Nowoczesne narzędzia i metody projektowania

Dominik Kozik
Ekspert Fundacji Platforma Przemysłu Przyszłości, Centrum Nowych Technologii Dominik Kozik

Projektując wszelkiego rodzaju urządzenia, maszyny, budowle, elementy infrastruktury oraz przedmioty użytkowe, konstruktorzy i technolodzy obecnie mają do dyspozycji bardzo wiele narzędzi wspomagających pracę projektową. Dzięki postępowi technicznemu w dziedzinie systemów komputerowych wspomagających pracę projektanta, dopracowanie konstrukcji jest dziś znacznie ekonomiczniejsze oraz umożliwia uzyskanie lepszych parametrów użytkowych. Projektowanie konstrukcji jest to projektowanie techniczne zorientowane obiektowo – oznacza to obmyślanie sposobu wykonania zamierzonej konstrukcji (obiektu technicznego), jego zaprojektowanie w formie możliwej do wykonania oraz określenie sposobu wykonania. Projektowanie procesowe ma na celu stworzenie lub zmianę procesów technologicznych (np. wytwarzania, montażu, kontroli jakości). W artykule scharakteryzowano główne narzędzia i metody używane dziś w projektowaniu, a także opisano jego poszczególne fazy dla wszelkiego rodzaju konstrukcji, które mogą zostać wykorzystane jako uniwersalny model wykonywania prac badawczo-rozwojowych.

Narzędzia projektowania

Podstawowym narzędziem budowy modeli geometrycznych są programy do projektowania wspomagane komputerowo, czyli CAD (Computer Aided Design). Ich możliwości obejmują między innymi:

• modelowanie bryłowe i oparte na cechach,
• modelowanie konwergentne,
• modelowanie powierzchniowe,
• modelowanie części blaszanych,
• tworzenie złożeń,
• tworzenie dokumentacji wykonawczej i złożeniowej,
• określanie trajektorii montażu i demontażu,
• optymalizację topologii modelu,
• modelowanie algorytmiczne,
• modelowanie obiektów pośrednich.

Zaawansowane programy typu CAD posiadają moduły i funkcje umożliwiające specjalizowane projektowanie:

• dla druku 3D,
• obwodów drukowanych,
• form wtryskowych,
• tłoczników wielotaktowych,
• wiązek elektrycznych,
• instalacji elektrycznych, wentylacyjnych i rurowych,
• schematów rurociągów,
• oprzyrządowania,
• konstrukcji ramowych i platformowych,
• części lotniczych,
• lekkich struktur siatkowych.

Uniwersalnymi formatami plików CAD są: .stl (zawierający geometrię 2D i 3D), .iges (zawierający geometrię 2D i 3D, adnotacje, linie i elementy trójkątne opisujące bryły), .step (zawierający te same informacje co .iges oraz informacje dotyczące topologii, tolerancji, właściwości materiału). Formatami licencjonowanymi przez producentów oprogramowania CAD są m.in.: .parasolid, .part, .prt, .catpart, .catproduct, .dwg, .dxf, .sat, .3MF.

Systemy komputerowego wspomagania prac inżynierskich CAE (Computer Aided Engineering) mogą występować samodzielnie lub w pakietach z programami typu CAD/CAM i innymi. Programy te służą do obliczeń modelów matematyczno-fizycznych. Ich grupa jest bardzo szeroka i obejmuje między innymi programy do:

• Obliczeń matematycznych, zazwyczaj w postaci symbolicznej z wykorzystaniem jednostek. Programy te zawierają moduły do: rozwiązywania układów równań, równań różniczkowych, całkowania numerycznego, wykresów wielowymiarowych, znajdowania pierwiastków wielomianów i funkcji, symbolicznego i numerycznego różniczkowania funkcji.
• Modelowania fizycznego, gdzie model obliczeniowy składa się z bloków, które odzwierciedlają zachowanie projektowanego obiektu. Należy opracować uproszczony model konstrukcji, wyprowadzić równania matematyczne dla tego modelu, a następnie na postawie tych równań opracować model obliczeniowy.
• Obliczeń strukturalnych metodą elementów skończonych FEM (Finite Element Method), dzięki którym możliwe jest przeprowadzenie analiz: wytrzymałościowych w zakresie liniowym i nieliniowym (z uwzględnieniem nieliniowości geometrycznych, kontaktów, nieliniowości materiałowych, materiałów sprężystych i hiperelastycznych), właściwości dynamicznych (drgań własnych i wymuszonych), analiz stateczności konstrukcji, naprężeń/odkształceń mechanicznych i termicznych, trwałości zmęczeniowej, odpowiedzi losowej, optymalizacji konstrukcji (parametrycznej i topologicznej), akustycznych, mechaniki pękania, pól elektromagnetycznych.
• Obliczeń mechaniki płynów CFD (Computational fluid dynamics), które służą do modelowania zjawisk cieplno-przepływowych konstrukcji, dając wyniki w postaci pól prędkości, temperatury, gęstości i ciśnienia. Za pomocą programów CFD można symulować: przepływ masy oraz ciepła z uwzględnieniem przewodności, konwekcji i promieniowania, przepływy gazów i cieczy w stanach ustalonych i nieustalonych, oddziaływanie cieczy na obiekt, przepływy wielofazowe, symulacje z ruchomą powierzchnią.
• Obliczeniowe specjalizowane, dedykowane do wykonywania obliczeń z zakresu budownictwa, elektrotechniki, elektroniki, automatyki, analiz procesów odlewniczych, spawalniczych itp., które łączą wybrane funkcjonalności omówionych powyżej grup programów.

