A NABI Rt. fejlesztési folyamata 2000-ben Kerekes Ervin Szerkezetelemző NABI Rt. A NABI dinamikusan fejlődő buszgyártó vállalat budapesti székhellyel. Éves szinten a NABI Csoport több mint 1000 db buszt készít és koránt sem mindegy egy ilyen igényes piacon, mint az amerikai, hogy milyen termékkel jelenünk meg. A buszipar furcsa kettősségéből adódóan, egyrészt nagy élettartamot kell biztosítani, másrészt mindezt alacsony sorozatszámon belül. Míg a személygépkocsik esetében rengeteg kísérletre és valóságos vizsgálatra van lehetőség, hisz a piac ezek költségét elviseli, addig a buszok esetében ez nem igaz. Ez az oka annak, hogy rengeteg szimulációval próbáljuk meg kialakítani a legkedvezőbb verziót, amely azután már legyártható és nagyobb valószínűséggel megfelel a teszteknek. Klasszikus, kvázi-statikus méretezési eljárás A NABI Rt. is, mint a legtöbb hazai (és külföldi) cég az általa tervezett és gyártott járművek szilárdsági ellenőrzését kvázi-statikus úton, lineáris modellekkel, határérték megadásával kezdte. Ennek lényege az 1. ábrán jól látható. A modellalkotás az ANSYS végeselemes szoftverben történt a Pro ENGINEER rajzok alapján. Az ANSYS/Pro ENGINEER kapcsolat elég jónak mondható, ezért általában az egyszerűbb, háromdimenziós CAD modellek áthozatala és abból un. háromdimenziós SOLID modellek elkészítése nem jelent problémát. A buszok vázszerkezetének modellezése viszont sokkal bonyolultabb feladat. A vázmodellek elkészítéséhez ezért a jóval egyszerűbb és éppen ezért kapacitás és idő megtakarítást jelentő héj illetve rúd modelleket használjuk, mind a mai napig. A szerkezetre ható terhelés meghatározás nagyon nehéz feladat. A buszokra ható dinamikus terhelések, amelyek az útról, az egyes szerkezeti elemek működéséből (pl. motor), a vezető behatásaiból (pl. kormányzás) stb. adódnak már jó néhány évvel ezelőtt is megmérhető volt ugyan, de a számítási eljárások és maguk a számítógépek is nem álltak olyan magas színvonalon, hogy ezeket komplexen elemezzék. Ezért alakult ki egy fiktív lineáris statikus terheléseken
alapuló számítási eljárás. A terhelések a következők voltak: gravitációs terhelés, gyorsítás, lassítás, keresztirányú gyorsulás, az egyes keréktalppontok emelése, tetőterhelés, esetleg emelve vontatás stb. Az egyes terhelésekre különböző határértékeket határoztak meg tapasztalati úton. Amennyiben a szerkezet túl lépte a megengedhető határértékeket, módosítást kellet végrehajtani és az egész eljárás ismét, előröl indult. A számításokat mérésekkel ellenőrizték, amelyek gyakran sokkal közelebb álltak a valósághoz, mint maguk a számítások, mivel itt jóval korábban lehetséges volt valós terhelésből származó dinamikus jelet felrakni. 1. ábra Klasszikus kvázi-statikus méretezési eljárás folyamatábrája Dinamikus méretezési eljárás saját fejlesztésű szoftverekkel A NABI Rt. kb. egy éve bevezetett egy, a valósághoz közelebb álló számítási eljárást. Ennek előfeltétele az volt, hogy az ANSYS adta lehetőségeket kihasználva kifejlesszünk néhány élettartam számító eljárást [6.], [7.], [8.]. A módszerek alapját a német DIN15018-as [2.] és a brit BS5400-as [1.] szabvány képezte. (2. ábra)
Ezek segítségével a számítási folyamat a következőképpen módosult. A Pro ENGEENER-ben készült rajzok alapján elkészítjük a végeselemes modellt ugyan úgy, mint eddig. A terhelések ugyan még kvázi-statikusak, de már bizonyos korlátozásokkal összerendelhető egy-egy amplitúdó/középérték terhelésből adódó feszültség eloszlás és ehhez a párhoz tartozó ciklusszám. Ezeknek az információknak a segítségével már károsodás (törési valószínűség) számolható az adott szabványnak megfelelően. Ráadásul a modellbe a hegesztések gyengítő hatását is figyelembe lehet venni! Természetesen a számításokat itt is mérésekkel ellenőrizhetjük, amelyek ez esetben sokkal közelebb állhatnak a valósághoz. 2. kép Újabb méretezési eljárás saját fejlesztésű szoftverekkel Virtuális prototípusgyártás. A legújabb, világszínvonalú méretezési eljárás Ez év augusztusában jelent meg a fejlesztési folyamatban a FEMFAT [4.] élettartam méretező szoftver, illetve november elején a SIMPACK dinamikai szoftver. E két szoftverrel végre kiegészült a méretezési folyamat egy teljes egésszé. (3. kép) Az eredeti folyamat első mozzanata, - a CAD rajzokból modellalkotás lényegileg nem változott. Az eltérés csak annyi, hogy az élettartambecsléshez nem
