simularea si optimizarea sistemelor mecanice utilizând platforma de ...

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV
Catedra Design de Produs 'i Robotic
Simpozionul naional cu participare internaional
PRoiectarea ASIstat de Calculator
P R A S I C ' 02
Vol. III – Design de Produs
7-8 Noiembrie Braov, România
ISBN 973-635-076-2
SIMULAREA I OPTIMIZAREA SISTEMELOR MECANICE UTILIZÂND
PLATFORM DE PROTOTIPARE VIRTUAL
Ctlin ALEXANDRU
Universitatea "Transilvania" din Braov
Abstract: This paper puts out a lot of aspects regarding the simulation and the optimization of the mechanical
systems using virtual prototyping platform. Virtual prototyping is a software-based engineering discipline that
entails modeling a mechanical system, simulating and visualizing its 3D motion behavior under real-world
operating conditions, and refining / optimizing the design through iterative design studies. The virtual
prototyping platform contains three types of software packages: CAD - to model the geometry of the
mechanical systems and perform simple motion studies, MBS - to analyze, simulate and optimize the
mechanical system, and FEA - to add component flexibility.
Cuvinte cheie: platform* de prototipare virtual*, analiz*, simulare, optimizare.
1. Introducere
"Singura cale de a reduce costurile i timpul de
fabricaie const din eliminarea prototipurilor fizice,
prin realizarea de prototipuri virtuale" (Wayne
Hamman - director de producie i fabricaie FORD
- Computer Integrated Manufacture and
Engineering, dec./ ian. 1995). Având ca "punct de
plecare" citatul anterior, lucrarea prezint o serie de
consideraii privind modelarea, simularea i
optimizarea sistemelor mecanice pe baza
prototipurilor virtuale create pe calculator.
Componentele, factorii definitori i avantajele
soluiei de prototipare virtual sunt descrise în
lucrare, alturi de un exemplu concret de prototipare.
2. Definirea 'i avantajele prototiprii virtuale
La început de mileniu III, utilizarea
calculatorului în cele mai diverse domenii de
activitate a încetat de mult s mai fie o mod,
devenind practic o necesitate. Înc din primele faze
ale concepiei i pân la execuia final a unui
anumit produs, calculatorul a înlocuit uneltele
clasice, punând la dispoziie metode eficiente i
elegante de lucru. Se poate afirma fr teama de a
grei c paii uriai pe care omenirea i-a parcurs în
ultimele decenii se datoreaz în cea mai mare parte
asistrii de ctre calculator a întregii activitii
economico - sociale.
În domeniul proiectrii i simulrii sistemelor
mecanice, o multitudine de programe, începând cu
“popularele” limbaje de programe (FORTRAN,
BASIC, PASCAL, C .a.), continuând cu
programele de proiectare asistat (AUTOCAD,
CATIA, EUCLID, PROENGINEER .a.) i
ajungând la softurile performante de analiz i
simulare (ADAMS, PLEXUS, DYMES, SD-
EXACT .a.), respectiv de analiz cu element finit
(NASTRAN, PATRAN, COSMOS, ANSYS, NISA
.a.), sunt utilizate în prezent pe scar larg.
Adevrate prototipuri virtuale sunt create cu ajutorul
calculatorului, având în vedere obinerea unor
produse care s corespund funcional cerinelor din

ce în ce mai mari impuse de pia. Aceasta înseamn
c simularea sistemelor mecanice merge pân la
modelarea fidel atât a componentelor sistemului cât
i a condiiilor de funcionare ale acestuia, ceea ce
permite testarea rapid a numeroase variante
geometrico-constructive, în vederea optimizrii
sistemului mecanic. Astfel, se elimin o mare parte
din etapa de testare experimental a produsului,
proces scump i consumator de timp.
Îmbuntirea dinamicii inovaiilor este în
prezent unul dintre factorii cruciali ai pieei. Este
aadar vital pentru o companie s scurteze ciclurile
de inovaie i în acelai timp s realizeze creterea
calitii produselor i reducerea costurilor. Creterea
continu a complexitii i varietatea produselor,
simultan cu reducerea duratei ciclului de producie,
determin cereri mari pentru companii. Prototipurile
ofer variate posibiliti de a accelera procesul de
dezvoltare i a optimiza factorii de calitate i
costurile. Totui, o problem foarte important este
c producia prototipurilor fizice este foarte scump
i mare consumatoare de timp.