Systemy komputerowego wspomagania projektowania procesów technologicznych obejmują m.in. systemy:

• Komputerowego wspomagania procesów wytwarzania CAM (Computer Aided Manufacturing), które służą do m.in. programowania pracy maszyn wytwórczych i linii technologicznych (np. procesów obróbki skrawaniem, przeróbki plastycznej, robotów, tworzenia obwodów elektronicznych niskiej i wysokiej skali integracji).
• Sterowany komputerowo proces kontroli technicznej w procesie wytwarzania CAT (Computer Aided Testing), zawierający bazę danych (zazwyczaj w postaci chmury punktów) i narzędzi służących sprawdzaniu m.in.: wymiarów, parametrów powierzchni (chropowatości, mikrotwardości, mikropęknięć itp.) oraz wad wewnętrznych materiału (w przypadku np. rentgenografii, tomografii). Powyższe procesy rozszerzone o narzędzia zarządzania jakością tworzą komputerowo wspomagane systemy sterowania jakością CAQ (Computer Aided Quality Control).
• Zintegrowane komputerowo wytwarzanie CIM (Computer Integrated Manufacturing), które całościowo łączy narzędzia wspomagające wytwarzanie i umożliwia integrację m.in.: zarządzania wytwarzaniem produktu, planowania, projektowania technologicznego, programowania urządzeń sterowanych numerycznie, sterowania produkcją, gospodarowania zasobami magazynowymi.

Z punktu widzenia konstruktora ważne są również narzędzia służące do szybkiego prototypowania konstrukcji i budowy makiet, dzięki którym można sprawdzić (zazwyczaj w zmniejszonej skali) kształty, spasowanie geometryczne elementów, współpracę elementów ruchomych oraz uzyskać ich wstępną akceptację przez zamawiającego. Obecnie najpowszechniej stosowanymi narzędziami szybkiego prototypowania są systemy przyrostowe, nazywane drukiem 3D.

Coraz powszechniej w projektowaniu będą stosowane systemy wykorzystujące tzw. sztuczną inteligencję, która ucząc się będzie potrafiła, na podstawie metodyki pracy projektowej konstruktorów oraz zbudowanej bazy wiedzy, określać m.in.: cechy konstrukcji, rodzaje możliwych do zastosowania materiałów, ich parametry geometryczne, a także dobierać i automatyzować procesy wytwórcze.

---

Metody projektowania

Budowa nowej konstrukcji wymaga przejścia trzech kolejnych etapów procesu badawczo-rozwojowego:

• Badań podstawowych, czyli prac badawczych opisujących podstawowe zjawiska, które są niezbędne do dalszej pracy projektowej. Zazwyczaj przyjmują formę odkryć naukowych w jednostkach badawczych w toku prowadzonych prac eksperymentalnych. Opis wyników prac podawany jest zazwyczaj w formie wzorów matematycznych symbolicznych opisujących dane zjawisko (np. równania opisujące trwałość zmęczeniową w określonych warunkach).
• Badań stosowanych, nazywanych badaniami przemysłowymi, które polegają na wykorzystaniu, przekształceniu i dostosowaniu metodologii oraz wyników badań podstawowych przez konstruktora i technologa. Wynikiem tych prac jest projekt wstępny/model demonstracyjny, w postaci równań matematycznych opisujących zjawisko w danej konstrukcji za pomocą wzorów dyskretnych, wstępnych modeli fizycznych, demonstratorów technologii.
• Prac rozwojowych, stanowiących prace inżynieryjno-produkcyjne, których wynikiem są gotowe modele komputerowe, dokumentacja techniczna oraz prototypy działające w warunkach rzeczywistych lub zbliżonych do rzeczywistych.

W praktyce projektanci obecnie wykorzystują głównie dwie grupy metod projektowania konstrukcji: modelowanie i symulacje komputerowe oraz badania eksperymentalne prototypów.

Modelowanie komputerowe polega na stworzeniu wirtualnego modelu geometryczno- fizycznego posiadającego zdefiniowane przez konstruktora cechy (m.in. wymiary, materiał, środowisko pracy). Programy komputerowe symulujące wybrane zjawisko fizyczne (np. mechaniczne, elektryczne, przepływ sygnałów, wymianę ciepła), najczęściej implementują jego model matematyczny istniejący w programie i zmodyfikowany przez użytkownika. Jest to szczególnie przydatne, w przypadku gdy analityczne wyznaczenie rozwiązania byłoby zbyt pracochłonne, a niekiedy nawet niemożliwe. Badania eksperymentalne prototypów są prowadzone zazwyczaj w celu potwierdzenia założeń funkcjonalnych i użytkowych zdefiniowanych przez zamawiającego oraz sprawdzenia bezpieczeństwa użytkowania konstrukcji.

