סיפור לקוח: שרון טוביה, עיבוד שבבי עם CATIA

חברת Rolls-Royce משתמשת בפתרון Isight של דאסו סיסטמס להדמיית תהליכי אוטומטיזציה ולאופטימיזציה של עיצוב עבור טורבו-מכאניקה במנועי מטוסים

תכנון מנוע סילון הוא אחד האתגרים ההנדסיים הקשים ביותר שיש. התצרוכת, המאוורר, המדחס, תא הבעירה, הטורבינות ופליטת הגזים- כל אלה צריכים כולם לעבוד ביחד לאורך מגוון עצום של תנאי גובה, מזג אוויר וטמפרטורה שונים. שחקן נוסף, בלתי נראה וחשוב מאוד, אשר מסבך עוד יותר את משימת העיצוב הוא אלמנט האווירודינמיקה- איך מוציאים כוח ביעילות אל מחוץ למערכת על ידי שליטה על מהירות וכיוון האוויר אשר עובר דרך מבנה כזה מורכב?

המהנדסים בחברת Rolls-Royce, שהמוצר המרכזי שלהם הוא מנועי טורבינות שעובדים על גז, מבינים גם הם את מורכבות האתגר הזה. החברה היא ספקית עולמית מובילה של מערכות כוח בעלת נתח שוק משמעותי בשווקים העולמיים בתחומים כמו תעופה וחלל אזרחיים, הגנת תעופה וחלל, בתחום הימי ובתחום האנרגיה. בתחום האזרחי בלבד, ניתן למצוא את המנועים שלהם על 30 סוגים שונים של מטוסים מסחריים, עם 13 אלף מנועים הנמצאים בשירות 650 חברות תעופה שונות. מטוס המונע במנוע של רולס רויס ממריא או נוחת בממוצע כל 2.5 שניות.

בעוד שבעבר היה לוקח 10 שנים בקירוב בכדי לפתח מנוע מטוסים חדש, הממוצע התעשייתי הצטמק לקרוב לשנתיים. חברת Rolls-Royce פועלת לדחוס את הזמן הזה עוד יותר. הפתרון של Rolls-Royce היה תכנית “Robust Design”, אשר נותנת דגש לתפקיד החשוב של עיצוב כנקודת מוצא לתוכנית Six Sigma של החברה. מיקוד זה, של השפעת העיצוב הראשוני על האיכות, הובילה את רולס-רויס להשקיע משאבים הנדסאים חזקים מתחומי CAD , CAE, CFD, FEA ועוד, במרדף אחרי ביצועי מוצר אופטימליים.

"אנו ממשיכים כל הזמן להעריך קונספטים חדשים לעיצוב על ידי שילוב כלי ניתוח מדיסציפלינות שונות," אומר דירק אוטו (Dierk Otto), מהנדס עיצוב מערכות בחברת Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG."המומחים והצוותים שלנו נסמכים באופן משמעותי על תוכנת Isight של דאסו סיסטמס לאינטגרציה ואוטומציה של תהליכים, וגם אופטימיזציה, להאצת פתרון בעיות בסביבת העיצוב המורכבת הזו."

Insight הנו פתרון דסקטופ פתוח עבור אוטומציית תהליכי סימולציה ואופטימזיציית תכנון מבית SIMULIA, המותג של דאסו סיסטמס עבור סימולציה ריאליסטית. חברת רולס רויס החלה בשימוש בתוכנת Isight לפני למעלה מעשור, והיום היא מיושמת בכל רחבי החברה.

עיצוב עמיד (Robust Design) של מדחס מנוע

ניתן להמחיש את ארגז הכלים של Isight באמצעות עיצוב של מדחס במנוע המטוס. הכל מתחיל עם האתגר שצוין קודם – אווירודינמיקה. כנף גדולה של מטוס ולהב יחיד של מנוע משמשים כ-airfoil (משטח עילוי – גורם אשר יוצר כוח דרך תזוזת האוויר כאשר המטוס בתנועה) – הצורה והאוריינטציה שלהם משפיעה על כיוון, עילוי, ודחף האוויר שעובר לידם. אך בעוד הכנף היא airfoil פאסיבי, הלהבים הם חלק פעיל במערכת ההנעה. אוויר החודר דרך מאוורר המנוע אל תוך המדחסים בלחצים נמוכים, בינוניים (במנוע עם שלושה פירים) ולאחר מכן גבוהים, נמשך דרך כסות של מאות להבים – חלקם מסתובבים (רוטורים), חלקם לא (stators – החלק הסטטי של הרוטור). חתך הרוחב של ה-airfoil, מספר הלהבים הללו ואופן פריסתם נקבעים על פי כמות הלחצים הנחוצה לכל שלב של המדחס.

