Možnosti numerických výpočtů, jako jsou metoda konečných prvků a výpočty proudění, vzešly původně z nutnosti kontrolovat návrhy v kosmickém, leteckém a automobilovém průmyslu. Postupem času se tyto metody staly nedílnou součástí cyklu navrhování výrobků a některé jejich výpočetní moduly byly implementovány přímo do konstrukčních programů. Cílem je především zrychlit a zlevnit navrhování nových součástí.
Nejprve byly vyvinuty výpočetní metody, díky kterým mohly být modely kontrolovány bez nutnosti výroby fyzických prototypů, na nichž by byly prováděny testy odpovídající skutečnému zatížením v životním cyklu výrobku. Zpočátku byly takové výpočty vyhrazeny pouze velkým společnostem, které měly dostatek prostředků k pořízení nákladných výpočetních stanic a týmů odborných pracovníků. S postupným vývojem a stále větší dostupností počítačové techniky se vyvíjely i výpočetní programy, které se také snadněji ovládají. Jejich uživatelské prostředí je dnes navrženo tak, aby je mohl ovládat i uživatel s pouze obecným, teoretickým povědomím o pozadí jednotlivých numerických řešení.
Společnost Autodesk na tento trend reagovala přidáním výpočetních modulů do programu Autodesk Inventor Professional a sad Autodesk Product Design Suite. Konstruktér má nyní možnost již v raných fázích návrhu kontrolovat, jestli je daná součást navržena správně s ohledem na budoucí funkci. Například díky metodě konečných prvků je konstruktér schopen jednoduchým postupem odhalit slabá místa, ve kterých by mohlo dojít k meznímu stavu dané konstrukce. Při správném použití výpočetních modulů je možné vytvořit optimalizovanou konstrukci, na které dojde k velké úspoře materiálu – a tudíž i hmotnosti a ceny. To vše při dodržení předepsaného koeficientu bezpečnosti.
Simulace proudění v aplikaci Autodesk Simulation CFD
Specialisté na statiku, mechaniku i proudění
Výpočetní moduly v konstrukčních programech mají omezené využití, a proto je často nutné přejít k programům s větší specializací. Prvním takovým CAE nástrojem je Autodesk Sim 360. Obsahuje možnosti klasických pevnostních výpočtů a řešení vlastních frekvencí, ale řeší i tepelné výpočty, určení únavy a kritického vzpěru. Z hlediska dnešní praxe jde o nepostradatelné úlohy. Například únavové výpočty jsou velmi důležité, jelikož v dnešní době – díky zkušenostem a jednotlivým výpočetním přístupům – už nedochází ke statickým lomům, ale hlavně k lomům únavovým, které ohrožují cyklicky namáhané součásti. Únavové lomy mohou mít nedozírné následky kvůli nákladné opravě takto zničené součásti i s ohledem na možné ohrožení lidského zdraví. Další výhodou únavových výpočtů je velké snížení nákladů, jelikož tvorba fyzického prototypu a jeho následné testování jsou velmi finančně i časově náročné, což platí i pro vyhodnocení výsledků těchto zkoušek.
Společnost Autodesk se nově zaměřila i na možnosti řešení komplexních úloh jak v oblasti metody konečných prvků, tak v oblasti výpočtů dynamiky kapalin. Pro řešení těchto úloh existují CAE programy Autodesk Simulation Mechanical a Simulation CFD (Computational Fluid Dynamics). V obou případech jde o profesionální simulační programy, což také zvyšuje požadavky na vědomosti a zkušenosti uživatele. Je velmi důležité, aby uživatel dobře rozmýšlel o zadávání dané úlohy, jelikož jakákoli nepřesnost v jeho rozhodnutí může vést k výsledkům, které neodpovídají realitě. U těchto programů se předpokládá, že jejich uživatel nastuduje danou problematiku, čímž se zvýší i jeho cit pro určování správnosti řešení. Výhodou zmíněných programů je velká rozmanitost typů analýz a možností zadávání úloh, které umožňují výsledek analýzy co nejvíce přiblížit realitě.