Pe aceast direcie, prototiparea virtual ofer
avantaje deosebite. Prototiparea virtual este o
metod de a vizualiza modele complexe i de a le
îmbunti comportamentul. Utilizarea prototipurilor
virtuale, în special în fazele precoce de dezvoltare
/proiectare a sistemelor mecanice, permite luarea
unei decizii de cost eficient, deoarece producia
costisitoare a prototipurilor fizice este astfel fcut
în mare parte inutil. Pe de alt parte, prototiparea
virtual ofer posibiliti pentru paralelizare i
globalizare, pentru c prototipurile virtuale nu sunt
limitate într-un singur loc, ci pot circula foarte rapid
pe reele locale sau mondiale (aa cu este
INTERNET-ul). Un alt avantaj deosebit al
prototipurilor virtuale este c ele nu sunt realizate
din materiale reale, rezultând costuri de realizare
mult mai mici decât în cazul prototipurilor fizice.
Simularea prototipurilor virtuale permite o
intervenie timpurie, modificarea i optimizarea
comportamentului sistemelor mecanice i conduce la
o cretere a varietii de prototipuri. Prin intermediul
prototipurilor virtuale caracteristice produsului pot fi
uor verificate / testate o multitudine de soluii
constructive pentru un sistem mecanic i astfel
timpul de dezvoltare poate fi redus semnificativ. În
plus, defectele privind fabricarea sau produsul
însui, pot fi deja detectate în fazele precoce ale
dezvoltrii sistemului mecanic i astfel sunt
eliminate fr mari cheltuieli. Aceasta asigur
posibilitatea de a porni (lansa) deja planificarea
produciei într-un stadiu timpuriu.
Prototiparea virtual ofer posibilitatea de a
realiza aspecte specifice client de dezvoltare
timpurie a produsului, mai repede i mai eficient, i
astfel crete considerabil capacitatea de
competitivitate a unei companii.
Prototiparea virtual este complementar la
CAD/CAM. Tehnicile CAD/CAM se concentreaz
asupra modelrii geometrice a componentelor i
ansamblurile statice de componente. Prototiparea
virtual permite simularea sistemului în ansamblu
(micarea componentelor cu respectarea celorlalte).
Softurile MBS pentru prototipare virtual sunt
cuplate cu modeloare geometrice, tocmai pentru a
asigura complementaritatea cu CAD/CAM (de
exemplu, între ADAMS i Pro/ENGINEER prin
modulul MECHANISM/Pro).
Pentru a simula micarea (comportamentul)
sistemului mecanic, softul MBS de prototipare
virtual calculeaz automat forele de reaciune din
fiecare articulaie, pentru fiecare interval de timp dea
lungul simulrii. Softul poate automat reforma
aceste date ca i condiii dinamice de încrcare
pentru intrarea în analiza cu element finit (FEA). Cu
softul FEA se calculeaz starea de tensiune a fiecrei
componente a sistemului. În plus, flexibilitile /
rigiditile calculele cu softul FEA pot fi importate
în softul MBS de prototipare virtual pentru a simula
cu exactitate comportamentul sistemului mecanic cu
componente flexibile (elastice). Pe aceast direcie,
de exemplu, programul ADAMS accept conexiuni
cu softuri FEA foarte performante, precum ANSYS,
MSC/NASTRAN i COSMOS/M.
Majoritatea sistemelor soft CAD/CAM au
module opionale care ajut utilizatorul s modeleze
nu numai pri (componente) sau configuraii de
sisteme statice, ci i ansambluri în micare (sisteme
mecanice). Aceste module permit conectarea
componentelor prin legturi cuprinse într-o baz de
date specific i ulterior simularea sistemului în 2D
sau 3D. Câteva astfel de pachete soft sunt: I-DEAS
Mechanism Design, UG Mechanisms, MSC/ARIES
MEA, PDGS Mechanisms, ANSYS/ProFEA,
MECHANISM/Pro for Pro/ENGINEER .a.
