Στην εποχή του ψηφιακού μετασχηματισμού, τα λογισμικά ψηφιακής μοντελοποίησης και ανάλυσης μηχανών και μηχανισμών προσφέρουν σημαντικές λύσεις στις μηχανολογικές κατασκευές.
Του κ. Αθανάσιου Χασαλεύρη*
Η ανάλυση μηχανολογικών κατασκευών, μηχανών και μηχανισμών αποτελεί τον υπολογιστικό πυρήνα στη διαδικασία του ψηφιακού σχεδιασμού (Μηχανική Υπολογιστών, αγγλιστί Computer Aided Engineering [CAE]). Για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί εμπορικά λογισμικά που είτε καλύπτουν ένα ευρύ τεχνολογικό πεδίο εφαρμογών είτε είναι προσανατολισμένα σε πιο ειδικές και απαιτητικές εφαρμογές.
Επιπλέον, κάποια λογισμικά υπερτερούν έναντι άλλων στη χρήση εξελιγμένων αλγορίθμων σε συγκεκριμένα επιστημονικά προβλήματα σχετιζόμενα με μετάδοση θερμότητας, ρευστοδυναμική, δυναμική, κατεργασίες, αυτόματο έλεγχο.
Στην κατηγορία των μηχανών μπορεί κάποιος να εντάξει τις πιο διαδεδομένες μηχανές στις σύγχρονες τεχνολογικές εφαρμογές, όπως είναι οι μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) για την κίνηση οχημάτων και σκαφών και για παραγωγή ενέργειας, οι αεριοστρόβιλοι, οι ατμοστρόβιλοι, οι υδροστρόβιλοι και οι ανεμογεννήτριες για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, οι ηλεκτρικές μηχανές όπως είναι γεννήτριες και ηλεκτροκινητήρες, οι αεροπορικοί κινητήρες (turbojet, turbofan, turboshaft, turboprop), οι υπερτροφοδότες (turbochargers) για την υπερπλήρωση ΜΕΚ, καθώς επίσης οι στροβιλοαντλίες (turbopumps) για την άντληση φυσικού αερίου και πετρελαίου, αλλά και για πυραυλική πρόωση.
Στην κατηγορία των μηχανισμών σημαντική παρουσία έχουν οι ρομποτικοί μηχανισμοί, κάθε είδους μηχανισμοί στις παραγωγικές μονάδες, στα υποσυστήματα των μηχανών που αναφέρθηκαν παραπάνω, καθώς και τα συστήματα μετάδοσης κίνησης (μειωτήρες / αυξητήρες στροφών) συμπεριλαμβανομένων και των διατάξεων θαλάσσιας πρόωσης (marine propulsion).
Σε όλες τις παραπάνω εφαρμογές, η δυναμική ανάλυση έχει σημαντικό ρόλο και μεγάλη επενδυτική αξία, ενώ η εκάστοτε εταιρεία παραγωγής μπορεί είτε να χρησιμοποιήσει διαθέσιμο εμπορικό λογισμικό είτε να αναπτύξει κάποιο «in house» λογισμικό.
Πληθώρα λογισμικών
Η ποικιλία διαθέσιμου εμπορικού λογισμικού για την ανάλυση μηχανών, μηχανισμών και κατασκευών είναι πλέον ευρύτατη, και κάποιο σχεδιαστικό γραφείο έχει περισσότερες από μία επιλογές για την ανάλυση ακόμη και των πιο απαιτητικών εφαρμογών. Οι δυνατότητες των «πακέτων» διαφέρουν, ωστόσο, και κάποια από αυτά προσανατολίζονται σε πιο ειδικές και απαιτητικές εφαρμογές.
Ένα κοινό στοιχείο όλων των διαθέσιμων «πακέτων» δυναμικής ανάλυσης είναι η χρήση αριθμητικών μεθόδων για την διακριτοποίηση της κατασκευής (με πιο κοινή τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων) και την επίλυση (solvers) των διαφορικών εξισώσεων του αναλυτικού μοντέλου για τον υπολογισμό της δυναμικής απόκρισης (ή άλλων θερμοδυναμικών – ρευστοδυναμικών μεγεθών).
