Miksi simuloida?

Älä nojaa vääriin ratkaisuihin tuotekehityksessä – vaan simulointeihin!

Tämän artikkelin aiheemme ovat high-end simuloinnit, siis tosimaailman olosuhteita ja tilanteita tutkivat simuloinnit. Simulointeja tehdään kun tarvitaan tietoa, miten tuote tai laite toimii todellisessa käytössä. Sillä selviävät tuotteen ominaisuudet, kuten liike, nopeus sekä käyttäytyminen törmäyksissä ja räjähdyksissä. Simuloida voi myös erilaisissa olosuhteissa, esimerkiksi maassa, vedessä, ilmassa tai vaikka ihmisen kädessä. Simulointeja kannattaa tehdä monessa kohtaa tuotesuunnitteluprosessia, jotta niistä saadaan paras hyöty irti.

Tuotekehityksessä voidaan simuloida mekaniikkaa, sähkömagnetiikkaa, virtausta, lämpötilaa, fysiikkaa ja rakennetta, muun muassa. Simuloinnit parantavat tuotetta ja ovat siksi tärkeä osa tuotekehitystä. Työkalupakistamme löydät oikeat työkalut edellä mainitsemiimme simulointeihin: SIMULIA Simpack, SIMULIA CST Studio Suite, SIMULIA PowerFLOW, SIMULIA Abaqus sekä 3DEXPERIENCE Platform.

1: Paranna ymmärrystäsi laitteen toiminnasta tosielämässä

Moni ymmärtää pääpiirteittäin miten esimerkiksi juna, auto tai tuulivoimala toimii. Mutta millä tasolla on ymmärryksemme siitä, miksi auton ajettavuus kärsii täydellä kuormalla tai miten juna hidastaa vauhtiaan sillan kohdalla tai tuulivoimalasta kuuluu ikävää inisevää ääntä? Tällöin kun selitys on hyvin monen tekijän summa, on ymmärryksemme usein hatara.

Perinteisen lujuuslaskennan avulla on kyetty suunnittelemaan laitteita, jotka kestävät niille määritellyt kuormat, mutta usein nämä kuormat ovat olleet valistuneita arvauksia. Jotta arvaukset päästään korvaamaan varmalla tiedolla, tulee perehtyä siihen, mikä laitteen hajottavan kuorman aiheuttaa. On siis aika simuloida. 

Kun halutaan ymmärtää tällaisten laitteiden toimintaa realistisissa käyttöolosuhteissa on aika avata simulointityökalumme SIMULIA Simpack. Sen avulla voidaan määritellä eri osiin kohdistuvia kuormia, analysoida värähtelyjä, ja testata tuotetta virtuaalisesti jo kauan ennen ensimmäistäkään fyysistä prototyyppiä. Lisäksi saadaan kerättyä tietoa paikoista, joihin fyysisillä mittalaitteilla ei päästä tai tehdä virtuaalisia testejä, jotka olisivat liian kalliita tai mahdottomia toteuttaa tässä todellisuudessa. 

Jos tavoitteissanne on lisätä ymmärrystä laitteesi toiminnasta eri käyttöolosuhteissa, selvittää erikoisen käyttäytymisen juurisyyn tai saada tehokkaan virtuaalisen testausympäristön jo konseptivaiheen ideointiin, SIMULIA Simpackilla voimme löytää vastauksen.

Muista tämä: SIMULIA Simpack

2: Iskutesti

Abaqus on Dassault Systemesin SIMULIA-tuoteperheen kivijalka. Se on pääasiassa rakennesimulointiohjelmisto, mutta yhdistää perinteiseen rakenneanalyysiin myös mm. lämpö- ja akustiset ilmiöt.

Abaquksen sovellusalue on hyvin laaja: Se skaalautuu yksinkertaisesta staattisten jännitysten laskennasta suurten järjestelmien dynaamisiin tarkasteluihin. Sillä voidaan simuloida materiaalin mikrorakenteen muutoksia tai maaperän ilmiöitä.

Abaqus-ohjelmisto koostuu kolmesta eri pääkomponentista:

1. Abaqus/CAE; Mallin rakennus ja tulosten käsittely
2. Abaqus/Standard -ratkaisija; Staattiset ja suhteellisen hitaat dynaamiset ilmiöt
3. Abaqus/Explicit -ratkaisija; Hyvin nopeat dynaamiset ilmiöt

Tarvittaessa yhden ratkaisijan tulosta voidaan käyttää lähtökohtana toiselle ratkaisijalle. Abaqus-ohjelmisto sisältää aina kaikki edellä mainitut ominaisuudet.

Katso iskutestisimulaatiomme sekä sen tulokset YouTubessa.

