Bloodhound SSC – Rychlejší než kulka

Tags: AutoDesign Prague | Bloodhound | PLM | Siemens | SSC

Loňská konference AutoDesign Prague 2012 přinesla mnoho zajímavých přednášek. Jedním z nejzajímavějších a také mistrně přednesených byl příspěvek Dana Johnse, vedoucího inženýra britského týmu Bloodhound SSC, který předvedl použití softwaru z dílny Siemens PLM Software při vývoji nejrychlejšího automobilu planety, který má pokořit hranici 1609 km/h (1000 mph). Protože jsme zjistili, že toto zajímavé téma má Siemens zpracované do podoby článku, rádi ho tímto přinášíme čtenářům magazínu CAD a webu CAD.cz.

Projekt podněcující zájem budoucích inovátorů

Jak nejlépe nastartovat představivost mladých lidí tak, aby se chtěli stát budoucími inženýry? Vyzvěte je k účasti na technickém dobrodružství pro 21. století – tím je konstrukce nadzvukového automobilu schopného dosáhnout nového pozemního rychlostního rekordu 1000 mil za hodinu. Takové vozidlo je rychlejší než kulka vystřelená z pistole a překonává rychlostní rekord pro letadla při letech v malých výškách, v současné době 994 mil za hodinu.

Projekt Bloodhound SSC (SSC = supersonic car – nadzvukový automobil, v originále je celý název projektu psán verzálkami) byl zahájen v říjnu 2008 a má dvojí poslání: překonat zdánlivě nemožné pomocí vědy, techniky, technologie a matematiky (Science Technology Engineering and Mathematics / STEM) a současně přitom inspirovat, připravit a motivovat novou generaci pro život v nízkouhlíkovém světě. Projekt měl původně vyvrcholit na konci roku 2011 v jihoafrické poušti Kalahari, aktuálně je nahlášen termín roku 2013. Automobil se pokusí během 90 vteřin dosáhnout rychlosti Mach 1,4. Vůz bude řídit Andy Green, stejný pilot (RAF), který v roce 1997 vytvořil současný pozemní rychlostní rekord, jehož hodnota je 763 mil za hodinu.

Navzdory své dlouhé historii inženýrství zaznamenala Británie v posledních letech prudký pokles počtu absolventů v oborech STEM (science, technology, engineering, mathematics). Proto se projekt Bloodhound SSC zaměřuje na podporu zájmu o tyto obory tím, že představí inženýrské úsilí i výsledný technický úspěch. Všechny technické informace jsou sdíleny a zveřejňovány s úmyslem inspirovat novou generaci techniků a inženýrů. Vláda Spojeného království (UK) částečně financovala tříletý vzdělávací program, který využíval materiály na bázi učebního plánu. Nicméně projekt je v podstatě soukromým podnikem, který závisí na sponzorských příspěvcích společností, organizací a jednotlivých nadšenců. Ministerstvo obrany například zapůjčilo tři proudové motory Typhoon Eurofighter, kterým zbývalo několik hodin životnosti.

Společnost Siemens PLM Software dodala účastníkům projektu software NX pro vývoj produktů. „Jako tým jsme věděli, že chceme NX jako náš konstrukční nástroj,“ říká Mark Chapman, hlavní inženýr projektu Bloodhound SSC. „Tato volba byla částečně dána našimi vlastními zkušenostmi a částečně tím, že NX software používají někteří zkušení konstruktéři, které najímáme. Pohybujeme se na samé hraně fyzikálních a technických možností; projekt můžeme realizovat pouze pomocí té nejlepší technologie. Oslovili jsme společnost Siemens – tam pochopili, o co se snažíme, a ihned souhlasili s tím, že nás podpoří. Zacvičili šest lidí a další dny vyhrazené pro školení a zácvik můžeme ještě využít.“

Výchozí situace

Světové pozemní rychlostní rekordy se řídí pravidly Mezinárodní automobilové federace (FIA). Pravidla FIA omezují pouze počet kol. Automobil musí mít čtyři nebo více kol, přičemž dvě a více kol musí sloužit k řízení. Vozidlo může být vybaveno jakýmkoliv pohonným systémem a může mít jakoukoliv velikost či hmotnost. „Jestliže neexistuje žádný precedens a specifikace, jak a kde začít s konstrukcí?“ pokračuje Chapman. „Začali jsme tím, co známe: tvary proudového motoru a hybridní rakety a přibližnou velikostí nádrží pro palivo a okysličovadlo. Na základě příslušných dat jsme mohli odvodit jejich nejlepší jízdní polohu, a tedy i proporce kokpitu. Pak jsme začali s koncepčním návrhem (konstrukcí) celého automobilu; cílem bylo, aby obsahoval všechno potřebné, a aby přesto zůstal co nejmenší a nejkratší.“

NX software pomohl vytvořit celý automobil

Pomocí NX pro návrh a analýzu vytvořil tým celý automobil. Všichni tak mohli porozumět základnímu rozvržení vozidla včetně světlé výšky podvozku a uspořádání systémů, jako jsou závěsy a brzdy. Tým poté vytvořil koncepční návrh týkající se jednotlivých modulů vozidla, a to včetně ověření základních kritérií, jako je aerodynamika, stabilita a schopnost odolávat zatížení při jízdě. V únoru 2010 tým dokončil validaci tohoto koncepčního návrhu a disponoval hlavním CAD modelem vozidla s in-line strukturou, který byl schopen vyvolávat jednotlivé podsestavy pro detailní konstrukci.

