Automatic assembly-model synthesis in mechanical design using simulated dynamic finite-element experiments

Abstract

Today, in the context of a globalized market, customers have high demands for products that are tailored to their individual needs and are offered at a price that is very close to that of mass-produced products. Engineering-To-Order (ETO) companies are forced to reduce costs and lead time to gain an advantage over the competition. These companies encounter two major issues that greatly affect the cost and the quality of their products. The first issue is the configuration complexity of ETO products. Many ETO companies are employing Knowledge Based Engineering (KBE) systems to manage the configuration complexity. These systems can be used to effectively capture knowledge by storing technical guidelines, "best practices", and even a company’s commercial and business rules. When it comes to complicated product configurations, the use of KBE tools is indeed an efficient solution automating configuration specification. However, ETO companies very often are confronted with "first-time" product configuration requirements. Since previous experience design rules are not adequate to cover the new configuration requirements, these companies are usually proceeding with experimental tests using full scale prototypes to check the structural integrity of the proposed design, spending time and raw materials. Also, since these tests must be performed, usually, in very tight lead times required by the customer, the design/engineering team has very limited time to achieve optimized material usage, reduced weight, etc. Thus, usually they end up with over-engineered solutions. ETO companies could gain significant benefits and achieve significant cost reduction if they could perform simulated experiments using Finite Elements Analysis models instead of using full scale prototypes. A major concern about using FE simulated experiments is the validation of the FE models in terms of their accuracy. FE model validation is even more complicated to be achieved for dynamic phenomena simulations.The second issue is the time and the cost required for the product to be designed and engineered, and for manufacturing drawings to be published and launched to the shop floor. In most cases, these companies have a number of premade 3D models (and the corresponding manufacturing drawings) and modify them to adjust the dimensions, the function and/or the aesthetics of the product to the customer requirements. Unfortunately, this method is prone to human errors, and these errors may create extra remanufacturing costs. An ETO company would gain a significant advantage by using a tool that would create automatically 3D assembly models for its products. In this thesis a framework that addresses both of these issues is presented. The present framework provides: a) usage of FE models and simulated dynamic experiments to deduce new design rules, instead of performing experiments with full scale prototypes, b) a methodology for validating these finite element models for their accuracy in simulating dynamic experiments and c) a Mechanical-Design methodology based on the Automatic Assembly Synthesis Model (AASM), that links a KBE and a CAD system, and automatically generates and synthesizes the final 3D assembly model.