Muista tämä: SIMULIA Abaqus

3: Selkeyttä EMC-maailmaan

Antennisuunnittelun päätyökalu on yli vuosikymmenen ajan ollut sähkömagneettinen simulointi. Laitteiden yhteenkytkettävyyden (connectivity) mahdollistamiseksi olisi antennien suorituskyvyn optimointi ja yhdessä toimiminen mahdoton tehtävä ilman simulointia projektien vaatimissa aikatauluissa. Laitteiden kehittyessä niiden sähkömagneettinen toiminta muuttuu monimutkaisemmaksi haastaen laitteiden EMC (electromagnetic compatibility) suunnittelun. Sähkömagneettinen simulointi on tehokas työkalu myös EMC-suunnittelijalle.

Jokaisen myyntiin tulevan sähkölaitteen tulee läpäistä EMC-standardin määrittämät testit akkreditoidussa mittauslaboratoriossa, minkä vuoksi EMC-suunnittelu on tärkeä osa-alue sähkölaitteen tuotekehityksessä. EMC tulisi ottaa huomioon suunnittelun alusta alkaen, sillä mitä myöhemmässä vaiheessa mahdolliset EMC-ongelmat havaitaan, sitä kalliimmaksi niiden ratkaiseminen tulee. Mystiseltä vaikuttavaan EMC-maailmaan on mahdollista saada selkeyttä simuloimalla tuotekehitysprosessin alusta alkaen, jolloin fyysistä prototyyppiä ei tarvitse rakentaa vaan virtuaalisia mittauksia tehdään EM-simulaattorissa.

Realistiseen EMC-simulointiin kuuluu oleellisesti kaksi EM-simuloinnin osa-aluetta:

1) Piirisimulointi on nopea, mutta vaatii paljon manuaalista työtä. Se suoriutuu hyvin erilaisten komponenttimallien kanssa. Kytkeytymisen polku on haastava mallintaa piirisimulaattorissa. Jotta mallista saa tarkan ja todellisuutta vastaavan, tarvitaan paljon kokemusta ja tietoa esimerkiksi linjojen parasiittisten hajasuureiden arvoista. Jos rakenteessa on uudenlainen kytkeytyminen, josta ei ole aiempaa kokemusta, voi joutua pulaan. Erityisen ongelmallinen on säteilevä kytkeytyminen.

2) 3D-simulointi on tarkka. Aikaa se vie kauemmin kuin piirisimulointi. 3D-mallissa voi olla vain passiivisia ja lineaarisia komponentteja. Kytkeytymismekanismit taas saadaan hyvin ratkottua kaikki. Ei-ideaalinen maataso ja säteilyvaikutukset tulevat myös huomioduiksi.

SIMULIA CST Studio Suitessa voidaan yhdistää molemmat em. simulointitavat. Piirisimuloinnilla mallinnetaan epälineaariset ja aktiiviset komponentit tarkasti ja 3D-simuloinnilla passiivinen geometriarakenne kaikkine kytkeytymismekanismineen.

SIMULIA CST Studio Suite on madaltanut huomattavasti EMC-simuloinnin käyttöönottoaskelta lisäämällä EMC Buttonin uusimpaan versioon kattaen kaikki EMC-simuloinin workflown vaiheet: 3D-mallin luonti, mittausjärjestely, probejen ja monitorien asettaminen, sopivan solverin valinta, piirisimulointimallin luonti, piirisimuloinnin määrittely ja piiri- ja 3D-simuloinnin yhdistäminen sekä tulosten evaluointi. Näin SIMULIA CST Studio Suite tekee EMC-simuloinnin mahdolliseksi, käytännölliseksi ja realistiseksi ollen isona apuna EMC-suunnittelijan työpäivässä.

Muista nämä: CST Studio Suite, EMC Button

4: Optimoi tuote vieläkin paremmaksi

Jos sinulla olisi 10 000 vaihtoehtoa, kauan kestäisi löytää niistä 10 parasta?

Suunnittelijoilla on useita suunnitteluparametreja valikoimassaan. Ja heidän on arvioitava lopputulos kunkin tuotteen valmistettavuuden, hinnan, painon, ergonomian ja kestävyyden näkökulmasta. Näiden lisäksi huomioidaan myös eri käyttöolosuhteet, mukaan lukien tuotteen varsinainen käyttötarkoitus sekä sen väärinkäyttö. Tästä seuraa sellainen määrä kombinaatioita ja permutaatioita, joihin ihmismieli ei enää kykene.

Suunnittelijat joutuvatkin luottamaan intuitioonsa rajoittaakseen keskittymisensä pieneen osa-alueeseen, joista valikoida vain tietyillä ehdoilla. Jotkut harvat ovat kokemuksen myötä tässä mestareita ja tekevät todella hyvää työtä, mutta useimmiten tulokset jäävät välttäviksi, ja monet hyvät ratkaisut jäävät huomaamatta.

