仿真助家具檢測一臂之力

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

在獲得上市銷售的許可之前,所有消費(fèi)品都要經(jīng)歷設(shè)計(jì)、再設(shè)計(jì)、試樣以及測試的循環(huán)過程,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、工程師和專家們大量的辛勤勞動(dòng)。為了滿足安全和質(zhì)量要求,制造商必須首先通過評估,來確保他們的產(chǎn)品能夠上架銷售。

例如,椅子銷售前必須通過嚴(yán)格的測試,包括確保它能承受人體體重、維持形狀不變,并且不會在特定條件下發(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,還要保證不會發(fā)生開裂、破裂或彎折等問題。

檢測機(jī)構(gòu)為設(shè)計(jì)人員減負(fù)

對需要進(jìn)行產(chǎn)品認(rèn)證的用戶而言,測試過程相當(dāng)昂貴又耗時(shí)。市場上出現(xiàn)了很多獨(dú)立的評估機(jī)構(gòu)(以下簡稱為“檢測機(jī)構(gòu)”)幫助椅子制造廠家減輕這方面的負(fù)擔(dān)。每年,他們都要測試數(shù)百把不同的椅子,如果設(shè)計(jì)不能滿足歐洲和美國的質(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)和再次測試。

為了減輕制造商的負(fù)擔(dān),一家檢測機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向 COSMOL 認(rèn)證咨詢機(jī)構(gòu) Continuum Blue 尋求幫助,希望能開發(fā)一款數(shù)值仿真 App 來幫助客戶測試各種椅子設(shè)計(jì)。這樣,他們就能先通過虛擬測試來預(yù)判設(shè)計(jì)能否通過測試,之后再進(jìn)行物理試驗(yàn)。

“客戶希望了解我們能否為他們的檢測服務(wù)開發(fā)一款專業(yè)的仿真 App。”Continuum Blue 公司總監(jiān) Mark Yeoman博士說,“客戶可以遠(yuǎn)程登錄、上傳各種椅子設(shè)計(jì),并對每一款設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬測試。只有確定某款設(shè)計(jì)能通過虛擬測試后,他們才會開始制造樣品并送交檢測機(jī)構(gòu)?！?

這種測試 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,能夠支持測試各種椅子模型、形狀和材料。

仿真為加快家具評估鋪平道路

Yeoman 使用 COMSOL Multiphysics® 軟件開發(fā)了一個(gè)數(shù)值模型,用來預(yù)測椅子對標(biāo)準(zhǔn)載荷測試的響應(yīng)。為了模擬物理測試環(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(見圖 1)。

圖 1. 椅子的測試設(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)問題:“椅子是否會在規(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)不會折斷,持續(xù)使用下無開裂,椅子腿部不會過度彎曲、外撇,或下弓。如果椅腿與椅面相交的拐角處出現(xiàn)裂紋,椅子將無法通過測試?！?

根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量

“測試的第一部分是靜態(tài)載荷測試,查看椅子能否承受指定的最大載荷?！盰eoman 解釋說,“在 20 秒的周期內(nèi)對椅子進(jìn)行加載測試,最開始向椅面加載,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)(見圖 2)。模型還評估了椅子、承載板與地板之間的接觸壓力,并預(yù)測了發(fā)生失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)(見圖 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–永久變形與過度彎折

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

“大部分的模型設(shè)定都很簡單?！彼a(bǔ)充說,“結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料屬性與載荷參數(shù)都可以相對較快地在 COMSOL® 軟件中實(shí)現(xiàn)?！痹S多力學(xué)因素都會影響椅子能否通過測試,不過接觸研究最為復(fù)雜,Yeoman 解釋說:“接觸分析本身就很復(fù)雜;它高度依賴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,“我們通過材料剛度、屈服應(yīng)力和摩擦系數(shù)來準(zhǔn)確定義接觸參數(shù)?！?

簡化并加快虛擬測試?

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

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

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

“在對椅子進(jìn)行加載時(shí),應(yīng)力會根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度進(jìn)行評估。如果出現(xiàn)永久塑性變形,將會被標(biāo)在椅子中的相關(guān)區(qū)域,告知用戶椅子正在發(fā)生屈服。如果應(yīng)力超過材料的拉伸強(qiáng)度,椅子將經(jīng)歷嚴(yán)重的材料失效,比如開裂或斷裂?！盰eoman 說,“此時(shí) App 會自動(dòng)彈出一個(gè)窗口,提示應(yīng)力已經(jīng)超過材料的拉伸強(qiáng)度,椅子未通過測試?！?

這正是滿足檢測機(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)測試要求查看結(jié)果,及時(shí)了解某個(gè)設(shè)計(jì)能否通過測試(見圖4)。

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

通過在本地安裝的COMSOL Server?產(chǎn)品,Yeoman 還能將 App 分發(fā)給不同用戶,用戶可以登錄數(shù)據(jù)庫并啟動(dòng)特定的 App。之后,檢測機(jī)構(gòu)還會通過COMSOL Server 與他們的全球用戶分享測試 App。

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

本文內(nèi)容來自 COMSOL

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