Выбор материала является важным этапом при проектировании изделия. От него зависят технология обработки, возможные формы, масса изделия, стоимость, прочность и другие эксплуатационные свойства. Определение точных и достоверных данных о свойствах материалов является важной частью создания расчетных моделей для задач механики, теплопроводности, электромагнетизма и задач аддитивного производства. Ян Поженько, руководитель направления «Перспективные материалы и технологии» компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», провел семинар о методологии выбора оптимального материала и современных технологиях обучения материаловедению в Санкт-Петербургском Горном Университете. Он продемонстрировал возможности некоторых продуктов линейки Ansys Granta – решения для управления информацией о материалах, их анализа, выбора и обучения материаловедению.
Выбор оптимального материала
Выбор наиболее подходящего материала – ключевая задача при создании нового изделия или оптимизации уже существующего. От этого зависят такие свойства конструкции, как долговечность, экологичность, устойчивость к температурам, агрессивным средам, стоимость изделия и т. д. С помощью промышленного и научного приложения Ansys Granta Selector можно подобрать оптимальный материал на ранних этапах проектирования, когда форма и функция детали известны приблизительно. Для этого используются специализированные инструменты и база данных, которые входят в состав инструмента. В базе содержатся механические, теплофизические, экономические, технологические и многие другие свойства материалов, а также информация о технологиях производства изделий из этих материалов. В Granta Selector интегрируются другие базы данных, совокупный объем которых содержит 250 тысяч записей о материалах. Программный продукт позволяет прогнозировать стоимость производства, подобрать аналоги материалов, прогнозировать свойства композитов и ячеистых структур. За счет выбора оптимального материала пользователь может сэкономить огромные средства.
На семинаре были показаны несколько примеров применения Ansys Granta Selector.
Первый из них – лидар для автономного транспорта. От оптических свойств линзы в лидаре зависит точность работы. При длительной работе устройства материал разогревался, расширялся, что приводило к искажениям измерения. С помощью расчетов в Ansys Mechanical и подбора материала в Ansys Granta Selector удалось подобрать новый материал линзы – циклоолефоновый полимер. Это позволило избавиться от искажений. Кроме того, программный продукт позволил увеличить собственную частоту подверженной вибрации части корпуса на 140% только за счет смены материала корпуса – с поликарбоната на полипропилен.
Второй пример использования методологии рационального выбора материала – поперечная балка трансмиссии, удерживающая вес коробки передач и валов в автомобиле. При выборе материала для этой детали важно учитывать жесткость, текучесть, температуру эксплуатации и устойчивость к растворителям и соленой воде. С помощью Ansys Granta Selector удалось подобрать новый материал для изделия. Это позволило снизить массу на 45% и стоимость материалов на 20%. Кроме этого, программный продукт позволил оптимизировать конструкцию дроссельной заслонки для топливной системы автомобиля. Ее задача – управление потоком воздуха и топлива в двигателе. Замена материала конструкции позволила снизить массу изделия на 60% и стоимость на 25%.
Современные технологии обучения материаловедению
Ansys Granta EduPack – программный продукт для обучения науке о материалах и процессах их обработки и переработки для студентов инженерных, дизайнерских, материаловедческих, научных, экологических и смежных специальностей. Программный продукт разработан в Кембриджском университете и используется в более чем 1 400 ведущих мировых вузах и учебных центрах. Ansys Granta EduPack содержит практические задания и лекции для трёх различных уровней подготовки студентов: от вводных занятий до продвинутых.
Данные о материалах в ПО варьируются от 69 для начинающих до 4000+ для продвинутых пользователей и от 4 до 200+ процессов переработки материалов в изделия. Также Ansys Granta EduPack содержит данные о:
- геоэкономике;
- веществах ограниченного использования;
- энергозатратах на производство;
- углеродном следе и использованию воды.
Ansys Granta EduPack содержит ресурсы для преподавателей: презентации для лекций, практические задания и микропроекты. Это позволяет уменьшить время на подготовку к занятиям.
Эксперт «КАДФЕМ Си-Ай-ЭС» продемонстрировал возможности Ansys Granta EduPack на примере крыла самолета. Эта часть должна быть жесткой, прочной, выносливой и легкой. Используя инструменты отображения свойств, наглядно было продемонстрировано, как те или иные материалы подходят для применения в данной конструкции. В конце были выбраны материалы-кандидаты, которые уже хорошо себя зарекомендовали в этой области. Таким образом, у слушателей формируется понимание об определении наиболее важных свойств материалов, обосновании выбора и самом процессе выбора материала.
О «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»
АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» – крупнейший на российском рынке дистрибьютор систем инженерного анализа, а также центр компетенции и элитный партнер компании ANSYS, Inc. Компания обеспечивает лицензирование, внедрение и техническое сопровождение всех линеек продуктов Ansys, а также сопутствующих программных продуктов сторонних разработчиков для создания специализированных вертикальных решений. «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» также оказывает клиентам комплексные услуги инженерного консалтинга, в том числе выполнение многодисциплинарных инженерных расчетов на заказ, разработку методик решаемых задач, развертывание и настройку высокопроизводительных вычислительных комплексов, проводит очное классное и дистанционное обучение, осуществляет интеграцию и адаптацию инженерного программного обеспечения. В эпоху цифровой трансформации компания помогает клиентам внедрять новые технологии Индустрии 4.0 на промышленном уровне и предлагает комплексные услуги по созданию цифровых двойников. Подробнее – на сайте https://www.cadfem-cis.ru/.