Σήμερα, στο πλαίσιο μιας παγκοσμιοποιημένης αγοράς, οι πελάτες έχουν υψηλές απαιτήσεις για προϊόντα που είναι προσαρμοσμένα στις ατομικές τους ανάγκες και προσφέρονται σε τιμή πολύ κοντά σε εκείνη των μαζικών προϊόντων. Οι εταιρείες Engineering-To-Order (ETO) αναγκάζονται να μειώσουν το κόστος και τους χρόνους παραγωγής για να αποκτήσουν κάποιο πλεονέκτημα έναντι του ανταγωνισμού. Αυτές οι εταιρείες αντιμετωπίζουν δύο σημαντικά ζητήματα που επηρεάζουν σημαντικά το κόστος και την ποιότητα των προϊόντων τους. Το πρώτο ζήτημα είναι η πολυπλοκότητα των προϊόντων ETO. Πολλές εταιρείες ETO χρησιμοποιούν Συστήματα Γνώσης (Knowledge Based Engineering Systems - KBΕ) για τη διαχείριση της πολυπλοκότητας των τεχνικών προδιαγραφών των προϊόντων τους. Αυτά τα συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποτελεσματική καταγραφή της γνώσης με την αποθήκευση τεχνικών κανόνων, "βέλτιστων πρακτικών", ακόμη και εμπορικών και επιχειρηματικών κανόνων μιας εταιρείας. Όταν πρόκειται για περίπλοκες διαμορφώσεις προϊόντων, η χρήση συστημάτων KBE είναι πράγματι μια αποτελεσματική λύση για την αυτοματοποίηση της διαμόρφωσης των προδιαγραφών των προϊόντων αυτών. Ωστόσο, οι εταιρείες ΕΤΟ αντιμετωπίζουν πολύ συχνά απαιτήσεις πέραν των καταγεγραμμένων κανόνων σχεδιασμού μέσα στα συστήματα ΚΒΕ. Δεδομένου ότι οι κανόνες σχεδιασμού προηγούμενων εμπειριών δεν επαρκούν για την κάλυψη των νέων απαιτήσεων, οι εταιρείες αυτές προβαίνουν συνήθως σε πειραματικές δοκιμές χρησιμοποιώντας πρωτότυπα πλήρους κλίμακας για να ελέγξουν τη δομική ακεραιότητα του προτεινόμενου σχεδιασμού, του χρόνου, των δαπανών και των πρώτων υλών. Επίσης, δεδομένου ότι οι δοκιμές αυτές πρέπει να διεξάγονται συνήθως, σε πολύ περιορισμένο χρονικό διάστημα, που απαιτείται από τον πελάτη, η ομάδα σχεδιασμού έχει πολύ περιορισμένο χρόνο για να επιτύχει βελτιστοποιημένη χρήση υλικού, μειωμένο βάρος κλπ. Έτσι, συνήθως καταλήγουν σε υπερδιαστασιολογημένες σχεδιαστικές λύσεις. Οι εταιρείες ETO θα μπορούσαν να αποκτήσουν σημαντικά οφέλη και να επιτύχουν σημαντική μείωση του κόστους αν μπορούσαν να εκτελούν προσομοιωμένα πειράματα χρησιμοποιώντας μοντέλα ανάλυσης Πεπερασμένων Στοιχείων αντί να χρησιμοποιούν φυσικά πρωτότυπα πλήρους κλίμακας. Ένας σημαντικός παράγοντας σχετικά με τη χρήση προσομοιωμένων πειραμάτων Πεπερασμένων Στοιχείων, είναι η επικύρωση των μοντέλων αυτών όσον αφορά την ακρίβειά τους. Η επικύρωση του μοντέλου Πεπερασμένων Στοιχείων είναι ακόμα πιο πολύπλοκη να επιτευχθεί σε προσομοιώσεις δυναμικών φαινομένων.Το δεύτερο ζήτημα είναι ο χρόνος και το κόστος που απαιτείται για το σχεδιασμό και την κατασκευή του προϊόντος, καθώς και για την δημιουργία των κατασκευαστικών σχεδίων. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι εταιρείες αυτές διαθέτουν μια σειρά από τριδιάστατα μοντέλα (και αντίστοιχα κατασκευαστικά σχέδια) και τα τροποποιούν προσαρμόζοντας τις διαστάσεις, τη λειτουργία ή / και την αισθητική του προϊόντος στις απαιτήσεις του πελάτη. Δυστυχώς, αυτή η μέθοδος είναι επιρρεπής σε ανθρώπινα σφάλματα τα οποία ενδέχεται να δημιουργήσουν επιπλέον έξοδα. Μια εταιρεία ETO θα αποκτούσε ένα σημαντικό πλεονέκτημα χρησιμοποιώντας ένα εργαλείο που θα δημιουργούσε αυτόματα τα τριδιάστατα μοντέλα των συναρμολογημάτων για τα προϊόντα της.Σε αυτή τη διατριβή παρουσιάζεται μια μεθοδολογία η οποία καλύπτει και τα δύο αυτά ζητήματα. Η μεθοδολογία αυτή προσφέρει: α) τη χρήση μοντέλων Πεπερασμένων Στοιχείων και προσομοιωμένων δυναμικών πειραμάτων για την εξαγωγή νέων κανόνων σχεδιασμού, αντί για την πραγματοποίηση πειραμάτων με φυσικά πρωτότυπα πλήρους κλίμακας, β) μια μεθοδολογία για την επικύρωση αυτών των μοντέλων Πεπερασμένων Στοιχείων, όσον αφορά την ακρίβειά τους στην προσομοίωση δυναμικών πειραμάτων και γ) Μια μεθοδολογία μηχανολογικού σχεδιασμού που βασίζεται στο Μοντέλο Αυτόματης Σύνθεσης Συναρμολογημάτων (AASM), που συνδέει ένα σύστημα KBE με ένα σύστημα CAD το οποίο παράγει και συνθέτει αυτόματα το τελικό τριδιάστατο μοντέλο του συναρμολογήματος.