Parametriset ja epäparametriset optimointityökalut auttavat suunnittelijaa tuomaan uusia ideoita parhaista topologioista ja muodoista tuotteisiinsa (Tosca) ja valitsemaan optimaalisen ratkaisun lähes äärettömän monista eri parametrien yhdistelmistä (Isight).

Tässä videoesimerkki, kuinka parametrista ja epäparametrista optimointia voidaan käyttää tehokkaasti moottoripyörän levyjarrun innovatiivisessa suunnittelussa.

Muista nämä: SIMULIA Tosca, SIMULIA Isight

5: Kun tehdään jotain ennen tekemätöntä

Loistava esimerkki haastavasta mitoitustyöstä on rakenteen jääkuormien laskenta. Lisääntynyt kiinnostus tuulivoimaloiden sijoittamiseksi jääpeitteisille merialueille vaatii myös simulointityökaluilta monipuolisia ominaisuuksia. Jääkuormien laskennassa tärkeässä osassa ovat esimerkiksi jään materiaalimallinnus, kontakti rakenteen ja jään välillä, jään hajoaminen, jne.

SIMULIA tuoteperheen Abaqus-ohjelmisto sisältää suuren määrän toiminnallisuuksia, kuten esimerkiksi monipuoliset materiaali- ja murtumismallit sekä eri kontaktilaskentamenetelmät. Jos Abaquksen sisäänrakennetut toiminallisuudet eivät riitä, löytyy Abaquksesta myös "user subroutine" -toiminnallisuus, jolla monia Abaquksen ominaisuuksia voidaan käyttäjän toimesta kehittää ja laajentaa.

Apulaisprofessori Mihkel Kõrkesaar Tallinnan teknillisestä yliopistosta on hyödyntänyt Abaqusta ja sen monia ominaisuuksia mallintaessaan ajelehtivasta jäälautasta tuuliturbiinin jäykkään perustukseen kohdistuvia jääkuormia. Katso professorin koko Linkedin-juttu tästä.

"Nämä simulaatiot on tehty Abaquksella käyttäen Drucker-Prager materiaalimallia yhdistettynä vauriopehmenemismalliin. Olin yllättynyt siitä kuinka realistiselta murtumisprosessi näytti taivutuksesta johtuvien säteittäisten ja kehämäisten säröjen osalta. Syntyvien jääkappaleiden koko näytti ajoittain olevan liian suuri, mutta jatkan tästä eteenpäin tutkimalla materiaaliparametrien vaikutusta jääkappaleiden kokoon!"

Nämä simulaatiot sisälsivät myös kontaktien etsimisen ja kontaktivoimien laskennan sekä "user subroutine" -toiminnolla toteutetun hybrostaattisten voimien laskennan. Käyttettäessä 20 prosessoria, simulointiaika Abaquksella oli noin 2.5 tuntia. Huomaa pieni virhe voimakuvaajassa, voiman pitäisi olla MN ei kN..

Muista tämä: SIMULIA Abaqus

6: Erittäin epälineaariset analyysit

Abaqus/Explicit-ratkaisijaa on perinteisesti käytetty nopeiden dynaamisten ilmiöiden simuloinneissa. Tyypillisiä sovelluskohteita ovat autojen törmäystarkastelut, tuotteiden pudotustestit ja räjähdyskuormat.

Tässä videossa esimerkki erittäin epälineaarisesta analyysistä, jossa löytyy suuria siirtymiä, lukuisia kontakteja ja iskumaisia kuormia:

• Kortit mallinnettu elastisilla kuorielementeillä
• Pöydän pinta sekä pallo jäykkiä kappaleita
• Kuormituksena on gravitaatio ja pallolla alkunopeus
• Kontaktit kaikkien osien välille on mallinnettu käyttän General Contact -toiminnallisuutta ja kitkakerrointa 0.3

Abaqus/Explicit on kuitenkin edellä mainittujen dynaamisten tapausten lisäksi erittäin käyttökelpoinen hitaampinekin epälineaaristen ilmiöiden tarkastelussa. Erityisesti monimutkaiset kontaktitehtävät vaativat usein käyttäjältä paljon kokemusta ja kikkailua, jotta ratkaisu saadaan konvergoitumaan perinteisellä implisiittisellä FEM-ratkaisijalla. Monissa tällaisissa tapauksissa explicit-ratkaisija on ylivertainen sekä käytön helppouden että laskenta-ajan suhteen.

Tiesithän, että Abaqus/Explicit kuuluu aina abaqus lisenssihintaan, joten sen käyttöönotto ja hyödyntäminen ei aiheuta mitään ylimääräsiä kuluja nykyisille Abaqus-käyttäjillemme. Jos tulee vastaan hankalia kontaktitehtäviä, niin kannattaa kokeilla. Kysy myös rohkasti neuvoa. Autamme mielellämme eteenpäin.

Muista tämä: Abaqus/Explicit