V kolesarski industriji sta statična in utrujenostna analiza ključnega pomena za zagotavljanje varnosti, zanesljivosti ter dolge življenjske dobe izdelkov. Statična analiza omogoča preverjanje, ali okvirji, vilice in drugi sestavni deli prenesejo največje obremenitve, kot so udarci pri vožnji čez ovire ali sile, ki nastanejo pri zaviranju. Enako pomembna je tudi analiza utrujanja, saj kolesarske komponente niso obremenjene le enkrat, temveč so izpostavljene milijonom ponavljajočih se ciklov med vožnjo. Ti cikli lahko povzročijo nastanek razpok in sčasoma vodijo do odpovedi, tudi pri obremenitvah, ki so pod mejo statične trdnosti. S takšno analizo je mogoče prepoznati šibke točke, optimizirati obliko in izbrati ustrezne materiale, kar proizvajalcem omogoča razvoj lahkih, a hkrati varnih in vzdržljivih koles.
Priprava model
CAD Geometrija
Kot vsaka simulacija se tudi analiza v kolesarski industriji začne z izhodiščnim CAD modelom. Osnovni geometrijski model smo pripravili v programu SOLIDWORKS, nato pa smo ga shranili na platformo 3DEXPERIENCE, kjer je na voljo za vse nadaljnje korake. Takšen pristop omogoča, da imajo sodelavci neprekinjen in enoten dostop do vseh potrebnih datotek, kar poenostavi sodelovanje ter zmanjšuje možnost napak zaradi uporabe zastarelih različic modela. Centralizirana shramba podatkov je posebej pomembna pri kompleksnih projektih, kjer sodeluje več oddelkov in je usklajenost ključna za učinkovit potek razvoja.
Posebnost tega procesa je priprava 3D skic na mestih, kjer se pojavljajo zvarni spoji. Te skice so nujne, saj predstavljajo referenčne geometrijske entitete, ki jih potrebujemo za natančno definiranje spojev v nadaljnji analizi. Zvari so pogosto kritične točke konstrukcije, saj na teh mestih prihaja do koncentracije napetosti, zato morajo biti skice pripravljene premišljeno in dosledno. S tem zagotovimo, da numerični model zvesto odraža realno obnašanje konstrukcije in omogoča zanesljivo napoved rezultatov.
Mreženje
Kot je pričakovano, je okvir kolesa zasnovan iz zvarjenih cevastih profilov. V postopku mreženja moramo zato natančno definirati tako geometrijsko mrežo kot tudi lokacije in lastnosti zvarnih spojev. Pri tem si pomagamo z naprednim orodjem, že vgrajenim v SIMULIA, ki samodejno prepozna sredinsko ravnino cevastih elementov ter jo ustrezno obdeluje z površinsko mrežo. Tak pristop omogoča bolj učinkovito modeliranje kompleksnih struktur in bistveno zmanjša potreben čas priprave numeričnega modela.
Za določanje zvarnih spojev uporabljamo linijske povezave, ki omogočajo realistično predstavitev mehanskega prenosa sil na mestih stikov. V tem koraku prav tako določimo materialne lastnosti okvirja in posameznih zvarov, saj imata obe komponenti ključno vlogo pri pravilni simulaciji obnašanja konstrukcije. Različni materiali lahko namreč pokažejo precej različno odzivnost na ponavljajoče se obremenitve, zato je dosledna in natančna definicija nujna za zanesljive rezultate analize.
Določanje obremenitev
Glavna obremenitev, ki deluje na okvir kolesa, nastane takrat, ko kolesar s pritiskom nog na pedala prenaša sile na celotno konstrukcijo. To obremenitev bomo v simulaciji definirali z uporabo Remote Force, ki omogoča prenos sil na določeno točko ali površino, ne da bi bilo treba neposredno modelirati vse vmesne stike. Ker je kolo simetrične zasnove, moramo obremenitev pripraviti dvakrat – ločeno za levo in desno stran.
Za ta namen bomo uporabili dva Load Step-a. Prvi predstavlja pritisk na pedal z desno nogo, drugi pa z levo. Takšna ločena definicija je pomembna tudi za kasnejšo utrujenostno analizo, saj omogoča natančno upoštevanje ponavljajočih se obremenitvenih ciklov. Za osnovno preverjanje odziva konstrukcije bomo uporabili dva standardna Static Step-a, ki omogočata podrobno analizo porazdelitve napetosti in deformacij v okviru.
