Automobilska industrija

Danas je skoro nezamislivo obavljati bilo kakav inženjerski posao bez pomoći računara. Kompjuteri, međutim, nisu svemoćne sprave koje mogu lako da zamene čoveka, ali zato višestruko ubrzavaju složene radnje projektovanja

Proces projektovanja i proizvodnje motora s unutrašnjim sagorevanjem (SUS) danas ne može ni početi bez adekvatne verifikacije ideje, prve i najvažnije etape u ovom poslu. Savremeni motori uglavnom se izrađuju usavršavanjem postojećih, to jest osavremenjavanjem starijih rešenja pomoću softverskih alata. Prvi korak je gradnja tzv. ispitivačkog monocilindra, reprezentativa koji služi za dobijanje parametara budućeg motora. Dobijeni parametri unose se u odgovarajući softver koji kroz kompleksan matematički model oponaša složene fizičko-hemijske procese u motoru. Tako konstruisani monocilindri docnije se, poput kockica, slažu u motor. Ovakav koncept značajno pojeftinjuje proces testiranja, jer je, na primer, isplativije napraviti osam različitih glava za jedan monocilindar nego isti broj glava za jedan šestocilindar. Kada se tako konstruisan motor stavi u pogon, prikupljaju se parametri rada monocilindra (indiciranje motora) na osnovu kojih se razvija matematički model koji se dalje obrađuje na računaru.

Matematički modeli motora izrađuju se na osnovu zakonitosti termodinamike, mehanike fluida, hemijske kinetike i drugih nauka. U zavisnosti od tipa motora na kome se radi (dvotaktni, četvorotaktni, sporohodni, brzohodni, dizel, oto-motor i sl.) bira se odgovarajući softver u kom će se oponašati rad tog motora. Takav softver je izuzetno kompleksan jer sadrži znanja i iskustva sakupljana tokom više od jednog veka, pomoću kojih se inženjeri trude da što vernije oslikaju rad motora kroz matematičke formule. Danas se najviše koriste programi Boost kompanije „AVL” (www.avl.com) i Wave kompanije „Ricardo” (www.ricardo.com). Pojedini veliki proizvođači motora kao što su BMW, „General Motors” ili „Mercedes-Benz”, u nekim etapama rada koriste sopstvene softverske alate za ispitivanje i simuliranje fenomena koji se odvijaju u motoru i drugim podsistemima. Na primer, izduvni sistem (popularno nazvan auspuh), iako se naizgled ne čini previše složenim, nije ni malo lak problem za proračun oblika, dužine, buke, toksične emisije, prigušenja ili snage. Izduvni sistem mora da zadovolji brojne standarde, a pri projektovanju treba voditi računa o bukvalno svakoj krivini, suženju ili prepreci koje dovode do narušavanja strujne slike, kao i o fizičkim osobinama gasova (temperaturi i pritisku) od kojih zavisi efikasnost izduvnog sistema. Ovako komplikovane proračune danas je gotovo nemoguće raditi bez pomoći kompjutera, čiji brz razvoj konstruktorima omogućuje da koriste sve kompleksnije formule i načine gotovo idealan model.

Virtuelni motor

Imajući u vidu da se većina procesa i pojava u motoru može modelirati i proračunavati pomoću kompjutera, da se motorski delovi mogu „izraditi” na računaru i da sam rad motora tj. njegovih sklopova i podsklopova može biti uspešno simuliran na računaru, dolazimo i do koncepta „virtuelnog” motora. Pod tim se podrazumeva mogućnosti da se motor napravi, simulira i testira na računaru pre bilo kakve izrade realnih prototipova i njihovog ispitivanja.

Programi za projektovanje motora mogu se grubo podeliti u dve velike grupe. Prvu čine programi za termodinamički proračun, a drugu programi za mehanički proračun.

Budući da je SUS motor u biti toplotna mašina koja hemijsku energiju goriva procesom sagorevanja pretvara u toplotnu energiju, a deo ove energije pretvara se u koristan rad, projektovanje motora mora početi od termodinamičkog proračuna. Ovaj softver, pored toga što se bavi hemijskim procesima sagorevanja i procesima prenosa i razmene toplote, proračunava i strujanje gasa na ulazu u radni prostor, u njegovoj unutrašnjosti i na izlazu. Programi prikazuju temperaturu gasa u toku rada virtuelnog motora, kao i pretpostavke temperatura kojima podležu pojedini mehanički delovi motora. Sem temperatura prikazuje se i strujna slika u radnom prostoru, odnosno na njegovom ulazu i izlazu. Tako je konstruktor u mogućnosti da prati tok temperature, pritisaka i brzina strujanja gasa i da raznovrsnim intervencijama na virtuelnom motoru vrši njegovu optimizaciju. Od kolikog je značaja računar u ovom poslu ilustruje podatak da jedan radni ciklus nekih sporohodnih motora, na primer brodskog, traje 400 milisekundi, dok taj ciklus kod motora bolida Formule 1 traje jedva 7 hiljaditih delova sekunde.

