Close
  • הבאגי הוירטואלית, פרק 4 - תכנון שלדה ואנליזות.

    הפעם, עבודה מסכמת לתואר של ניר שליין העוסקת בעקרונות של תכנון שלדת צינורות לרכב מרוצי שטח ובטכניקות לבדיקה של שלדה כזאת באנליזת אלמנטים סופיים במחשב. (Photographs: )

    לאחר תקופה ארוכה מאד של שקט לכאורה בפרויקט הבאגי הוירטואלית, אנחנו חייבים לכם דו"ח מצב. אז ככה - בניגוד לאי-העדכון באינטרנט, שנבע בין היתר משדרוג האתר כולו ומכל מיני סיבות ת"ש/סעד/כלכלה פתטיות, פרויקט הבאגי האמיתית מתקדם יפה. יש שותפים לפרויקט, יש חלק מהמימון הנדרש, ובלי נדר, במהלך השנה הקרובה הבאגי סוע-תיסע.

    היא כבר לא תהיה באגי - היא בכל זאת תהיה טראגי-טנדר, כלומר רכב 2X4 עם סרן אחורי חי. תוכלו לחזור אחורה לפרק השני כדי לקרוא על ההתלבטות הזאת שבסופו של דבר הוכרעה על ידי המציאות. גיר מרוצים ברמה הנדרשת עולה כ7000$ בארה"ב, בשל הנדירות שלו חובה יהיה לקנות שניים. יחד  עם הציריות, המסבים והנאבות המיוחדות שיידרשו לבאגי, ולאחר הוצאות היבוא לארץ המחיר נקבע כגבוה מדי. אלו חדשות טובות, כי המציאות נחתה על הפרויקט מהר יותר משציפינו. 

    בכל מקרה, החודש מלאכתנו נעשתה על ידי אחרים - על ידי ניר שליין, חבר שלי ושל אסף שנכנס לפרויקט כבר בתחילתו ולקח חלק ממנו בתור פרויקט גמר בתואר הנדסת המכונות שלו. העבודה המסכמת שלו בקיצורים מועטים ניתנת להורדה כקובץ PDF. היא עוסקת בעקרונות של תכנון שלדת צינורות לרכב מרוצים שכזה ובטכניקות לבדיקה של שלדה כזאת באנליזת אלמנטים סופיים במחשב. מבחינתנו, ניר פיתח מיומנות חשובה מאד של עבודה בתוכנת האלמנטים הסופיים קוסמוס ועלה גם על המגבלות. למען ההשכלה של הציבור הרחב, מה זה בדיוק אנליזת אלמנטים סופיים? (זהירות - הסבר פשטני ביותר שנועד להסביר את הנושא והקשר שלו לפרויקט).

    Finite Element Anlysis - FEA

    למדע ההנדסה יש נוסחאות שיודעות לתת תשובות טובות למדי כשמכניסים לתוכן נתונים פשוטים. אם תגידו לי שעל קורת פלדה (אלמנט הנדסי פשוט) רתומה לקיר שמידותיה הן כאלו וכאלו נתלה משקל כזה וכזה, אני יכול לחשב במידה מדויקת מאד מה המרחק שהקורה תשקע, מה המאמצים שיתפתחו בתוכה, ותחת איזה עומס היא תשבר. ברגע שתהפכו את הקורה למסבך תלת מימדי של צינורות בעלי נתונים שונים, הבעיה מסתבכת מאד - אני אצטרך קודם כל לנתח את המסבך לחלקים פשוטים - קורות - ולחשב את חלוקת הכוחות והמומנטים בין הקורות. סטודנטים להנדסה עושים בדיוק את זה במבחנים עבור מבנים עם שלושה, ארבע, חמישה אלמנטים ברורים... מסבך מציאותי (כמו שלדת רכב) עשוי מעשרות עד מאות אלמנטים הנדסיים נפרדים ושונים. וגוף כלשהו, כמו למשל זרוע מתלה חסכונית במשקל, הוא בכלל משהו בעל צורה לא מוגדרת  שאדם עם מחשבון וכל הנוסחאות שבעולם יכול לעבוד כל החיים בלי להגיע לניתוח מלא שלו.