Επίσης, κοινή είναι η διαδικασία επίλυσης του προβλήματος (σχεδιασμός), αρχίζοντας από την περιγραφή της γεωμετρίας (CAD) και των φυσικών ιδιοτήτων, συνεχίζοντας στον προεπεξεργαστή (preprocessor), τον επιλυτή (solver), και τον μεταεπεξεργαστή (postprocessor) των αποτελεσμάτων.
Τελευταίο βήμα είναι η εύρεση της βέλτιστης λύσης (design optimization), όπου η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται κάθε φορά για διαφορετική γεωμετρία ή και φυσικές ιδιότητες. Στην διαδικασία σχεδιασμού μπορεί να εμπλακούν δεδομένα από ήδη λειτουργική διάταξη, για δημιουργία του λεγόμενου ψηφιακού διδύμου (digital twin).
Διαθέσιμα λογισμικά
Θα ήταν αδύνατο να παρατεθούν όλα τα διαθέσιμα λογισμικά ανάλυσης μηχανολογικών κατασκευών (τουλάχιστον σε ένα άρθρο) συγκαταλέγοντας τα πλέον διαδεδομένα, τα λιγότερο γνωστά, και τα αρκετά πλέον open source «πακέτα» που αναπτύσσονται σε πανεπιστήμια, ερευνητικά ινστιτούτα, και βιομηχανία. Ακολούθως, γίνεται μία προσπάθεια να κατευθυνθεί ο αναγνώστης σε κάποια από τα πιο γνωστά διαθέσιμα λογισμικά ψηφιακής μοντελοποίησης και ανάλυσης μηχανών και μηχανισμών, καλύπτοντας εφαρμογές που αναπτύσσονται (αναλύονται, σχεδιάζονται και κατασκευάζονται) στην Ελλάδα και στο εξωτερικό:
– Altair Engineering. Είναι εταιρεία λογισμικού και υπηρεσιών μηχανικής που παρέχει λύσεις για το σχεδιασμό προϊόντων, τη μηχανική και την επεξεργασία δεδομένων. Το χαρτοφυλάκιο λογισμικού της Altair περιλαμβάνει εργαλεία για μηχανική σχεδίαση με τη βοήθεια υπολογιστή (CAE), ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων και βελτιστοποίηση σχεδιασμού σε ένα ευρύ φάσμα γνωστικών πεδίων (μετάδοση θερμότητας, ρευστοδυναμική, δυναμική κ.α.). Τα υπολογιστικά εργαλεία χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορες βιομηχανίες, συμπεριλαμβανομένης της αυτοκινητοβιομηχανίας, της αεροδιαστημικής, της άμυνας και των καταναλωτικών αγαθών γενικότερα.
– Abaqus. Είναι πρόγραμμα λογισμικού ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της συμπεριφοράς μηχανών και μηχανισμών υπό διάφορες συνθήκες φόρτισης. Χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία για το σχεδιασμό και την ανάλυση πολύπλοκων κατασκευών .
– Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems). Είναι ένα λογισμικό προσομοίωσης δυναμικής πολλαπλών σωμάτων (Multi Body Dynamics – MBD) που χρησιμοποιείται ευρέως στις βιομηχανίες αυτοκίνησης, αεροδιαστημικής και ρομποτικής .
– Ansys. Είναι λογισμικό ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων που μπορεί να εκτελέσει διάφορους τύπους αναλύσεων, συμπεριλαμβανομένων των δομικών, θερμικών και ρευστοδυναμικών. Χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία για την προσομοίωση της συμπεριφοράς μηχανών και μηχανισμών. Το Ansys mechanical είναι ένα πρόγραμμα λογισμικού ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων που περιλαμβάνει δυνατότητες για δυναμική ανάλυση μηχανών. Χρησιμοποιείται ευρέως στις βιομηχανίες αεροδιαστημικής και στροβιλομηχανών.
