Curs Introduce Re)

1

Conceptul de CAD; prezentarea Directivei Comunităţii Europene 23/1997 referitoare la echipamentul sub presiune

1. Introducere Cursul îşi propune să prezinte şi să conducă la însuşirea de către studenţi a principalelor elemente şi a celor mai utilizate programe necesare desfăşurării în bune condiţii a unei activităţi de proiectare asistată de calculator. Cursul este însoţit de elemente practice care vor contribui la deprinderea cunoştinţelor necesare rezolvării unor probleme diverse de proiectare. Cursul este structurat pe urnătoarele capitole: - Utilizarea pachetului de programe AutoCAD; - Teoria elementului finit; principiile programelor cu element finit; - Prezentarea programului QuickField; - Prezentarea programului ANSYS; - Programe necesare întocmirii unui proiect; 2. Proiectarea asistată de calculator 2.1. Procesul de proiectare Procesul de proiectare este un proces in general iterativ şi care constă în mai multe faze. Unele din aceste faze pot fi mai accentuate sau mai diminuate în funcţie de tipul de proiect, şi anume: - recunoaşterea nevoilor, aceasta poate fi identificarea unor deficicenţe la produsele deja proiectate, activitate efectuată de un inginer sau prin percepţia oportunităţii unui nou produs; - definirea problemei, care este cuprinsă într-o specificaţie a produsului care trebuie proiectat. Specificaţia include caracteristicile fizice şi funcţionale, cost, cantitate şi performanţele de operare; - sinteza şi analiza sunt relativ legate şi cuprinse într-un proces iterativ. O anumită componentă sau un anumit subsistem al unui sistem cuprinzător este conceptualizată de proiectant, supusă analizei, înbunătăţită prin procedura de analiză şi reproiectată. Acest proces este repetat până ce proiectul a fost optimizat în cadrul constrângerilor impuse de proiectant. Componentele şi subsistemele sunt sintetizate în cadrul sistemului global într-un mod similar. - evaluarea este considerată prin intermediul determinării gradului de realizare a condiţiilor impuse în cadrul specificaţiilor stabilite în faza de definire a problemei. Această evaluare necesită deseori fabricarea şi testarea unui model prototip pentru a se obţine date privind performanţele, calitatea, rentabilitatea sau privind alte criterii; - prezentarea este faza finală a proiectului şi include documentaţia necesară proiectului şi anume desene de execuţie, specificaţii de materiale, liste de piese etc.

2 Procesul de proiectare care este efectuat asistat de calculator are în principiu aceleaşi etape dar acestea pot fi redefinite astfel: - recunoaşterea nevoilor; - definirea problemei; - generarea modelului; - analiza; - revizia proiectului şi reevaluarea acestuia; - desenarea automată. 2.2. Conceptul de CAD CAD- Computer Aided Drawing- Desenarea Asistată de Calculator CAD- Computer Aided Design- Proiectarea Asistată de Calculator CADD- Computer Aided Design and Drawing- Proiectarea şi Desenarea Asistată de Calculator În literatura anglo-saxonă această aparentă confuzie este exploatată, pentru a evidenţia permanent legătura indisolubilă care există în inginerie între proiectare şi desenare. Când este nevoie să se evidenţieze cele două componente ale ingineriei, cea de proiectare şi cea de desenare se utilizează uneori termenul de CADD. CAD-ul este în prezent o industrie de miliarde de dolari care cuprinde firme producătoare de software, distribuitori, grupuri de cercetare-dezvoltare, organizaţii de standardizare, centre de instruire şi învăţământ, edituri, producători de echipamente şi servicii speciale speciale. Numai în SUA, în anul 2000, piaţa produselor software şi a serviciilor asociate, cu aplicaţii doar în domeniul mecanic a depăşit 5,5 miliarde dolari. Conceptul de CAD trebuie înţeles în contextul mai larg al ciclului de viaţă al unui produs sau serviciu: - cercetarea, inovarea şi concepţia; aceste etape informatizate au generat domeniul COMPUTED AIDED ENGINEERING- CAE şi care se referă nu numai la simularea asistată de calculator a sistemelor continui sau discrete ( caracterizate de sisteme de ecuaţii diferenţiale ordinare sau cu diferenţe finite ) ci şi la modelarea corpurilor şi câmpurilor ( prin tehnici de tip FINITE ELEMENT METHOD/FINITE ELEMENT ANALYSIS sau altele similare ) utilizate în rezolvarea ecuaţiilor cu derivate parţiale, întâlnite în mecanică, rezistenţă, mecanica fluidelor termotehnică etc.; - proiectarea şi devoltarea de produse şi tehnologii, bazată în principal pe CAD; - realizarea de prototipuri şi produse de serie, care prin informatizare au generat domeniul COMPUTER AIDED MANUFACTURING- CAM. în urma unui proces de standardizare ( DRAWING EXCHANGE AND INTEROPERABILITY ) atât sistemele complexe cât şi părţile lor, componente relativ simple tind să fie descrise într-un limbaj informatic unic, ceea ce determină tendinţa ca cele trei abordări CAE/CAD/CAM să se integreze în una unică numită COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING- CIM. 2.3. Categorii de pachete de programe CAD Proiectarea şi desenarea asistată de calculator, în sensul cel mai larg ( CAD ), se realizează cu programe de calculator care se pot clasifica în următoarele categorii de aplicaţii:

3 -

modelare geometrică şi desenare asistată de calculator, de exemplu AutoCAD, Turbocad, KeyCAD, DesignCAD, solid Works, etc.;

-

probleme generale de calcul mecanic, utile mai ales în ingineria asistată CAE, de exemplu Matlab, Matematica, MathCAD, etc.; modelare numerică cu element finit, sau cu funcţii similare dedicate rezolvării ecuaţiilor cu derivate parţiale, utilizate în proiectarea integrată, de exemplu ANSYS, COSMOS, NASTRAN,etc.; aplicaţii orientate spre un domeniu particular, de exemplu PipeCAD- proiectarea instalaţiilor, AeroCAD- proiectarea construcţiilor aeronautice, ArhiCAD- proiectarea arhitectonică, etc.; sisteme integrate de aplicaţii, cu grad de integrare a componentelor CAE/CAD/CAM mai mare sau mai mic, de exemplu I-DEAS, CATIA, EUCLID, ProEngineer, SAAP, etc.

-

-

-

2.4. Producători şi produse CAD Dintre cele mai cunoscute produse CAD menţionăm: 1. Autodesk, produce programul AutoCAD dar şi alte aproape 40 produse complementare; 2. Bentley System, produsul de bază este MicroStation; 3. Parametric Tehnology, care produce CADDS şi Pro/Engineer. CADDS este dedicat automatizării proiectării mecanice cu utilizare în proiecte mari. Pro/Engineer este un editor CAD 2D/3D care permite schimbul de date cu mai multe alte programe; 4. SolidWorks prezintă un sistem de proiectare mecanică şi de modelare a solidelor; 5. CATIA este un mediu software integrat de instrumente inginereşti CAD/CAM produs de Dassault Systems; 6. I-DEAS ( Integrated Design Engineering Analysis Software ), este o suită de de instrumente CAD/CAM/CAE integrate şi destinate automatizării proiectării mecanice. Statistica preferinţelor, după unii autori este: AutoCAD 55,51%; Pro/Engineer 13,2%; SolidWorks 10,24%; Catia 7,32%; Alte programe 13,32%. 3. Metoda elementului finit 3.1. Principiul metodei elementului finit Analiza cu elemente finite este o tehnică numerică bazată pe computer pentru calculul rezistenţei şi a comportării structurilor inginereşti. Poate fi utilizată penru calculul rotaţiilor, tensiunilor, vibraţiilor, a comportării la flambaj şi alte multe fenomene. Poate fi utilizată pentru analiza atât a deformaţiilor mici cât şi a acelor mari atât sub sarcini cât şi sub deplasări aplicate. Pot fi analizate atât deformaţii elastice cât şi deformaţii plastice permanente. Calculatorul este necesar deoarece este necesar un număr astronomic de calcule necesare pentru a analiza o structură relativ mare. În metoda elementelor finite, o structură este împărţită în foarte multe blocuri mici sau elemente. Comportarea unui element individual poate fi descrisă cu un set relativ simplu de ecuaţii. Tocmai deoarece setul de elemente va fi legat împreună pentru a construi structura întreagă, ecuaţiile care descriu comportarea elementelor individuale sunt legate într-un set extrem de mare de ecuaţii care descriu comportarea structurii. Calculatorul poate rezolva un număr imens de ecuaţii simultane. Din soluţie, computerul extrage comportarea fiecărui element individual. Mai departe se pot obţine tensiunile şi deformaţiile tuturor părţilor structurii. Tensiunile pot fi comparate cu

4 valorile admisibile ale tensiunilor pentru materialul utilizat, pentru a vedea dacă structura este destul de rezistentă. Metoda este diferită de metoda ecuaţiilor cu diferenţe finite. În general, o soluţionare a unei probleme cu ajutorul metodei elementului finit poate fi realizată urmărind trei etape. Aceste etape sunt generale şi se pot întâlni în toate programele de acet tip: - Preprocesarea: definirea problemei; principalele etape în preprocesare sunt: - definirea punctelor/liniilor/ariilor/volumelor; - definirea tipurilor de elemete şi a proprietăţilor de material şi geometrice; - divizarea liniilor/ariilor/volumelor după necesităţi; Cantitatea de detalii necesare va depinde de dimensionalitatea analizei ( adică 1D, 2D, axial simetrică, 3D). - Rezolvarea: repartizarea sarcinilor, constrângerilor şi rezolvarea; aici se specifică sarcinile (punctuale sau de presiune), constrângerile şi în final rezolvarea setului de ecuaţii. - Postprocesarea: procesarea ulterioară şi vizualizarea rezultatelor; în acest stadiu se pot obţine: - Lista deplasărilor nodale; - Forţele şi momentele din elemente; - Trasarea deplasărilor; - Diagramele de contur a tensiunilor; Metoda elementului finit este o metodă aproximativă şi, în general, acurateţea soluţiei creşte cu numărul de elemente utilizate. Numărul de elemente necesare pentru un model corect depinde de problemă şi de rezultatele specifice pe care le dorim de la acesta. Astfel, în scopul de a analiza acurateţea rezultatelor pentru o singură rulare a metodei elementului finit, este necesar să se crească numărul de elemente dintr-un obiect sau zonă a obiectului şi să se vadă modificarea de rezultate. 3.2. Limitele metodei elementului finit Metoda elementului finit este o metodă foarte versatilă şi totodată puternică şi poate fi utilă proiectanţilor pentru a obţine informaţii privind comportarea structurilor complicate cu cele mai arbitrare solicitări. În scopul un avantaje semnificative care au fost făcute posibile prin dezvoltarea metodei, rezultatele obţinute trebuie examinate cu marte atenţie înainte de a fi utilizate. Cea mai semnificativă limitare a metodei elementului finit este acurateţea de a obţine soluţii; acesrea sunt în mod uzual o funcţie de rezoluţia divizării în elemente finite. Orice regiune de tensiuni înalt concentrate, ca de exemplu în jurul sarcinilor punctuale şi a suporţilor, trebuie să fie cu atenţie analizată prin utilizarea unei divizări suficient de fine. Pe lângă aceasta, există unele probleme care prezintă singularităţi inerente ( tensiunile sunt teoretic infinite ). Un efort special trebuie făcut pentru a analiza aceste probleme. Obţinerea soluţiilor prin metoda cu element finit necesită adesea spaţii substanţiale de memorie şi timp de rulare pe computer. În proiectarea la oboseală, conform Curent Industrial Practices for Pressure Equipment Design Against Fatigue, Pressure Component, Fatigue Design, Final Report, utilizatorii de programe cu element finit au următoarele preferinţe: Ansys- 41% ; Abaqus- 13% ; FE-PIPE- 8% ; Cosmos3% ; CADSAP- 3% ; Alte programe- 32% ( nici un alt program nu depăşeşte 5% ). 4. Prezentarea Directivei Comunităţii Europene 23/1997 referitoare la echipamentul sub presiune