Prototiparea virtual este definit de câiva
factori cheie [4]:
integrare: prototiparea virtual furnizeaz
abilitatea de a lucra în mediul CAD pentru a modela
sisteme mecanice i a realiza studii simple de
micare, abilitatea de a transforma facil modele
geometrice între sistemul CAD i prototipurile
virtuale, abilitatea de a transforma solicitrile din
prototipare virtual în analiza cu element finit i de a
înapoia flexibilitile componentelor din FEA în
softul de prototiparea virtual;
personalizare: prototiparea virtual permite
construirea de modele standard, care ofer
proiectanilor posibilitatea de a realiza teste virtuale
standard pe fiecare alternativ de proiectare pentru a
identifica varianta optim;

parametrizare: prototiparea virtual permite
utilizatorilor s construiasc uor modele
parametrice de sisteme mecanice i apoi s fac
modificrile de proiectare care îmbuntesc
parametric întregul model;
optimizare: prototiparea virtual permite
utilizatorilor s realizeze studii de proiectare
experimental (proiectare de experimente) pentru a
înelege amnunit sensibilitile de proiectare i a le
elimina; totodat, se asigur capacitatea de a gsi o
configuraie optim de sistem;
vizualizare: prototiparea virtual permite
vizualizarea rapid a efectelor modificrilor fcute
pe platforma prototipului virtual prin utilizarea de
render-uri rapide, animaie în timp real i sofisticate
tehnici de vizualizare (camere i surse de lumin
multiple etc.); aceste faciliti sunt importante atât
pentru interpretarea comportamentului sistemului
mecanic cât i pentru revederea proiectrii.
Un alt termen specific soluiei de prototipare
virtual este proiectarea de experimente. Aceasta
este o tehnic complementar de proiectare
optimal, care const din rularea unui lot statistic
semnificativ de teste (sau simulri pe calculator),
având în vedere determinarea sensibilitilor i
punctelor de rezisten ale proiectrii i variaiilor de
fabricaie. Aplicat împreun cu prototiparea
virtual, proiectarea de experimente produce reeaua
permutrilor de simulare cerut pentru un
experiment complet. Prin astfel de loturi standard de
teste virtuale, fabricanii pot dezvolta informaii
(cunoateri) suficient de riguroase despre
performanele sistemului mecanic, evitând
prototipurile fizice superficiale.
Studiul de proiectare (proiectare parametric)
descrie abilitatea în programul de prototipare
virtual de a selecta o variabil de proiectare (de
exemplu, lungimea unei bare a sistemului mecanic),
a "întinde" acea variabil printr-un domeniu de
valori i apoi a simula comportamentul sistemului,
având în vedere identificarea sensibilitilor
sistemului la aceste variaii.
Pe baza celor anterior precizate, schema bloc a
platformei de prototipare virtual a sistemelor
mecanice este prezentat în figura 1.
Interconexiunile dintre pachetele soft care definesc
platforma (CAD, MBS i FEA) au fost descrise la
factorul "integrare".
3. Aplica2ii ale solu2iei de prototipare virtual
Prototiparea virtual a devenit o metod foarte
important în proiectarea sistemelor mecanice, toi
productorii de marc utilizând aceast soluie în
activitatea de cercetare - proiectare. Dintre
domeniile de vârf în care prototiparea virtual i-a
câtigat un rol deosebit se pot aminiti industria de
automobile, aerospaial i biomecanic.
Marile companii productoare de automobile
testeaz întregul automobil pe calculator, simulând o
varietate de situaii de rulare (manevrare); de
asemenea, se utilizeaz calculatorul pentru a simula
rspunsul (comportamentul) pasagerilor la diverse
solicitri. Dintre aplicaiile specifice se pot puncta:
proiectarea suspensiei (prezicerea caracteristicilor
suspensiei, optimizarea suspensiei, analiza
încrcrilor, stabilirea anvelopelor pentru roi);
dinamica vehiculelor (modelarea interaciunii roi -
cale de rulare, simularea manevrelor uzuale,
simularea manevrelor de urgen, prezicerea
stabilitii vehiculului, prezicerea comportamentului
caroseriei la acceleraii, aprecierea durabilitii);
sisteme de siguran (simularea sistemului de
protecie airbag, simularea accidentelor, proiectarea
mecanismului centurii de siguran); ingineria
corpului automobilului (proiectarea uilor,
încuietorilor, balamalelor, proiectarea mecanismului
scaunelor i ferestrelor, proiectarea plafonierei de
soare, perfecionarea tergtorului de parbriz).