elegendő most már a rúd modell, minimum héj modellre van szükségünk. (A modellben a hegesztéseket is figyelembe vehetjük a későbbi élettartambecslésekhez.) Miután a modell kész, két lehetőségünk van. Az egyik az, hogy dinamikai szimulációt hajtunk végre az ANSYS-on belül, amely azt jelenti, hogy különféle idősíkú jelet tehetünk fel a szerkezetünkre, és ezekre megkapjuk a válasz feszültségeloszlást, minden egyes időpillanatban. Ezt az eredményt felhasználva, összekapcsolhatjuk az ANSYS-t a FEMFAT TRANSMAX modullal. Eredményképpen egy valószínűségi változót kapunk az adott terhelésre vonatkozó élettartamra. 3. kép A jelenlegi fejlesztési folyamat A másik lehetőség szerint az ANSYS-ban csak egy modal analízist végzünk és ennek eredményét a modális jellemzőket, a SIMPACK számára átadjuk. A SIMPACK többtömegű lengő rendszerek dinamikus vizsgálatára alkalmas szoftver. Lehetőségünk van benne különféle kerékmodulok használatára, amelynek segítségével a valóságnak megfelelő manővereket hajthatunk végre, valamint a flexibilis végeselemes modellek beépítésére is. Segítségével gyorsabban tudunk, hosszabb jeleket szimulálni és a különféle paraméterek hatását megfigyelni. Az eredményeket egyrészt visszatranszformálhatjuk az ANSYS számára, ahol immár feszültséget kaphatunk, másrészt a FEMFAT ChannelMAX modul számára. Az ANSYS modálanalízis eredményeiből és a SIMPACK szimulációjából jó esetben
sokkal kisebb méretű adathalmazzal, élettartambecslést végezhetünk. Ezt a módszert használja néhány nagyobb nyugat-európai járműgyártó cég is [5.], [6.]. Gyakorlati példák az új módszerekre T csatlakozás vizsgálata BS5400 és DIN15018 szabványok segítségével Az elsőként egy hajlított T csatlakozás példáján keresztül szeretném bemutatni a különböző módszerek használhatóságát. A kísérleti vizsgálatot az AUTÓKUT [3.] végezte, a hitelesítő számításokat a NABI Rt. A kísérleti berendezés fotóját a 4. képen láthatjuk. A rúd elemekre vonatkozó BS5400-zal számolt feszültség és károsodás eloszlását az 5. és 6. képen, ugyanezt DIN15018-as német szabvány segítségével meghatározva héj elemre a 7. és 8. képen találhatjuk. 4. kép Hajlított T csatlakozás kísérleti vizsgálata A számításhoz a klasszikus mechanikának megfelelő rúd elemeket használtunk, ezért jól látszik, mind a feszültség eloszláson, mind pedig a károsodási képen, hogy a háló finomságának nincs túl nagy befolyásoló szerepe a maximális értékek meghatározására.
5. kép Rúd elemekre számolt feszültség eloszlások 6. kép Károsodás eloszlás BS5400-zal számolva
Érdekes megfigyelni, hogy a lineárisan számolt feszültség következtében magasabb feszültségértéket kaptunk a hegesztés környezetében, mint a szakítószilárdság. A károsodási értékek, viszont a tesztekkel egészen jól korrelálnak. A finomabb háló esetén még a törés helyzete is megegyezik. 7. kép Feszültség eloszlás különböző sűrűségű háló esetén 8. kép A károsodási tényező számítás eredménye
Motortartó keret hossztartójának vizsgálata FEMFAT-tal. A második példa a FEMFAT szoftver használhatóságát mutatja be egy egyszerű, jól ellenőrizhető teszten. A tesztberendezés, illetve az eltört darab a 9. képen látható. A teszteket a BME Hidak és Szerkezetek Tanszéke végezte [9.]. A mérés célja az volt, hogy a motortartó keret hossztartójára felhegesztett kis fül hatását megvizsgáljuk különböző terhelésre. A FEMFAT eredményei a 10. és 11. ábrán láthatóak. 9. kép A teszt berendezés és a törés helye A tesztek és a számítások igen jól egyeztek egymással. A törés helye egyértelműen ugyanott van, míg a számított élettartam a szórási tartományon belül esik. A számítás különlegessége az, hogy a hegesztési varrat gyengítő hatása is figyelembe lett véve egy viszonylag egyszerű térfogatelemekből álló szerkezeten.
