Conceptul de CAD prezentarea Directivei Comunitatii Europene 23/1997 referitoare la echipamentul sub presiune
Cursul îsi propune sa prezinte si sa conduca la însusirea de catre studenti a principalelor elemente si a celor mai utilizate programe necesare desfasurarii în bune conditii a unei activitati de proiectare asistata de calculator. Cursul este însotit de elemente practice care vor contribui la deprinderea cunostintelor necesare rezolvarii unor probleme diverse de proiectare. Cursul este structurat pe urnatoarele 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
Proiectarea asistata de calculator
Procesul de proiectare este un proces in general iterativ si care consta în mai multe faze. Unele din aceste faze pot fi mai accentuate sau mai diminuate în functie de tipul de proiect, si anume
recunoasterea nevoilor, aceasta poate fi identificarea unor deficicente la produsele deja proiectate, activitate efectuata de un inginer sau prin perceptia oportunitatii unui nou produs
definirea problemei, care este cuprinsa într-o specificatie a produsului care trebuie proiectat. Specificatia include caracteristicile fizice si functionale, cost, cantitate si performantele de operare
sinteza si analiza sunt relativ legate si cuprinse într-un proces iterativ. O anumita componenta sau un anumit subsistem al unui sistem cuprinzator este conceptualizata de proiectant, supusa analizei, înbunatatita prin procedura de analiza si reproiectata. Acest proces este repetat pâna ce proiectul a fost optimizat în cadrul constrângerilor impuse de proiectant. Componentele si subsistemele sunt sintetizate în cadrul sistemului global într-un mod similar.
evaluarea este considerata prin intermediul determinarii gradului de realizare a conditiilor impuse în cadrul specificatiilor stabilite în faza de definire a problemei. Aceasta evaluare necesita deseori fabricarea si testarea unui model prototip pentru a se obtine date privind performantele, calitatea, rentabilitatea sau privind alte criterii
prezentarea este faza finala a proiectului si include documentatia necesara proiectului si anume desene de executie, specificatii de materiale, liste de piese etc.
Procesul de proiectare care este efectuat asistat de calculator are în principiu aceleasi etape dar acestea pot fi redefinite astfel
recunoasterea nevoilor
definirea problemei
generarea modelului
analiza
revizia proiectului si reevaluarea acestuia
desenarea automata
CAD- Computer Aided Drawing- Desenarea Asistata de Calculator
CAD- Computer Aided Design- Proiectarea Asistata de Calculator
CADD- Computer Aided Design and Drawing- Proiectarea si Desenarea Asistata de Calculator
În literatura anglo-saxona aceasta aparenta confuzie este exploatata, pentru a evidentia permanent legatura indisolubila care exista în inginerie între proiectare si desenare. Când este nevoie sa se evidentieze cele doua componente ale ingineriei, cea de proiectare si cea de desenare se utilizeaza uneori termenul de CADD.
CAD-ul este în prezent o industrie de miliarde de dolari care cuprinde firme producatoare de software, distribuitori, grupuri de cercetare-dezvoltare, organizatii de standardizare, centre de instruire si învatamânt, edituri, producatori de echipamente si servicii speciale speciale.
Numai în SUA, în anul 2000, piata produselor software si a serviciilor asociate, cu aplicatii doar în domeniul mecanic a depasit 5,5 miliarde dolari.
Conceptul de CAD trebuie înteles în contextul mai larg al ciclului de viata al unui produs sau serviciu
cercetarea, inovarea si conceptia aceste etape informatizate au generat domeniul COMPUTED AIDED ENGINEERING- CAE si care se refera nu numai la simularea asistata de calculator a sistemelor continui sau discrete ( caracterizate de sisteme de ecuatii diferentiale ordinare sau cu diferente finite ) ci si la modelarea corpurilor si câmpurilor ( prin tehnici de tip FINITE ELEMENT METHOD/FINITE ELEMENT ANALYSIS sau altele similare ) utilizate în rezolvarea ecuatiilor cu derivate partiale, întâlnite în mecanica, rezistenta, mecanica fluidelor termotehnica etc.
proiectarea si devoltarea de produse si tehnologii, bazata în principal pe CAD
realizarea de prototipuri si 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 si partile lor, componente relativ simple tind sa fie descrise într-un limbaj informatic unic, ceea ce determina tendinta ca cele trei abordari CAE/CAD/CAM sa se integreze în una unica numita COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING- CIM.