Ovakve pojave mogu da se vide na realnom modelu, ali je za to potrebna izuzetno skupa video-oprema koja u većini slučajeva ne pruža toliko detalja kao računarska simulacija.

Termodinamički proračun motora oslanja se na već pomenute matematičke modele termodinamike, pretočene u složene aritmetičke jednačine, koje omogućavaju praćenje procesa u motoru, u vremenu i prostoru. Prostorna analiza se ostvaruje kroz programe koji prikazuju pritisak i temperaturu tokom radnog ciklusa na raznim mestima, u ravni ili u prostoru. Ravanski proračuni su daleko jednostavniji i hardverski nisu previše zahtevni, dok se za detaljnija razmatranja koriste 3D modeli, pošto daju mnogo bogatiju sliku zbivanja unutar motora, čime olakšavaju dimenzionisanje i izbor konstrukcijskog rešenja.

Vratimo se za trenutak na monocilindar. Kada se odrede parametri motora u odabranom modelu i dobiju približno iste vrednosti izlaznih veličina realnog monocilindra i simulacije iz računara, to označava da se konstrukcija motora kreće u željenom smeru. U sledećoj etapi desetine, pa i stotine sati troše se na podešavanje sitnijih elemenata, kako bi novi motor mogao konačno da zaživi u binarnom obliku, kao računarska simulacija. Ne treba naglašavati da ovaj proces konstruktorima višestruko olakšava posao „upeglavanja” motora.

Modeliranje delova motora

Kada se iz termodinamičkog proračuna dobiju dimenzije delova i sklopova, prelazi se na drugu grupu specijalizovanog softvera, u kojoj glavna uloga pripada programima za CAD (Computer Aided Design), u kojima se vrši prostorno modeliranje delova, podsklopova i sklopova. U ovim programskim paketima, koji rade na principu Bulovih (Bool) operacija, definišu se geometrijski oblici, kao i podaci o masi, težištu i drugim bitnim osobinama koji se koriste u daljem projektovanju delova. Bulove operacije su konstrukcije pomoću prostih geometrijskih tela, koja se koriste za modeliranje složenih objekata. Modeli mašinskih delova potom se mogu „uvući” u mehanički ili termodinamički proračun.

Najpoznatiji softver u ovoj oblasti je svakako „Autodeskov” AutoCAD, a široko se koriste i „PTC"-ov Pro/ENGINEER (ProE) i „Dasaultova” Catia. Za razliku od programa ProE i Catia, AutoCAD je u osnovi dvodimenzionalan program s dodatkom za 3D modeliranje, izuzetno je jednostavan za korišćenje i obično služi kao početna faza u računarskom opismenjavanju inženjera-konstruktora. Najčešće se koristi za prikaz 2D modela i crteža, a uz pomoć dodatnih aplikacija (modula) može da rešava ravanske i prostorne modele, ali ne tako uspešno kao druga prva dva pomenuta paketa.

Pro/ENGINEER je u osnovi, kao i Catia, predviđen za trodimenzionalno modeliranje. Ti programi predstavljaju revolucionarno rešenje u mašinskom dizajnu i zasnivaju se na parametarskoj, „feature – based” tehnologiji modeliranja čvrstim (solid) telima. Ovi paketi omogućavaju ne samo da se crtačka tabla zameni monitorom i mišem, već i da se sve to podigne na viši nivo. To znači da se čitava filozofija crtanja menja iz korena, deo se gradi (crta) onako kako bi se i obrađivao, što inženjerima omogućava do sada neviđenu lakoću korišćenja i fleksibilnost. Parametarski princip rada podrazumeva automatsku promenu oblika modela putem naročitih naredbi i opcija za upisivanje parametara (kota, na primer), kojima se proces modelovanja značajno skraćuje. Radionički 2D crteži se generišu iz 3D modela, određivanjem ravni preseka. Najzad, program omogućuje prirodno sklapanje modela i laku vizuelizaciju budućeg sklopa. ProE ima preko 150 modula za raznovrsne primene, što je još jedan razlog njegove velike popularnosti. Neki od tih modula omogućuju da se iz crteža na ekranu generiše niz komandi i koordinata za upravljačke jedinice CNC mašina (mašina sa kompjuterskom numeričkom kontrolom), koje su umrežene s projektantskim računarom i koje po tim instrukcijama izrađuju dati sklop.