Ukázka brzdového bubnu (Autodesk Simulation CFD)
V programu Simulation Mechanical je možné řešit klasické pevnostní úlohy, frekvenční, vibrační a rázové zatěžování nebo úlohy s nelineárními typy materiálů, jako je třeba guma. Dále dokáže řešit plastické stavy, cyklické zpevňování materiálu a dynamické stavy. Jsou zde implementovány moduly pro řešení teplotního pole v součásti a úlohy elektrostatiky, které pak mají přímou návaznost na jednotlivé pevnostní analýzy.
V programu Simulation CFD lze řešit úlohy přestupu tepla a teplotních polí, a to jak pro stacionární, tak pro nestacionární úlohy, jedno- i vícefázové proudění, úlohy s volným povrchem hladiny. Simulation CFD je silný nástroj pro optimalizace návrhu. Můžeme díky němu optimalizovat chladicí systémy, sání motorů, spalování, vytápění místností, obtékání objektů tekutinou a mnohé další úlohy. Výsledky úloh ze Simulation CFD mohou být načteny v Simulation Mechanical, kde se následně provedou pevnostní analýzy.
Neomezený výpočetní výkon pro simulace
Některé simulační úlohy mohou být velmi složité, jak co do zadání dané analýzy, tak co do rozměrů dané konstrukce. Tyto úlohy jsou pak náročné na čas a výkon výpočetního zařízení. Pro účely takovýchto analýz byl vytvořen program Autodesk Sim 360 Pro využívající moderní cloudové technologie s takřka nekonečným výkonem výpočetních serverů. Sim 360 Pro obsahuje nástroje Simulation Mechanical, Simulation CFD a Robot Structure. Rozdílem ovšem je, že zadané úlohy dokáže řešit jak na lokální stanici, tak je odesílat na výpočetní servery společnosti Autodesk. Hlavní výhodou výpočtu v cloudu je, že v dané chvíli nezatěžuje lokální stanici a uživatel ji může dále bez omezení využívat k práci. Vyřešení úlohy je tak zpravidla rychlejší. Uživatel se také nemusí bát o bezpečnost svých dat, jelikož k přenosu a ukládání dat se používá stejně bezpečné šifrování, které například využívají i banky.
Prostředí aplikace Autodesk CFD 360 (model: J. Jirát)
Praktické mobilní aplikace
S rozvojem mobilních zařízení je spojeno i rozšíření aplikací pro chytré telefony a tablety. Mezi velmi populární mobilní aplikace v oblasti simulací patří Autodesk ForceEffect a Autodesk ForceEffect Motion. Pomocí aplikace Autodesk ForceEffect si můžete kdekoli jednoduše navrhnout a vypočítat chování 2D konstrukce. Aplikace okamžitě určí celkové zatížení a reakce v jednotlivých vazbách. Autodesk ForceEffect Motion zase pomůže spočítat kinematiku pohybové sestavy. Díky ní určíte trajektorie jednotlivých bodů konstrukce, jejich rychlosti a zrychlení. Zajímavé možnosti využití simulací nabízí také aplikace virtuálního větrného tunelu Autodesk Project Falcon nebo mobilní simulace obtékání profilu Autodesk ForceEffect Flow.
Důraz na hladkou spolupráci
Velkou výhodou simulačních nástrojů společnosti Autodesk je vzájemná kompatibilita. Jelikož všechny produkty jsou od stejného vývojáře, mají mezi sebou velmi dobré propojení – ať už se jedná například o načítání modelů z Autodesk Inventoru, tak i třeba zpětné načtení konstrukcí s optimalizovanými rozměry, které v Inventoru aktualizuje parametry. Dynamický vývoj simulačních aplikací v posledních letech – od verzí pro stolní počítače přes cloudová řešení až po mobilní aplikace – dnes dává konstruktérům do rukou unikátní nástroje pro optimalizaci výrobků, o kterých mohli dříve jen snít. Lepší znalost chování návrhu už od prvních konceptů přitom může představovat nejen velké úspory, ale i nezanedbatelnou konkurenční výhodu na trhu. Není tak překvapením, že si simulace – díky dostupnosti softwaru, rychlé návratnosti nákladů i snadnému použití – nacházejí stále větší oblibu i u šikovných konstruktérů v Česku.