Лидер гонок NASCAR улучшает конструкции автомобилей на основе накопленного опыта

Пример внедрения: Hendrick Motorsports

Выявление механических причин поломок

Hendrick Motorsports – общеизвестный и очень успешный участник гонок NASCAR®. Комплекс зданий компании занимает территорию в 40 тыс. кв. м в Конкорде, шт. Северная Каролина. Hendrick Motorsports принадлежит заметное место в истории гонок NASCAR: команда десять раз становилась чемпионом в высшем дивизионе «Sprint Cup Series». Среди лучших гонщиков компании – Кейси Кейн, Джефф Гордон, Джимми Джонсон и Дэйл Эрнхард мл. Поддержку четырех команд, которые Hendrick Motorsports выставляет на гонки «Sprint Cup»,осуществляют 500 человек, работающих с самыми современными техническими средствами, включая системы поддержки жизненного цикла изделия (PLM) от компании Siemens PLM Software.

Несмотря на все усилия, прилагаемые при проектировании критически важных систем, отказы деталей и узлов – обычное явление в автоспорте. Тонкий баланс между максимальной скоростью (благодаря инновационной конструкции и снижению массы) и прочностью приводит к тому, что в гонке практически любая деталь работает на грани разрушения. Проверить же поведение всех узлов во всех возможных условиях эксплуатации просто нереально. Отказы и поломки в заездах на время, на тренировочных и зачетных кругах – обычное дело. Это особенно характерно для команд, которые стремятся достичь предела возможного и испытать новые идеи и подходы для достижения конкурентных преимуществ.

Hendrick Motorsports понимают, что поломки – неизбежная часть соревнований, но в компании обязательно извлекают уроки из каждого отказа: «Мы никогда не повторяем одну и ту же ошибку дважды», – говорит Джим Уолл (Jim Wall), руководитель по разработкам двигателей. Чтобы достичь этого, для проектирования изделий в компании Hendrick Motorsports применяется разработанная компанией Siemens PLM Software система NX™. Задачи автоматизированного проектирования (CAD) и инженерного анализа (CAE) решаются в системах NX CAD, NX CAE и NX Nastran®. Особо важную роль играет изучение отказавших деталей и узлов. Неизбежные поломки должны стать источниками полезной информации.

«Для нас крайне важна эффективная реализация замысла конструктора в реальных деталях, а комплекс решений NX поддерживает все аспекты этого процесса», – отмечает Уолл.

Чтобы выяснить причины отказа, специалисты сначала воссоздают аналитическую модель произошедшего и сравнивают ее поведение с поведением реальной детали. На основе такой модели выполняется полное перепроектирование детали, направленное на исключение повторных отказов при сохранении общего замысла конструктора. Такой подход позволяет создавать оригинальные и в то же время практичные решения, которые устраняют возникающие на гоночной трассе отказы.

Быстрое устранение проблем

Преимущество применения системы NX CAE заключается в том, что вносимые в конструкцию изменения сначала проверяются виртуально. Это позволяет в большинстве случаев не проводить натурные испытания опытных образцов и сэкономить массу времени. Кроме того, тесная интеграция модулей NX CAD и NX CAE ускоряет проверку различных вариантов проектных решений, так как вносимые изменения непосредственно передаются из геометрической CAD-модели в расчетную CAE-модель. Это особенно важно во время сезона соревнований, когда у команды есть считанные перед следующим стартом дни на устранение выявленных отказов.

«Наш цикл выпуска изделия может продолжаться всего три дня, – поясняет Уолл. – Если поломка произошла в воскресенье, мы должны предложить способ ее устранения, изготовить новые детали и модернизировать все машины до вечера среды – в этот день гоночные автомобили загружаются на трейлеры и отправляются на следующий заезд, проводимый в конце недели».

Перераспределение нагрузки

В ходе обычного осмотра задней подвески после гонки «Talladega 500» в мае 2012 г., скорости на которой превышали 320 км/ч, была выявлена пластическая деформация в задней поперечной балке, а также в пазе продольного рычага подвески (речь идет о необратимой деформации или растрескивании металла). «Мы были обеспокоены и решили проанализировать ситуацию в системе NX CAE, – говорит Чарлз Макдоналд (Charles MacDonald), инженер-конструктор отдела проектирования автомобилей. – С целью визуализации деформации была создана эталонная модель. Она также применялась для установления корреляции между поведением модели и реальной детали.

