Konstrukce / vývoj | 14. 12. 2018

Advanced Engineering s.r.o.: Odlehčené konstrukce zemědělské techniky

Umožňuje topologická optimalizace a nové výrobní metody.

Společnost Amazone vyvíjí a vyrábí inovativní zemědělské stroje s vysokou úrovní kvality, které umožňují a podporují moderní a ekonomické způsoby zemědělského hospodaření. Aby těchto standardů mohla společnost Amazon dosáhnout a uspět u svých zákazníků, využívá pokročilé vývojové nástroje, procesy a výrobní metody.

Zemědělské stroje se používají ve velmi drsných a extrémně rozdílných podmínkách. Kromě kvalitních servisních služeb a dostupnosti náhradních dílů je pro zemědělce klíčovým nákupním kritériem životnost stroje. Při vývoji nového produktu musí být výrobci nejen cenově konkurenceschopní, ale musí také zohlednit požadovanou životnost výrobku, jelikož tento aspekt ovlivňuje pověst výrobce na trhu.

Nové výrobní metody pro vyšší životnost a ekonomickou životaschopnost

Zemědělské stroje a strojní zařízení zaznamenaly v posledním desetiletí obrovské zvýšení efektivity. Díky lepší průchodnosti terénem, rozšířeným řezacím jednotkám a větším nádržím se výrazně zvýšila jejich produktivita. Zařízení musí být dostatečně robustní pro drsné provozní podmínky a vylepšená konstrukce nesmí vést k vyšším cenám produktu pro zákazníka.

A zde přicházejí ke slovu nové vývojové a výrobní procesy. Kromě úspory materiálu během výroby díky optimalizované konstrukci dle provozního zatížení lze prodloužit životnost a snížit hmotnost produktu bez dodatečných nákladů pro koncového uživatele. Součástí optimalizace vývojového procesu je totiž zároveň i zohlednění výrobních postupů a omezení.

Společnost Amazone nedávno realizovala projekt, v rámci kterého byla provedena analýza a optimalizace závěsného zařízení pro jednotku na orbu půdy, s cílem vyhodnotit využití materiálu a životnost. Touto jednotkou byla tahací kompaktní talířová brána Catros-2TS, která je tažena traktorem a může být použita v různých konfiguracích. Kompaktní talířová brána se používá pro intenzivní promísení půdy a povrchové kypření (do pracovní hloubky 15 cm).

Odlehčení tohoto dílu nabízí další výhodu pro zemědělce. V případě lehčího závěsného zařízení má více možností pro výběr doplňkových zařízení. Například, pokud je to nutné, může si vybrat těžší válec pro intenzivnější zpevnění půdy a zároveň by nedošlo k překročení celkového zatížení náprav s tímto lehčím závěsným zařízením.

Od svařované konstrukce k odlitku

Původně byla Catros-2TS poměrně složitá svařovaná součást o hmotnosti 245 kg, včetně 16,5 m dlouhých svarových švů potřebných ke spojení jednotlivých dílů. Tolik svařování je je z pohledu výroby náročné časově i nákladově. Každý rok se vyrábí přibližně 350 kusů těchto dílů. Aby bylo možné splnit cíle optimalizace výrobního procesu a zvýšit jeho životnost, podívali se inženýři společnosti Amazone pozorněji nejen na konstrukci dílu, ale také zhodnotili potenciální výhody, které by mohl nabídnout nový výrobní postup v kombinaci s topologickou optimalizací.

CAE model původní svařované konstrukce.

Optimalizace hmotnosti podle provozního zatížení

Prvním krokem bylo posoudit úsporu hmotnosti a vylepšit tvar tak, aby bylo možné díl efektivně vyrábět odléváním. Za tímto účelem byla provedena předběžná topologická optimalizace. Společnost Amazone navíc použila tzv. simulací řízený návrh designu, aby eliminovala zbytečné vývojové iterace mezi konstruktéry a výpočtáři a aby rychleji dosáhla konečného návrhu. Tyto úkoly byly řešeny pomocí dvou nástrojů od společnosti Altair. Strukturálním řešičem a optimalizačním nástrojem OptiStruct ze softwarového balíčku HyperWorks a optimalizačním nástrojem Altair Inspire.

