IOPTIMIZAREA SISTEMELOR MECANICE UTILIZÂND [626400]

SIMULAREA
IOPTIMIZAREA SISTEMELOR MECANICE UTILIZÂND
PLATFORM DE PROTOTIPARE VIRTUAL 
Ctlin ALEXANDRU

Universitatea "Transilvania" din Bra ov
Abstract :This paper puts out a lot of aspects regarding the simulation and the optimization of the mechanical
systems using virtual prototyping platform. Virtual prototyping is a software-based engineering discipline that entails modeling a mechanical system, simulating and visualizing its 3D motion behavior under real-world
operating conditions, and refining / optimizing the design through iterative design studies. The virtual
prototyping platform contains three types of software packages: CAD – to model the geometry of the
mechanical systems and perform simple motion studies, MBS – to analyze, simulate and optimize the
mechanical system, and FEA – to add component flexibility.
Cuvinte cheie :platform *de prototipare virtual *,analiz *,simulare, optimizare.

1. Introducere

"Singura cale de a reduce costurile itimpul de
fabrica ie const din eliminarea prototipurilor fizice,
prin realizarea de prototipuri virtuale" (Wayne
Hamman – director de produc ie ifabrica ie FORD
– Computer Integrated Manufacture and
Engineering, dec./ ian. 1995). Având ca "punct de
plecare" citatul anterior, lucrarea prezint oserie de
considera ii privind modelarea, simularea i
optimizarea sistemelor mecanice pe baza
prototipurilor virtuale create pe calculator.
Componentele, factorii definitori iavantajele
solu iei de prototipare virtual sunt descrise în
lucrare, al turi de un exemplu concret de prototipare.

2. Definirea 'iavantajele prototip rii virtuale

La început de mileniu III, utilizarea
calculatorului în cele mai diverse domenii de activitate a încetat de mult s mai fie o mod ,
devenind practic o necesitate. Înc din primele faze ale concep iei ipânla execu ia final aunui
anumit produs, calculatorul a înlocuit uneltele
clasice, punând la dispozi ie metode eficiente i
elegante de lucru. Se poate afirma f rteama de a
greicpaii uria ipecare omenirea i-a parcurs în
ultimele decenii se datoreaz în cea mai mare parte
asist rii de c tre calculator a întregii activit ii
economico – sociale.
În domeniul proiect rii isimul rii sistemelor
mecanice, o multitudine de programe, începând cu “popularele” limbaje de programe (FORTRAN,
BASIC, PASCAL, C .a.), continuând cu
programele de proiectare asistat (AUTOCAD,
CATIA, EUCLID, PROENGINEER .a.) i
ajungând la softurile performante de analiz i
simulare (ADAMS, PLEXUS, DYMES, SD-
EXACT .a.), respectiv de analiz cu element finit
(NASTRAN, PATRAN, COSMOS, ANSYS, NISA
.a.), sunt utilizate în prezent pe scar larg.
Adev rate prototipuri virtuale sunt create cu ajutorul
calculatorului, având în vedere ob inerea unor
produse care s corespund func ional cerin elor din
UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRA
OV
Catedra Design de Produs ' iRobotic 
Simpozionul na ional cu participare interna ional 
PRoiectarea ASIstatde Calculator
PRASIC'02
Vol. III – Design de Produs
7-8 Noiembrie
Braov,România
ISBN 973-635-076-2

