|
Algemeen
SAM (Synthese en Analyse van Mechanismen) is een interactief programma voor het ontwerp, de bewegings- en krachtenanalyse en voor het optimaliseren van vlakke (stangen)-mechanismen. Een mechanisme kan worden ontworpen middels een van de Design Wizards of naar willekeur worden samengesteld uit stangen, rechtgeleidingen, tandwiel- en riemoverbrengingen. Voor de krachtsanalyse beschikt SAM ook nog over veren, dempers en wrijvingselementen, en de equivalente rotatieelementen. SAM vormt een geïntegreerde werkomgeving waarin de volgende acties mogelijk zijn: opbouw van het mechanisme (een CAD gebruikersinterface), integratie met externe CAD bouwstenen (tekeningen), numerieke analyse van de verplaatsingen en krachten, animatie en tot slot de weergave van de resultaten in grafieken en tabellen.
De wiskundige grondslag van het programma is gebaseerd op de Eindige Elementen Methode, en levert daarmee grote ontwerpvrijheid zonder dat daarbij beperkingen optreden van een aantal traditionele methodieken. 'Open-loop', 'closed-loop', 'multiple-loop', en zelfs complexe planetaire (tandwiel-)stelsels kunnen eenvoudig met SAM geanalyseerd worden.
SAM is beschikbaar in het Nederlands, Engels, Duits, Frans, Spaans en Chinees.
Ontwerp
SAM biedt een aantal Design Wizards waarmee het mogelijk is mechanismen te synthetiseren voor specifieke taken. Deze taken zijn :
- (Hoek)functiegeneratie
- 3-Standen-Synthese van het koppelvlak
- Quasi-rechtlijnige beweging van een punt
- Exact rechtlijnige beweging van een punt
Indien deze Design Wizards geen antwoord geven op een specifiek ontwerp-probleem zal de gebruiker op basis van zijn ervaring, eerdere ontwerpen of mechanismen handboeken of via trial&error een mechanisme moeten bedenken dat vervolgens in SAM gemodelleerd, geanalyseerd en geoptimaliseerd kan worden.
Modelvorming
SAM is toegerust met verscheidene basiselementen, te weten :
- stang en cilinder
- riemoverbrenging en tandwielpaar
- meetelement
- veer, demper, wrijving (lineair en roterend)
- niet-lineaire veer
waarmee een grote variëteit aan mechanismen geanalyseerd kan worden. De unieke wiskundige onderbouwing van SAM biedt grootse mogelijkheden en heeft geen last van de beperkingen zoals die bij traditionele analyse methoden optreden. Open-lus, gesloten-lus, en zelfs meervoudige-lus mechanismen worden door SAM allemaal op dezelfde manier doorgerekend. Zelfs de meest complexe mechanismen waaronder planetaire tandwiel overbrengingen met daaraan gekoppelde stangenmechanismen kunnen in korte tijd worden opgebouwd en geanalyseerd.
Aandrijving
SAM kan mechanismen analyseren met max. tien aparte aandrijvingen. Een beweging (ook wel opgelegde beweging) kan bestaan uit een absolute positie, een (relatieve)hoek of zelfs een element-lengte. Met de laatste mogelijkheid kunnen hydraulisch- en luchtcilinders worden toegepast. Met de relatieve hoek kunnen bijv. (scara)robotarmen worden gemodelleerd. Enkele bekende functies zoals:
- constante snelheid
- scheve sinus
- 3-4-5 polynoom
- 5.orde polynoom
- 2.orde snelheidsprofiel
- Cubic Spline
kunnen naar willekeur achter elkaar worden geplaatst om zo een realistische simulatie uit te voeren. De bewegingsfunctie kan ook worden ingevoerd als tekstbestand, waarmee bijvoorbeeld willekeurige nokprofielen als aandrijving optreden.
CAD koppeling
Met het gestandaardiseerde DXF formaat biedt SAM de mogelijkheid het gerealiseerde mechanisme te exporteren naar andere CAD pakketten, en aldaar verder uit te werken. Ook kan met dit zelfde formaat een onbeperkt aantal CAD componenten (tekeningen) worden ingelezen en aan het mechanisme worden toegevoegd. Het bewegende mechanisme neemt hiermee realistische vormen aan.
