仿真助家具檢測(cè)一臂之力

2017-05-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在獲得上市銷(xiāo)售的許可之前,所有消費(fèi)品都要經(jīng)歷設(shè)計(jì)、再設(shè)計(jì)、試樣以及測(cè)試的循環(huán)過(guò)程,以便保證產(chǎn)品達(dá)到零售標(biāo)準(zhǔn)。這背后凝結(jié)了研究人員、工程師和專(zhuān)家們大量的辛勤勞動(dòng)。為了滿(mǎn)足安全和質(zhì)量要求,制造商必須首先通過(guò)評(píng)估,來(lái)確保他們的產(chǎn)品能夠上架銷(xiāo)售。

例如,椅子銷(xiāo)售前必須通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試,包括確保它能承受人體體重、維持形狀不變,并且不會(huì)在特定條件下發(fā)生屈曲。在椅子的使用壽命中,它將要承受數(shù)千次的重復(fù)加載,還要保證不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂、破裂或彎折等問(wèn)題。

檢測(cè)機(jī)構(gòu)為設(shè)計(jì)人員減負(fù)

對(duì)需要進(jìn)行產(chǎn)品認(rèn)證的用戶(hù)而言,測(cè)試過(guò)程相當(dāng)昂貴又耗時(shí)。市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多獨(dú)立的評(píng)估機(jī)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“檢測(cè)機(jī)構(gòu)”)幫助椅子制造廠家減輕這方面的負(fù)擔(dān)。每年,他們都要測(cè)試數(shù)百把不同的椅子,如果設(shè)計(jì)不能滿(mǎn)足歐洲和美國(guó)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(EN、BS、ISO 和 ANSI 標(biāo)準(zhǔn)),椅子制造商不僅僅會(huì)感到失望,還要再花費(fèi)數(shù)千美元進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和再次測(cè)試。

為了減輕制造商的負(fù)擔(dān),一家檢測(cè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向 COSMOL 認(rèn)證咨詢(xún)機(jī)構(gòu) Continuum Blue 尋求幫助,希望能開(kāi)發(fā)一款數(shù)值仿真 App 來(lái)幫助客戶(hù)測(cè)試各種椅子設(shè)計(jì)。這樣,他們就能先通過(guò)虛擬測(cè)試來(lái)預(yù)判設(shè)計(jì)能否通過(guò)測(cè)試,之后再進(jìn)行物理試驗(yàn)。

“客戶(hù)希望了解我們能否為他們的檢測(cè)服務(wù)開(kāi)發(fā)一款專(zhuān)業(yè)的仿真 App?！盋ontinuum Blue 公司總監(jiān) Mark Yeoman博士說(shuō),“客戶(hù)可以遠(yuǎn)程登錄、上傳各種椅子設(shè)計(jì),并對(duì)每一款設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬測(cè)試。只有確定某款設(shè)計(jì)能通過(guò)虛擬測(cè)試后,他們才會(huì)開(kāi)始制造樣品并送交檢測(cè)機(jī)構(gòu)?！?

這種測(cè)試 App 需要具備多個(gè)功能,比如應(yīng)該加入質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);還需非常直觀,方便各設(shè)計(jì)階段的工程師和設(shè)計(jì)人員使用;還要足夠靈活,能夠支持測(cè)試各種椅子模型、形狀和材料。

仿真為加快家具評(píng)估鋪平道路

Yeoman 使用 COMSOL Multiphysics® 軟件開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)值模型,用來(lái)預(yù)測(cè)椅子對(duì)標(biāo)準(zhǔn)載荷測(cè)試的響應(yīng)。為了模擬物理測(cè)試環(huán)境,他在仿真中加入了椅子的幾何結(jié)構(gòu)、地板、用于固定椅腿的墊板、椅背的承載板以及椅面(見(jiàn)圖 1)。

圖 1. 椅子的測(cè)試設(shè)定及 Continuum Blue 的椅子幾何模型。

不論模擬哪款設(shè)計(jì),仿真分析最終都要回答這個(gè)問(wèn)題:“椅子是否會(huì)在規(guī)定的載荷下失效?”

“椅子需要經(jīng)受多方面的檢查?！盰eoman 談?wù)摰?“它必須在壽命期內(nèi)不會(huì)折斷,持續(xù)使用下無(wú)開(kāi)裂,椅子腿部不會(huì)過(guò)度彎曲、外撇,或下弓。如果椅腿與椅面相交的拐角處出現(xiàn)裂紋,椅子將無(wú)法通過(guò)測(cè)試?！?

根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量

“測(cè)試的第一部分是靜態(tài)載荷測(cè)試,查看椅子能否承受指定的最大載荷。”Yeoman 解釋說(shuō),“在 20 秒的周期內(nèi)對(duì)椅子進(jìn)行加載測(cè)試,最開(kāi)始向椅面加載,然后是椅背,模擬身材高大的人坐下然后靠在椅背上的情景。第二部分是疲勞分析,重復(fù)對(duì)椅子進(jìn)行數(shù)千次載荷的加載與卸載,相當(dāng)于椅子經(jīng)過(guò)多年使用后的情況?！?

Yeoman 的模型分析了椅子在人體坐下時(shí)的變形、機(jī)械應(yīng)力、最早以及最可能出現(xiàn)的失效點(diǎn)(見(jiàn)圖 2)。模型還評(píng)估了椅子、承載板與地板之間的接觸壓力,并預(yù)測(cè)了發(fā)生失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)(見(jiàn)圖 3)。

圖 2. 椅子中常發(fā)生失效的主要位置示意圖。
圖注:Permanent deformation & bending–永久變形與彎折;Surface cracking–表面破裂;Cracking along edges–沿邊角出現(xiàn)裂紋;Cracking where legs meet base–椅腿與椅面的交界出現(xiàn)裂紋;Permanent deformation &excessive bending–永久變形與過(guò)度彎折

圖 3. 仿真顯示了一把椅子在加載過(guò)程中的變形(左)、應(yīng)力(中)和接觸壓力(右)。

“大部分的模型設(shè)定都很簡(jiǎn)單。”他補(bǔ)充說(shuō),“結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料屬性與載荷參數(shù)都可以相對(duì)較快地在 COMSOL® 軟件中實(shí)現(xiàn)?！痹S多力學(xué)因素都會(huì)影響椅子能否通過(guò)測(cè)試,不過(guò)接觸研究最為復(fù)雜,Yeoman 解釋說(shuō):“接觸分析本身就很復(fù)雜;它高度依賴(lài)接觸表面的材料屬性、摩擦系數(shù),而且從本質(zhì)上講也是高度非線性的?！?

“因?yàn)榇嬖诙鄠€(gè)接觸點(diǎn),所以它其實(shí)是一個(gè)不穩(wěn)定的接觸問(wèn)題:椅腿與地板之間的四個(gè)接觸點(diǎn)、座椅與底部承載板之間的接觸點(diǎn),還有椅背與后承載板。”他繼續(xù)解釋道,“我們通過(guò)材料剛度、屈服應(yīng)力和摩擦系數(shù)來(lái)準(zhǔn)確定義接觸參數(shù)。”

簡(jiǎn)化并加快虛擬測(cè)試?

在完成 COMSOL 模型的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證后,Continuum Blue 團(tuán)隊(duì)開(kāi)始著手定制用戶(hù)界面,或稱(chēng) App,它支持用戶(hù)更改幾何輸入和參數(shù)、加載條件及材料屬性,支持快速對(duì)椅子設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬測(cè)試。

“我們用到了COMSOL Multiphysics中的 App 開(kāi)發(fā)器?！盰eoman 評(píng)論道。在 App 開(kāi)發(fā)器中,設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)輸入框、結(jié)果表單、按鈕、下拉選項(xiàng)和圖形對(duì) App 整體進(jìn)行設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)出的 App 運(yùn)行完整的仿真,即便用戶(hù)沒(méi)有任何工程或多物理場(chǎng)建模背景,也可以通過(guò)指定的輸入?yún)?shù)進(jìn)行仿真,而非底層的模型、物理場(chǎng),或其他分析。

“在我們?yōu)榭蛻?hù)開(kāi)發(fā)的測(cè)試 App 中,我們希望用戶(hù)能夠定義各種選項(xiàng),例如非線性材料。我們對(duì)所有的模型特征進(jìn)行了參數(shù)化,能夠?qū)⑺鼈兺耆溄拥?App 中,當(dāng)用戶(hù)更改參數(shù)時(shí),仿真將會(huì)同步更新。”

“在對(duì)椅子進(jìn)行加載時(shí),應(yīng)力會(huì)根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。如果出現(xiàn)永久塑性變形,將會(huì)被標(biāo)在椅子中的相關(guān)區(qū)域,告知用戶(hù)椅子正在發(fā)生屈服。如果應(yīng)力超過(guò)材料的拉伸強(qiáng)度,椅子將經(jīng)歷嚴(yán)重的材料失效,比如開(kāi)裂或斷裂。”Yeoman 說(shuō),“此時(shí) App 會(huì)自動(dòng)彈出一個(gè)窗口,提示應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)材料的拉伸強(qiáng)度,椅子未通過(guò)測(cè)試?！?

這正是滿(mǎn)足檢測(cè)機(jī)構(gòu)需求的一款 App,它支持椅子制造商和設(shè)計(jì)人員自行導(dǎo)入幾何、選擇材料、定義接觸與加載條件,并能根據(jù)測(cè)試要求查看結(jié)果,及時(shí)了解某個(gè)設(shè)計(jì)能否通過(guò)測(cè)試(見(jiàn)圖4)。

圖 4. Continuum Blue 的 App 界面,已剖分網(wǎng)格,用戶(hù)可按照設(shè)計(jì)需求調(diào)整輸入項(xiàng)。

通過(guò)在本地安裝的COMSOL Server?產(chǎn)品,Yeoman 還能將 App 分發(fā)給不同用戶(hù),用戶(hù)可以登錄數(shù)據(jù)庫(kù)并啟動(dòng)特定的 App。之后,檢測(cè)機(jī)構(gòu)還會(huì)通過(guò)COMSOL Server 與他們的全球用戶(hù)分享測(cè)試 App。

“這些 App 極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員和測(cè)試工程師的工作,他們現(xiàn)在能夠在生產(chǎn)和物理測(cè)試之前更方便地評(píng)估椅子的性能?！盰eoman 說(shuō),“他們可以先對(duì)幾十個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬測(cè)試,確定哪一款設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了測(cè)試的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求,然后再對(duì)成功的設(shè)計(jì)進(jìn)行打樣和測(cè)試,這樣就省去了制造及測(cè)試物理樣機(jī)花費(fèi)的時(shí)間與費(fèi)用?！?

本文內(nèi)容來(lái)自 COMSOL

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