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Análisis estructural y de fatiga: Ariens rediseña Gravely

En el post de hoy vemos el caso de Ariens,  donde a sus ingenieros se les encargó un análisis estructural y rediseño de su cortadora de césped comercial Gravely. Querían diseñar la segadora de la forma más eficiente posible para reducir los costes de fabricación y aumentar la eficiencia del combustible. La simulación sería necesaria para entregar una cortadora mejorada que cumpliera con estos objetivos a tiempo.

Los ingenieros de Ariens utilizaron Abaqus/CAE y fe-safe de Dassault Systèmes SIMULIA, junto con True-Load de Wolfstar Technologies, lo que permitió la eliminación de soldaduras, la reducción del número de piezas, la mejora de la vida útil a la fatiga y otras mejoras de diseño.

El análisis estructural y rediseño

El equipo comenzó examinando el modelo actual y encontrando áreas que podrían mejorarse, tales como geometría o espesor del material. Todas las partes del cortacésped fueron simuladas, el chasis principal, los tubos de bastidor, soportes transversales e inferiores para soportar los soportes del motor y las plataformas de asiento. En el marco, que estaba compuesto por 22 diferentes piezas de acero que fueron soldadas entre sí, fue donde se hicieron la mayoría de los cambios de diseño. “Una estructura fuerte el diseño es la clave para el control del ruido y la vibración, la durabilidad y el rendimiento. los costes generales de fabricación”, dice Weglarz.

La consolidación parcial del chasis fue vital para un rediseño exitoso. En primer lugar, una serie de soldaduras podrían eliminarse por completo. Ahora una sola pieza de acero podía realizar múltiples tareas sin la necesidad de tres o cuatro soportes para que se le suelde, dice Weglarz. Luego se diseñaron otras soldaduras fuera de las trayectorias de carga primaria, de modo que el metal padre de cada lado se hizo cargo de la carga y el papel de las soldaduras pasó a ser secundario. “Estos cambios de diseño aumentaron considerablemente la resistencia general de la estructura del bastidor”, dijo Weglarz.

Al final del proceso de rediseño, el nuevo marco tenía un 50%. menos piezas (11 en total) y su coste de fabricación es menor que el de su predecesor.

Construyendo el modelo, realizando simululaciones

Abaqus/CAE y fe-safe de SIMULIA, junto con True-Load de Wolfstar Technologies, fueron las principales herramientas de software utilizadas en el proceso deanálisis estructural y rediseño. El equipo de ingenieros se mostró satisfecho con el buen funcionamiento de los diferentes programas. “True-Load interactúa perfectamente con Abaqus”, dice Kobiske. “Toma los datos y escribe una macro para protegerlos. Entonces todo lo que tenemos que hacer es entrar en fe-safe y pulsar el botón de reproducción de macro y se configura todo el trabajo”.

Usando Abaqus/CAE, los ingenieros examinaron las tensiones alrededor de las soldaduras críticas del marco para predecir cualquier área de preocupación potencial. “Las capacidades de lectura y escritura desde y hacia Abaqus son lo que hace que sea tan fácil de usar. Puedes extraer fácilmente cualquier dato que necesite para obtener lo que está buscando”, dice Kobiske.

Se ejecutaron doce casos de carga estática lineal para tener en cuenta cada dirección de la carga que entra en el bastidor a través de las ruedas. Los resultados de la simulación se enviaron a True-Load para determinar donde colocar galgas extensométricas en la estructura para pruebas de campo. Se colocaron un total de 22 calibres en la segadora chasis.

Después de las pruebas de campo en una cortadora de césped real, los datos de la galga extensométrica se incorporaron de nuevo al modelo de Abaqus, mejorando la precisión de las simulaciones para una representación verdaderamente realista de las cargas que la cortadora de césped encontraría al cortar un césped. Con los modelos mucho mas fiables de Abaqus en la mano, el equipo de diseño podría entonces hacer mejoras al chasis que les ayudarían a lograr los objetivos “menos costoso y más fuertes” del proyecto de rediseño.

Y, ¿cómo predecir los efectos de muchos años de hierba en el bastidor de una cortadora de césped? Usando fe-safe para determinar la vida a la fatiga del componente.