ce în ce mai mari impuse de pia .Aceasta înseamn 
csimularea sistemelor mecanice merge pân la
modelarea fidel atât a componentelor sistemului cât
iacondi iilor de func ionare ale acestuia, ceea ce
permite testarea rapid anumeroase variante
geometrico-constructive, în vederea optimiz rii
sistemului mecanic. Astfel, se elimin omare parte
din etapa de testare experimental aprodusului,
proces scump iconsumator de timp.
Îmbun tirea dinamicii inova iilor este în
prezent unul dintre factorii cruciali ai pie ei. Este
aadar vital pentru o companie s scurteze ciclurile
de inova ie iîn acela itimp s realizeze cre terea
calit ii produselor ireducerea costurilor. Cre terea
continu acomplexit ii ivarietatea produselor,
simultan cu reducerea duratei ciclului de produc ie,
determin cereri mari pentru companii. Prototipurile
ofer variate posibilit ide a accelera procesul de
dezvoltare iaoptimiza factorii de calitate i
costurile. Totu i, o problem foarte important este
cproduc ia prototipurilor fizice este foarte scump 
imare consumatoare de timp.
Pe aceast direc ie, prototiparea virtual ofer 
avantaje deosebite. Prototiparea virtual este o
metod deavizualiza modele complexe ideale
îmbun ticomportamentul. Utilizarea prototipurilor
virtuale, în special în fazele precoce de dezvoltare
/proiectare a sistemelor mecanice, permite luarea
unei decizii de cost eficient, deoarece produc ia
costisitoare a prototipurilor fizice este astfel f cut
în mare parte inutil .Pe de alt parte, prototiparea
virtual ofer posibilit ipentru paralelizare i
globalizare, pentru c prototipurile virtuale nu sunt
limitate într-un singur loc, ci pot circula foarte rapid
pe re ele locale sau mondiale (a acu este
INTERNET-ul). Un alt avantaj deosebit al
prototipurilor virtuale este c ele nu sunt realizate
din materiale reale, rezultând costuri de realizare mult mai mici decât în cazul prototipurilor fizice.
Simularea prototipurilor virtuale permite o
interven ie timpurie, modificarea ioptimizarea
comportamentului sistemelor mecanice iconduce la
ocretere a variet ii de prototipuri. Prin intermediul
prototipurilor virtuale caracteristice produsului pot fi
uorverificate / testate o multitudine de solu ii
constructive pentru un sistem mecanic iastfel
timpul de dezvoltare poate fi redus semnificativ. În
plus, defectele privind fabricarea sau produsul
însu i, pot fi deja detectate în fazele precoce ale
dezvolt rii sistemului mecanic iastfel sunt
eliminate f rmari cheltuieli. Aceasta asigur 
posibilitatea de a porni (lansa) deja planificarea
produc iei într-un stadiu timpuriu.
Prototiparea virtual ofer posibilitatea de a
realiza aspecte specifice client de dezvoltare
timpurie a produsului, mai repede imai eficient, iastfel cre te considerabil capacitatea de
competitivitate a unei companii.
Prototiparea virtual este complementar la
CAD/CAM. Tehnicile CAD/CAM se concentreaz 
asupra model rii geometrice a componentelor i
ansamblurile statice de componente. Prototiparea
virtual permite simularea sistemului în ansamblu
(micarea componentelor cu respectarea celorlalte).
Softurile MBS pentru prototipare virtual sunt
cuplate cu modeloare geometrice, tocmai pentru a
asigura complementaritatea cu CAD/CAM (de exemplu, între ADAMS iPro/ENGINEER prin
modulul MECHANISM/Pro).
Pentru a simula mi carea (comportamentul)
sistemului mecanic, softul MBS de prototipare
virtual calculeaz automat for ele de reac iune din
fiecare articula ie, pentru fiecare interval de timp de-
alungul simul rii. Softul poate automat reforma
aceste date ca icondi ii dinamice de înc rcare
pentru intrarea în analiza cu element finit (FEA). Cu
softul FEA se calculeaz starea de tensiune a fiec rei
componente a sistemului. În plus, flexibilit ile /
rigidit ile calculele cu softul FEA pot fi importate
în softul MBS de prototipare virtual pentru a simula
cu exactitate comportamentul sistemului mecanic cu
componente flexibile (elastice). Pe aceast direc ie,
de exemplu, programul ADAMS accept conexiuni
cu softuri FEA foarte performante, precum ANSYS,
MSC/NASTRAN iCOSMOS/M.
Majoritatea sistemelor soft CAD/CAM au
module op ionale care ajut utilizatorul s modeleze
nu numai p ri(componente) sau configura ii de
sisteme statice, ci iansambluri în mi care (sisteme
mecanice). Aceste module permit conectarea
componentelor prin leg turi cuprinse într-o baz de
date specific iulterior simularea sistemului în 2D
sau 3D. Câteva astfel de pachete soft sunt: I-DEAS
Mechanism Design, UG Mechanisms, MSC/ARIES MEA, PDGS Mechanisms, ANSYS/ProFEA,
MECHANISM/Pro for Pro/ENGINEER .a.
Prototiparea virtual este definit decâiva
factori cheie [4]:

integrare: prototiparea virtual furnizeaz 
abilitatea de a lucra în mediul CAD pentru a modela
sisteme mecanice iarealiza studii simple de
micare, abilitatea de a transforma facil modele
geometrice între sistemul CAD iprototipurile
virtuale, abilitatea de a transforma solicit rile din
prototipare virtual în analiza cu element finit idea
înapoia flexibilit ile componentelor din FEA în
softul de prototiparea virtual ;

