Energetikai rendszer CAD/CAE tervezése Varga Bálint1,3, Dr. Mikó Balázs2,3 1 – intézeti mérnök,
[email protected] 2 – főiskolai docens,
[email protected] 3 – Óbudai Egyetem, Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar, Anyagtudományi és Gyártástechnológiai Intézet
Bevezetés Napjaink fokozott igényeket támasztó, rohanó világában egyre fontosabb a gyors, de amellett kellően pontos, precíz tervezési munka. Ebben nyújtanak nagy segítséget a különböző CAD szoftverek. A papíron történő műszaki tervezés, tervrajzkészítés már szinte teljesen kiment a gyakorlatból, mert a számítógép segítségével történő munka számos előnnyel jár. Ezeket a szoftvereket nem csak a gépészetben használják, hanem más szakterületeken is. Az AutoCAD az a szoftver, amit szinte mindenki ismer, aki a kétdimenziós tervezés területén dolgozik. A 2D-s rajzoló programok mellett több szempontból fejlettebb CAD szoftverek is elterjedtek már az iparban, mint például CATIA, NX6, Pro/Engineer, Solid Edge, Solidworks, Inventor stb. Ebben a cikkben az általános bemutatást adunk a CAD rendszerekről és egy példán keresztül ezen rendszerek együttes használatára mutatunk lehetőséget. A példában AutoCAD és a CATIA együttes használata kerül ismertetésre egy adott energetikai rendszer csőhálózatának tervezése során - külön kiemelve azokat az előnyöket amelyet egy három dimenziós tervező rendszer nyújthat a felhasználónak - és sort kerítünk a végeselem módszer ismertetésére is.
CAD/CAM/CAE A jelenleg használatos CAD programok a 2D (síkbeli) vektor-grafika alkalmazásával rajzoló rendszerektől a 3D (térbeli) parametrikus felületés szilárdtest modellező rendszerekig a megoldások széles skáláját kínálják. 2D-s rendszert általában a legegyszerűbb esetekben használják, a hagyományos műszaki rajzok előállítása során. Ez a tervezés, tulajdonképpen a papíron való rajzolás felváltása számítógéppel való rajzolásra. Ez a fejlődés azt eredményezte, hogy sokkal gyorsabban és általában precízebben lehet elkészíteni a műszaki rajzokat, valamint a rajzok bizonyos elemeinek újrafelhasználása sokkal egyszerűbb. Bizonyos számítógépes funkciók (másolás, forgatás, különböző transzformációk, rajzréteg-rendszerek, stb) már a kétdimenziós tervező programoknak is döntő előnyt adnak a kézi rajzolással szemben.
Ezek a 2D-s rendszerek uralták a piacot a 80-as években, ameddig meg nem jelentek a 3D-s szoftverek, melyek tulajdonképpen alaksajátosság alapú modellezők. A munkadarab részeit vagy szabad formájú felület modellek vagy szilárdtest modellek vagy e kettő keverékét használó hibrid modellek segítségével építhetjük fel. Az elkészült alkatrészekből szerelvényeket hozhatunk létre. A 3D-s modellekből általában automatikusan vagy félautomatikusan 2D-s műszaki rajzok generálhatóak, de egyes esetekben a technológiai terv (például szerszámgépek CNC programja) műszaki rajz közbeiktatása nélkül, közvetlenül a 3D-s modellből készül megfelelő CAM szoftver segítségével. A fejlődés a műszaki rajz kiiktatása irányába tart, ezt CAM, CNC, gyors prototípus készítés és más módszerek segítik.