Razumljivo, ovako kompleksan i usko specijalizovan softver ima odgovarajuću cenu, koju sebi mogu da priušte samo velike kompanije. Osnovni program za crtanje nije previše skup, ali dodatni moduli svakako jesu. Što se hardverske zahtevnosti tiče, ovi programi sasvim lepo rade i na računarima klase Pentium 2, s dovoljnom količinom radne i video memorije. Naravno, u savremenim inženjerskim pogonima uglavnom se koriste računari poslednje generacije.

Oživljavanje virtuelnog motora

Nakon što se iz termodinamičkog proračuna i prve faze modeliranja dobiju okvirne dimenzije i oblici motorskih delova, pristupa se temeljnom ispitivanju na više tipova neprezanja, koja tokom modeliranja daju sliku o preopterećenjima i mogućim razaranjima elemenata. Danas se koriste programi zasnovani na metodu konačnih elemenata (MKE). Suština je u tome da se trodimenzionalni modeli dele (mešuju) na veliki broj ćelija vrlo male zapremine, koji se potom povezuju sistemom jednačina. Ova metoda daje vrlo dobre rezultate ukoliko je primenjuje tim iskusnih inženjera, ali je definitivno nezamisliva bez pomoći računara. Naime, broj delića koji se analiziraju može dostići i stotine hiljada, pri čemu svaki od njih mora da ima najmanje četiri temena. To u zbiru daje astronomski broj koordinata, s kojima se ne bi izborio ni tim vrhunskih matematičara za čitav svoj vek.

Vreme potrebno za ove kompleksne proračune zavisi od dve komponente: složenosti matematičkog modela i brzine računara na kom se proračun radi. To vreme može biti rastegnuto i na više desetina ili stotina sati, zbog čega se za složenije modele moraju koristiti specijalizovane radne stanice, pa čak i superračunari koji izračunavaju više desetina milijardi računskih operacija u sekundi. Izlazni rezultati ovakvih programa su trodimenzionalne slike elemenata, koji su obojeni radi lakšeg tumačenja rezultata. To omogućuje vizuelizaciju kritičnih oblasti koncentracije napona, odnosno potencijalna mesta na kojima može doći do razaranja. Pri tom su mesta visokih koncentracija napona označena crvenom, a oblasti s manjim naprezanjem najčešće plavom bojom.

Sklapanje kockica

Iako su računari nezaobilazan alat u konstrukciji motora, glavno mesto i dalje pripada inženjerskom timu koji računare koriste kao veoma brze kalkulatore za izradu matematičkih modela. Na osnovu tih proračuna kompjuteri vrše komplikovane analize, rešavaju probleme u hodu i omogućuju laku promenu parametara rada motora, pri čemu štede i vreme i novac. Kada se motor pretvori u računarsku simulaciju, treba samo na pravi način „sklopiti kockice” i eksperimentisati sve dok se osnovna zamisao konstruktora ne pretvori u gotovo rešenje.

Ograničenja u primeni računara u ovoj oblasti mašinske industrije ipak postoje i ogledaju se u tome da su matematički modeli ipak prilično uprošćeni, tako da ne odgovaraju uvek realnim uslovima. Izvestan problem predstavlja i slabo poznavanje nekih fizičkih pojava, koje se ne mogu lako pretočiti u matematičke modele. Zbog toga je neophodna izrada eksperimentalnih motora na kojima se isprobavaju konstrukcijska rešenja dobijena u simulaciji i, ukoliko je potrebno, unose se ispravke u softverski model. Taj postupak se ponavlja sve dok se matematički (softverski) i fizički (realni) modeli ne poklope u svim režimima rada i tek tada se može nastaviti s konstrukcijom celokupnog motora. Naravno, ne treba zanemariti široke mogućnosti virtuelnog ispitivanja, čiji će značaj, kao i iskustvo inženjera, vremenom rasti.

Nikola JOVANOVIĆ