Центр инновационных композитных материалов

Применение систем NX CAD и Simcenter в Центре инновационных композитных материалов для быстрой оценки различных вариантов конструкций позволило вдвое сократить сроки разработки.

Практическое применение самых современных композитных материалов

Центр инновационных композитных материалов Composites Innovation Centre Manitoba, Inc. (CIC) — ведущая некоммерческая организация, занимающаяся разработкой и коммерциализацией композитных материалов и технологий их производства. Центр находится в г.Виннипеге, провинция Манитоба. В организации работает 26 человек, а ее производственные мощности занимают почти 2000 м2. В центре имеется лаборатория испытаний композитов и цех сборки опытных образцов, а также офисные помещения для автоматизированного проектирования и расчета конструкций.

Центр CIC был основан в 2003 году как совместный проект ряда промышленных предприятий. Финансирование частично предоставляется администрацией провинции Манитоба и правительством Канады, а также участниками промышленного альянса. Центр оказывает консультативные услуги, а кроме того, занимается проектированием, расчетами, изготовлением опытных образцов и промышленных партий для таких крупных заказчиков, как компании Boeing, Magellan Aerospace, Cormer Aerospace, Emteq Canada, Motor Coach Industries и New Flyer Industries.

Сверхлегкий концепт-кар Kestrel

Снижение выбросов парниковых газов за счет облегчения конструкции

В условиях резкого роста цен на энергоносители и ужесточающихся экологических нормативов по снижению вредных выбросов автопроизводители ищут всё новые способы соответствия современным требованиям рынка. Одно из наиболее эффективных решений — снижение массы автомобиля. Более легкие машины расходуют меньше энергии, что непосредственно снижает расход топлива и выбросы диоксида углерода (CO2) в атмосферу. «Основной задачей при снижении массы является недопущение ухудшения прочности и жесткости конструкции, — поясняет Эластэйр Комус (Alastair Komus), главный инженер Центра по наземному транспорту. — Здесь лучше всего применять материалы с высоким соотношением прочности к массе — например композиты».

Продукты

NX, Simcenter

Проблемы

• Необходимость сокращения или полного устранения корректировок расчетных моделей вручную;
• оценка большого числа сочетаний параметров;
• сокращение сроков разработки изделий;
• повышение производительности труда;
• расчет изделий, выполненных из сложных композитных материалов.

Ключи к успеху

• Внедрение интегрированной среды проектирования и инженерных расчетов в составе систем NX и Simcenter;
• мощные средства редактирования и корректировки геометрии;
• быстрое и автоматическое обновление расчетных моделей;
• эффективные инструменты моделирования слоеных композитов.

Результаты

• Масса деталей сократилась более чем на 40%;
• ускорение создания расчетных моделей;
• сокращение длительности цикла «конструирование — расчеты»;
• оценка большего числа вариантов конструкции;
• практически полное устранение корректировок моделей вручную;
• точное представление и анализ ламинатных композитных материалов;
• соответствие федеральным стандартам безопасности.

Основной вид деятельности клиента

• Центр инновационных композитных материалов Composites Innovation Centre Manitoba, Inc. (CIC) — ведущая некоммерчес­кая организация, занимающаяся разработкой и коммерциализацией композитных материалов и технологий их производства.

Местонахождение клиента

Манитоба, Канада (www.compositesinnovation.ca)

Известная проектная фирма Motive Industries обратилась к г­ну Комусу и его сотрудникам за помощью в создании легкового автомобиля с кузовом из армированного пластика. Машина под названием Kestrel имеет алюминиевую раму и гибридную силовую установку. Центру было поручено рассмотреть возможность применения при изготовлении кузова автомобиля таких экзотических волокон естественного происхождения, как лен и конопля.

Пример результата расчета передней части кузова на кручение

Пример результата расчета поведения крыши при аварии

Польза от интеграции CAD­ и CAE­решений

До приобретения разработанных компанией Siemens PLM Software систем NX™ и Simcenter™ инженеры Центра CIC применяли множество различных средств создания геометрии и расчета композитных конструкций. Хотя такая схема была работоспособной, подобное применение систем автоматизированного проектирования (CAD) и инженерного анализа (CAE) оказалось очень трудоемким и требовало множества повторных действий из­за отсутствия интеграции используемых систем. Инженерам требовался более согласованный и связанный рабочий процесс, который привел бы к росту производительности. После оценки множества систем выбор был сделан в пользу NX и Simcenter благодаря тесной интеграции между процессами конструирования и расчетов. Эластэйр Комус поясняет: «Раньше мы использовали отдельную CAD­систему и пакет для расчета методом конечных элементов. Когда требовалось изменить геометрию, нам приходилось делать это в CAD­системе, затем заново импортировать модель в систему МКЭ­расчетов и проводить весь анализ заново. Это было крайне трудоемким делом».