1. ábra Megmunkálás szimuláció CATIA rendszerben Az elkészült modelleken különféle elemzéseket hajthatunk végre, például ütközésvizsgálatot is, így meg lehet bizonyosodni arról, hogy az általunk készített alkatrészek összeszerelhetők és illeszkednek-e egymásba. Ezen kívül egyes programokkal kinematikai, dinamikai és végeselem analízis is végrehajtható. A végeselem módszer (VEM) egy matematikai eljárás, amelynek alapelve az, hogy tetszőleges geometriájú tartományt (alkatrészt, vagy fizikai teret) kis tartományokra, véges méretű elemekre osztva lehet vizsgálni az azokban lejátszódó folyamatokat, leíró egyenleteken keresztül. A VEM egy közelítő módszer, amely a végeselem modelltől függően bizonyos pontossággal adja meg a kívánt
eredményt, melyet gyakran méréssel is hitelesíteni lehet. Kifejlesztésre kerültek szilárdsági, dinamikai, termikus, áramlástani, mágneses stb. viszonyok ellenőrizére szolgáló végeselem számító programok. A mérnöki gyakorlatban jelentkező szerkezetek nagy része rugalmas anyagból készül, s a terhelés bizonyos intervallumában lineárisan viselkedik. A klasszikus rugalmasságtan számos módszert dolgozott ki a homogén, izotróp anyagok viselkedésének számítására. A rugalmas kontinuum (a test térfogata folytonosan anyaggal kitöltött) viselkedését leíró parciális differenciálegyenletrendszer megoldását a vizsgált testekhez tartozó peremfeltételek különbözősége nagymértékben megnehezíti. Nem sikerült – és nem is sikerülhetett - általános, bármilyen feladat megoldására alkalmas, pontos (egzakt) megoldást adó módszert kidolgozni. Sok esetben a mérnöki gyakorlat is megelégedett a közelítő megoldásokkal. A századunk elején kidolgozott variációs elvek (Rayleigh, Ritz, Timoshenko, Bubnov-Galjorkin), majd a későbbiekben kifejlesztett más (Kantorovics, Reissner stb.) elvek már lehetővé tették az olyan feladatok közelítő megoldását is - a mérnöki gyakorlatot kielégítő pontossággal – amelyek korábban nem voltak elérhetők, megoldhatók. A módszer kialakulását a Courant által a csavarási feladat közelítő megoldásánál használatos szakaszonkénti (háromszögletű tartományok feletti) csavarási feszültségfüggvény approximációja jelentette 1943-ban. 1956-ban Turner és társai síkrugalmasságtani feladatot oldották meg az elmozdulás mező négyszögletű altartományok feletti közelítésével, a hagyományos Ritz-féle módszer lokális közelítő függvényeken keresztüli alkalmazásával ([1],[2]). Clough 1960-ban ennek az eljárásnak a végeselem-módszer nevet adta. Az elmúlt ötven évben a módszer látványos fejlődésének vagyunk szemtanúi. A 60-as évekre a rugalmasságtani feladatainak megoldását szolgáló elemcsaládok kifejlesztése, sokoldalú modellezési lehetőséget nyújtó végeselemprogramok (ASKA, NASTRAN) megjelenése a jellemző. A 70-es években elkezdődik a számítási hibák analízisének kutatása. Elindul 1973-ben az ún. p-verziójú számítás a hozzátartozó elemek kidolgozásával. Sorra kerülnek a nemlineáris feladatok vizsgálatára alkalmas módszerek kidolgozása, számítógépi programok alkalmazásba vétele (NONSAP, ABAQUS, ADINA, ANSYS, COSMOS/M, FEAP, MARC, SYSTUS stb.). Megjelennek a p-verziójú elemeket hordozó programok, PROBE, StressCheck, RASNA. A CAD rendszerekkel összekapcsolt végeselemes rendszerek alakulnak ki az 1980-as években, amelyeknek a
fejlődése mind a mai napig tart (CATIA, I-DEAS, MSC/NASTRAN, Patran, Pro/Engineer, SolidWorks, stb.). A kapcsolt feladatok (szilárdságtani, hőtani, áramlástani, villamosságtani stb.) megoldására szolgáló programokat fejlesztettek az 1990-es évek óta.
2. ábra 3D modell, végeselem analízis eredménye CATIA rendszerben
Energetikai rendszer tervezése A következő példában egy energetikai rendszer megtervezésénél alkalmazott CAD rendszereket mutatjuk be. Elsősorban a csővezetéki hálózat 3D-ben történő kialakítása, illetve a végeselem módszer segítségével történő szilárdsági méretezést ismertetjük. Az energiai rendszerek végső kialakítását nagyban megkönnyítik a különböző 3D-s tervezőrendszerek alkalmazása. Első lépés, hogy a térben elhelyezzük az általunk létrehozandó rendszert. Ebben az AutoCAD nyújthat nagy segítséget, majd a CAITA segítségével ellenőrizni lehet, hogy az adott rendszer szilárdságilag megfelel-e az előírásoknak. Az AutoCAD rendelkezik egy úgynevezett C.A.T.S. modullal, ami egy AutoCAD alatt futó 3D-s technológiára épülő német fejlesztésű épületgépész tervező program. A név egy mozaikszó mely a CAD And Technical Software rövidítésből adódik. A program felépítése modul rendszerű, azaz részegységenként megtalálható az épületgépészet szinte minden szakága, melyek a következők: - fűtéstechnika, - vízellátás-csatornázás, - légtechnika, - hőközpont, - építészet. Ha arra a kérdésre keressük a választ, hogy miért előnyös, ha ma egy gépészmérnök C.A.T.S. Software-t vagy hasonló szolgáltatásokat nyújtó programot használ a tervezési feladataihoz, és ez miben segíti az ő munkáját, akkor a teljesség igénye nélkül az alábbiakat mondhatjuk: • Korunk tervezési feladatainak megvalósításánál nagyon fontos a korrekt, precíz és egyben gyors munkavégzés, melyet a programmal könnyen megvalósíthatunk.