Proiectarea si desenarea asistata de calculator, în sensul cel mai larg ( CAD ), se realizeaza cu programe de calculator care se pot clasifica în urmatoarele categorii de aplicatii
modelare geometrica si desenare asistata de calculator, de exemplu AutoCAD, Turbocad, KeyCAD, DesignCAD, solid Works, etc.
probleme generale de calcul mecanic, utile mai ales în ingineria asistata CAE, de exemplu Matlab, Matematica, MathCAD, etc.
modelare numerica cu element finit, sau cu functii similare dedicate rezolvarii ecuatiilor cu derivate partiale, utilizate în proiectarea integrata, de exemplu ANSYS, COSMOS, NASTRAN,etc.
aplicatii orientate spre un domeniu particular, de exemplu PipeCAD- proiectarea instalatiilor, AeroCAD- proiectarea constructiilor aeronautice, ArhiCAD- proiectarea arhitectonica, etc.
sisteme integrate de aplicatii, cu grad de integrare a componentelor CAE/CAD/CAM mai mare sau mai mic, de exemplu I-DEAS, CATIA, EUCLID, ProEngineer, SAAP, etc.
Dintre cele mai cunoscute produse CAD mentionam
Autodesk, produce programul AutoCAD dar si alte aproape 40 produse complementare
Bentley System, produsul de baza este MicroStation
Parametric Tehnology, care produce CADDS si Pro/Engineer. CADDS este dedicat automatizarii proiectarii mecanice cu utilizare în proiecte mari. Pro/Engineer este un editor CAD 2D/3D care permite schimbul de date cu mai multe alte programe
SolidWorks prezinta un sistem de proiectare mecanica si de modelare a solidelor
CATIA este un mediu software integrat de instrumente ingineresti CAD/CAM produs de Dassault Systems
I-DEAS ( Integrated Design Engineering
Analysis Software ), este o
Statistica preferintelor, dupa unii autori este AutoCAD 55,51% Pro/Engineer 13,2% SolidWorks 10,24% Catia 7,32% Alte programe 13,32%.
3.1. Principiul metodei elementului finit
Analiza cu elemente finite este o tehnica numerica bazata pe computer pentru calculul rezistentei si a comportarii structurilor ingineresti. Poate fi utilizata penru calculul rotatiilor, tensiunilor, vibratiilor, a comportarii la flambaj si alte multe fenomene. Poate fi utilizata pentru analiza atât a deformatiilor mici cât si a acelor mari atât sub sarcini cât si sub deplasari aplicate. Pot fi analizate atât deformatii elastice cât si deformatii plastice permanente. Calculatorul este necesar deoarece este necesar un numar astronomic de calcule necesare pentru a analiza o structura relativ mare.
În metoda elementelor finite, o structura este împartita în foarte multe blocuri mici sau elemente. Comportarea unui element individual poate fi descrisa cu un set relativ simplu de ecuatii. Tocmai deoarece setul de elemente va fi legat împreuna pentru a construi structura întreaga, ecuatiile care descriu comportarea elementelor individuale sunt legate într-un set extrem de mare de ecuatii care descriu comportarea structurii. Calculatorul poate rezolva un numar imens de ecuatii simultane. Din solutie, computerul extrage comportarea fiecarui element individual. Mai departe se pot obtine tensiunile si deformatiile tuturor partilor structurii. Tensiunile pot fi comparate cu valorile admisibile ale tensiunilor pentru materialul utilizat, pentru a vedea daca structura este destul de rezistenta. Metoda este diferita de metoda ecuatiilor cu diferente finite.
În general, o solutionare a unei probleme cu ajutorul metodei elementului finit poate fi realizata urmarind trei etape. Aceste etape sunt generale si 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 si a proprietatilor de material si geometrice
divizarea liniilor/ariilor/volumelor dupa necesitati
Cantitatea de detalii necesare va depinde de dimensionalitatea analizei ( adica 1D, 2D, axial simetrica, 3D).
Rezolvarea repartizarea sarcinilor, constrângerilor si rezolvarea aici se specifica sarcinile (punctuale sau de presiune), constrângerile si în final rezolvarea setului de ecuatii.
Postprocesarea procesarea ulterioara si vizualizarea rezultatelor în acest stadiu se pot obtine
Lista deplasarilor nodale
Fortele si momentele din elemente
Trasarea deplasarilor
Diagramele de contur a tensiunilor
Metoda elementului finit este o metoda aproximativa si, în general, acuratetea solutiei creste cu numarul de elemente utilizate. Numarul de elemente necesare pentru un model corect depinde de problema si de rezultatele specifice pe care le dorim de la acesta. Astfel, în scopul de a analiza acuratetea rezultatelor pentru o singura rulare a metodei elementului finit, este necesar sa se creasca numarul de elemente dintr-un obiect sau zona a obiectului si sa se vada modificarea de rezultate.
Metoda elementului finit este o metoda foarte versatila si totodata puternica si poate fi utila proiectantilor pentru a obtine informatii privind comportarea structurilor complicate cu cele mai arbitrare solicitari. În scopul un avantaje semnificative care au fost facute posibile prin dezvoltarea metodei, rezultatele obtinute trebuie examinate cu marte atentie înainte de a fi utilizate.
