Центр инновационных композитных материалов

Внедрение современных технологий создания композитных материалов

Composites Innovation Centre Manitoba Inc. (CIC) – ведущая некоммерческая организация, занимающаяся разработкой и коммерциализацией композитных материалов и технологий их производства. Центр CIC находится в Виннипеге, провинция Манитоба. В организации работают 26 человек, а ее производственные мощности занимают почти 2000 м2. В центре имеется лаборатория испытаний композитов и цех сборки опытных образцов, а также офисные помещения для автоматизированного проектирования и расчета конструкций.

Центр CIC был основан в 2003 году как совместный проект ряда промышленных предприятий. Финансирование частично предоставляется администрацией провинции Манитоба и правительством Канады, а также участниками промышленного альянса. Центр CIC оказывает разнообразные консультационные услуги, выполняет проектирование, расчеты, изготовление опытных образцов и промышленных партий деталей. Среди его крупнейших заказчиков – Boeing, Magellan Aerospace, Cormer Aerospace, Emteq Canada, Motor Coach Industries и New Flyer Industries.

Снижение выбросов парниковых газов благодаря облегчению конструкции

В условиях резкого роста цен на энергоносители и все более ужесточающихся экологических нормативов по снижению вредных выбросов автопроизводители рассматривают все новые варианты выполнения современных требований рынка. Одно из наиболее эффективных решений – снижение массы автомобиля. Более легкие машины расходуют меньше энергии, что непосредственно снижает расход топлива и выбросы диоксида углерода (химическая формула CO2) в атмосферу. «Проблема снижения массы заключается в том, чтобы вместе с массой не снизить прочность и жесткость конструкции, – рассказывает Эластэйр Комус (Alastair Komus), ведущий инженер сектора наземного транспорта в центре CIC. – Здесь лучше всего применять материалы с высоким соотношением прочности к массе – например, композиты».

Известная проектная фирма Motive Industries обратилась к Комусу и его сотрудникам за помощью в создании легкового автомобиля с кузовом из армированного пластика. Машина под названием Kestrel имеет алюминиевую раму и гибридную силовую установку. Центру CIC было поручено рассмотреть возможность применения при изготовлении кузова автомобиля таких экзотических волокон естественного происхождения, как лен и конопля.

Польза от интеграции СAD- и CAE-решений

До приобретения системы NX™, разработанной компанией Siemens PLM Software, инженеры центра CIC применяли множество различных средств создания геометрии и расчета композитных структур.

Хотя такая схема была работоспособной, подобное применение систем автоматизированного проектирования (CAD) и инженерного анализа (CAE) оказалось очень трудоемким и требовало множества повторных действий из-за отсутствия интеграции используемых систем. Инженерам центра CIC требовался более согласованный рабочий процесс, который бы привел к росту производительности. После оценки множества систем выбор был сделан в пользу решения NX благодаря наличию тесной интеграции между конструированием и расчетами. Комус поясняет: «Ранее мы использовали отдельную CAD-систему и систему для расчета методом конечных элементов. Когда требовалось изменить геометрию,нам приходилось делать это в CAD-системе, затем заново импортировать модель в систему КЭ-расчетов и проводить весь анализ заново. Это было крайне трудоемким делом».

При работе над проектом Kestrel целью было создать максимально легкие детали, но без ущерба прочности. Это требовало выполнения неоднократных циклов проектирования и расчетов, чтобы достичь тонкого баланса в конструкции всего автомобиля. Имеющаяся в NX отличная ассоциативная связь между создаваемой конструктором геометрией и расчетными моделями позволяет очень быстро передавать изменения из конструкторских моделей в модели для анализа, что устраняет необходимость в ручной переделке.

Больше вариантов за меньшее время

Модуль NX Laminate Composites был внедрен с целью создания и оптимизации вариантов укладки слоев в композитном материале. «При проектировании детали из композитов существует огромное количество вариантов ее изготовления, поэтому крайне необходим гибкий интерфейс для быстрого и удобного ввода множества параметров, – отмечает Комус. – Именно такой интерфейс реализован в модуле NX Laminate Composites. Эта система позволяет нам в полной мере выявить напряжения в каждом слое. Мы можем менять углы, способы укладки и материалы слоев, чтобы оптимизировать массу и другие характеристики конструкции».

Инженеры центра CIC по достоинству оценили интуитивно понятные, управляемые при помощи меню рабочие процессы ввода ключевых атрибутов слоев – способа укладки, температуры и параметров прочностных расчетов. Данная функциональность вместе с единым пользовательским интерфейсом конструирования и расчетов полностью изменила подходы к решению повседневных задач проектирования композитных конструкций. «В проекте автомобиля Kestrel мы исследовали свыше 50 вариантов укладки слоев при четырех различных видах нагрузки, – рассказывает Комус. – При ранее применявшихся системах это было бы невозможно».

Полное соответствие федеральным стандартам безопасности

Инженеры центра CIC провели в системе NX моделирование соответствия автомобиля федеральным стандартам безопасности. В частности, стандарт задает прочность крыши: она должна выдерживать статическую нагрузку, в 1,5 раза превышающую массу автомобиля. Кроме того, была выполнена проверка крепления ремня безопасности с целью выбора места его размещения, которое обеспечивало бы надежную фиксацию человека и в то же время отличалось высокой надежностью.

«Возможность выполнения подобных виртуальных испытаний в среде NX без необходимости экспорта данных в другую систему существенно экономит время», – отмечает Комус.

Рост производительности и достигнутые результаты говорят сами за себя

После внедрения системы NX инженеры центра CIC могут выполнять все более сложные проекты и проверять больше различных вариантов конструкции, а заказчики получают результат работ в рекордно короткие сроки. И при выборе из широкого ряда эскизных вариантов и при проверке и оптимизации глубоко проработанного проекта система NX служит единым интегрированным решением, выполняющим все эти задачи быстро и интуитивно понятно. Комус отмечает: «Переход на систему NX позволил нам реализовывать такие проекты по созданию и расчету изделий, которые ранее были бы невозможными. Эффективность проведения конструкторских изменений и оценки их характеристик резко возросла».

Использование NX помогло разработчикам в центре CIC добиться существенного сокращения массы без снижения показателей безопасности и долговечности автомобиля. Возможность оценки столь широкого спектра переменных в крайне сжатые сроки позволило применить в конструкции легкие композитные материалы с наполнителем из натуральных волокон. «Проанализировав 50 различных вариантов укладки, мы смогли снизить массу передней части корпуса с 109 до 64 кг – на 41%», – рассказывает Комус.

Внедрение NX в центре CIC привело к заметному росту производительности, чему в немалой степени способствовала поддержка компании MAYA – местного партнера компании Siemens PLM Software. Комус отмечает, что сотрудничество с компанией MAYA помогло центру CIC без промедления приступить к работе. «Компания MAYA – прекрасный партнер, – подчеркивает Комус. – Они помогли нам заполнить важнейший пробел в цепочке создания прибавочной стоимости».