs eszközzel szemben, ami hozzájárul a tervezés ismétlések számának, ezáltal a termék piacra kerülési idejének csökkentéséhez (8. és 9. ábra).
 
(8. ábra) Jelenleg használt karmantyús tömítés
 
 
 
(9. ábra) Az új vevői elvárásokhoz igazított karmantyús tömítés:
kisebb ház, azonos radiális terhelés
 

Gyorsabb termékfejsztés

Az SKF Tömítés Tervező elérhetővé tette az SKF terméktervezői számára az FE szimulációkat. Az eszköz csökkenti a piacra jutási időt, mivel a tervezőmérnökök virtuálisan fel tudják mérni, hogy a tömítési paraméterek, az egyedi tervezési követelmények és az alkalmazási követelmények hogyan befolyásolják a tömítés teljesítményét. Összegezve tehát elmondható: az új tömítések tervezésére, valamint viselkedésük előrejelzésére használt nagy teljesítményű elemző és számítási eszközök
révén csökken a termékfejlesztés ideje, továbbá a mérnökök a tömítés teljesítményét jobban a csapágyazás követelményeihez tudják igazítani.
 
Hivatkozások
[1]: EA de Souza Neto, D Peric és DRJ Owen: Computational Methods for Plasticity: Theory and Applications” (2008. december 30.)
[2] OC Zienkiewicz és RL Taylor: “The Finite Element Method” (A Véges elem módszer), Hatodik kiadás (2005. szeptember 20.)
Evolution – az SKF üzleti és technológiai magazinja – szerző: Andrea Bacchetto, a Tudás és Szimulációs eszközök
Csoport vezetője (SKF Engineering and Research Center, Nieuwegein, Hollandia) és Alex X Paykin kutatási és fejlesztésivezető (SKF Tömítési Megoldások, Elgin,Illinois, USA).
 
A cikk megjelent a Techmonitor magazin 2013. májusi számában
Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek