Aktualności
12 Listopad 2020

MES na orbicie i księżycu

Metoda elementów skończonych jest jednym z najpopularniejszych narzędzi inżynierskich używanych obecnie. Sprawdza się zarówno na etapie tworzenia prototypu, czy walidacji działania konstrukcji. Jej niewątpliwą zaletą jest możliwość uzyskania odpowiedzi, przy relatywnie niewielkich nakładach finansowych oraz czasowych.

Pomimo wcześniej rozwiniętych metod macierzowych oraz metod rozwiązywania równań różniczkowych, MES pozostawał poza zasięgiem naukowców i inżynierów. Rozwój komputerów umożliwił stworzenie pierwszych programów do obliczeń numerycznych, na niespotykaną wcześniej skalę. Założona w 1958 roku NASA, dostrzegła potencjał tkwiący w tej metodzie i zaczęto opracowywać programy do analizy strukturalnej. W celu unifikacji, w 1964 r. zaczęto prace nad jednym spójnym systemem, które zaowocowały w 1968 r. powstaniem pierwszej wersji obecnego do dzisiaj solvera NASTRAN – NASA STRucture ANalysis. Program ten umożliwił przeprowadzenie obliczeń wytrzymałościowych dla całego programu wahadłowców kosmicznych. W 1971 roku został on udostępniony publicznie na licencji Open Source. Ale jakie właściwie są rzeczywiste korzyści z używania tego typu programów? Otóż szacuje się iż w latach 1971 – 1984, dzięki temu solverowi MES zaoszczędzono około 700 mln $. Kod źródłowy tego programu jest rozwijany po dziś dzień, a jego części znajdują się w większości eksperckich programów MES np. takich jak MIDAS NFX.

Wraz z biegiem czasu, a także zwiększoną dostępnością komputerów, powstało wiele firm specjalizujących się w tworzeniu tego typu oprogramowania. Pozwoliło to na rozpowszechnienie metody elementów skończonych i zastosowaniu jej w wielu nowych dziedzinach. Obecnie stosowana jest ona w branży budowlanej, automotive, morskiej, produkcyjnej (zarówno z tworzyw sztucznych czy metali), konstrukcji aparatury chemicznej i procesowej lub w branży biomedycznej. Oczywiście oprócz analizy elementami skończonymi, również powstały i są rozwijane inne metody komplementarne wobec MES, np. metoda objętości skończonych, stosowana w obliczeniowej mechanice płynów (CFD) czy metoda elementów dyskretnych (MED), stosowana do analizy przepływu materiałów sypkich.

Co ma wspólnego księżyc czy orbita ziemska do elementów skończonych? Okazuje się że bardzo dużo – tak jak wspomniano wcześniej, MES był jedną ze składowych, które pozwoliły stanąć człowiekowi na księżycu. Lecz MES w kosmosie, to nie tylko echo przeszłości branża kosmiczna korzysta z jej dobrodziejstw po dziś dzień. Z racji na olbrzymi koszt, a także jednostkowość wielu elementów konieczne jest zaprojektowanie ich tak, by były w stanie spełnić swoje zadanie w 100%, gdyż często awaria jednego komponentu może skutkować niepowodzeniem misji. Metody numeryczne stosowane są do analizy strukturalnej (wytrzymałościowej) poszczególnych części jak i całej konstrukcji, analizy modalnej, termicznej czy aerodynamicznej. Prowadzone są również symulacje ponownego wchodzenia w atmosferę (nie tylko ziemską) lądowników, w celu wyznaczenia odpowiedniej trajektorii oraz obciążeń działających na projektowany układ.

Czy możliwe jest zatem przeprowadzenie z sukcesem misji kosmicznej bez udziału zaawansowanych metod obliczeniowych? Prawdopodobnie tak, lecz wiąże się to z koniecznością przewymiarowania konstrukcji, co pociąga za sobą ogromne nieraz koszty. MES pozwala nie tylko uzyskiwać bardzo dokładne wyniki, ale również z użyciem odpowiednich algorytmów, pozwala na optymalizację kształtu dla zadanych warunków. Skutkuje to często powstaniem bardzo skomplikowanej geometrii, lecz wraz z wykorzystaniem nowoczesnych metod produkcyjnych jak AM (Additive Manufacturing – druk 3D) czy precyzyjne wieloosiowe maszyny CNC wytworzenie tych elementów staje się możliwe.

Firma KOMES posiada doświadczenie w projektach kosmicznych jak i z zakresu aeronautyki.
W przeszłości niejednokrotnie pracowaliśmy z ESA (Europejska Agencja Kosmiczna). Przykładowym projektem była analiza wytrzymałościowa i modalna miniaturowej satelity tzw. Cube Sat. Satelity te zazwyczaj tworzone są wg. standaryzowanego kształtu oraz z dostępnej na rynku elektroniki. Jest to doskonałe rozwiązanie pozwalające na przeprowadzanie badań czy eksperymentów naukowych w przestrzeni kosmicznej i w stanie nieważkości, przy zachowaniu niskich kosztów. Satelity te wysyłane są głównie przez jednostki naukowe z całego świata – również z Polski (Politechnika Warszawska). Koszt wystrzelenia takiego satelity zależy głównie od jego masy, lecz najbardziej budżetowe rozwiązania zaczynają się od ok. 100 tys. $. Analiza numeryczna satelity pozwala do minimum zredukować jego wagę, a co za tym idzie, koszt całej operacji. Wraz z rozwojem technologii rakietowej – chodzi tu o firmę SpaceX i jej niezwykłe dokonania na tej płaszczyźnie, liczymy że już za niedługi czas, rozwiązania te staną się jeszcze bardziej popularne oraz dostępne nawet dla klientów prywatnych.