Cea mai semnificativa limitare a metodei elementului finit este acuratetea de a obtine solutii acesrea sunt în mod uzual o functie de rezolutia divizarii în elemente finite. Orice regiune de tensiuni înalt concentrate, ca de exemplu în jurul sarcinilor punctuale si a suportilor, trebuie sa fie cu atentie analizata prin utilizarea unei divizari suficient de fine. Pe lânga aceasta, exista unele probleme care prezinta singularitati inerente ( tensiunile sunt teoretic infinite ). Un efort special trebuie facut pentru a analiza aceste probleme.
Obtinerea solutiilor prin metoda cu element finit necesita adesea spatii substantiale de memorie si timp de rulare pe computer.
În proiectarea la oboseala, conform Curent Industrial Practices for Pressure Equipment Design Against Fatigue, Pressure Component, Fatigue Design, Final Report, utilizatorii de programe cu element finit au urmatoarele preferinte Ansys- 41% Abaqus- 13% FE-PIPE- 8% Cosmos- 3% CADSAP- 3% Alte programe- 32% ( nici un alt program nu depaseste 5% ).
4. Prezentarea Directivei Comunitatii Europene 23/1997 referitoare la echipamentul sub presiune
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 nationale existente în fiecare stat european membru. Directiva controleaza proiectarea, fabricatia, testarea si certificarea echipamentelor sub presiune care vor fi plasate pe piata europeana. Scopul directivei este de a desfiinta barierele tehnice al schimbului de marfuri. Pentru a fi apt de a aparea pe piata europeana, echipamentul sub presiune trebuie sa îndeplineasca cerintele Directivei.
Directiva acopera un domeniu larg de echipamente sub presiune ca e exemplu vasele de reactie containere de stocare sub presiune schimbatoare de caldura tevarie industriala învelisurile si tevile cazanelor de abur dispozitive de siguranta accesorii de presiune.
Sunt câteva excluderi care sunt cuprinse în alte conventii internationale sau alte directive ale CE.
Directiva acopera echipamentul de presiune si ansamblurile care functioneaza la o presiune mai mare de 0,5 bari, în functie de mediul de presiune si cu o serie de limitari legate de produsul presiune cu volumul incintei. Echipament sub presiune înseamna vase, tevi, accesorii de siguranta si de presiune. Ansamblurile înseamna câteva piese ale echipamentului sub presiune unite într-o forma integrala functionând ca un întreg.
Metodele de calcul recomandate de directiva europeana sunt bazate pe
a) presiunea continuta si alte aspecte legate de încarcare
Tensiunile admisibile pentru echipamentul de presiune trebuie sa fie limitate având în vedere tipul de deteriorare si conditiile de operare. La sfârsit, factorul de siguranta trebuie sa fie aplicat pentru a elimina în întregime orice incertitudine care se poate naste în legatura cu fabricatia, conditiile reale de operare, tensiuni, modele de calcul, proprietatile si comportarea materialului.
Aceste cerinte se pot fi îndeplinite prin aplicarea uneia din urmatoarele metode, cea mai potrivita, daca este necesar ca un supliment sau o combinatie cu alte metode
proiectarea prin formule
proiectarea prin analiza
proiectarea prin mecanica ruperii.
Procedurile de proiectare prin analiza nu specifica metode particulare acestea sunt lasate la îndemâna proiectantului pentru a alege tehnica pe care o sinte ca fiind cea mai potrivita.Analiza discontinuitatii învelisurilor a fost prima metoda si a fost utilizata de proiectant din cele mai vechi timpuri, analiza prin care tensiunile pot fi usor categorisite în termenii de tensiuni de învelis de tip membrana sau încovoiere. Tehnicile de analiza s-au dezvoltat si desi metoda discontonuitatii învelisurilor este înca foarte des utilizata în analiza structurala este din ce în ce mai mult înlocuita de metode bazate pe utilizarea calculatorului. Cea mai des utilizata tehnica în proiectarea contemporana a vaselor sub presiune este matoda elementului finit, o tehnica puternica care permite modelarea detaliata a vaselor complexe.
b) tensiunea
Calculele de proiectare potrivite trebuie sa stabileasca rezistenta echipamentului de presiune.
În particular
presiunea de calcul trebuie sa nu fie mai mica decât maximul presiunii admise si tine seama de starea statica si dinamica si de descompunerea fluidelor instabile. Când vasul este separat în camere individuale care contin presiunea, peretele despartitor trebuie sa fie proiectat pe baza celei mai mari presiuni posibile fata de cea mai mica presiune posibila în camera adiacenta
temperaturile de calcul trebuie sa permita limite potrivite
proiectarea trebuie sa tina seama de toate combinatiile posibile de temperatura si presiune care pot fi prevazute în conditii rezonabile de operare a echipamentului
tensiunile maxime si vârful concentratorului de tensiune trebuie sa fie pastrat în limitele de siguranta
calculul presiunii continuta trebuie sa utilizeze valori potrivite pentru proprietatile de material, bazate pe date documentate, având în vedere factorii de siguranta potriviti.
|