    עד עידן המחשב כמובן... תוכנות אלמנטים סופיים לוקחות כל גוף, כל חלק שלא יעלה על הדעת, מחלקות אותו למספר עצום (אך סופי) של אלמנטים קטנים, במקרה שלנו כאן מדובר על אלפים וזה הכי פרימיטיבי שיכול להיות. החלוקה הזאת נקראת רשת - mesh - של אלמנטים. לאחר החלוקה, התוכנה מקבלת הוראות - היכן החלק רתום (חיצים ירוקים בתמונה למטה) אילו כוחות פועלים עליו (כיוון וגודל, חיצים וורודים), ויוצאת לדרך - היא עוברת אלמנט אלמנט, ועורכת אלפי ומיליוני חישובים שכל אחד תלוי בשכניו. התוצאה היא לרוב תמונה  של החלק המציגה בצבעים, כמו מפת תבלית, את המאמצים בחלק (שיענו על השאלה - איפה יש בחלק ריכוזי מאמצים, אזורים אדומים שבהם הוא צפוי להכשל?) או המעוותים  או השקיעה (איפה הייתה שקיעה גדולה יותר? תחת איזה כוח קורת הצד תתקרב למרחק מסוכן מראש הנהג?). זה במקרה של מה שנקרא אנליזה סטטית, אבל כמו שיש נוסחא פשוטה לחישוב שקיע ומאמצים בקורה, יש גם נוסחאות לחישוב מעבר חום בחומר, לחישוב ויברציות, וכן הלאה - ובהתאם יש אנליזות למעבר חום, אנליזות דינאמיות, אנליזות זרימה ועוד.  אם זה נשמע לכם כמו אחד הדברים הכבדים ביותר שאפשר להפיל על מחשב - אכן כן. כדי להגיע לרמת דיוק גבוהה, צריך להגדיל עוד ועוד את מספר האלמנטים = להגדיל את רזולוציות הרשת. רזולוציה גדולה מדי - ומחשב PC שמריץ תוכנה פשוטה כמו Cosmosworks יעבוד ימים... ותחת ווינדוס המשמעות אחת -  המחשב יקרוס. רזולוציה נמוכה מדי היא קירוב גס של המציאות. הפיכת מודל לרשת שהיא גם יעילה וגם מספיק טובה לתת תוצאות שימושיות, היא ענף שלם בהנדסה שאנשים מתמחים בו שנים - ניר רק נגע בו על הקצה המזלג, וכפי שתקראו, לנתח שלדה שלמה באמצעים "ביתיים" - קשה ביותר עד בלתי אפשרי, וחייבים לעשות פשרות והנחות מקלות מראש.

    בעיה מהותית נוספת היא עצם הגדרת הבעיה. מה בדיוק הכוחות שפועלים על שלדה? מה הכוחות שמבנה נגד התהפכות אמור לעמוד בהם? מה הגודל, ומה הכיוון? הרבה יותר מסובך ממה שנדמה בהתחלה... במציאות המכונית יכולה להתרסק באינסוף אפשרויות שונות. מה עושים? בוחרים כיוונים ראשיים, דוגמאות - פגיעה ישירה מהצד, פגיעה חזיתית ברכב נוסעים, וכן הלאה, ומעריכים את הכוחות שאמורים לפעול בהתרסקות אופיינית בהשתמש בהערכות שונות.

    אז איפה הטכנולוגיה המחשבית הזאת יכולה לעזור לנו בתכלס בפרויקט כזה? לא בשלדה כאמור, אלא בניתוח של חלקים  קריטיים, שמשקלם חשוב יותר (משקל בלתי מוקפץ) שאנחנו יודעים בדיוק את כיווני הכוחות שפועלים בהם - והחלקים האלו הם זרועות מתלה שהכוחות מגיעים אליהם ב"נקודות" - תפוחים ומסבי קצה. את גודל הכוחות אנחנו עדיין לא יודעים, אבל עצם הידיעה המדויקת לחלוטין של כיווני וסוגי הכוחות מאפשרת לנו לקבוע את גודל הכוח שרירותית, ועל ידי האנליזה לעלות על נקודות חלשות - אדומות - ולחזק אותן,  או לעלות על אזורים כחולים - חזקים מדי - ולהוריד מהם חומר. או בקיצור, היא מאפשרת לנו לעשות אופטימיזציה של החלק ולהגיע לחלק שכולו חזק באותה מידה, עד כמה שאפשר. החלקים הקריטיים ביותר הם, לדעתנו, זרועות המתלה הקדמי התחתונות וזרועות הרדיוס האחוריות שמחברות את הסרן האחורי. שני החלקים האלו עובדים תחת מאמצי כפיפה קשים בגלל שהבולמים ממוקמים על הזרוע עצמה במרחק מסוים מהקצה. חלק נוסף, מסובך יותר, שננסה אולי לתקל הוא מבנה הנאבה (upright) הקדמית.  

    עד כאן ממש על קצה המזלג, מי שמתעניין מוזמן לקרוא את העבודה. היא מורכבת משני חלקים - חלק ראשון צריך לעניין את כולם, הוא בעצם המבוא לכל פרויקט הבאגי... החלק השני, שדן באנליזות, טכני וכבד יותר.  יש כאן עוד לקח חשוב לסטודנטים - אפשר לעשות עבודות מעניינות, בתחומי העניין שלכם, אם אתם רוצים באמת. לפחות בחלק מהמוסדות האקדמיים. עובדה.

      תכנון שלדה לרכב שטח ספורטיבי, ניר שליין

    Untitled Document