Изготовленный опытный образец капота

При работе над проектом автомобиля Kestrel основной целью было создать максимально легкие детали, но без ущерба прочности. Это требовало выполнения неоднократных циклов проектирования и расчетов, чтобы достичь тонкого баланса в конструкции всего автомобиля. Имеющаяся в NX и Simcenter отличная ассоциативная связь между создаваемой конструктором геометрией и расчетными моделями позволяет очень быстро передавать изменения из конструкторских моделей в модели для анализа, что устраняет необходимость в корректировке вручную.

Больше вариантов за меньшее время

Модуль Simcenter Laminate Composites был внедрен с целью создания и оптимизации вариантов укладки слоев в композитном материале. «При проектировании детали из композитов существует огромное количество вариантов ее изготовления, поэтому крайне необходим гибкий интерфейс для быстрого и удобного ввода множества параметров, — отмечает Э. Комус. — Именно такой интерфейс реализован в модуле Simcenter Laminate Composites. Эта система позволяет нам в полной мере выявлять напряжения в каждом слое. Мы можем менять углы, способы укладки и материалы слоев, чтобы оптимизировать массу и другие характеристики конструкции».

Биоволокна, служащие для армирования композитного материала

Инженеры Центра по достоинству оценили интуитивно понятные, управляемые при помощи меню рабочие процессы ввода ключевых атрибутов слоев — способа укладки, температуры и параметров расчета прочности. Данная функциональность вместе с единым пользовательским интерфейсом конструирования и расчетов полностью изменила подходы к решению повседневных задач проектирования композитных конструкций. «В проекте автомобиля Kestrel мы исследовали свыше 50 вариантов укладки слоев при четырех различных видах нагрузки, — рассказывает Эластэйр Комус. — С ранее применявшимися системами это было бы невозможно».

Полное соответствие федеральным стандартам безопасности благодаря компьютерному моделированию

Инженеры Центра CIC провели в системе Simcenter 3D­моделирование соответствия автомобиля федеральным стандартам безопасности. В частности, стандарт задает прочность крыши: она должна выдерживать статическую нагрузку, в 1,5 раза превышающую массу автомобиля. Кроме того, была выполнена проверка крепления ремня безопасности с целью выбора места его размещения, которое обеспечивало бы прочную фиксацию человека и отличалось высокой надежностью.

«Возможность выполнения подобных виртуальных испытаний в Simcenter 3D без необходимости экспорта данных в другую систему существенно экономит время», — заявляет г­н Комус.

Рост производительности и достигнутые результаты говорят сами за себя

После внедрения системы NX инженеры Центра CIC могут выполнять всё более сложные проекты и проверять больше различных вариантов конструкции, а заказчики получают результаты работ в рекордно короткие сроки. И при выборе из широкого ряда эскизных вариантов, и при проверке и оптимизации глубоко проработанного проекта Simcenter служит единым интегрированным решением, выполняющим все эти задачи быстро и интуитивно понятно. Эластэйр Комус отмечает: «Переход на NX и Simcenter позволил нам реализовывать проекты по созданию и расчету изделий, которые ранее были невозможными. Эффективность проведения конструкторских изменений и оценки их характеристик резко возросла».

Влияние различных вариантов укладки на деформацию детали под нагрузкой

Использование NX и Simcenter помогло разработчикам в Центре добиться существенного сокращения массы без снижения показателей безопасности и долговечности автомобиля. Выполнение численного моделирования в единой интегрированной среде позволяет практически мгновенно проверить технические характеристики будущего изделия и его качество. Все это способствует созданию инновационных конструкций. «Проанализировав 50 различных вариантов укладки, мы смогли снизить массу детали передней части корпуса с 109 до 64 кг, то есть на 41%», — рассказывает Э. Комус.

Внедрение NX и Simcenter в Центре CIC привело к заметному росту производительности, чему в немалой степени способствовала поддержка компании Maya — местного партнера компании Siemens PLM Software. Э. Комус отмечает, что сотрудничество с компанией Maya помогло Центру без промедления приступить к работе. «Компания Maya — прекрасный партнер, — отмечает он. — Они помогли нам заполнить важнейший пробел в цепочке создания прибавленной стоимости».