“Normalmente ejecutamos fe-safe una vez para una iteración de diseño”, dice Weglarz. “Cada vez que hacemos un cambio en el diseño, volveremos a ejecutar fe-safe para ver la diferencia que hacen los cambios en el diseño. Las predicciones de vida de fe-safe nos ayudan a determinar las áreas de preocupación en la estructura que podemos abordar con ajustes posteriores”.

Después de su primera ronda de cambios de diseño, el bastidor mostró respuestas estructurales favorables y una mayor vida útil a la fatiga.

Ariens Abaqus fe-safe 4RealSim

Ahorro del tiempo usando los productos de SIMULIA

Antes de usar software de simulación, los ingenieros de Ariens habían invertido mucho más tiempo y dinero en pruebas de campo. “Nosotros hacíamos funcionar una máquina hasta que se rompía, construíamos otra y la hacíamos funcionar hasta que se rompía”, dice Weglarz. “Ahora que usamos la simulación, para el momento en que vamos a hacer un análisis estructural de un rediseño terminado, estamos seguros de que va a funcionar”. “Usamos nuestro tiempo mucho más eficazmente y somos extremadamente eficientes”, dice Kobiske. “Ahora podemos simular horas y horas de pruebas en una fracción de ese tiempo.”

Ayuda a la alta dirección a valorar la simulación

Cuando Weglarz se acercó inicialmente a la alta dirección con la propuesta de integrar las herramientas SIMULIA en el diseño en Ariens, se encontró con cierto escepticismo. Pero la visualización que Abaqus ofrece ayudó a cerrar la brecha, explicar por qué un diseño puede o no funcionar, en contraposición a la los resultados de una prueba física.

“Hay tantas cosas dentro del software que es extremadamente difícil intentar explicar todo lo que le está pasando a una persona sin conocimientos técnicos”, dice Weglarz. “Las ayudas visuales que vienen con la simulación son útiles para ilustrar todo lo que hemos hecho para validar un diseño antes de construirlo.”

Aunque las imágenes y animaciones son útiles para demostrar el poder de la simulación, la reducción de costes y tiempo es lo que realmente convenció a la alta dirección. “Al principio, la inversión en los paquetes de software parecía desalentadora”, dice Weglarz. “Pero después de sólo un año, la gerencia estaba viendo una reducción en el tiempo de desarrollo y un aumento en la eficiencia. Ellos han ya ha dicho que vale la pena invertir en los los programas de cálculo”

Y añade Kobiske, “El software claramente se paga por sí mismo.”

Promover la colaboracion entre diseñadores e ingenenieros

El uso de la cartera SIMULIA también fomenta una mayor comunicación entre los ingenieros y los diseñadores de productos de Ariens. La posibilidad de mostrar en pantalla las áreas de interés del equipo de diseño ayudó a los ingenieros a asesorar fácilmente sobre cómo rediseñar los componentes.

“Obtenemos un archivo STEP de nuestros diseñadores, lo miramos, lo analizamos y lo pasamos a través de fe-safe. A partir de ahí evaluamos las preocupaciones estructurales que surgen y hablamos con los diseñadores sobre de ellos. Realizan los cambios necesarios y dan un mejor servicio. diseño a nosotros”, dice Weglarz.

“Nosotros, los ingenieros, somos los tipos estructurales. No lo sabemos todo lo que se incluye en el envase y otros aspectos que el equipo de diseño es responsable. La representación visual de la análisis que hacemos nos ayudan a trabajar con ellos para entender tanto nuestros necesidades estructurales, así como sus limitaciones de embalaje”.

Explorar otras capacidades del porfolio de SIMULIA

Ariens planea continuar aprendiendo más sobre el poder del porfolio de SIMULIA y la implementación de nuevas herramientas y estrategias en su proceso de diseño. Están buscando expandirse más allá Abaqus y fe-safe para producir la próxima generación de productos para el cuidado del césped y parece que se centran en la topología. optimización.

Tosca, y también Isight, son dos programas que definitivamente somos interesados en adoptar”, dice Kobiske. “Para las generaciones futuras de cortadoras vamos a seguir mejorando nuestros diseños, haciéndolos más eficientes en el consumo de combustible y más fáciles de usar. Queremos continuar por este camino de innovación de productos”.

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