Kromě návrhového prostoru byly v programu Altair Inspire definovány takéoblasti, kde nesmí být konstrukce modifikována, a to například na podpůrných místech nebo na válcových vazbách.

Inženýři si od odlévání součásti slibovali několik výhod. Vzhledem k tomu, že díl může být odlit z jednoho kusu a nepotřebuje žádné svary, je výroba mnohem jednodušší a proces méně náchylný k chybám a výrobním zmetkům. Očekávali také významné snížení nákladů a optimalizaci výrobního procesu vyplývající z nového konstrukčního návrhu vytvořeného pomocí optimalizačních nástrojů.

Pro optimalizaci struktury využili inženýři software Altair Inspire. Nejdříve definovali možný návrhový prostor a okrajové podmínky, jako jsou zatížení, požadovaná tuhost a výrobní omezení. Rovněž byly vymezeny prostory, kde nesmí dojít během optimalizace ke změnám, například na opěrných místech nebo válcových vazbách. Výpočetní čas byl ještě snížen díky definování roviny symetrie. Pomocí těchto vstupů software vypočítal, kolik materiálu je potřeba a na jaké pozici je nutné ho umístit, aby se vyhovělo požadavkům, jako jsou strukturální pevnosti apod.

Na základě dříve definovaných zatížení a okrajových podmínek Altair Inspire vypočítá optimální strukturu.

Z výsledku optimalizace vytvořili inženýři detailní konstrukci, která byla následně pevnostně analyzována nástrojem OptiStruct, který pracuje na základě metody konečných prvků. V porovnání se svařovanou konstrukcí má odlitek nižší hmotnost a hladší tvarové přechody v konstrukci, což vede k menším odchylkám v tuhosti. Celkové napětí v odlitém materiálu nového dílu bylo podstatně nižší ve srovnání se zatížením ve svařovaných spojích původní sestavy. Následné reálné zkoušky ukázaly, že díky optimalizovanému tvaru odlitku, se životnost zvýšila 2,5x, zatímco hmotnost se snížila o 8 %.

Vylepšování optimalizované geometrie v Altair Inspire.

Výhody a perspektiva

Nová verze závěsného zařízení je již v provozu a snížila výrobní náklady společnosti Amazone o jednu třetinu ve srovnání s předchozí svařovanou konstrukcí. Díky opětovné použitelnosti licí formy byly náklady na licí formu rychle amortizovány. Zákazníci mají prospěch z vyšší flexibility v doplňkových modulech a z prodloužené životnosti produktu. V současné době inženýři společnosti Amazone prověřují možnou optimalizaci konstrukce a výrobního procesu i u dalšího odlitku. Tentokrát chtějí zkombinovat topologickou optimalizaci s 3D tiskem. V tomto procesu je forma ztraceného vosku vytvořena pomocí 3D tisku a struktura součásti je optimalizována a inspirována přirozenými tvary, které dokonale odpovídají tomu, co lze realizovat 3D tiskem. Simulační a optimalizační výpočty již proběhly a vedly k další možné úspoře hmotnosti o zhruba 11 % při zachování životnosti a tuhosti na stejné úrovni jako u odlité části. Kalkulace konečných nákladů jsou doposud nedořešeny a budou jednou z klíčových faktorů rozhodnutí společnosti Amazone, zda tento postup použijí pro sériovou výrobu.

Ve srovnání se svařovanou konstrukcí (vlevo) měla realizovaná odlitá verze nižší hmotnost a hladší tvarové přechody konstrukce, což vedlo k menším odchylkám v tuhosti.


Příběh o úspěchu Amazone

„Pro optimalizaci konstrukce jsme použili program Altair Inspire od společnosti Altair. Díky specifické struktuře odlitku navržené dle zatížení se zvýšila životnost 2,5x, zatímco hmotnost byla snížena o 8 procent. Strojní zařízení dle nové konstrukce je již v provozu a i díky změně výrobní technologie se snížily výrobní náklady o jednu třetinu. „

Sebastian Kluge

Amazone


www.advanced-eng.cz