Definiranje utrujanja
Utrujanje osnovnega materiala
Zdaj, ko imamo definirano osnovno obremenjevanje, se lahko lotimo še definicije utrujanja. Za ta namen bomo uporabili pristop Sequence of Frames, ki omogoča natančnejše upoštevanje časovno odvisnih obremenitev. Takšna metoda od nas zahteva, da določimo vsaj dva različna časovna trenutka, saj lahko le na ta način pravilno opišemo spremembo obremenitve skozi čas. S tem zagotovimo, da se simulacija čim bolj približa realnim razmeram med vožnjo, kjer so sile dinamične in se neprestano spreminjajo.
Utrujanje zvarnih spojev
Pri analizi utrujanja zvarnih spojev moramo najprej jasno določiti, katere načine odpovedi bomo upoštevali in katere zvare bomo preverjali glede na utrujanje. Na voljo imamo štiri različne načine odpovedi, pri čemer vsak omogoča še več dodatnih nastavitev, ki vplivajo na natančnost in zanesljivost simulacije. Pravilna izbira teh parametrov je ključnega pomena, saj različni načini odpovedi odražajo različne scenarije mehanske obremenitve – od začetka razpoke na površini, do postopne propagacije v notranjosti materiala. S tem pristopom lahko z večjo gotovostjo ocenimo življenjsko dobo zvarov ter že v fazi načrtovanja sprejmemo odločitve, ki izboljšajo varnost in trajnost konstrukcije.
S temi koraki je analiza popolnoma pripravljena na začetek simulacije. Vsi ključni elementi – od priprave geometrije in mreženja, do definiranja obremenitev, materialnih lastnosti ter nastavitev za utrujenostno analizo – so ustrezno določeni. Tako lahko nadaljujemo z izvajanjem numeričnih izračunov in pridobivanjem rezultatov, ki bodo služili kot podlaga za nadaljnjo interpretacijo in optimizacijo konstrukcije.
Rezultati
Za uspešno razumevanje utrujanosti materiala je najprej potrebno izvesti statično analizo. Zaradi načina uporabe kolesa – kolesarjenja – se na vsaki strani okvirja ciklično pojavljajo sile, zato je v statični analizi potrebno upoštevati oba primera obremenitve. Za lažjo interpretacijo rezultatov lahko vizualiziramo Von Misesovo napetost ter pomike ogrodja, kar omogoča intuitivno razumevanje strukturnega odziva konstrukcije pod obremenitvijo in pomaga pri identifikaciji kritičnih območij, ki so najbolj izpostavljena potencialni trajni deformaciji ali odpovedi.
Poglejmo si še pomik:
Opazimo, da se zaradi poteka obremenitve po ogrodju največja deformacija (0.406 mm) pojavi na vertikalni palici. To je smiselno, saj je v sredini in direkno na poti obremenitve.
Analiza utrujanja
Znano je, da bo konstrukcija ob utrujanju najprej popustila v zvarnih spojih. Za prikaz rezultatov uporabimo log of life prikaz, ki vizualno predstavlja razmerje med napetostjo in številom ciklov v logaritmični skali. Pri analizi se zato osredotočimo predvsem na zvarne spoje, saj so to kritične točke konstrukcije, kjer se začnejo pojavljati prve razpoke in kjer je življenjska doba materiala najkrajša. Takšen prikaz omogoča jasen vpogled v predvideno trajnost posameznih spojev in pomaga pri odločitvah za optimizacijo geometrije ali izbiro materialov.
V tem primeru lahko jasno vidimo, kateri deli materiala bodo popustili najprej in kje je potrebna morebitna ojačitev konstrukcije. Z manipulacijo območja, ki ga prikazuje legenda, je mogoče ustvariti tudi izoliran prikaz utrujanja v posameznih zvarih, kar omogoča podrobnejši vpogled v kritične točke spojev. Tak pristop olajša načrtovanje izboljšav, saj natančno pokaže, kje je potrebno optimizirati geometrijo ali izbrati bolj odporen material, da se podaljša življenjska doba celotne konstrukcije.
Če si želite podrobnejši opis in posnetek postopka, si lahko ogledate preprostejši primer na naslednji povezavi.
Za ostale informacije o uporabi 3DEXPERIENCE kontaktirajte IB-CADDY preko telefona 01 566 12 55 ali elektronske pošte info@ib-caddy.com.