Funkční design a změny technik modelování součástí

Přístupy k tvorbě součásti pomocí parametrických modelů jsou v aplikacích především v posledních letech výrazně modernizovány. Společnou myšlenkou všech těchto aplikačních úprav je efektivnější přístup k tvorbě primárního návrhu a jeho integrace s rutinními výpočty. Také Autodesk Inventor prodělal v několika posledních verzích výraznou „omlazovací kůru“ v podobě širokého zefektivnění realizace návrhů součástí.

Z původní strategie adaptivní tvorby digitálního modelu součásti řízeného sestavou se tak stává Autodesk Inventor nositelem myšlenky funkčního designu. Dnešní článek věnuji ukázce využití nástrojů funkčního navrhování na jednoduché strojí součásti a jeho srovnání s tradičními postupy parametrického, případně adaptivního modelování.

Parametrický model hřídele, jeden z typických dílů řady sestav

Tradice a novinky

Prostorový model poskytuje řadu informací nejen o geometrických charakteristikách, ale také o vzájemných polohách a vazbách ve skupinách těles. Existují dvě metody tvorby parametrických modelů. Obě metody lze aplikovat na konkrétních případech součástí:

Tvorba objektů pomocí náčrtů – využívá se tehdy, vyžadujeme-li tvorbu tvarově složitějších konstrukčních prvků. Autodesk Inventor a celá řada dalších produktů tuto metodu považuje za primární postup tvorby modelu prakticky pro libovolnou geometrii. Náčrt pro tvorbu modelu musí být předem parametrizován pomocí geometrických a rozměrových vazeb. Vazby navíc zásadně ovlivňují chování náčrtů a následně vytvořených součástí v průběhu modifikace. Parametrizace náčrtů může být automatická nebo manuální. Produkty jednotlivých firem přistupují k úrovni parametrizace podle určitých pravidel. Plná parametrizace je vhodná především pro konstrukci výrobků u kterých předpokládáme již v průběhu vývoje nutnost přesné geometrické charakteristiky s možností následných modifikací. Částečná nebo žádná parametrizace se využívá často pro prvotní design, případně při tvorbě ploch.

Tvorba objektů pomocí konstrukčních prvků – Základní těleso je vytvořeno pomocí parametricky definovaného objemového primitiva. Jedná se většinou o válec, kvádr nebo jiné těleso. Na tomto tělese jsou postupně vytvářeny geometrické prvky pomocí konstrukčních příkazů. Prvky jsou umísťovány pozičními kótami na základní těleso. V objektovém stromu je takto vytvořen základní kvádr, vybrání, díra a sražení. Metoda modelování pomocí konstrukčních prvků umožňuje velmi efektivní tvorbu modelů, které lze vytvořit právě jejich kombinací. Je velmi vhodná pro začínající uživatele. Řada produktů je vybavena nástroji pro definici uživatelských konstrukčních prvků, které jsou buď přímo součástí základního programu nebo za poplatek. Pro opakující se vývoj podobných výrobků může mít aplikace uživatelských konstrukčních prvků poměrně základní vliv na produktivitu práce. Typickou ukázkou konstrukčních prvků mohou být drážky, vybrání, čepy, díry, zaoblení, sražení apod. Pro geometricky náročné součásti může být aplikace konstrukčních prvků nedostačující, případně velmi složitá. V těchto případech je efektivní vytvořit charakteristický tvar součásti jako náčrt a na ten aplikovat modelovací operaci. Lze tak vytvořit například složitý tvarový hřídel rotací náčrtu kolem zvolené osy nebo těleso odlitky páky pomocí vysunutí náčrtu.

Společným jmenovatelem tvorby funkčního návrhu je preferování konstrukčních prvků před tvorbou náčrtů a jejich provázání s výpočtovou částí CAE nástrojů. Autodesk Inventor v této oblasti obsahuje celou řadu užitečných nástrojů, které mohou pomoci vytvořit model součásti efektivněji a snadněji.

Parametrická skica pro tvorbu modelu hřídele

Za ukázku je zvolen model hřídele, jehož tvorba bezesporu patří k „strojařské rutince“. Jedná se o hřídel, který obsahuje několik osazení a poměrně široké spektrum normalizovaných konstrukčních zápichů a drážek. Tvorba této součásti technikami tradiční parametrizace nemusí být právě snadná. Již vytvoření výchozího náčrtu a jeho parametrizace může znamenat desítky minut práce s optimalizací geometrických vazeb a rozměrových parametrů. Zřejmě nejsložitějším konstrukčním prvkem jsou pak různé typy zápichů a tvarových drážek.

Směřování ke tvorbě modelu jako soustavy generovaných prvků?

Pokročilé funkčnosti v Autodesk Inventoru umožňují tento problém řešit výrazně snadněji. Na hřídel se nepohlíží jako na součást vytvořenou s pomocí řady modelovacích postupů, ale jako na konstrukční prvek s přesně definovanými geometrickými a mechanickými vlastnostmi. Tento prostup je daleko intuitivnější a konstruktér již od samého počátku může mít objektivnější kontrolu nad řešením problému.

