Techniki komputerowe w motoryzacji

Rozwój techniki komputerowej w ostatnich latach nie ominął także jej zastosowania w polskiej motoryzacji. Trwa restrukturyzacja tego przemysłu, wchodzą nowe licencyjne modele samochodów i może się wydawać, że czas stworzenia rodzimych modeli pojazdów samochodowych jest bardzo odległy. Z drugiej jednak strony, do większego optymizmu skłania stan badań krajowych ośrodków naukowych i badawczych, zwłaszcza w zastosowaniu techniki komputerowej w projektowaniu nowych konstrukcji i badaniach eksperymentalnych. O rozwoju i osiągnięciach w tej dziedzinie świadczyć np. mogą dwie ubiegłoroczne konferencje naukowo-techniczne: ''Autoprogres '93'' i ''Badania Symulacyjne w Technice Samochodowej''.

Rozwój techniki komputerowej w ostatnich latach nie ominął także jej zastosowania w polskiej motoryzacji. Trwa restrukturyzacja tego przemysłu, wchodzą nowe licencyjne modele samochodów i może się wydawać, że czas stworzenia rodzimych modeli pojazdów samochodowych jest bardzo odległy. Z drugiej jednak strony, do większego optymizmu skłania stan badań krajowych ośrodków naukowych i badawczych, zwłaszcza w zastosowaniu techniki komputerowej w projektowaniu nowych konstrukcji i badaniach eksperymentalnych. O rozwoju i osiągnięciach w tej dziedzinie świadczyć np. mogą dwie ubiegłoroczne konferencje naukowo-techniczne: ''Autoprogres '93'' i ''Badania Symulacyjne w Technice Samochodowej''.

CIM w motoryzacji

W walce konkurencyjnej na rynkach zbytu, zakłady motoryzacyjne zmuszane będą zwiększać swą efektywność, począwszy od przygotowania produkcji, aż po wytwarzanie wyrobu o wysokiej jakości, przy niskiej jego cenie. Można to uzyskać jedynie poprzez szersze zastosowanie we wszystkich sferach funkcjonowania przedsiębiorstwa Technik komputerowych (CT - Computer Technologoies).

Są to nowoczesne systemy informatyczno-techniczne CAD/CAM/CAE, wraz z komputerowym wspomaganiem administracji przedsiębiorstwa CAA (Computer Aided Administration). Systemy te składają się na zintegrowane komputerowe wytwarzanie CIM (Computer Integrated Manufacturing), poprzez powiązanie czynności w fazach wytwarzania wyrobu oraz administracji przedsiębiorstwa. Wynika to z integracji wszystkich prac inżynierskich, związanych z projektowaniem, wytwarzaniem, planowaniem i organizacją produkcji.

Do połowy lat 80. z technik komputerowych korzystały jedynie bardzo duże przedsiębiorswa i to w ograniczonym zakresie stosowania systemów CAD/CAM/CAE. W ostatnich latach liczba wytwórców stosujących technologie komputerowe znacznie wzrosła, a stosowanie komputerowego wspomagania procesu przygotowania produkcji oraz samej produkcji stało się opłacalne również dla mniejszych przedsiębiorstw.

Zakłada się, że wprowadzenie komputerów skróci czas uruchomienia produkcji statystycznego wyrobu z 5 lat w latach 80. do jednego w roku 2000.

CAD - komputerowe wspomaganie projektowania

Od początku lat 80. systemy CAD stały się ważnym elementem

rynku komputerowego.

Do zakresu komputerowego wspomagania wchodzą czynności związane z:

- zaprojektowaniem bazy danych elementów konstrukcyjnych

- projektowaniem, modelowaniem geometrycznym, logiką projektowania i przygotowaniem dokumentacji konstrukcyjnej

- modelowaniem wytrzymałościowym i obliczeniami inżynierskimi

- optymalizacją.

Na wielu konferencjach problemy te były wielokrotnie przedstawiane i obejmowały informacje dotyczące stosowanych programów aplikacyjnych, metod optymalizacyjnych, stosowanego sprzętu, obiektów i układów projektowych za pomocą narzędzi CAD.