NX software je pro projekt Bloodhound SSC naprosto klíčový. Chapman vysvětluje: „NX je základním konstrukčním nástrojem projektu. Neumíme si představit, že bychom používali nějaký jiný software. Povrchové úpravy, CAE, analýzy a výroba, to vše vychází z CAD modelu v NX, přičemž veškerá naše data vstupují zpět do hlavního modelu. Bez tohoto bychom vůbec nemohli pracovat.“ Jakmile členové týmu zpracovali koncept návrhu, byli schopni své nápady rychle ověřit pomocí softwaru NX Nastran. Chapman dále uvádí: „Část přínosu NX spočívala v tom, že jsme mohli »za pochodu« kontrolovat tuhost a pevnost – například u hlavního podvozku a hlavních ramen náprav.“

Jedním z hlavních problémů a výzev je návrh a technické zpracování celistvých (tuhých) kol. V tomto ohledu projektu pomáhají zkušení letečtí odborníci. Při průměru 900 mm a šířce 120 mm vykoná každé kolo 10 300 otáček za minutu – pro srovnání, kola limuzíny jedoucí nejvyšší rychlostí po dálnici se otočí 1600krát až 1800krát za minutu. „Kolo představuje pořádný kus celé sestavy a je vystaveno radiální síle až 50 000 G v oblasti ráfku,“ poznamenává Chapman. „Musíme kombinovat nízkou hmotnost s vysokou pevností a přitom zachovat geometrii, která bude co nejlépe podporovat dobrý pohyb. Na základě těchto požadavků provedeme pevnostní výpočty. Jelikož automobil nemá žádné pneumatiky, musíme rovněž definovat »běhoun« kola a vytvořit na něm »kýly«, které se zakousnou do povrchu pouště a zajistí přilnavost. Testovací práce musíme dokončit na skutečném pouštním povrchu, abychom mohli rozhodnout o konečném tvaru; pak vyrobíme vzorové zkušební kolo a provedeme testy zaměřené na ověření pevnosti.“

Nyní, když byl v NX dokončen koncept návrhu celého vozidla, je tento software používán pro detailní konstrukci všech jeho částí. Tým Bloodhound SSC využívá rozličných nástrojů k provádění různých typů analýz, jako je počítačová dynamika tekutin (CFD) a parametrické modelování za účelem simulace proudění vzduchu a kapalin proudovými motory, a proudění vzduchu po vnějším povrchu vozidla. Veškerá data pro analýzu jsou dodávána z NX. Chapman vysvětluje obrovský přínos NX: „Abychom mohli studovat příslušné vztahy jednotlivých karosářských prvků, musíme všechny modely vozidel podrobit CFD analýze, která je prováděna na Univerzitě ve Swansea. Během prvních 18 měsíců jsme zvládli 11 modelů. Použití zjednodušeného parametrického modelu převzatého z NX umožnilo, že jsme byli schopni vytvořit 55 modelů vozidel za osm týdnů, což je docela impozantní výkon.“

Silná softwarová podpora = přidaná hodnota

Pro úspěch projektu je důležitá komunikace. Chapman poznamenává, že tým udržuje pravidelný dialog se softwarovými experty Siemensu, kteří byli k poskytování podpory určeni. „Společnost Siemens nám nabídla skvělé služby. Denně dostáváme velmi užitečné a praktické pokyny ohledně používání softwaru NX, například v oblasti kreslení hydraulických obvodů,“ říká Chapman. „To nám šetří čas a umožňuje, abychom se soustředili na opravdu složité konstrukční problémy související s dosažením rychlosti Mach 1,4, jakož i na příliv školáků, kteří touží studovat STEM předměty.“

Dotujte projekt

Pokud se podíváte na webové stránky projektu www.bloodhoundssc.com, zjistíte, že tým konstruktérů podporuje mnoho firem a organizací. Například za pouhých 10 liber dostanete své jméno na ocasní ploutev vozidla. V době předvánoční by to mohl být i tip na malý vánoční dárek. Pokud máte ve své blízkosti nějakého motoristického nadšence, možná by ho to, že bude mít své jméno na kapotě takovéhoto vozidla, mohlo potěšit. Možností sponzorování je daleko víc, podívejte se na ně na výše uvedeném odkazu. Projekt doposud spolykal už kolem 15 miliónů liber (přibližně 450 miliónů korun) a každá libra navíc se hodí.

Klíče k úspěchu

• Projektově zaměřené vzdělávací materiály, které lze snadno odvodit z CAD modelu
• Virtuální testování na základě hlavního modelu
• Snadné sdílení konstrukčních dat
• Parametrické modelování umožňující rychlé CFD testy

Výsledky

• Inovativní koncepce návrhu lze rychle a snadno vytvořit a vyhodnotit
• Plně optimalizovaná konstrukce vozidel
• 55 modelů vozidel za osm týdnů

Bloodhound SSC v číslech

Rozměry

Rychlost

Motor

Brzdy