המשימה הראשונה של המדחס היא חיזוי קו האמצע (meanline), אשר מחושב כאמצע הדרך בין הרכזת (בסיס הלהבים) והחוד (הקצה החיצוני של הלהבים) של ה-annulus. השטח הכולל של ה-annulus קובע את מהירות היציאה והעלייה בלחצים בכל שלב.

בנקודה זו מהנדס העיצוב מתמקד בביצוע בחינות תרמו דינמיות וזרימת נוזלים לקביעת הזרימה הכללית של האוויר שנובעת מקוטר שונה של annulus בשלבים שונים של המדחס. באמצעות שימוש ב-Isight, המהנדס יכול לשלב את כל משימות קו האמצע אל תוך תהליך זרימה אוטומטי שפועל דרך כל משימה ברצף, להעריך את הנתונים וליישם את כל התוכניות החיצוניות הרלוונטיות, בכדי להגיע לפתרון האופטימלי.

רכיבי Isight מפחיתים את מורכבות תהליך העיצוב

למרות שמשתמש Isight טיפוסי ברולס רויס הוא מומחה שיכול להעמיד תרשימי הדמיה מורכבים במהרה, לא כולם בצוות העיצוב צריכים לעבוד ברמות עמוקות אלו של מומחיות. לתמיכה במשתמשים יותר מזדמנים אלו של Isight, אוטו ועמיתיו יצרו מרכיבי Isight מותאמים של רוטינות חישוב, מיפוי נתונים, פקדי וחבילות תכניות, וספריות קישורים דינאמיות.

אופטימיזציה רב תחומית מניעה עיצוב

השלב הבא בפיתוח מדחס המנוע דורש מהצוות ההנדסי לעבור מניתוח חד ממדי של קו האמצע ל- throughflow (מונח הלקוח מעולם המים שמשמעו זרימה אופקית של מים על פני הקרקע. במקרה הנוכחי מדובר על אופטימיזציה של קווי הזרימה של תנועת האוויר החזויה בתוך ה-annulus). השלב האחרון הוא עיצוב הלהב בפועל. בעוד הם מתחילים עם גיאומטריה דו-ממדית של הלהב (מקטעי פרופיל), אשר יוצרים את התנאים ואת זוויות הזרימה המשוערות על ידי ניתוחי הקו האמצעי וה-throughflow, המהנדסים משתמשים ב-CFD Solvers (פותרי דינמיקת נוזל חישובית) הנמצאים ב- Isightכדי לעשות אופטימיזציה אוטומטית של כל להב ולהב, שפרופיל חתך הרוחב שלו הוא צורת ה-airfoil המוכרת.

אחרי שהגיעו למודל CAD (תב"מ) של הלהב בו הגאומטריה והכוונון עברו התאמה מבחינת משקל, המעצבים עדיין צריכים להוכיח שהלהב ישרוד בתנאי אמת. זו הנקודה בה הסטטי והדינמי עוברים ללולאת האופטימיזציה (בתהליך FEA – Finite Element Analysis – ניתוח אלמנטים סופי) לביצוע ניתוחי לחצים, לבחינת התנהגות רטט ותהודה, ובדיקת זחילת חומרים ומשך זמן שחיקה. כאשר מזהים נושאים קריטיים, המהנדסים יכולים לשנות את המקטעים ולהריץ שוב את בדיקת הלחצים. בנקודה זו Isight הוא כלי קריטי להאצת הזיהוי של פתרון העיצוב הטוב ביותר.

הערכת יותר אפשרויות עיצוב – ומהר יותר

שילוב רכיבים ותבניות בלולאת איטרציה (Iteration) עיצובית אחת מאפשר לתהליך הזה לארוך 13 דקות בלבד, בעוד בעבר התהליך ארך כמעט יום שלם. "יש לנו הרבה פחות עבודת עיצוב מחדש עכשיו, ובאופן משמעותי, מה שמוביל לשליטה טובה יותר בעלויות הייצור," אומר אוטו. "באופן כללי, זה מאפשר לנו תגובה מהירה יותר לדרישות הלקוחות שלנו בעוד אנו דבקים לסטנדרטים המחמירים ביותר של איכות  בתעשיית המטוסים."