• Ma még ugyan alapkövetelménynek nem mondható a háromdimenziós tervezés ezen a területen, de belátható, hogy a 3D mind a tervező mind a későbbi felhasználó, projekt előkészítő, kivitelező, és az üzemeltető munkáját nagyban megkönnyíti. • A tervezés során a méretezési, számítási feladatokat és a rajztechnikai megjelenítést integrálta. A tervező mérnök munkájában ez igen nagy segítség, hiszen a programmal megfelelően megtervezett feladat - pl. egy társasház fűtési rendszere - szükséges számításai és rajztechnikai megvalósítása 3D-ben egy időben megoldott. • A program másik jó tulajdonsága, hogy gyártmány független, így több gyártó cég terméke közül tudunk szabadon választani a tervezési feladat megvalósítása során. • A program szabadon parametrizálható objektumokkal rendelkezik, ami annyit jelent, hogy nem csak a program által felajánlott termékekkel ill. elemekkel tudunk gazdálkodni, hanem általunk megadott fizikai paraméterekkel rendelkező objektumokat létre tudunk hozni. • A tervezés során használt adatbázist internetről is lehet frissíteni és a letöltött adatbázis a program alá integrálható. • A programmal végzett méretezések nem csak elektronikusan, hanem nyomtatott formában is rendelkezésünkre állnak és a tervdokumentációhoz csatolható. • A program rendelkezik automatikus anyagkigyűjtő rendszerrel, ami lehetővé teszi az összes betervezett egység pontos kivonatolását, mely korrekt alapot tud szolgáltatni egy költségvetés elkészítéséhez. • A tervezés során és a tervezési feladat végén előforduló változtatásokat a program rugalmasan kezeli és a változtatásokat végrehajtva a meglévő rendszert automatikusan átalakítja. • Rendelkezik a szakágakon belüli és szakágak közti ütközés vizsgálattal. Tehát az nem fordulhat elő, hogy például az egyik felhasználó által tervezett légcsatornát a másik felhasználó szennyvízvezetéke keresztül döfi. • A program egyedi és hálózatos verziója is rendelkezésre áll, ami lehetővé teszi, hogy tervezőiroda, vagy egyéni tervező egyaránt használja a programot A C.A.T.S. Software fűtéstechnikai modulja a létesítmények fűtéstervének komplett elkészítésére alkalmas, mely a hőszükséglet-, hőterhelés-számítást és hidraulikai méretezést alapul véve 3D-ben alkotja meg a teljes rendszert az általunk kiválasztott termékekből.
A tervezés menete 1) Kapcsolási séma Tekintettel arra, hogy a C.A.T.S. Software hőközpont modulja nem rendelkezik méretezési algoritmusokkal, ezért a méretezést nekünk kell végrehajtani. A méretezés után el kell készítenünk a rendszer kapcsolási sémáját. A kapcsolási séma tartalmazza a főberendezéseket, a beépítésre kerülő szerelvényeket, és a csőkapcsolást. A kapcsolási séma logikus jelölési rendszerének köszönhetően az egyes vezetékszakaszok és szerelvények számmal vannak ellátva, ezért névleges méretük és a nyomásfokozatuk egyszerűen leolvasható. A modelltér építése közben a kapcsolási séma a legnagyobb segítséget nyújtja, hiszen a rendszer egy adott pontjáról elindulva a kapcsolási sémának megfelelően történik az egyes rendszerelemek egymáshoz építése. 2) Befoglaló térbeli határolószerkezetek felépítése Mivel a teljes energetikai rendszer három dimenzióban kerül modellezésre, ezért szükséges a gépészeti rendszert valamilyen határoló szerkezettel ellátni. Ezen határoló szerkezetek általában falak, födémek, padozatok, nyílászárók, terepszintek, szerelőaknák, stb. Célszerű a határoló felületeket a konkrét gépészeti egységek elhelyezése előtt létrehozni. A 3. ábra ilyen határoló-szerkezeteket mutat be.
3. ábra Határoló-szerkezetek 3) Főberendezések elhelyezése a térben Miután az épületünk 3D-s modellje elkészült a következő lépés a főberendezések elhelyezése. Főberendezés alatt értjük a kazánokat, egyedi tartályokat, hőcserélőket, szivattyúkat, stb. Ezek lehelyezésénél ügyelni kell a térbeli pozícióra, elhelyezésük a meglévő épülethez pozícionálva történik. 4) Jellemző szerelvénycsoportok összeépítése A épületmodellbe történő térbeli elhelyezése után következik az adott főberendezéshez
tartozó jellemző szerelvénycsoport összeépítése. Konzekvens példa erre az, hogy először lehelyezzük a szivattyú 3D-s térbeli objektumát és utána a jellemző szerelvénycsoportokat (elzárók, szűrő, visszacsapó szelep) hozzáépítjük. 5) A csővezetéki rendszer kialakítása Miután a főberendezések és a hozzá tartozó szerelvénycsoportok lehelyezésre kerültek, akkor láthatunk hozzá az egyes rendszer egységek komplett csövezéséhez. Fontos, hogy a csővezetékek kiépítése a kapcsolási séma szerint történjen továbbá fontos a vezetékek térbeli pozíciójánál figyelembe venni azt, hogy szerelhető legyen és a hőszigetelés elférjen (4. ábra).