5 4.1. Scopul directivei PED 97/23/EC Directiva Parlamentului European privind Echipamentele sub Presiune, PED 97/23/EC, introduce un sistem nou necesar pentru a armoniza regulile naţionale existente în fiecare stat european membru. Directiva controlează proiectarea, fabricaţia, testarea şi certificarea echipamentelor sub presiune care vor fi plasate pe piaţa europeană. Scopul directivei este de a desfiinţa barierele tehnice al schimbului de mărfuri. Pentru a fi apt de a apărea pe piaţa europeană, echipamentul sub presiune trebuie să îndeplinească cerinţele Directivei. Directiva acoperă un domeniu larg de echipamente sub presiune ca e exemplu: vasele de reacţie; containere de stocare sub presiune;schimbătoare de căldură;ţevărie industrială;învelişurile şi ţevile cazanelor de abur;dispozitive de siguranţă;accesorii de presiune. Sunt câteva excluderi care sunt cuprinse în alte convenţii internaţionale sau alte directive ale CE. Directiva acoperă echipamentul de presiune şi ansamblurile care funcţionează la o presiune mai mare de 0,5 bari, în funcţie de mediul de presiune şi cu o serie de limitări legate de produsul presiune cu volumul incintei. Echipament sub presiune înseamnă vase, ţevi, accesorii de siguranţă şi de presiune. Ansamblurile înseamnă câteva piese ale echipamentului sub presiune unite într-o formă integrală funcţionând ca un întreg. 4.2. Metodele de calcul Metodele de calcul recomandate de directiva europeană sunt bazate pe: a) presiunea conţinută şi alte aspecte legate de încărcare Tensiunile admisibile pentru echipamentul de presiune trebuie să fie limitate având în vedere tipul de deteriorare şi condiţiile de operare. La sfârşit, factorul de siguranţă trebuie să fie aplicat pentru a elimina în întregime orice incertitudine care se poate naşte în legătură cu fabricaţia, condiţiile reale de operare, tensiuni, modele de calcul, proprietăţile şi comportarea materialului. Aceste cerinţe se pot fi îndeplinite prin aplicarea uneia din următoarele metode, cea mai potrivită, dacă este necesar ca un supliment sau o combinaţie cu alte metode: - proiectarea prin formule; - proiectarea prin analiză; - proiectarea prin mecanica ruperii. Procedurile de proiectare prin analiză nu specifică metode particulare: acestea sunt lăsate la îndemâna proiectantului pentru a alege tehnica pe care o sinte ca fiind cea mai potrivită.Analiza discontinuităţii învelişurilor a fost prima metodă şi a fost utilizată de proiectant din cele mai vechi timpuri, analiză prin care tensiunile pot fi uşor categorisite în termenii de tensiuni de înveliş de tip membrană sau încovoiere. Tehnicile de analiză s-au dezvoltat şi deşi metoda discontonuităţii învelişurilor este încă foarte des utilizată în analiza structurală este din ce în ce mai mult înlocuită de metode bazate pe utilizarea calculatorului. Cea mai des utilizată tehnică în proiectarea contemporană a vaselor sub presiune este matoda elementului finit, o tehnică puternică care permite modelarea detaliată a vaselor complexe. b) tensiunea Calculele de proiectare potrivite trebuie să stabilească rezistenţa echipamentului de presiune. În particular: - presiunea de calcul trebuie să nu fie mai mică decât maximul presiunii admise şi ţine seama de starea statică şi dinamică şi de descompunerea fluidelor instabile. Când vasul este separat în camere individuale care conţin presiunea, peretele despărţitor trebuie să fie proiectat pe baza celei mai mari presiuni posibile faţă de cea mai mică presiune posibilă în camera adiacentă; - temperaturile de calcul trebuie să permită limite potrivite;

6 -

proiectarea trebuie să ţină seama de toate combinaţiile posibile de temperatură şi presiune care pot fi prevăzute în condiţii rezonabile de operare a echipamentului; tensiunile maxime şi vârful concentratorului de tensiune trebuie să fie păstrat în limitele de siguranţă; calculul presiunii conţinută trebuie să utilizeze valori potrivite pentru proprietăţile de material, bazate pe date documentate, având în vedere factorii de siguranţă potriviţi.