Istotne znaczenie w procesie CAD ma przejście z modelu geometrycznego na model dyskretny, do obliczeń wytrzymałościowych metodami numerycznymi (metodą elemenu skończonego MES, lub metodą nośności granicznej MFB). Obecne konstrukcje nośne pojazdów i ich zespoły nie mogłyby się rozwijać i osiągać optymalnych parametrów bez numerycznego modelowania ich cech geometrycznych, materiałowych i dynamicznych. Modelowanie elementów w trzech wymiarach pozwala na wierny opis geometryczny obiektu fizycznego oraz wykorzystanie tych samych zbiorów danych w zintegrowanych systemach. Większość systemów CAD ma takie możliwości. Można je uzyskać za pomocą specjalnych modułów współpracujących z systemami MES np. Abaqus, Adina, Ansys, Nastran czy najbardziej efektywne i rozpowszechnione w Polsce systemy: Cadds i Cosmos/M. Ten ostatni, pozwala analizować konstrukcje mające 20 tys. węzłów lub do 100 tys. stopni swobody przy użyciu komputera PC-486.

Systemy te wykorzystywane są do projektowania konstrukcji nośnych pojazdów i ich zespołów oraz nadwozi samochodowych, a ponadto w projektowaniu układów napędowych, kierowniczych, silnika spalinowego, układów hamulcowych i zawieszenia.

Analiza dynamiki systemów

Wśród czynników mających w ostatnim okresie decydujący wpływ na rozwój techniki samochodowej do najistotniejszych należy rozwój systemów CAE (Computer Aided Engineering), powstałych jako trzecia grupa programów (po MES i CAD), a przeznaczonych do analizy dynamiki złożonych systemów mechanicznych

MSA (Multibody System Analysis). Do najstarszych i najlepszych należy zaliczyć system Adams (Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems). Umożliwia on analizę dynamiki w układach brył sztywnych, połączonych przegubami.

Użytkownik tworzy model dynamiczny specyfikując pięć podstawowych elementów, którymi są części (bryły), przeguby, generatory ruchu, siły lub momenty sił i regulatory. Części to pojedyncze elementy konstrukcji opisywane przez ich geometrię, masę i momenty bezwładności. System ma bibliotekę ponad 50 typów przegubów, sił i generatorów ruchu. Adams pozwala na wprowadzenie własnych, pisanych w języku Fortran podprogramów, określających nie uwzględnione w systemie nieliniowości lub rodzaje więzów. System zawiera ponadto:

- moduł optymalizacyjny

- moduł Adams/Android do generowania modelu dynamicznego człowieka

- moduł Adams/Vehicle do analizy dynamiki samochodu

- moduł Adams/ Tire do modelowania własności koła ogumionego.

Do najpoważniejszych konkurentów Adamsa należy zaliczyć systemy Medyna (MEhrkorper DYNAmic) opracowane w instytucie Dfvlr w Berlinie i Simpack (SIMulation PACKage for multibody systems) w firmie MAN. Oba te systemy umożliwiają analizę dużych i małych przemieszczeń układów liniowych i nieliniowych o dowolnej liczbie stopni swobody.

Medyna jest ukierunkowana głównie na dynamikę pojazdów szynowych (dodatkowa biblioteka specjalistyczna), a SIMPACK na dynamikę pojazdów samochodowych, chociaż oba te systemy są stosowane w robotyce i technice lotniczej.

Do opisu ruchu, w którym wykorzystano współrzędne kartezjańskie, służy system Dads, umożliwiający budowę modeli dynamicznych w trybie interaktywnym, wraz z przywoływaniem elementów modelowych za pomocą MES. System ma rozbudowaną bibliotekę procedur przeznaczoną do analizy dynamiki samochodów.

Z innych systemów przeznaczonych do tego celu należałoby wspomnieć o systemie Compact (COMputer Simulation of PAssanger, Cars and Truck) opracowanym w 1985 roku w firmie Daimler Benz oraz o systemie Cascade (Computer Aided Simulation of Car, Driver and Environment) z możliwością wymiany modułów.

Bardzo wygodne w użytkowaniu są systemy oparte na rozpoznawaniu elementów graficznych, tworzonych na ekranie komputera. System taki generuje równania ruchu odpowiadające zbudowanemu modelowi dynamicznemu. Przykładem takich sys temów mogą być Camsyd (Computerized Analysis of Multibody System Dynamics) stworzony w Uniwersytecie Concordia w Montrealu i Dynamika opracowany w Białoruskiej Akademii Nauk.

Problem komputerowych systemów analizy dynamiki samochodów jest w dalszym ciągu tematem prac prowadzonych w wielu ośrodkach, tak przy doskonaleniu już istniejących dużych systemów, jak i opracowaniu nowych koncepcji.

