Выбор материала является важным этапом при проектировании изделия. От него зависят технология обработки, возможные формы, масса изделия, стоимость, прочность и другие эксплуатационные свойства. Определение точных и достоверных данных о свойствах материалов является важной частью создания расчетных моделей для задач механики, теплопроводности, электромагнетизма и задач аддитивного производства. Ян Поженько, руководитель направления «Перспективные материалы и технологии» компании «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», провел семинар о методологии выбора оптимального материала и современных технологиях обучения материаловедению в Санкт-Петербургском Горном Университете. Он продемонстрировал возможности некоторых продуктов линейки Ansys Granta – решения для управления информацией о материалах, их анализа, выбора и обучения материаловедению. 

Выбор оптимального материала

Выбор наиболее подходящего материала – ключевая задача при создании нового изделия или оптимизации уже существующего. От этого зависят такие свойства конструкции, как долговечность, экологичность, устойчивость к температурам, агрессивным средам, стоимость изделия и т.д. С помощью промышленного и научного приложения Ansys Granta Selector можно подобрать оптимальный материал на ранних этапах проектирования, когда форма и функция детали известны приблизительно. Для этого используются специализированные инструменты и база данных, которые входят в состав инструмента. В базе содержатся механические, теплофизические, экономические, технологические и многие другие свойства материалов, а также информация о технологиях производства изделий из этих материалов. В Granta Selector интегрируются другие базы данных, совокупный объем которых содержит 250 тысяч записей о материалах. Программный продукт позволяет прогнозировать стоимость производства, подобрать аналоги материалов, прогнозировать свойства композитов и ячеистых структур. За счет выбора оптимального материала пользователь может сэкономить огромные средства.

На семинаре были показаны несколько примеров применения Ansys Granta Selector. Первый из них – лидар для автономного транспорта. От оптических свойств линзы в лидаре зависит точность работы. При длительной работе устройства материал разогревался, расширялся, что приводило к искажениям измерения. С помощью расчетов в Ansys Mechanical и подбора материала в Ansys Granta Selector удалось подобрать новый материал линзы – циклоолефоновый полимер. Это позволило избавиться от искажений. Кроме того, программный продукт позволил увеличить собственную частоту подверженной вибрации части корпуса на 140% только за счет смены материала корпуса – с поликарбоната на полипропилен. 

Второй пример использования методологии рационального выбора материала – поперечная балка трансмиссии, удерживающая вес коробки передач и валов в автомобиле. При выборе материала для этой детали важно учитывать жесткость, текучесть, температуру эксплуатации и устойчивость к растворителям и соленой воде. С помощью Ansys Granta Selector удалось подобрать новый материал для изделия. Это позволило снизить массу на 45% и стоимость материалов на 20%. Кроме этого, программный продукт позволил оптимизировать конструкцию дроссельной заслонки для топливной системы автомобиля. Ее задача – управление потоком воздуха и топлива в двигателе. Замена материала конструкции позволила снизить массу изделия на 60% и стоимость на 25%. 

Современные технологии обучения материаловедению

Ansys Granta EduPack – программный продукт для обучения науке о материалах и процессах их обработки и переработки для студентов инженерных, дизайнерских, материаловедческих, научных, экологических и смежных специальностей. Программный продукт разработан в Кембриджском университете и используется в более чем 1 400 ведущих мировых ВУЗах и учебных центрах. Ansys Granta EduPack содержит практические задания и лекции для трёх различных уровней подготовки студентов: от вводных занятий до продвинутых. 

Данные о материалах в ПО варьируются от 69 для начинающих до 4000+ для продвинутых пользователей и от 74 до 200+ процессов переработки материалов в изделия. Также Ansys Granta EduPack содержит данные о:

• геоэкономике;
• веществах ограниченного использования;
• энергозатратах на производство;
• углеродном следе и использованию воды. 

Ansys Granta EduPack содержит ресурсы для преподавателей: презентации для лекций, практические задания и микропроекты. Это позволяет уменьшить время на подготовку к занятиям. 

Эксперт «КАДФЕМ Си-Ай-ЭС» продемонстрировал возможности Ansys Granta EduPack на примере крыла самолета. Эта часть должна быть жесткой, прочной, выносливой и легкой. Используя инструменты отображения свойств, наглядно было продемонстрировано, как те или иные материалы подходят для применения в данной конструкции. В конце были выбраны материалы-кандидаты, которые уже хорошо себя зарекомендовали в этой области. Таким образом, у слушателей формируется понимание об определении наиболее важных свойств материалов, обосновании выбора и самом процессе выбора материала.

Источник