Insenertehniliste arvutuste eesmärk ei ole lihtsalt tõestada, et konstruktsioon „peab vastu“.
Õigel ajal tehtud arvutused aitavad teha paremaid projekteerimisotsuseid: leida kriitilised kohad, hinnata koormustaluvust ning vältida nii aladimensioneerimist kui ka liigset materjalikulu.
Praktikas ei tähenda insenertehniline arvutus alati mahukat simulatsiooni. Mõnikord annab kõige parema vastuse mõnekümne rea pikkune Exceli arvutus. Teises projektis võib aga konstruktsiooni käitumise hindamiseks olla vaja detailset lõplike elementide analüüsi ehk FEA-d. Oluline on valida meetod vastavalt küsimusele, millele arvutusega vastust otsitakse.
Revismo on teinud insenertehnilisi arvutusi, tugevusanalüüse ja simulatsioone üle 13 aasta nii uute toodete ja masinate arendamisel kui ka olemasolevate konstruktsioonide kontrollimisel, optimeerimisel ja tehniliste probleemide lahendamisel.
Mis on insenertehnilised arvutused ja miks neid tootearenduses tehakse?
Insenertehnilised arvutused on tehnilised analüüsid, mille abil hinnatakse toote, masina või konstruktsiooni käitumist erinevate koormuste ja kasutustingimuste korral. Nende eesmärk on kontrollida lahenduse tugevust, jäikust, stabiilsust, töökindlust ja vastavust projekteerimistingimustele.
Tootearenduses kasutatakse arvutusi selleks, et tehnilisi otsuseid ei peaks langetama ainult kogemuse, tunnetuse või varasemate sarnaste lahenduste põhjal.
Näiteks aitavad insenertehnilised arvutused vastata järgmistele küsimustele:
- kui suurt koormust konstruktsioon talub;
- kui palju detail koormuse all deformeerub;
- kas tala, profiil või konstruktsioon võib nõtkuda;
- kas kinnitusvahendid on piisavad;
- milline on konstruktsiooni varutegur;
- kuidas mõjutavad lahendust dünaamilised või korduvad koormused;
- kas konstruktsiooni omavõnkesagedus võib sattuda kokku töö ajal tekkiva vibratsiooni sagedusega;
- kuidas mõjuvad temperatuur, rõhk, vaakum, tuul või lumi;
- kas konstruktsioon on põhjendamatult üledimensioneeritud.
Revismo senises töös on tulnud analüüsida muu hulgas staatilisi ja dünaamilisi koormusi, üle- ja alarõhku, temperatuurimõjusid, liikuvate süsteemide jõude, mittelineaarseid olukordi, nõtket, väsimust, kukkumist, omavõnkesagedusi ning tuule- ja lumekoormusi.
Arvutuse väärtus seisneb eelkõige selles, et see annab tehnilise aluse otsuse tegemiseks.
Millises tootearenduse etapis tuleks arvutused teha?
Insenertehnilisi arvutusi on mõistlik kasutada juba tootearenduse varases etapis ning vajaduse korral korrata neid kogu arendusprotsessi vältel.
Üks levinumaid vigu on jätta tugevusarvutused projekti lõppu, kui CAD-mudel ja tootmisjoonised on peaaegu valmis. Sellisel juhul võib arvutus küll tuvastada probleemi, kuid selle kõrvaldamine võib nõuda juba valmis konstruktsiooni ümberprojekteerimist.
Arvutuste eesmärk ja põhjalikkus sõltuvad tootearenduse etapist.
Konseptsiooni väljatöötamine
Tootearenduse alguses aitavad lihtsamad insenertehnilised arvutused võrrelda erinevaid lahendusvariante ning hinnata kavandatud konstruktsiooni tehnilist teostatavust.
Näiteks saab kontrollida, kas valitud materjalid, mõõtmed ja konstruktsioonilahendused on eeldatavate koormuste jaoks realistlikud.
Detailne projekteerimine
Detailse CAD-projekteerimise käigus saab teha tugevusarvutusi konkreetsetele profiilidele, liidetele, seinapaksustele, materjalidele ja kinnitusvahenditele.