После проведения расчета мы использовали модель для разработки потенциальных решений, направленных на устранение выявленной деформации».

При помощи NX CAE удалось найти ряд наиболее перспективных вариантов устранения проблемы. Однако эти варианты обеспечивали только локальные улучшения, не решая задачу в целом. Поэтому мы от них отказались. Наконец, одна из предложенных идей дала многообещающие результаты.

«Мы решили добавить конический участок на упорной втулке, – рассказывает Макдоналд. – Мы выполнили моделирование втулки в NX и парой щелчков мыши обновили расчетную модель, прежде чем просчитать ее в системе NX Nastran. Результаты подтвердили, что конический участок перераспределил нагрузку так, что деформация более не возникала. Таким образом, решение было найдено. Мы быстро внедрили его на всех автомобилях и использовали до конца сезона».

Выявление причин отказов двигателей

Еще один пример анализа отказов и внесения изменений в конструкцию связан с клапанной пружиной двигателя – довольно безобидной деталью, которую обычно не подвергают тщательному исследованию. В то же время клапанные пружины являются критически важными составляющими газораспределительной системы двигателя. Циклы впуска и выпуска происходят с высокой частотой, поэтому пружины должны проектироваться и изготавливаться с учетом высоких усталостных нагрузок. В сезоне 2012 года в Hendrick Motorsports произошло несколько отказов двигателей, поэтому было крайне необходимо как можно быстрее выявить и устранить их причины.

«Как правило, конструкция пружины рассчитывается по простым формулам, учитывающим прилагаемые силы и напряжения в материале детали. Однако такие расчеты не позволяют выявить распределение этих напряжений, – отмечает Брайан Флек (Bryan Fleck), инженер-расчетчик компании Hendrick Motorsports. – С другой стороны, при использовании CAE-систем конструктор пружины может оценить напряжение в любой точке детали, что помогает в создании оптимальной конструкции».

При помощи решения NX CAE компания Hendrick Motorsports провела анализ изменения механических напряжений в пружине. «Использование средств численного моделирования в NX CAE позволило выявить деформации и места наибольших напряжений в материале пружины, – рассказывает Флек. – Это оказалось крайне важным и помогло нам переделать конструкцию пружин так, чтобы они не деформировались в циклах интенсивного нагружения, которые наши двигатели испытывают на трассе».

Повторный отказ недопустим

В компании Hendrick Motorsports уделяется особое внимание методике так называемого «прямого проектирования» деталей и узлов гоночных автомобилей. Цель – с нуля спроектировать наилучшую деталь, полностью устранив риск ее разрушения при обеспечении максимально возможных технических характеристик.

«За последнее десятилетие мы научились создавать оптимальные конструкции уже на этапе эскизного проектирования, – отмечает Уолл. - Мы применяем расчеты методом конечных элементов (МКЭ) в качестве основной методики проектирования, поэтому для улучшения конструкции детали нам не приходится испытывать ее до разрушения. Мы хотим создавать такие детали и узлы, благодаря которым наши команды смогут наилучшим образом проявить свои таланты на трассе».

Уверенность в правильности принимаемых проектных решений

Применение инженерного анализа на этапе проектирования позволяет компании Hendrick Motorsports создавать детали точно рассчитанного размера, отказавшись от практики утяжеления конструкций с целью предотвращения отказов. Благодаря этому удается понизить массу автомобиля. Работа в NX CAE помогает инженерам Hendrick Motorsports добиться идеального соотношения между прочностью детали и ее массой, достигая отличной надежности и высокого уровня технического совершенства, что нужно каждой гоночной команде.

Инструменты для победы

Внедрив систему NX CAE, компания Hendrick Motorsports стала очень быстро выявлять причины отказов и эффективно устранять их с первого раза. Длительные испытания опытных образцов и метод проб и ошибок были заменены на прямое проектирование на основе результатов расчетов. В итоге своевременно создаются детали и узлы с высокими характеристиками, что устраняет отказы на трассе и позволяет поддерживать традиции побед в гонках. В этом и состоит основная отдача от изучения опыта эксплуатации проектируемых изделий.