Aktivace modelování součástí v sestavě

Autodesk Inventor ve svých posledních verzích optimalizuje proces navrhování v řadě oblastí. Součástí metodiky funkčního navrhování se stávají nejen postupy svázané s normalizovanými výpočty, ale také funkčnosti svázané s návrhovým procesem primárního modelu. Celý postup návrhu je realizován v prostředí podsestav a sestav. V našem případě je primárně vytvořena sestava budoucího výrobku a v té jsou postupně pomocí optimalizovaných nástrojů vytvářeny jednotlivé součásti. Vytváření modelu v sestavě přibližuje daleko více konstrukční práci reálné situaci. Základem tvorby výrobku je funkčnost, nikoliv konstrukční detaily. Intuitivita a konstrukční záměr proto stojí v popředí tvorby projektu.

Generátor geometrie hřídele

Pro realizaci našeho hřídele najdeme v Autodesk Inventoru hned několik velmi zajímavých nástrojů. Nemusíme již pracně vytvářet prvotní skicu a dohledávat geometrii normalizovaných konstrukčních detailů v tabulkách, ale můžeme snadno a intuitivně využít generátoru konstrukčního prvku „hřídel“. Jedná se o nástroj, který stejně jako řada dialogových příkazů Autodesk Inventoru umožňuje intuitivní tvorbu příslušného konstrukčního prvku. Velkou výhodou je již v počátku tvorby návrhu hřídele prakticky neexistence nutnosti tvorby parametrické geometrie pomocí všech příslušných náležitostí, kterými jsou geometrické vazby a rozměrové parametry.

Optimalizace rozměrů hřídele a jeho tabulkové namáhání

Významnou položkou, kterou nacházíme v CAD nástrojích stále častěji jsou integrované CAE nástroje. Nejedná se tedy již pouze o populární FEM, který je spíš novinkou, než tradičním postupem „pro všechny“. Jde především o integraci nástrojů, rutinních výpočtů a postupů, které zná každý technik z norem a technických tabulek. Tyto nástroje v sobě integrují základy konstrukčních součástí, mechaniky, pružnosti pevnosti a vytváří z nich celek s vysokou užitnou hodnotou. Asociativní provázání výpočet-model je často oboustranné. Lze tedy snadnou změnou jednoho ze vstupních parametrů například optimalizovat geometrii hřídele, jak tomu je v našem příkladu. Veškeré potřebné vstupní údaje mohou být navíc převzaty s analýz na vyšší úrovni. Například z kinematické studie sestavy, pokud v této fázi tvorby součásti již existuje.

Tvorba geometrických prvků hřídele

Významných prvkem nástrojů a postupů funkčního navrhování je existence sjednocujících postupů. Tyto postupy mohou být výhodné především v týmové spolupráci, kdy není příliš času na odhalování „kuchařky“ podle které byl model vytvořen. Tato zdržení v praxi mohou znamenat výrazný časový propad a narušení kontinuity realizace projektu.

Sjednocení topologie modelu může mít velmi pozitivní vliv na „průhlednost“ tvorby jednotlivých součástí, případně sestav s výrazným podílem usnadnění dodatečných modifikací. V rozsahu celé zakázky se může jednat opravdu o výrazné snížení pracnosti s úpravami geometrie. Náš hřídel je sice triviální, ale je poměrně výmluvnou ukázkou toho, že modifikovat a dohledávat příslušný rozměr, či vazbu v náčrtu může znamenat zdržení i několika desítek minut.

Tvorba prvků rozebiratelného spojení hřídele s nábojem

Velmi pěkným nástrojem pro tvorbu konstrukčních prvků je mimo funkcí Design Accelerator uživatelsky konfigurovatelná knihovna. Ta je rozšířena především ve verzi 2008 o řadu typických tvarů těles, drážek a vybrání, které lze aplikovat prakticky bez omezení na rotačních, pravoúhlých i tvarových součástech. Všechny konstrukční prvky jsou primárně generovány jako objemová parametrická tělesa. Lze je tedy libovolně zpracovávat a modifikovat pomocí prohlížeče součástí. Potenciál využití knihovny konstrukčních prvků je při správném použití opravdu obrovský. Je až s podivem, že tato funkčnost zůstává často na okraji zájmu uživatelů. Je to způsobeno především historicky referenční tvorbou modelů pomocí náčrtů v Autodesk Inventoru.

Alternativní konstrukce konstrukčního prvku pomocí knihovny

Z našeho příkladu je jasné, že jsou přístupy k modelování součástí různé. Od univerzálního skicování až po využití zcela nových a svým způsobem netradičních postupů a nástrojů. Jaký bude vývoj těchto postupů je samozřejmě otázkou zkušeností uživatelů, času a přístupů. Obecně lze ovšem výše uvedené nástroje jedině doporučit, usnadňují práci na projektu, modifikace projektu, ale tak sjednocují topologii modelu a zefektivňují týmovou spolupráci. Existence CAE vazeb na výpočtové nástroje pak posiluje řešení technického problému jako celku.

Definice tvarového zápichu pomocí knihovny prvků

Velmi významnou položkou funkčního navrhování je samozřejmě vlastní funkční návrh, který je tvořen nejčastěji sestavou samostatných dílů, případně podsestav. Koncepce navrhování v sestavě je ve své podstatě revoluční změnou v tvorbě technického návrhu, která může být umocněna právě využitím výše uvedených postupů. Při návrhu sestavy lze kontinuálně navázat tvorbou nových součástí, vytvářených jako samostatné konstrukční uzly pomocí generátorů, případně využitím databází součástí. Obecně bude jistě vývoj v optimalizaci aplikačních nástrojů poznamenán v nejbližších letech úzkou integrací internetu, informačních zdrojů a CAE / FEM výpočtů.