Miten minimoit mekanismien massavoimat liikesimuloinnin avulla?

Solidworks silmulation
27.1.2020

Mitä työkaluja käytät, kun haluat selvittää mekanismissa vaikuttavia voimia? Entä, miten lähdet optimoimaan rakennetta niin, että voimat olisivat mahdollisimman pienet? Näytän yksinkertaisella mäntämekanismilla, miten sen laakereihin ja akseliin kohdistuvat kuormat saadaan pienennettyä kolmasosaan alkuperäisestä.

Voimien selvittäminen monikappalesimuloinnissa

Kun haluat selvittää rakenteessa vaikuttavia voimia, oikea työkalu siihen on SOLIDWORKS Motion Simulation. Kyse voi olla liikkuvasta mekanismista, josta haluat tietää, millaiset voimat sen nivelissä vaikuttavat. Voit myös selvittää, millainen toimilaite tarvittaisiin mekanismin liikuttamiseen. Saat tuloksena mm. tarvittavan tehon ja väännön. Kyse voi olla myös staattisesta rakenteesta, josta haluat tietää, miten paino jakautuu eri tukipisteille.


SOLIDWORKS Motion on ohjelmisto liikesimulointiin eli monikappalesimulointiin. Se tarkastelee jäykkien kappaleiden vuorovaikutusta liitosten tai kontaktien välityksellä. Liitokset ovat 3D CAD -mallin kasauksessa käytettyjä kiinnitysehtoja (”mates”) ja kontaktit ovat simulaatiossa määritettäviä ominaisuuksia, miten kappaleet käyttäytyvät, kun ne esim. törmäävät toisiinsa.


Tarkastellaan kuvan 1 mäntäkokoonpanoa. Oranssi kampiakseli pyörii 2000 kierrosta minuutissa, mistä aiheutuu kuormitusta vihreisiin laakereihin. Tehtävänä on selvittää, kuinka suuri tämä kuormitus on.

Kuva 1. Lähtötilanne.
Ensimmäinen asia on avata kokoonpanon 3D-malli SOLIDWORKSiin ja laittaa Motion Add-In päälle (Kuva 2). Tämä Add-in löytyy esim. SOLIDWORKS Premium -lisenssistä.

 

Kuva 2. Motion Add-In.
Tämän jälkeen Motion-analyysissä tulee määrittää akselin pyörimisnopeus (Kuva 3), laskennan kesto ja painovoima. Määritin pyörimisnopeudeksi 2000 kierrosta minuutissa ja pyörimissuunnan kuvan osoittamalla tavalla. Laskennan kestoksi määritin 0,1 sekuntia. Mekanismi ehtii pyörähtää tässä ajassa hieman yli kolme kertaa. Osien väliset kiinnitykset ja osien materiaalit on määritetty jo kokoonpanon mallinnusvaiheessa, joten niihin ei analyysissä välttämättä tarvitse koskea.

” CadWorksin järjestämillä liikesimulointikursseilla opimme, miten osat kannattaa kiinnittää, jotta analyysi toimii hyvin.”

Kuva 3. Pyörimisnopeuden ja -suunnan määritys.
Määritysten jälkeen Motion-analyysissä valitaan Calculate (Kuva 4), jolloin ohjelma ratkaisee simulaation. Laskentaan kuluu aikaa hieman yli sekunti. Jos simulaation esittää animoituna laskennan aikana, aikaa kuluu hieman enemmän – muutama sekunti.

Kuva 4. Motion-analyysin ajaminen.
Ratkaisun jälkeen haluan selvittää, millaiset kuormat laakereihin kohdistuvat. Motion-analyysin tulokset voi esittää graafeina. Valitsen esitettäväksi tulokseksi reaktiovoiman laakerin ja akselin välisestä kiinnitysehdosta (Kuva 5). Kuvassa 6 on lopputulos, jossa pystyakselilla on reaktiovoima ja vaaka-akselilla aika. Graafin alapuolella on esitetty myös reaktiovoiman suunta ajanhetkeltä 0,04 sekuntia.

 

Kuva 5. Reaktiovoimakuvaajan määritys.

Kuva 6. Reaktiovoima.
Tuloksesta näemme, että laakerit kokevat pahimmillaan yli 3000 Newtonin voiman. Painoksi muutettuna se tarkoittaisi, että laakereita painetaan yli 300 kg massalla.