personalizare: prototiparea virtual permite
construirea de modele standard, care ofer 
proiectan ilor posibilitatea de a realiza teste virtuale
standard pe fiecare alternativ deproiectare pentru a
identifica varianta optim ;

parametrizare: prototiparea virtual permite
utilizatorilor s  construiasc  uor modele
parametrice de sisteme mecanice iapoi s fac
modific rile de proiectare care îmbun tesc
parametric întregul model;

optimizare: prototiparea virtual permite
utilizatorilor s realizeze studii de proiectare
experimental (proiectare de experimente) pentru a
înelege am nunit sensibilit ile de proiectare iale
elimina; totodat ,se asigur capacitatea de a g si o
configura ie optim desistem;

vizualizare: prototiparea virtual permite
vizualizarea rapid aefectelor modific rilor f cute
pe platforma prototipului virtual prin utilizarea de
render-uri rapide, anima ie în timp real isofisticate
tehnici de vizualizare (camere isurse de lumin 
multiple etc.); aceste facilit isunt importante atât
pentru interpretarea comportamentului sistemului
mecanic cât ipentru revederea proiect rii.
Un alt termen specific solu iei de prototipare
virtual este proiectarea de experimente. Aceasta
este o tehnic complementar de proiectare
optimal ,care const din rularea unui lot statistic
semnificativ de teste (sau simul ri pe calculator),
având în vedere determinarea sensibilit ilor i
punctelor de rezisten  ale proiect rii ivaria iilor de
fabrica ie. Aplicat împreun cu prototiparea
virtual ,proiectarea de experimente produce re eaua
permut rilor de simulare cerut pentru un
experiment complet. Prin astfel de loturi standard de
teste virtuale, fabrican ii pot dezvolta informa ii
(cunoa teri) suficient de riguroase despre
performan ele sistemului mecanic, evitând
prototipurile fizice superficiale.
Studiul de proiectare (proiectare parametric )
descrie abilitatea în programul de prototipare
virtual deaselecta o variabil deproiectare (de
exemplu, lungimea unei bare a sistemului mecanic),
a"întinde" acea variabil printr-un domeniu de
valori iapoi a simula comportamentul sistemului,
având în vedere identificarea sensibilit ilor
sistemului la aceste varia ii.
Pe baza celor anterior precizate, schema bloc a
platformei de prototipare virtual asistemelor
mecanice este prezentat  în figura 1.
Interconexiunile dintre pachetele soft care definesc
platforma (CAD, MBS iFEA) au fost descrise la
factorul "integrare".

3. Aplica 2ii ale solu 2iei de prototipare virtual 
Prototiparea virtual adevenit o metod foarte
important în proiectarea sistemelor mecanice, to i
produc torii de marc utilizând aceast solu ie în
activitatea de cercetare – proiectare. Dintre
domeniile de vârf în care prototiparea virtual i-a câtigat un rol deosebit se pot aminiti industria de
automobile, aerospa ialibiomecanic .
Marile companii produc toare de automobile
testeaz întregul automobil pe calculator, simulând o
varietate de situa ii de rulare (manevrare); de
asemenea, se utilizeaz calculatorul pentru a simula
rspunsul (comportamentul) pasagerilor la diverse
solicit ri. Dintre aplica iile specifice se pot puncta:
proiectarea suspensiei (prezicerea caracteristicilor
suspensiei, optimizarea suspensiei, analiza
încrcrilor, stabilirea anvelopelor pentru ro i);
dinamica vehiculelor (modelarea interac iunii ro i-
cale de rulare, simularea manevrelor uzuale,
simularea manevrelor de urgen ,prezicerea
stabilit ii vehiculului, prezicerea comportamentului
caroseriei la accelera ii, aprecierea durabilit ii);
sisteme de siguran  (simularea sistemului de
protec ie airbag, simularea accidentelor, proiectarea
mecanismului centurii de siguran ); ingineria
corpului automobilului (proiectarea u ilor,
încuietorilor, balamalelor, proiectarea mecanismului scaunelor iferestrelor, proiectarea plafonierei de
soare, perfec ionarea tergtorului de parbriz).
Dintre aplica iile specifice prototip rii virtuale în
industria aerospa ialse pot remarca: aeronave
(simularea dinamicii zborului, simularea dinamicii rotorului, proiectarea controlului hidraulic,
simularea ateriz rii, proiectarea sistemului de
încrcare, simularea sistemului de ejec ie a pilotului,
proiectarea mecanismelor articulate specifice,
simularea sistemului de ghidare, proiectarea u ilor i
trapelor); vehicule spa iale (dinamica sistemului de
lansare, simularea sistemului de ghidare, simularea
panourilor solare, simularea fenomenelor în
gravita ie redus inul,analiza impactului orbital).
În industria biomecanic ,prototiparea virtual se
aplic în: biomecanic ,ergonomie iechipament
medical (interac iunea om-ma in, analiza
confortului ezutului, proiectarea protezelor,
simularea mersului, studii de comportament
/protec ie a pasagerilor auto, reconstituirea
accidentelor, studii de ergonomie a locului de
munc ,proiectarea echipamentelor sportive,
optimizarea tehnicilor atletice); reconstituirea
evenimentelor iconsultan  în inginerie.