---

Fazy projektowania

Poszczególne rodzaje i fazy projektowania mogą się różnić i zależą od rodzaju konstrukcji, zatem nie można ich jednoznacznie określić. W przypadku konstrukcji typowo mechanicznych (m.in. narzędzi, przyrządów, silników cieplnych, prostych urządzeń transportowych, prostych urządzeń energetycznych, prostych przedmiotów użytkowych), nie musimy określać cech układów elektrycznych lub elektronicznych. Jednakże w coraz większym stopniu mamy dziś do czynienia z konstrukcjami nie tylko wyłącznie mechanicznymi, elektrycznymi lub elektronicznymi, ale wzajemnym przenikaniem się kilku dziedzin i specjalności w postaci konstrukcji mechatronicznych. Mogą one zawierać elementy mechaniczne, elektryczne, elektroniczne oraz oprogramowanie sterujące. Dlatego ważne jest współdziałanie konstruktorów i technologów na wielu płaszczyznach podczas projektowania.

Pierwszą fazą projektowania jest definicja konstrukcji:

• Określenie funkcjonalności konstrukcji, czyli zdolności wykonywania przez konstrukcję postawionych zadań oraz spełnienia dodatkowych wymagań użytkowników lub odbiorców końcowych (np. trwałości, sprawności, możliwości współpracy z innymi konstrukcjami, rodzajów środowiska pracy, jakości).
• Definicja cech konstrukcji, czyli akceptowalnych lub docelowych mierzalnych parametrów technicznych wynikających z określenia funkcjonalności konstrukcji (np. masy, wymiarów, kształtów, zdolności przenoszenia obciążeń, mocy), wymagań środowiskowych (np. zakresu temperatur pracy, ciśnienia, wilgotności, promieniowania różnego rodzaju) oraz wymagań prawnych (np. wynikających z bezpieczeństwa konstrukcji, oddziaływań na inne konstrukcje, spełnienia określonych norm).
• Analiza techniczno-ekonomiczna, wskazująca czy zastosowane cechy i funkcjonalności są możliwe do wprowadzenia, biorąc pod uwagę bieżący stan techniki oraz ekonomiczność finalnego produktu.

Drugą fazą projektowania jest budowa modelu matematycznego, czyli:

• Zbudowanie schematu ideowego, blokowego lub algorytmu, który będzie ukazywał poszczególne zespoły lub elementy konstrukcji oraz ich funkcje, rodzaje i kolejność połączeń pomiędzy tymi zespołami lub elementami.
• Sporządzenie wstępnego szkicu wizualizacji wyglądu zewnętrznego.
• Wykonanie modelu matematyczno-fizycznego w postaci wzorów matematycznych opisujących zachowanie się konstrukcji (np. równań równowagi, równań dynamicznych, funkcji opisującej przebieg sygnałów, funkcji sterowania).
• Wykonanie wstępnych obliczeń konstrukcyjnych definiujących spełnienie cech i funkcjonalności konstrukcji na podstawie stworzonych modeli matematyczno- fizycznych.

Trzecią fazą projektowania jest budowa komputerowego modelu obliczeniowego:

• Zbudowanie komputerowego modelu geometrycznego odzwierciedlającego kształt, wymiary, własności fizyczne (np. materiałowe, elektryczne), połączenia pomiędzy zespołami i elementami konstrukcji oraz napisanie kodu oprogramowania sterującego.
• Zbudowanie komputerowego modelu obliczeniowego na podstawie komputerowego modelu geometrycznego zawierającego określenie warunków brzegowych, obciążeń, rodzaj modelu obliczeniowego, stopień dyskretyzacji oraz translacja kodu oprogramowania sterującego.
• Wykonanie komputerowych obliczeń (np. statycznych, drgań własnych, drgań wymuszonych, wymiany ciepła, przepływu płynu, przepływu prądu elektrycznego, przebiegu sygnału) oraz wykonanie kodu oprogramowania sterującego.
• Optymalizacja wielokryterialna konstrukcji uwzględniająca wymagania projektowe i uzyskane wyniki obliczeń.

Czwartą fazą projektowania jest stworzenie modelu produkcyjnego konstrukcji:

• Zbudowanie fizycznego modelu/prototypu oraz wykonanie na nim testów funkcjonalnych i użytkowych, zazwyczaj podczas pracy urządzenia w środowisku rzeczywistym lub odzwierciadlającym środowisko rzeczywiste.
• Wykonanie finalnych modeli geometrycznych, uwzględniających techniki wytwarzania (np. spawanie, obróbkę ubytkową, zgrzewanie, skręcanie połączeń gwintowych, klejenie).
• Wykonanie dokumentacji technicznej (m.in. rysunkowej, konstrukcyjnej, technologicznej, eksploatacyjnej).