Selles etapis on konstruktsiooni muutmine üldjuhul veel lihtsam ja soodsam kui pärast tootmise alustamist.
Prototüübi valmistamine ja tootmise ettevalmistamine
Enne prototüübi valmistamist või tootmise alustamist saab tugevusanalüüsi abil kontrollida terviklikumat konstruktsiooni ning hinnata kriitilisi koormusolukordi.
Arvutused aitavad tuvastada võimalikke nõrku kohti ja vähendada riski, et probleemid ilmnevad alles katsetamise või kasutamise käigus.
Arvutuste juurde võidakse tagasi pöörduda ka pärast prototüübi katsetamist, kasutustingimuste muutumist või konstruktsiooni olulist muudatust.
Seega ei ole insenertehniline arvutus tootearenduses üks eraldiseisev kontrollpunkt, vaid töövahend, mida kasutatakse erinevates etappides vastavalt konkreetsele tehnilisele vajadusele.
Millal piisab käsitsi või Excelis tehtavast arvutusest?
Termin „käsitsi arvutus“ ei tähenda tingimata pliiatsi ja paberiga arvutamist. Inseneritöös tehakse valemipõhised analüütilised arvutused sageli Excelis, sest nii saab lähteandmeid lihtsalt muuta, võrrelda erinevaid variante ja dokumenteerida arvutuskäigu.
Selline meetod on eriti mõistlik siis, kui lahendust saab kirjeldada piisavalt usaldusväärselt teadaolevate valemite ja lihtsustatud mudelitega.
Näiteks võivad Exceli arvutuseks hästi sobida:
- lihtsamate profiilide kontroll;
- kinnitusvahendite dimensioneerimine;
- jõudude ja momentide leidmine;
- koormuste esmased hinnangud;
- materjalide esialgne võrdlemine;
- lihtsamad varuteguri arvutused.
Revismo projekteerimispraktikas kasutatakse Exceli arvutusi muu hulgas komponentide valiku ja muude projektipõhiste kalkulatsioonide dokumenteerimiseks.
Lihtsam arvutus ei ole seejuures tingimata kehvem arvutus. Kui probleem on analüütiliselt hästi kirjeldatav, võib läbipaistev valemipõhine arvutus olla isegi parem lahendus kui põhjendamatult keeruline simulatsioon.
Millal on vaja FEA-simulatsiooni ehk lõplike elementide analüüsi?
FEA-simulatsiooni kasutatakse tugevusanalüüsis siis, kui konstruktsiooni geomeetria, koormused või detailide omavaheline käitumine on liiga keerulised, et neid saaks usaldusväärselt hinnata lihtsamate analüütiliste arvutustega.
FEA (Finite Element Analysis) ehk lõplike elementide analüüs põhineb lõplike elementide meetodil FEM (Finite Element Method). Selle käigus jagatakse konstruktsiooni geomeetria väikesteks elementideks, mille abil arvutatakse näiteks pingete ja deformatsioonide jaotus erinevate koormuste korral.
FEA-simulatsioon on otstarbekas näiteks siis, kui:
- konstruktsiooni geomeetria on keeruline;
- koormused kanduvad läbi mitme omavahel seotud detaili;
- oluline on hinnata pingete jaotust ning kriitilisi piirkondi;
- konstruktsioonis esineb avasid, keevisliiteid või muid pingekontsentratsiooni tekitavaid piirkondi;
- tuleb arvestada detailide omavaheliste kontaktidega;
- koormused või materjali käitumine on mittelineaarsed;
- analüüsitakse dünaamilisi koormusi või omavõnkesagedusi;
- hinnatakse temperatuurimõjusid konstruktsiooni tugevusele ja deformatsioonidele.
Usaldusväärne FEA-simulatsioon algab õigesti koostatud arvutusmudelist
FEA kasutamine ei tähenda automaatselt täpsemat või paremat tulemust. Hea simulatsioon algab õigetest lähteandmetest ja korrektsest arvutuse ülesse seadmisest.