– Catia. Είναι λογισμικό σχεδιασμού (CAD) που αναπτύχθηκε από την Dassault Systemes. Χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορες βιομηχανίες, όπως είναι η αεροδιαστημική, η αυτοκινητοβιομηχανία και ο βιομηχανικός σχεδιασμός, για τη δημιουργία πολύπλοκων τρισδιάστατων μοντέλων, συναρμολογημάτων και σχεδίων. Το CATIA εκτελεί και δυναμική ανάλυση, και διαθέτει μια σειρά από εργαλεία και ενότητες (modules) που επιτρέπουν στους χρήστες να αναλύουν τη δυναμική συμπεριφορά των εικονικών κατασκευών τους, συμπεριλαμβανομένης της προσομοίωσης κίνησης, της ευέλικτης μοντελοποίησης και της κινηματικής ανάλυσης πολύπλοκων συναρμολογημάτων .
– COMSOL Multiphysics και COMSOL Rotordynamics Module. Είναι λογισμικά ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων που περιλαμβάνουν ενότητες (modules) για διάφορα πολυφυσικά πεδία (μετάδοση θερμότητας, ρευστομηχανική, δυναμική κ.ά.). Χρησιμοποιούνται ευρέως στην αεροδιαστημική, στην αυτοκινητοβιομηχανία και στην βιομηχανία στροβιλομηχανών .
– DyRoBeS – Dynamic Rotor Bearing System Analysis. Είναι ειδικό λογισμικό για τη δυναμική ανάλυση μηχανών. Χρησιμοποιεί εξελιγμένους αλγορίθμους επίλυσης εξισώσεων κίνησης και μπορεί να συμπεριλάβει την μοντελοποίηση ειδικών μη γραμμικών φαινομένων. Χρησιμοποιείται κυρίως από τη βιομηχανία στροβιλομηχανών και την αυτοκινητοβιομηχανία.
– LMS Imagine.Lab Amesim. Είναι λογισμικό προσομοίωσης συστημάτων που περιλαμβάνει δυνατότητες για δυναμικές προσομοιώσεις μηχανικών, υδραυλικών, ηλεκτρικών και θερμικών συστημάτων, καθώς και για επεξεργασία σημάτων.
– MADYN 2000. Είναι λογισμικό που χρησιμοποιείται για ανάλυση δυναμικής μηχανών, ιδιαίτερα για μηχανικά και αεροδιαστημικά συστήματα. Ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά του λογισμικού περιλαμβάνουν τη δυνατότητα προσομοίωσης και ανάλυσης διαφόρων δυναμικών και ακουστικών συμπεριφορών, με ικανότητα μοντελοποίησης πολύπλοκων μηχανικών συστημάτων με πολλαπλούς βαθμούς ελευθερίας. Το MADYN 2000 χρησιμοποιείται στο σχεδιασμό και στη βελτιστοποίηση μηχανών με έμφαση στην δυναμική ανάλυση στροφέων, εδράσεων και φέρουσας κατασκευής.
– NASTRAN. Είναι λογισμικό ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιείται για την ανάλυση και το σχεδιασμό πολύπλοκων μηχανικών συστημάτων. Χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική και στην αυτοκινητοβιομηχανία, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για στατικές, δυναμικές και θερμικές προσομοιώσεις μηχανικών συστημάτων .
– PITHIA CP. Είναι λογισμικό που χρησιμοποιεί τη μέθοδο συνοριακών στοιχείων (Boundary Element Method), ιδανική για την παροχή αξιόπιστων λύσεων σε προβλήματα μεγάλης κλίμακας που αφορούν άπειρους / ημι-άπειρους τομείς, όπως είναι αντίσταση στη διάβρωση (π.χ. καθοδική προστασία σε πλοία, δεξαμενές, αγωγούς, πλατφόρμες πετρελαίου, γέφυρες), υπαίθρια και υποβρύχια ακουστική (π.χ. υπέρηχοι, ηχορύπανση), εδαφομηχανική (π.χ. σεισμικά κύματα, θεμέλια, απομόνωση κραδασμών), ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και σκέδαση (π.χ. μαγνήτες, ραντάρ, κεραίες) κλπ.