Optimointi

Seuraava tehtävä on muokata kampiakselin muotoa niin, että reaktiovoima olisi mahdollisimman pieni. Otamme tässä avuksi Design Study -nimisen työkalun. Design Studyssä voi varioida useita mittoja kerralla ja niiden lisäksi muitakin parametrejä, kuten kappaleiden materiaaleja. Yksinkertaisuuden vuoksi varioin tässä vain yhtä mittaa, joka näkyy kuvassa 7. Samassa kuvassa näkyy myös akselin massakeskipisteen paikka mustavalkoisena ympyränä.

Kuva 7. Varioitava mitta.
Testaan kokoonpanossa, miten suureksi mitan voi kasvattaa, jotta akseli mahtuu pyörimään törmäämättä mäntään. Tarkastelun perusteella päädyn maksimiarvoon R100 (Kuva 8).

 

Kuva 8. Varioitava sädemitta on muutettu arvoon 100 mm.
Seuraavaksi luodaan kokoonpanoon muuttuja nimeltä ”Radius”, annetaan sille arvoksi 25 ja sidotaan varioitava mitta siihen (Kuva 9).

Kuva 9. Muuttuja ja kaava.
Lisäksi tulee luoda sensori, joka seuraa liikesimuloinnin tuloksena saadun reaktiovoiman maksimiarvoa. Tämän jälkeen luodaan Design Study ja valitaan sinne ennalta luotu muuttuja ”Radius”. Valitsen minimiarvoksi 25 ja maksimiarvoksi 100. Haluan tutkia muutoksia 10 mm välein, joten valitsen askeleen pituudeksi 10. Rajoitteeksi valitsen sensorin, joka seuraa reaktiovoimaa. En aseta sille mitään maksimiarvoa, vaan valitsen vaihtoehdon ”Monitor only”, jolloin voin tuloksista seurata voiman suuruutta. Kts. kuva 10.

Kuva 10. Design Studyn määritys.
Valitsen ”Run”, jolloin ohjelma suorittaa analyysin yhdeksällä eri mitan arvolla.
Laskentaan kuluu aikaa alle 10 sekuntia.
Tulokset ovat kuvassa 11.

Kuva 11. Design Studyn tulokset.
Koska mittavaihtoehtoja oli tässä tarkastelussa näin vähän, tulokset olisi helppo käydä yksi kerrallaan läpi. Teen kuitenkin tuloksista graafin valitsemalla toiminnon ”Define Design History Graph”. Tulos on kuvassa 12. Siitä näemme, että voima on pienimmillään skenaariossa 6, joka kuvan 11 taulukon mukaan vastaa sädemitan arvoa 75 mm. Voiman suuruus on tällöin 1268 Newtonia. Jos käytössäsi on Simulation Professional tai Simulation Premium -lisenssi, voit käyttää ”Optimization”-asetusta, jolloin skenaarion 6 tulokset näytettäisiin myös muista erotettuna, omassa Optimum-sarakkeessaan.

Kuva 12. Voiman vaihtelu eri tarkastelupisteissä.
Koska tarkastelupisteet olivat 10 mm välein, teen vielä toisen, tarkemman Design Studyn, jossa varioin sädemittaa 1 mm välein välillä 70 - 80 mm. Saan selville, että sädemitalla 76 mm voiman suuruus on pienin, 1180 Newtonia. Lopputulos on siis noin kolmasosa lähtötilanteesta, jolloin voiman suuruus oli 3381 Newtonia.

CadWorksiltä löytyvät tuotteet monikappalesimulointiin

SOLIDWORKSin suomalainen jälleenmyyjä, CadWorks Oy, myy ohjelmistoja ja koulutuksia lujuuslaskentaan ja liikesimulointiin. Kuvauksen koulutuksemme sisällöstä löydät osoitteesta: http://www.cadworks.fi/fi/koulutukset-seminaarit/liikesimulointi


Motion Simulation kuuluu SOLIDWORKS Premium -pakettiin sekä erillisiin Simulation-lisensseihin (Simulation Standard, Simulation Professional ja Simulation Premium). Kun haluat selvittää, millainen lisenssi olisi sopivin juuri teidän tarpeisiinne, ota yhteyttä asiantuntevaan ja avuliaaseen aluemyyntipäällikköömme Mikko Mykkäseen tai Lasse Kaikkoseen. http://www.cadworks.fi/fi/ota-yhteytta