Arvutustarkvara suudab väga täpselt lahendada ka valesti püstitatud ülesande. Seetõttu on simulatsioonis üks kriitilisemaid etappe mitte arvutus ise, vaid arvutusmudeli loomine.
Enne tulemuste hindamist tuleb õigesti määratleda arvutusmudel ja selle lähteandmed. See tähendab, et läbi tuleb mõelda tegelik koormusolukord, kinnitusvahendid ja kontaktid, kasutatava materjali omadused ning see, milliseid geomeetrilisi lihtsustusi saab teha ilma tulemuse usaldusväärsust kahjustamata.
Revismo sisemises tööprotsessis algab tugevusarvutus küsimusest: mida on selle arvutusega vaja teada saada? Alles seejärel valmistatakse ette ja vajadusel lihtsustatakse mudel, valitakse arvutuse tüüp, kontrollitakse materjale, määratakse piirtingimused, kontaktid ja koormused ning luuakse arvutuseks vajalik võrgustik.
Pärast simulatsiooni valmimist hinnatakse muu hulgas seda, kas deformatsioonid ja reaktsioonijõud on füüsikaliselt loogilised. See viimane etapp on oluline, sest värviline pingepilt ekraanil ei ole veel insenertehniline järeldus.
Kas FEA-simulatsioon asendab käsitsi tehtavaid tugevusarvutusi?
FEA-simulatsioon ei asenda täielikult analüütilisi tugevusarvutusi. Praktikas täiendavad need meetodid teineteist ning neid kasutatakse sageli sama konstruktsiooni kontrollimiseks.
Näiteks kui FEA-simulatsioon annab konstruktsiooni toereaktsiooniks väärtuse, mis ei vasta teadaolevatele koormustele, võib probleem peituda arvutusmudeli kontaktides, kinnitustes või koormuste rakendamises.
Revismo kasutab arvutusmudelite kontrollimiseks vajadusel lihtsamaid koormusolukordi ja analüütilisi arvutusi, et hinnata mudeli käitumise vastavust tegelikele füüsikalistele tingimustele.
Seega ei ole Excelis tehtavad tugevusarvutused ja FEA-simulatsioonid konkureerivad meetodid, vaid erinevad töövahendid, mida saab kasutada koos usaldusväärsema tehnilise hinnangu saamiseks.
Mida aitavad insenertehnilised arvutused vältida?
Insenertehnilised arvutused ja tugevusanalüüsid aitavad tuvastada konstruktsiooni võimalikke nõrkusi enne tootmist või kasutuselevõttu. Lisaks purunemisriskile võimaldavad need hinnata probleeme, mis mõjutavad toote ohutust, töökindlust ja kasutusiga.
Arvutuste abil saab tuvastada näiteks järgmisi probleeme:
- Liigne deformatsioon – konstruktsioon ei purune, kuid paindub või deformeerub määral, mis häirib selle toimimist.
- Nõtkumine – pikk või sale konstruktsioonielement kaotab stabiilsuse enne materjali tugevuspiiri saavutamist.
- Materjali väsimus – korduvad koormused võivad põhjustada pragude tekkimist ja konstruktsiooni purunemist ka lubatud üksikkoormuste korral.
- Resonantsioht – masina töösagedus satub konstruktsiooni omavõnkesageduse lähedale, põhjustades liigset vibratsiooni.
- Kinnitusvahendite ülekoormus – põhikonstruktsioon on piisavalt tugev, kuid poldid, kruvid või muud ühenduselemendid ei talu mõjuvaid koormusi.
- Üledimensioneerimine – konstruktsioon sisaldab põhjendamatult palju materjali, suurendades toote massi ja valmistamiskulusid.
Revismo tugevusanalüüside käigus hinnatakse konstruktsiooni pingeid, deformatsioone, stabiilsust, varutegureid ja võimalikke purunemisviise. Vajadusel tuvastatakse kriitilised piirkonnad ning tehakse ettepanekud konstruktsiooni parandamiseks.
Kuidas aitab tugevusanalüüs vähendada konstruktsiooni massi ja materjalikulu?
