Monikappaledynamiikassa perusajatuksena on mallintaa tarkasteltava järjestelmä erillisinä kappaleina, jotka ovat vuorovaikutuksissa toisiinsa nivelten ja kontaktien kautta. Kappaleista mallinnetaan geometria ja inertia. Kappaleet voidaan mallintaa joustavina tai jäykkinä. Lisäksi järjestelmässä voi olla mallinnettuna toimilaitteet, hydraulinen piiri, kitkamalli, ulkoinen kuormitus jne. Tulokseksi saadaan esimerkiksi kappaleisiin vaikuttavat voimat ja momentit sekä nopeudet ja kiihtyvyydet. MBD-analyysi lisää ymmärrystä järjestelmän dynaamisesta käyttäytymisestä ja mahdollistaa tuotteen nopeamman kehityksen vähentämällä fyysisten prototyyppien määrää.
Monikappaledynaamikalla voidaan selvittää monimutkaisen dynaamisen järjestelmän kuormitushistoria tai optimoida järjestelmän dynaamista käyttäytymistä. Lisäksi mallilla voidaan simuloida käyttötilanteita, joiden todellinen testaaminen on hankalaa tai mahdotonta. Alla on muutama esimerkki siitä millaisia laitteita ja ilmiöitä monikappaledynamiikalla voidaan tutkia.
Kutistusliitoksen jännitystila.
Liikkuvat koneet ja koneenosat (MBD)
Erityisen tehokkaasti monikappaledynamiikka soveltuu laajojen järjestelmien toiminnan simulointiin ja ymmärtämiseen. Tyypillinen konejärjestelmä on esimerkiksi nostokoneen puomi (kuvassa). Esimerkissä puomit on mallinnettu joustavina kappaleina ja runko sekä sylinterit jäykkinä kappaleina. Osat on nivelöity toisiinsa. Mekanismin lisäksi myös hydraulinen järjestelmä on mallinnettu. Näin malli huomioi hydrauliikan joustavuuden lisäksi mekaniikan ja hydrauliikan vuorovaikutuksen.
Puominosturin jännitystila kesken työkierron.
Esimerkkityökierrossa kahmaria painetaan maata vasten, jonka jälkeen kuorma nostetaan kyytiin ja puomistoa käännetään 180 astetta. Tuloksina työkierrosta voidaan saada aikahistoriaa
- Minkä tahansa pisteen asemasta, nopeudesta ja kiihtyvyydestä
- Hydraulisen järjestelmän paineista
- Nivelvoimista
- Joustavien kappaleiden jännityksistä
Liitokset, kontaktit ja törmäykset (MBD)
Voimansiirtolinjoja voidaan mallintaa monikappaledynamiikassa monella tarkkuudella. Mallinnustarkkuus tulee valita tarkasteltavan ilmiön mukaan. On tarpeetonta mallintaa tarkastelun kannalta epäoleellisia rakenteita yksityiskohtaisesti. Yksinkertaisimmillaan esimerkiksi vaihde vain muuttaa sisään tulevaa momenttia ja pyörimisnopeutta. Kuitenkin myös vaihteen yksittäisten hammaspyörien ja niiden välisten hammaskontaktien mallintaminen on tarvittaessa mahdollista. Tarkalla mallinnuksella päästään tarkastelemaan hammaskontaktista, jarrutuksesta tai kytkennästä aiheutuvia voimia ja voimalinjan akseleiden vääntövärähtelyjä.
Alla on esimerkki kahdesta joustavasta hammaskehästä, joista toinen on kiinnitetty joustavalla akselilla massiiviseen vauhtipyörään. Hammaspintojen kontakti on välyksellinen. Liikkeelle lähdettäessä vauhtipyörä vastustaa pyörimisnopeuden muutosta ja tämä yhdessä välyksellisen hammaskontaktin kanssa aiheuttaa oskilloivaa käyttäytymistä käynnistyksen yhteydessä. Alla olevassa kuvassa on esitetty hammaskehien jännitysjakauma hammaskontaktissa.
MBD-laskennan hyödyntämismahdollisuuksia:
- MBD -laskenta osana tuotekehitystä
Monikappaledynaaminen malli voidaan ajatella virtuaaliseksi prototyypiksi, jota voidaan testata tilanteessa, jossa fyysistä prototyyppiä ei vielä ole.
- MBD -laskenta ongelmanratkaisussa
Järjestelmän dynaamisen käyttäytymisen hahmottaminen auttaa ymmärtämään käyttäytymisen syy-seuraus suhteita. Ymmärretään, miksi laite käyttäytyy siten, kuin se käyttäytyy. Perinteisin menetelmin suunniteltaessa esimerkiksi järjestelmän toimivuutta haittaavat resonanssit voivat jäädä havaitsematta mikä voi estää suunnitellun käytön tai pahimmassa tapauksessa rikkoa laitteen. - MBD -laskenta kuormitusten selvittämiseen
Monikappaledynamiikan keinoin dynaamisesti monimutkaisesta järjestelmästä saadaan ulos rakenteisiin vaikuttavat voimat ja momentit, joita voidaan käyttää lähtötietoina FEM -laskennassa.
Monikappaledynaamisten simulointien tyypillisiä tuloksia ovat kappaleiden käytön aikaiset jännitykset, nivelten tai toimilaitteiden (esim. sylinterit) voimat sekä kappaleiden kiihtyvyydet.
Käytössämme on monikappaledynamiikan simulointiohjelma Recurdyn sekä useita mallinnus- ja esikäsittely ohjelmia, esim. SpaceClaim ja Ansys Workbench.