Ecad. Ekspercki System Komputerowy do Projektowania Pojazdów Samochodowych

Na konferencji "Autoprogres '93" przedstawiono również strukturę informatyczną systemu Ecad, wykonanego w Politechnice Poznańskiej. Pokazano przykłady wykorzystania systemu w symulacji komputerowej rozkładu ciśnienia akustycznego w pojeździe samochodowym oraz do analizy zderzenia pojazdu ze sztywną przeszkodą. Pracuje w sieci na komputerach PC386 i PC486 i wymaga pamięci 16 MB RAM i 250 MB miejsca na dysku stałym. W skład struktury systemu Ecad wchodzi:

- baza wiedzy, jako zbiór makroinstrukcji

- bank danych opracowany w Informixe, z danymi z badań eksperymentalnych

- hierarchiczno-sieciowa baza danych "Samochód", z dynamicznie zmienną strukturą

- język dialogu w skład którego wchodzi: Język Problemowo Zorientowany na Projektowanie (JPZP) i System Zarządzania Przepływem Informacji (SZPI) z makromodułami: Decyzja, Zadania Inżynierskie, Analizy, Grafika, Eksperyment.

System Zarządzania Bazami Danych (SZBD)

Projektant ma do dyspozycji tezaurus wraz ze standardowymi szablonami pojazdu, archiwum ze zgromadzonymi dotychczas zaprojektowanymi pojazdami oraz roboczy zbiór do gromadzenia opracowywanego projektu konstrukcji. Konstruktor składa drzewo struktury projektowanego pojazdu, przekazując elementy wraz z opisem do roboczej bazy danych. W kolejnym kroku mogą być wykorzystane możliwości systemu Ecad poprzez:

- analizę statyczną, dynamiczną (liniową i nieliniową) i statecznościową

- analizę przepływów

- analizę wrażliwościową

- graficzną prezentację konstrukcji (AutoCad)

- kryterium trwałości

- kryterium komfortu, itd.

Komputerowe Wspomaganie Badań Eksperymentalnych Wprowadzenie techniki komputerowej do badań eksperymentalnych umożliwiło automatyzację procesu pomiarowego i badawczego, zarówno w laboratoriach na stanowiskach badawczych jak i podczas badań drogowych pojazdów. Podczas próby badawczej następuje sterowanie układami eksploatacyjnymi bądź regulacji, parametrami pracy badanych układów lub obiektów badań. Realizuje się wtedy zaprogramowany cykl badań, pomiar szybkozmiennych analogowych przebiegów przesyłanych z czujników i dyskretyzowanych przetwornikami A/C oraz gromadzenie sygnałów. Dalszej obróbki, analizy, prezentacji graficznej lub tabelarycznej dokonuje się za pomocą oddzielnego programu lub z wykorzystaniem następujących

programów aplikacyjnych: Excel, MathCad lub Lotus.

W publikacjach prezentowane są badania eksperymentalne zawieszenia kabiny i układu kierowniczego, układu rozrządu silnika spalinowego, rozpływu energii w układach hybrydowych, badanie silnika spalinowego na stanowisku dynamometrycznym i inne.

Poza tymi badaniami, Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej zaprezentował dwa mikrokomputerowe systemy kontrolno-pomiarowe, wdrożone do badań własności dynamicznych samochodów. W pierwszym z nich o symbolu 500P wykorzystano stacje akwizycji danych firmy Keithley, sprzężonej interfejsem Ibina z IBM PC, jako jednostki bezpośrednio sterującej pracą układu pomiarowego. Modułowa konstrukcja, z możliwością programowania poszczególnych modułów, umożliwia dowolną konfigurację systemu i cyklu pomiarowego. Układ 500P zastosowano do badań eksploatacyjnych obciążeń zespołu napędowego pojazdów oraz do opracowania blokowych programów obciążeń dla stanowiskowych badań trwałości. Drugi system pomiarowy AD8- PC w pełni opracowany i wykonany w IP PW zastosowano do sterowania zawieszeniem aktywnym samochodu osobowego, a także do badań własności ruchowych pojazdu, z wykorzystaniem optoelektronicznych czujników Correvit.

Zastosowanie techniki komputerowej w badaniach umożliwia oprócz automatyzacji procesu pomiarowego, znaczne skrócenie czasu otrzymania wyników, zwiększa niezawodność pomiarów i umożliwia analizę wyników w czasie rzeczywistym.

Podsumowanie

Zaprezentowany przegląd już stosowanych i wdrażanych technik komputerowych wykazuje znaczny dorobek krajowych ośrodków naukowych i badawczych we wdrażaniu techniki komputerowej do modelowania, symulacji cyfrowej układów i elementów, ich dynamiki, projektowania i badań eksperymentalnych w motoryzacji. Należy oczekiwać, aby przemysł motoryzacyjny i inne gałęzie gospodarki nie pozostawały w tyle.

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200