– SHAFTDESIGNER. Είναι λογισμικό που αναπτύχθηκε από τη Marine System Technology για την ανάλυση συστημάτων θαλάσσιας πρόωσης. Περιλαμβάνει δυνατότητες ανάλυσης δυναμικής αξόνων – εδράνων.
– SIMCENTER 3D. Είναι λογισμικό μηχανικής (CAE) που περιλαμβάνει δυνατότητες για ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEA), υπολογιστική δυναμική ρευστών (CFD) και προσομοιώσεις δυναμικής πολλαπλών σωμάτων (MBD). Το Simcenter Amesim είναι ένα λογισμικό προσομοίωσης συστήματος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για «πολυεπιστημονικό» σχεδιασμό και ανάλυση συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων δυναμικών προσομοιώσεων μηχανικών, υδραυλικών, ηλεκτρικών και θερμικών συστημάτων .
– SIMIT. Είναι πλατφόρμα λογισμικού για εικονική λειτουργία και δυναμικές προσομοιώσεις συστημάτων αυτοματισμού, συμπεριλαμβανομένων προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών (PLC) και κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου (DCS).
– SOLIDWORKS Simulation. Είναι πρόγραμμα λογισμικού ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση της συμπεριφοράς μηχανών και μηχανισμών. Χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία για το σχεδιασμό και την ανάλυση πολύπλοκων συναρμολογημάτων (εικόνα 9).
– TURBOSOFT. Είναι πρόγραμμα λογισμικού που αναπτύχθηκε από τη SOFTINWAY για το σχεδιασμό και την ανάλυση στροβιλομηχανών. Περιλαμβάνει δυνατότητες ανάλυσης δυναμικής ανάμεσα σε άλλες που αφορούν προβλήματα μετάδοσης θερμότητας και ρευστομηχανικής σε στροβιλομηχανές (εικόνα 10).
Αξιολόγηση
Η αξιολόγηση των δυνατοτήτων για τα διαθέσιμα λογισμικά είναι μία διαδικασία στην οποία το κάθε σχεδιαστικό γραφείο μπορεί να εισέλθει συνήθως έπειτα από παρουσία αστοχιών ή δυσλειτουργία της μηχανολογικής κατασκευής. Ένας γενικός κανόνας είναι ότι μόνο η εξέταση της κατασκευής σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας (testing) μπορεί να οδηγήσει σε ένα επιτυχημένο design.
Κατά το λεγόμενο «service life» της κατασκευής, ο κατασκευαστής λαμβάνει ανάδραση των όποιων προβλημάτων προέκυψαν, και η εξέταση αυτών συνήθως οδηγεί στο λόγο για τον οποίο η συγκεκριμένη βλάβη δεν προβλέφθηκε. Κάπου εκεί ξεκινά από το σχεδιαστικό γραφείο η αναζήτηση ενός πληρέστερου λογισμικού, συνήθως μέσω των μηχανικών που ειδικεύονται στο συγκεκριμένο πρόβλημα.
Θα ήταν λάθος να δημιουργηθεί η εντύπωση ότι ένα καλό software μπορεί να προβλέψει επακριβώς τη λειτουργία μίας μηχανολογικής διάταξης. Ο μοναδικός τρόπος για αξιόπιστο σχεδιασμό είναι να αποτελεί το testing αναπόσπαστο κομμάτι σε κάθε design iteration. Με την πάροδο των ετών, οι προβλέψεις από το software και η συγκομιδή των προβλημάτων κατά το service life του προϊόντος συνδυάζονται, και προσφέρουν στην εταιρεία (ίσως) την ουσιαστική περιουσία της στο λεγόμενο design instruction.
*Ο κ. Αθανάσιος Χασαλεύρης, PhD, είναι επίκουρος καθηγητής Ανάλυσης και Σχεδιασμού Μηχανολογικών Κατασκευών στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.