Resultaten
SAM kan de volgende grootheden berekenen (relatief en absoluut):
- positie, verplaatsing, snelheid, versnelling
- hoek, hoeksnelheid, hoekversnelling
Verder berekent SAM de volgende krachtsgrootheden (quasi-statisch):
- lagerkrachten
- interne krachten/koppels in een element
- benodigd en/of doorgeleid vermogen
Postprocessing
SAM kan na een succesvolle berekening de beweging van het mechanisme simuleren (animatie). Ook kan de baan, de snelheidshodograaf en de krommingsmiddelpuntsbaan van ieder willekeurig knooppunt worden weergegeven. Daarnaast kan de poolbaan van ieder schakel in het stilstaande dan wel meebewegende assenstelsel getekend worden. Alle berekeningen kunnen als curven of als tekst worden afgebeeld, opgeslagen en afgedrukt. In één grafiek kan een onbeperkt aantal grootheden worden afgezet tegen de tijdas, of een x-as naar keuze. Voor de verticale as bestaan twee onafhankelijke schalen, die op een handige manier automatisch worden ingesteld. Tijdens de animatie beweegt de cursor in de grafiek mee overeenkomstig het tijdsverloop.
Optimalisatie (SAM Professional)
De optimalisatie module van SAM Professional biedt "unconstrained single-function multi-parameter" optimalisatie gebaseerd op een mix van evolutionaire algoritmen en Simplex methoden. Uitgaande van het actuele ontwerp kan een mechanisme verder geoptimaliseerd worden v.w.b. de baan die een knooppunt beschrijft of v.w.b. het verloop van de functie van een geselecteerde bewegings- of krachtgrootheid.
Zo kan bij voorbeeld de RMS-waarde of de absolute maximale waarde van het aandrijfkoppel van een mechanisme met massa worden geminimaliseerd door het toepassen van één of meer balansmassa's, waarvan zowel plaats als massa binnen gedefinieerde grenzen wordt gevarieerd. Ook is het mogelijk om een bepaalde doelfunctie zo goed mogelijk te benaderen, b.v. het verloop van de kracht in een fitness apparaat als functie van de afgelegde hoek of verplaatsing.
Het doel van de optimalisatie is het minimaliseren (of eventueel maximaliseren) van een bepaalde eigenschap (b.v. maximum, gemiddelde, RMS-waarde, ....) die het verschil tussen het actuele gedrag en het gewenste gedrag kenmerkt. Het kan daarbij gaan om :
- de baan van een knooppunt (met of zonder tijd/krukstand)
- het verloop van een bewegings- of kracht grootheid (als functie van de tijd of als functie van een andere grootheid)
SAM zoekt het optimum door afhankelijk van de gebruikerinstellingen de volgende parameters te variëren binnen gedefinieerde grenzen:
- geometrie van het mechanisme
- elementeigenschappen, zoals massa, veerstijfheid, voorspanning, overbrengingsverhouding, ...
De optimalisatie is gebaseerd op een twee-traps-aanpak bestaande uit:
- Globale exploratie van de gehele parameter ruimte
- Lokale optimalisatie van een specifieke oplossing
In de eerste stap wordt binnen de gestelde grenzen de parameter ruimte globaal verkend middels een combinatie van een pure Monte-Carlo techniek en een zogenaamd evolutionair algoritme (een optimalisatie techniek die is afgeleid van de genetische algoritmen). De beste oplossingen worden op volgorde gesorteerd in een lijst weergegeven. De gebruiker kan vervolgens uit deze lijst een oplossing selecteren en op het beeldscherm bekijken inclusief alle bijbehorende grafieken. De oplossing, die het beste aansluit bij de wensen van de ontwerpen kan vervolgens lokaal verder geoptimaliseerd worden, waarbij de gebruiker nog kan kiezen tussen een Simplex methode en de eerder genoemde evolutionaire methode met een nauwer zoekgebied.
De combinatie van globale verkenning en lokale optimalisatie geeft het beste compromis tussen snelheid aan de ene kant en de zoektocht naar het globale optimum aan de andere kant.
Naast de beschreven modus, waarbij de gebruiker in-the-loop zit, bestaat er ook een compleet geautomatiseerde modus, waarbij eerst een globale verkenning plaats vindt en vervolgens de beste oplossing van deze verkenning middels een lokale optimalisatie automatisch verder verbeterd wordt totdat het afbreekcriterium bereikt is. |