Dintre aplicaiile specifice prototiprii virtuale în
industria aerospaial se pot remarca: aeronave
(simularea dinamicii zborului, simularea dinamicii
rotorului, proiectarea controlului hidraulic,
simularea aterizrii, proiectarea sistemului de
încrcare, simularea sistemului de ejecie a pilotului,
proiectarea mecanismelor articulate specifice,
simularea sistemului de ghidare, proiectarea uilor i
trapelor); vehicule spaiale (dinamica sistemului de
lansare, simularea sistemului de ghidare, simularea
panourilor solare, simularea fenomenelor în
gravitaie redus i nul, analiza impactului orbital).
În industria biomecanic, prototiparea virtual se
aplic în: biomecanic, ergonomie i echipament
medical (interaciunea om-main, analiza
confortului ezutului, proiectarea protezelor,
simularea mersului, studii de comportament
/protecie a pasagerilor auto, reconstituirea
accidentelor, studii de ergonomie a locului de
munc, proiectarea echipamentelor sportive,
optimizarea tehnicilor atletice); reconstituirea
evenimentelor i consultan în inginerie.
4. Exemplu de prototipare virtual
Dintre aplicaiile anterior precizate, în continuare
se va prezenta un exemplu concret de prototipare
virtual. Se va considera un sistem de tergere a
parbrizului automobilelor, obiectivul fiind acela de a
dimensiona corect componentele mecanismului
(bare, articulaii) i motorul de antrenare (turaie,
putere), pe baza solictrilor pe care sistemul le
suport în funcionarea sa pe automobil.

Fig. 1

Mtergtorul de parbriz se monteaz, de regul, în
partea inferioar a parbrizului, întrucât unghiul de
tergere este mai mare, iar apa / zpada "mturat"
de perie nu se scurge pe suprafaa tears, ceea ce ar
înruti vizibilitatea. Pentru lucrarea de fa s-a
considerat un sistem de tegere cu dou lamele
având acelai sens de rotaie, la care mecanismul
conine din dou conture patrulater spaial (fig. 2):
sistemul de comand (ABCF) de la motor la pârghia
stânga, respectiv sistemul de conexiune (FC 1 DE) la
pârghia dreapta.
Modelul solid al sistemului, necesar în vederea
determinrii caracteristicilor masico - ineriale ale
corpurilor componente, s-a realizat prin utilizarea
softului CAD CATIA (fig. 3). Modelul geometric a
fost ulterior importat în softul de prototipare virtual
utilizând formatul de fiier IGES.
Prototipul virtual (fig. 4) a fost realizat cu softul
ADAMS, prin aplicarea asupra corpurilor a
constrângerilor i forelor care acioneaz în sistem.
Constrângerile din A, F i E sunt realizate prin
cuple de rotaie, în timp ce în B, C, C 1 i D sunt
articulaii sferice.
Fig. 2
Sistemul de încrcare exterioar cuprinde
momentul de antrenare la pârghia motor - 1 i forele
de frecare dintre lamele i parbriz, considerate
pentru regimul de funcionare uscat (coeficient de
frecare maxim).
Fig. 3
Fig. 4

Fig. 5
Prin analiza i simularea prototipului s-a
determinat comportamentul dinamic al sistemului de
tergere a parbrizului, exemplificat în figura 5 prin
forele de reaciune din articulaia pârghiei motor la
asiu (cupla de rotaie A).
În figura 6 sunt redate dou cadre de simulare
grafic, într-o poziie intermediar i în poziia de
schimbare a sensului de rotaie a lamelelor (poziia
de parcare este redat în fig. 4). Prezentarea pe larg a
prototipului i interpretarea comportamentului
acestuia vor face obiectul unei viitoare lucrri.
5. Concluzii
Adevrate prototipuri virtuale de sisteme
mecanice pot fi realizate pe platforma softurilor
CAD, MBS i FEA, având în vedere reducerea la
minim a cheltuielilor care ar rezulta din conceperea
de prototipuri fizice, ca i a intervalului de timp
necesar testrilor preliminare. Este acesta un semnal,
dar i o soluie, pentru industria româneasc, în
tentativa de a identifica soluii de ieire din criza
financiar i de performan pe care o traverseaz.
Bibliografie
Fig. 6
1. Alexandru, C. Simularea pe calculator a
sistemelor mecanice articulate. Ed. Lux Libris,
Braov, 2000.
2. *** DYMES - User’s Manual. EMRC, 1995.
3. *** EUCLID - Reference Manual. Matra
Datavision, 1999.
4. *** Getting Starting Using ADAMS 11.
Mechanical Dynamics Inc., 2001.