4. Exemplu de prototipare virtual 
Dintre aplica iile anterior precizate, în continuare
se va prezenta un exemplu concret de prototipare
virtual .Se va considera un sistem de tergere a
parbrizului automobilelor, obiectivul fiind acela de a
dimensiona corect componentele mecanismului
(bare, articula ii) imotorul de antrenare (tura ie,
putere), pe baza solict rilor pe care sistemul le
suport în func ionarea sa pe automobil.

Fig. 1

Mtergtorul de parbriz se monteaz ,deregul ,în
partea inferioar aparbrizului, întrucât unghiul de
tergere este mai mare, iar apa / z pada "m turat "
de perie nu se scurge pe suprafa atears ,ceea ce ar
înrutivizibilitatea. Pentru lucrarea de fa  s-a
considerat un sistem de tegere cu dou lamele
având acela isens de rota ie, la care mecanismul
conine din dou conture patrulater spa ial (fig. 2):
sistemul de comand (ABCF) de la motor la pârghia
stânga, respectiv sistemul de conexiune (FC 1DE) la
pârghia dreapta.
Modelul solid al sistemului, necesar în vederea
determin rii caracteristicilor masico – iner iale ale
corpurilor componente, s-a realizat prin utilizarea
softului CAD CATIA (fig. 3). Modelul geometric a
fost ulterior importat în softul de prototipare virtual 
utilizând formatul de fi ier IGES.
Prototipul virtual (fig. 4) a fost realizat cu softul
ADAMS, prin aplicarea asupra corpurilor a
constrângerilor iforelor care ac ioneaz în sistem.
Constrângerile din A, F iEsunt realizate prin
cuple de rota ie, în timp ce în B, C, C 1iDsunt
articula ii sferice.
Fig. 2

Sistemul de înc rcare exterioar cuprinde
momentul de antrenare la pârghia motor – 1 iforele
de frecare dintre lamele iparbriz, considerate
pentru regimul de func ionare uscat (coeficient de
frecare maxim).

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5

Prin analiza isimularea prototipului s-a
determinat comportamentul dinamic al sistemului de
tergere a parbrizului, exemplificat în figura 5 prin
forele de reac iune din articula ia pârghiei motor la
asiu (cupla de rota ie A).

Fig. 6 În figura 6 sunt redate dou cadre de simulare
grafic ,într-o pozi ie intermediar iîn pozi ia de
schimbare a sensului de rota ie a lamelelor (pozi ia
de parcare este redat în fig. 4). Prezentarea pe larg a
prototipului iinterpretarea comportamentului
acestuia vor face obiectul unei viitoare lucr ri.

5. Concluzii
Adev rate prototipuri virtuale de sisteme
mecanice pot fi realizate pe platforma softurilor
CAD, MBS iFEA, având în vedere reducerea la
minim a cheltuielilor care ar rezulta din conceperea
de prototipuri fizice, ca iaintervalului de timp
necesar test rilor preliminare. Este acesta un semnal,
dar iosolu ie, pentru industria româneasc ,în
tentativa de a identifica solu ii de ie ire din criza
financiar ideperforman  pecare o traverseaz .
Bibliografie

1. Alexandru, C. Simularea pe calculator a
sistemelor mecanice articulate. Ed. Lux Libris,
Braov, 2000.
2. ***DYMES – User’s Manual .EMRC, 1995.
3. *** EUCLID – Reference Manual .Matra
Datavision, 1999.
4. *** Getting Starting Using ADAMS 11 .
Mechanical Dynamics Inc., 2001.