Tvorba numerického modelu v praxi – díl první
,,Proč jsou potřeba numerické simulace a jak je provádět správně a efektivně?"
V dnešní době, kdy jsou rychlost a efektivita hlavními atributy úspěšné firmy, jsou výrobci nuceni vysávat z návrhového a výrobního procesu každou vteřinu a šetřit každý gram materiálu. Už není možné čekat na úspěch výrobku, který se dostaví po prvních třech letech výroby, uvedení pěti nových generací výrobku a vychytání bezpočtu výrobních či provozních vad. V dnešní době je zkrátka potřeba vyrábět kvalitní a bezporuchové výrobky hned při nástupu výrobku na trh. Současně se dnes závratnou rychlostí mění výrobky samotné. Přichází se s novými strukturami, používají se nové výrobní procesy jako 3D tisk či nanotechnologie, objevují se nové pokročilé materiály, ultralehké kovy a kompozity. V dnešní době již není možné si vystačit s analytickými či empirickými vzorci, experimenty a zkušenostmi seniorů firmy. A právě díky tomu si numerické výpočty vydobyly své nenahraditelné místo v úspěšných firmách napříč obory.
FEM neboli metoda konečných prvků
Jedním z nejrozšířenějších a nejefektivnějších typů numerických výpočtů je v současnosti metoda konečných prvků, tzv. FEM (z angličtiny Finite Element Method). Základním principem této metody je myšlené rozdělení fyzických objektů na maličké dílky označované jako prvky a následné definování jejich vlastností a vzájemných interakcí. Jinými slovy, místo řešení jednoho velkého problému si raději zvolíme řešení velkého množství malých problémů. S pomocí této metody jsme pak schopni řešit komplikované fyzikální problémy nejrůznějšího charakteru, od strukturálních statických namáhání přes teplotní a elektromagnetické problémy, až po proudění a rychlé dynamické děje, jako jsou například nárazové zkoušky aut (tzv. crash testy) či výbuchy trhavin. Můžeme tak nabídnout odpovědi na otázky, které si jednotliví výrobci v procesu návrhu pokládají: Vydrží můj výrobek dané zatížení? Kde mám materiál přidat a kde zase odebrat? Jaký materiál bude pro mou aplikaci nejvhodnější? FE model na tyto otázky dokáže odpovědět, poodhalit fyzikální podstatu daných dějů a predikovat slabiny výrobků, které ještě ani nebyly vyrobeny.
Význam numerických výpočtů při výrobě silničních svodidel
Příkladem výrobců, kteří si plně uvědomují význam numerických výpočtů, jsou výrobci silničních svodidel. Jejich produkty musí před uvedením na trh získat patřičné certifikace dle příslušných norem, a to nelze jinak než provedením řady nárazových zkoušek s různými kategoriemi vozidel, prokazujícími, že dané svodidlo bezpečně zachytí náraz vozidla. Vzhledem k finanční a časové náročnosti takových zkoušek ale není možné provádět tyto testy opakovaně pro jednotlivé návrhy svodidla, simulace je tedy nejvhodnější variantou jejich testování.
Ověřování numerického modelu
Před samotnou finální numerickou simulací je ovšem nezbytné projít komplexní cestu tvorby a ověřování věrohodnosti numerického modelu, na čemž stojí a padají predikční schopnosti jakékoliv simulace. Přestože tyto simulace obecně představují výrazné zrychlení procesu návrhu výrobku, přípravu numerického modelu je naopak potřeba provést pečlivě a nevyplácí se ji uspěchat.
Zde přichází na řadu zkušený výpočtář, jeho schopnosti, úsudek a znalost dané problematiky. Výpočtář vychází z informací o výrobku, které mu dodá jeho výrobce. Již tento krok se může stát kamenem úrazu v případě, že výrobce opomene zmínit nějakou na první pohled nepodstatnou, avšak pro samotný děj klíčovou informaci. V tu chvíli je úlohou výpočtáře vytvoření numerického modelu, který bude zahrnovat všechny tyto vlivy uvedené i neuvedené výrobcem. Výpočtář musí důkladně prostudovat a pochopit daný děj, musí odhalit veškeré procesy, z kterých se skládá a které jej ovlivňují, musí rozhodnout, co jsou věci podstatné, které musí jeho model obsahovat, a co jsou věci nepodstatné, které může zanedbat. Kousek po kousku podobně jako detektiv zjišťuje každou jednotlivost, dílčí části numerického modelu ověřuje pomocí experimentů, až nakonec do sebe všechny dílky této mozaiky zapadnou a výpočtář je odměněn krásným modelem, který nejenže odráží, ale také predikuje děje odehrávající se ve skutečném světě.
Použití numerického modelu při vývoji mobilní protihlukové stěny
Konkrétní požadavek na vytvoření nového numerického modelu vznikl v průběhu vývoje mobilní protihlukové stěny integrované s betonovým silničním svodidlem. Konkrétní typ vozidla používaný pravidelně při nárazových zkouškách těchto svodidel v České republice posloužil jako předloha při vytvoření modelu vozidla. Firma SVS FEM s.r.o. v loňském roce vytvořila za tímto účelem model malého osobního automobilu vhodného pro simulace nárazových zkoušek dle ČSN EN 1317. Požadovaný model byl proto vytvořen speciálně pro výpočty rychlých dynamických dějů, konkrétně v prostředí programu ANSYS LS-DYNA.
Napsal: Ing. Marek Šebík