Enabling quick fixes

The benefit of the approach with NX CAE is that part fixes can be validated virtually, meaning that prototype testing can often be avoided, saving precious time. Additionally, the tight integration between NX CAD and NX CAE accelerates the evaluation of numerous solution proposals, as changes are pushed directly and seamlessly from the CAD part to the CAE model. This is particularly crucial during race season, when the team has mere days to react to a track failure before the next competition.

“Our product release cycle can be as short as three days,” explains Wall. “If we have a failure on Sunday, we’ve got to come up with a fix, produce parts and retrofit the fleet, usually before Wednesday night when the trucks get loaded with the race cars for next weekend’s event.”

Redistributing the load

During a routine post-race inspection of rear suspension parts after the Talladega 500 in May, 2012, a race that involved speeds up to and over 200 miles per hour (mph), yielding was observed on the rear housing saddle assembly as well as the trailing arm channel. (Yielding refers to the metal permanently deforming or cracking.)

“We were concerned and decided to investigate a solution with NX CAE,” says Charles MacDonald, a design engineer for vehicle engineering. “A baseline model was built to visualize the yielding, and this also served to correlate the model and the results against their physical counterparts. Once validated, we used the model in a predictive context to evaluate potential solutions to the yielding that was observed.”

Using NX CAE, a number of potential solution areas were identified for exploration. When these changes resulted in localized improvements, but not a complete problem resolution, they were eliminated as options. One idea that was proposed finally yielded promising results.

“We decided to try adding a cone shape to the crush sleeve,” explains MacDonald. “We modeled it up using NX and updated the CAE model with a few mouse clicks before using Simcenter Nastran to solve the model. Results proved that the cone shape helped redistribute the load sufficiently to prevent yielding. We had found our solution. This solution was rapidly adopted by the fleet for the remainder of the season.”

Unraveling the cause of engine failures

Another case of failure analysis and redesign involved engine valve springs, a rather innocuous component that is often not considered in detail. Valve springs are a critical component of an engine’s gas exchange system. Due to the high-cycle nature of engine intake and exhaust events, these components need to be designed and engineered for high-fatigue life. When Hendrick Motorsports had multiple engines fail during the course of the 2012 season, it was critical to identify the cause and resolve it as quickly as possible.

“Spring design is typically driven by basic equations that characterize forces and stresses internally to the part, but do not provide insight into the location of these stresses,” explains Bryan Fleck, engineering analyst at Hendrick Motorsports. “On the other hand, by using CAE tools, it is possible for a spring designer to assess the stress at any location within the spring, providing insight for future design.”

Using NX CAE, Hendrick Motorsports was able to examine the variation of stress throughout the spring coil.

“The use of NX CAE simulation tools was valuable in providing insight into the deformations and locations of stresses in a valve spring,” says Fleck. “It was this critical understanding that helped us re-engineer springs that wouldn’t fail during the punishing duty cycles that our engines are subjected to on the speedway.”

Repeated failure is not an option

Forward engineering of motorsports components is a major focus at Hendrick Motorsports. The objective is to design the best possible component from the start, taking failure risk out of the equation while maximizing performance potential.

“In the last decade we have been moving forward with a more optimal design from the concept stage,” says Wall. “We are using finite element analysis (FEA) as an upfront tool for the design so we don’t have to break the part before we improve it. We want to engineer components that allow our teams to showcase their talents to the best of their abilities.”

Designing with confidence

By focusing on forward-engineering parts with an analytical approach, Hendrick Motorsports is producing precisely engineered parts that help mitigate the practice of over designing parts to avoid failure. This keeps additional weight off the car. Use of NX CAE allows engineers at Hendrick Motorsports to better balance component strength with weight, getting them closer to the optimal marriage of durability and performance sought by every race team.

Providing the tools for victory

With NX CAE in place, Hendrick Motorsports is unraveling the causes of failures faster than ever, while developing effective, first-time-right fixes to these failures. An extensive prototype part testing and trial-and-error approach has been replaced by upfront, analysis-led design. The results are high-performing, forward-engineered components, timely solutions to track failures and a continuation of a winning tradition. That’s the reward for paying attention to lessons learned.