10. kép Károsodás eloszlás adott dinamikus terhelésre 11. kép Károsodás eloszlás a szerkezeten belül
További példák konkrét jármű szerkezeteken Kerékdob vizsgálat A következő példa egy kerékdob környezetet mutat, 2 különböző kialakítással. Ennek érdekében megépítettük a teljes buszt rúd modellként és a szükséges részeket pedig héjból. A 12. kép éppen azt az állapotot mutatja, ahogy a busz áthalad a szimuláció során egy akadályon. (Természetesen mindez jól felnagyítva.) A jobb láthatóság kedvéért felrajzoltuk az eredeti nyugalmi állapotot. 12.kép Csuklós busz dinamikai szimulációjának eredménye A vizsgálat célja az volt, hogy meghatározzuk melyik megoldás a legkedvezőbb a jármű élettartama szempontjából. Természetesen a számítások során többféle lehetőség felmerült, de itt terjedelmi okokból az eredeti kedvezőtlenebb (13. kép), illetve egy sokkal kedvezőbb (14. kép) megoldást mutatok be.
13. kép Eredeti megoldás 14. kép Áttervezett kedvezőbb megoldás
Ez a megoldás az eredeti kialakításhoz képest a veszélyes környezetben több mint tízszer kisebb törési valószínűséget eredményezett úgy, hogy a többi helyen is bizonyos mértékű javulás tapasztalható. CH keret lengőkar bekötés vizsgálat A számítás ebben az esetben is, mint az előző példánál, egy globális, egyszerűbb modellel kezdődött és azután az adott területre az un. submodel technikával egy részletesebb modellen, egy komplexebb vizsgálatot hajtottunk végre (15. kép). A törési valószínűséget itt is a FEMFAT-tal határoztuk meg, amit a 16. képen láthatunk. 15. kép A globális CH-keret és a bekötési környezet submodel -je Mivel hegesztett szerkezetről van szó, ezért igen gondosan kell eljárnunk a hegesztési varratok helyzetének meghatározásakor. Az ábrán jól látható a hegesztések feszültséggyűjtő hatása és az is, hogy ez a kialakítás nem éppen a legjobb. A jobb alsó kis kép a károsodás eloszlást mutatja a leszelektált hegesztésekre kinyomtatva.
16. kép Károsodás eloszlás a submodel -en Összefoglalás Remélem sikerült a fentebb bemutatott néhány példán keresztül érzékeltetnem azt a fejlődést, ami az utóbbi néhány évben a NABI Rt.-n belül végbement. A virtuális prototípusgyártás megjelenése a fejlesztési folyamatban igen-igen megnöveli a valószínűségét annak, hogy sokkal jobb, magasabb színvonalú és olcsóbb termékkel versenyképesek maradhassunk a piacon. Irodalom [1]. BS5400: Part 10 : 1980 Steel, concrete and composite bridges [2]. DIN15018 Krane Grundsatze für Stahltragwerke Berechnung, 1984. November [3]. Vizsgálati értesítő: Zártszelvényű csövekből készített merőleges kivitelű hegesztett próbatestek fárasztóvizsgálata a bekötőcsővel párhuzamos irányú terheléssel. Budapest 1989. [4]. FEMFAT User s Manual: (2000) Vers. 4.1f (b). Fatigue Analysis of Stressed Components, Engineering/Technologie Zentrum Steyr, SAT, Steyr Daimler Puch AG, Steyr, Austria [5]. W. Eichlseder, Kerekes E., B. Unger: (1998). Feszültség számítás végeselemes módszerrel. Mit kezdjünk a dinamikus terhelésekkel? Járművek Budapest 1998. 9. [6]. Kerekes E., Szabó B., B. Unger, - Prestressed bolt joint under dynamical load
[7]. Kerekes E., Petrovics J. - New Features in ANSYS developed by NABI FE Group CADFEM Users Meeting 2000, Friedrichshafen [8]. Kerekes E., Petrovics J. - Fatigue estimation for beam structures using BS5400 VSDIA2000, Budapest [9]. Kerekes E - Fatigue examination of weld seams VSDIA 2000, Budapest [10]. Hidak és Szerkezetek Tanszék- Kutatási jelentés a 416.13-1213-000 jelű motortartó keret hossztartóinak összehasonlító fárasztóvizsgálatáról, 2000. október 24.