• Vývoj vozu – počítačové simulace 1

  Publikováno: 2. 11. 2006

  Dneska se budu věnovat odvětví, které urychluje vývoj vozu, zvyšuje kvalitu a snižuje náklady – počítačovým simulacím, nebo jinak řečeno numerickým simulacím. Protože se jedná o 3 hlavní typy simulací, rozdělím jejich popis do tří článků.

  1. statické a dynamické výpočty
  2. rychlé dynamické děje – crash testy
  3. simulace proudění CFD – aerodynamika

  Statické a dynamické výpočty.

  Asi tohle rozdělení není úplně správné, ale zvolil jsem jej proto, že pokrývá celkem velkou oblast výpočtů, které se na voze provádějí. Statické výpočty jsou takové, kdy se zatížení s časem nemění, zůstává konstantní. Dynamické výpočty jsou naopak takové, kdy je pro různé časy zatížení různé.

  K počítačovým simulacím se převážně využívá Metoda konečných prvků (anglicky FEM – Finite Element Method nebo FEA – Finite Element Analysis). Jedná se o numerickou metodu, kdy se objekt, který chceme analyzovat, rozdělí na spoustu částí (elementů), na které se pak zadá zatížení a pomocí různých matematických metod se vše spočítá – viz. obrázek.

  

  vůz rozdělený na elementy – model pro CFD (proudění)

  

  konečnosprvková síť a crash analýza

  Statických výpočtů se na voze provádí spousta a asi by nemělo smysl všechny je vypisovat. Mezi ty nejčastější patří např. tuhost karosérie, výpočet závěsů dveří a tuhost dveří, nosnost držáku tašky, upevnění retraktoru (navíječ bezpečnostních pásů) atd…

  Tuhost karosérie:

  Na voze se počítá statická a dynamická tuhost karosérie. Statický výpočet se provede tak, že se karosérie uchytí na zadní nápravě a na přední nápravu se zadají síly tak, aby vytvořily torzní moment. Výsledkem je pak torzní tuhost, která se udává jako kroutící moment/úhel. Samozřejmě cílem je dosáhnout co nejvyšší tuhost karosérie, tedy pokud možno co nejnižší úhel zkroucení.

  NVH (Noise, Vibration & Harshness)

  Je to poměrně náročná oblast, jejíž cílem je analyzovat vibrace a hluk. V podstatě jde o to, udělat vibrační a akustickou analýzu karosérie. Nejdříve se provádí analýza holé karosérie. Tedy karosérie bez sedaček, dveří, nádrže s palivem, atd…

  Dynamická tuhost holé karosérie – prvním, nejjednodušším, výpočtem je nalezení rezonančních frekvencí. K tomu se používá Modální analýza. Možná budete něco podobného znát z elektrotechniky – první harmonická, druhá harmonická, atd… U automobilu může jedna z rezonančních frekvencí vypadat např. takhle.

  

  Na dalším obrázku je NVH analýza holé karosérie (anglicky se tomu říká BIW – Body In White) Jaguáru S-Type. Jak můžete vidět na pravé straně, tak torzní tuhost je 35kNm/°. Na levé straně jsou vidět grafy, které zobrazují velikost amplitudy v závislosti na frekvenci. Jedná se o odezvu systému na buzení karosérie – např. od motoru. Čísla jsou bohužel rozmazaná. Faktem ale je, že je potřeba dosáhnout co nejvyšší frekvence a nejnižší amplitudy. Na prvním grafu je odezva torzního zkroucení, na druhém a třetím grafu jsou odezvy na ohyb karosérie.

  

  NVH analýza vozu Jaguar S-Type provedena firmou Altair Engineering

  Důležitou částí NVH je akustika. Např. kmitání čelního skla vybudí kmity vzduchu uvnitř vozu, což pak působí nepříjemně. NVH je oblast velmi náročná a mohl bych o ní psát dlouho a stejně bych všechno nepopsal. Na voze je spousta dílů, které mohou vibrovat a tím vytvářet nepříjemné zvuky a je velmi obtížné všechny tyto díly zahrnout do výpočtových modelů. Např. simulace vibrací nádrže s palivem není vůbec jednoduchá.

  Poslední dobou se do popředí zájmu pro výpočty NVH dostává nová metoda – SEA. Jedná se o statistickou metodu, která má oproti FEM tu výhodu, že je přesnější ve vysokých frekvencích.

  Tepelné výpočty

  Určitě všichni znáte princip benzínového nebo dieselového motoru a tak vám je jasné, že jsou v motoru vysoké teploty. Jednak se s teplotou velmi významně mění materiálové vlastnosti a také díky tomu, že dochází k tepelné roztažnosti, tak vznikají napětí od teplot. Např. u turba je potřeba počítat také creep (tečení), neboť turbína uvnitř turba se může otáčet rychlostí až 240 tisíc otáček za minutu a teploty mohou dosahovat 1000°C. Tepelným výpočtům se budu věnovat podrobněji v kapitole o CFD (simulace proudění).

  Analýza napětí

  V každé konstrukci vznikají napětí, ať už od zatížení silou nebo tepelnou roztažností. Analýza těchto napětí je velmi důležitá, neboť umožní navrhnout součást tak, aby , jednoduše řečeno, vydržela více. Pokud napětí překročí dovolenou mez, dochází k plastické deformaci. Tento jev je opět běžný u turb.

  

  analýza klikové hřídele – červeně označená místa s výskytem vysokých napětí

  

  analýza bloku motoru (obrázek jsem musel kvůli velikosti ořezat a smazat pár snímků)

  Životnost

  Na životnost má vliv velikost napětí a počet cyklů. Čím větší napětí, tím méně cyklů součást vydrží. Máme dva druhy únavy – vysokocyklovou a nízkocyklovou. Na životnost se počítají např. svary, samozřejmě motor, turbo, atd…

  Jak vidíte, výpočtů, které se provádí při vývoji vozu je spousta a určitě jsem jich zapomněl spoustu vyjmenovat. Samozřejmě, že vše co se spočítá, se pak musí ještě změřit. Výpočty jsou fajn, ale je to jen teorie a tu je potřeba podložit experimentem. Shody experimentu s výpočtem, jaké se dosahuje je někde kolem 94%. Záleží na know-how dané automobilky nebo člověka, který výpočty provádí.

  Tady je pár odkazů na software, který se pro tyto výpočty používá:

  Nastran – NASA Structural Analysis – můj oblíbený, velmi používaný v letectví a automobilovém průmyslu – NVH
  Ansys – s tím pracuji v současné době, dobrý software, má nějaké mouchy, ale zase je relativně levný, oproti Nastranu stojí zhruba polovinu (40 000 Euro na rok)
  Abaqus – špičkový program, hlavně na výpočty, kdy napětí v materiálu překročí mez kluzu

Motor – pěkné video, jak se skládá motor Uncyklopedie vozů