1. Csővezetékek: A vezetékrendszer különböző részei – itt értve a csöveket, csőíveket, karimákat és szűkítőket – értjük. 2. Szerelvények: A szerelvények modellezése a teljesség igénye nélkül elég modellezni. Ezen kialakítás elsősorban a rendszer áramlástechnikáját befolyásolja, a hőtágulását nem. 3. Tartók: A teljes tartószerkezet csak az Auto CAD-ben van megrajzolva, itt csak a csőtartó-papucsok vannak ábrázolva.
4. ábra Csővezetéki rendszer kialakítására 6) Szilárdsági méretezés A szilárdsági méretezés elvégzése végeselem módszerrel történik. Jelen példában a csőrendszer vezetékeinek a méretezése a CATIA V5 szoftverrel történt. Műszaki tervezési feladatok megvalósításánál nagyon fontos a korrekt, precíz és egyben gyors munkavégzés, ennek a követelménynek teljes mértékben eleget tesz a program. Felépítése és számtalan szakmodulja révén komplex tervezési feladatok elvégzésére kiválóan alkalmas, emiatt használják széles körben az autóiparban, a repülőgép és a hajóiparban is. A modul rendszerű felépítés és a modulok sokrétűsége alkalmassá teszi a legkülönbözőbb felhasználói igények kielégítésére. A CATIA egyik óriási előnye, hogy a 3D-s rajztechnikai megjelenítéssel egy időben a tervezési feladathoz szükséges számítások elvégzésére is alkalmas. A szilárdsági méretezés menete a következő. Az energetikai rendszerben meg kell állapítani, hogy melyik részét éri a legnagyobb terhelés és ha ez a rész szilárdságilag megfelel az előírásoknak, akkor a rendszer többi része is. A végeselem analízis elvégzéséhez ebben a példában három lépést kell elvégezni (5. ábra):
5. ábra Csővezetékek (a), szerelvények (b) és tartó elemek (c), valamint a kész szerelvény (d) 3D-s CAD modellje Ezen elemek elkészítése után mind a három elemcsoporthoz anyagminőséget kell rendelni, és megadni a hozzátartozó értékeket (rugalmassági modulus, Poisson tényező, sűrűség, folyáshatár). Ez után történik a modellezett elemek virtuális összekapcsolása. A modellek elkészültével ezeket kell térben összeállítani. Az összeállított modell elkészültével az egyes elemek közötti kapcsolatok fajtáit (csúszó, fix) kell megadni. Ez után „behálózni”, azaz felbontani a modellt véges számú elemekre (6. ábra). Ennek elkészültével megadni a csővezetékre ható hőterhelés nagyságát és beállítani, hogy számoljon a program a modellt alkotó elemek önsúlyával is.
nagymértékben megkönnyítik és felgyorsítják. A papíron való rajzolásra azt lehet mondani, hogy az már a múlté, CAD/CAE rendszerek alkalmazásával a tervezési folyamat időigénye lényegesen lerövidíthető, a pontossága, megbízhatósága javítható. Különböző tervváltozatok összehasonlítása során az időmegtakarítás még jelentősebb.
Irodalom 6. ábra Végeselem háló A szoftver elvégzi az analízist a megadott paraméterek alapján és megadja az elmozdulás és feszültség értékeket (7. ábra).
7. ábra VEM eredmények – elmozdulás és feszültség Az eredmények alapján lehetőség van a terv – 3D-s modellek – módosítására, majd újbóli ellenőrzésére. Így gyors iterációs ciklusok végrehajtásával a csőhálózat terhelésnek megfelelő kialakítása gyorsan és nagy biztonsággal elvégezhető. A 3D-s modellezés a helyes geometriai kialakítást biztosítja, a végeselem analízis pedig a megfelelő szilárdságot.
Konklúzió A mai rohanó világban egy cég, amely versenyképes szeretne maradni, ki kell használnia a számítógéppel segített tervezés adta előnyöket, melyek a tervezést
[1.] Páczelt, I.: Végeselem-módszer a mérnöki gyakorlatban, I. kötet, Miskolci Egyetemi Kiadó, 1999 [2.] Szabó, B. - Babuska, I.: Finite element analysis, John Wiley & Sons , Inc., New York, 1991