Tootearenduses on sama oluline küsimus sageli hoopis: kas lahendus peab olema nii tugev ja raske, nagu see praegu on? Kui arvutus näitab, et mõnes piirkonnas on varu väga suur, võib tekkida võimalus:
- vähendada materjali paksust;
- valida väiksem profiil;
- muuta konstruktsiooni geomeetriat;
- paigutada tugevdused ainult sinna, kus neid tegelikult vaja on;
- vähendada materjalikulu;
- muuta detaili lihtsamini valmistatavaks.
Teisalt võib analüüs näidata, et konstruktsiooni massi vähendamine valest kohast tekitaks probleemid ning palju efektiivsem oleks muuta näiteks geomeetriat või jäikuselementide paiknemist. Seetõttu on tugevusanalüüs lisaks kontrollimisele ka optimeerimisvahend.
Revismo praeguses tööprotsessis kuuluvad analüüside juurde vajadusel ka tehniliselt põhjendatud parendusettepanekud konstruktsiooni tugevuse, massi, materjalikulu või valmistatavuse parandamiseks.
Milliseid standardeid tuleb insenertehnilistes arvutustes järgida?
Mõne konstruktsiooni puhul ei saa koormusi või kontrollikriteeriume valida ainult inseneri hinnangu järgi. Sõltuvalt projektist võivad konstruktsioonile kehtida õigusaktid, standardid, kliendi tehnilised nohused või muud projekteerimistingimused.
Sellisel juhul tuleb esmalt välja selgitada, mida tuleb arvutada ja milliste kriteeriumide järgi tulemust hinnata.
Mida saab klient insenertehnilise arvutuse tulemusena?
Arvutuse väärtus ei tohiks jääda ainult inseneri arvutisse. Revismo tugevusanalüüside tavapärane väljund on tehniline arvutusraport, kuhu koondatakse vastavalt töö sisule näiteks:
- arvutuse eesmärk;
- kasutatud lähteandmed ja eeldused;
- analüüsitud koormusolukorrad;
- arvutusmudel ja metoodika;
- kasutatud materjaliandmed;
- koormused ja piirtingimused;
- olulisemad tulemused;
- kriitilised piirkonnad;
- deformatsioonid, pinged ja varutegurid;
- järeldused;
- vajadusel soovitatud muudatused.
Raport annab dokumenteeritud tehnilise aluse edasiseks projekteerimiseks ning võimaldab hiljem aru saada, mida arvutati ja millistel eeldustel järeldused põhinesid. See muutub eriti oluliseks siis, kui toodet või selle kasutustingimusi hiljem muudetakse.
Tarkvara on tööriist, mitte vastus
Revismo kasutab insenertehniliste arvutuste ja simulatsioonide tegemisel sõltuvalt ülesandest mitut erinevat tarkvara. Programmi valikust olulisem on see, kuidas arvutusülesanne püstitatakse.
Ükskõik kui võimekas simulatsioonitarkvara ei tea ise, kuidas masinat tegelikult kasutatakse, millised kontaktid võivad liikuda, millise kvaliteediga on keevisliide või milline koormus võib konstruktsioonile reaalses olukorras tekkida.
Insenertehnilised arvutused aitavad teha paremaid tootearenduse otsuseid
Insenertehnilised arvutused ja tugevusanalüüsid annavad tootearenduses põhjendatud aluse tehniliste otsuste tegemiseks. Need aitavad kontrollida konstruktsiooni tugevust ja töökindlust, tuvastada kriitilisi piirkondi ning vähendada nii konstruktsioonivigade kui ka liigse materjalikulu riski.
Olgu tegemist lihtsa Excelis tehtud tugevusarvutuse või põhjaliku FEA-simulatsiooniga, õigesti valitud arvutusmeetod võimaldab hinnata lahenduse toimivust ja teha vajalikud muudatused enne tootmist.
Revismos aitame ettevõtetel hinnata toodete, masinate ja konstruktsioonide tugevust ning leida tehniliselt põhjendatud lahendusi nii uute toodete arendamisel kui ka olemasolevate konstruktsioonide optimeerimisel.
Tutvu meie tugevusanalüüsi teenusega või võta ühendust, et arutada oma projekti insenertehnilisi vajadusi.
