Wykorzystanie Simcenter 3D w wybranych branżach na przykładzie analiz Multiphysics

Analizy Multiphysics w Simcenter 3D obejmują wykorzystanie analiz strukturalnych, termicznych, przepływowych i akustycznych do rozwoju produktu poprzez odzwierciedlenie rzeczywistej pracy produktu. W niniejszym artykule omawiamy wykorzystanie analiz Multiphysics w Simcenter

Simcenter 3D oferuje kilka rodzajów analiz Multiphysics

Thermal – Flow – zwana też sprzężoną analizą cieplno-przepływową łączy transfer ciepła z analizą CFD. Analiza termiczna  symuluje rozkład temperatury pomiędzy ciałami stałymi poprzez przewodzenie i promieniowanie. Natomiast analiza przepływu symuluje transport płynu oraz transfer ciepła pomiędzy materiałami stałymi a płynami poprzez konwekcję. Ten rodzaj analiz jest często wykorzystywany do obliczeń ciepła w sprzętach elektronicznych.

Thermal – mechanical – w tym typie symulacji transfer ciepła jest połączony z analizą strukturalną. Analiza termiczna wylicza rozkład ciepła, a wynikające z niego temperatury wywołują odkształcenia termiczne i naprężenia, które są symulowane za pomocą analiz strukturalnych. Dwukierunkowe sprzężenie występuje, gdy temperatura odkształca układ tak, że zmienia się transfer ciepła, np. gdy części mechaniczne zaczynają się stykać i dochodzi do przewodności cieplnej. Symulacja termiczno mechaniczna jest często wykorzystywana w systemach, które mają duże obciążenie cieplne wpływające znaczne na odkształcenia i naprężenia, np. w silniku lotniczym.

Fluid – structures – interakcja płynu ze strukturą często nazywana jest analizami FSI. Łączy analizę CFD z analizą strukturalną. Dwukierunkowe sprzężenie występuje, gdy ciśnienie w polu przepływu odkształca strukturę tak, że pole przepływu zmienia się. Symulacja Fluid Structural jest często stosowana w systemach mechanicznych, które kierują przepływem, np. wirniki.

Vibro-acoustics – łączy analizę strukturalną z analizą akustyczną. Służy do przewidywania hałasu, gdy obciążenia dynamiczne oddziałują na strukturę wywołując drgania, które z kolei pobudzają płyn otaczający strukturę. Wynikająca z tego zmiana ciśnienia w płynie jest znana jako hałas. Symulacje wibroakustyczne są często wykorzystywane w analiza samochodów w celu oceny hałasu generowanego od drogi lub silnika.

Aero-vibroacoustics – połączenie analizy wibroakustycznej z analizą przepływu. Typowy przypadek polega na tym, że przepływ indukuje ciśnienia o wysokiej częstotliwości wokół struktury, które następnie wywołują drgania strukturalne i ciśnienia akustyczne. Przykładem takiej analizy jest hałas wywołany wiatrem wokół jadącego samochodu.

Aeroacoustics – to połączenie przepływu z akustyką. Są to przypadki, w których turbulencje w samym strumieniu przepływu emitują hałas. Podczas gdy symulacja CFD może być wykorzystana do rozwiązania całego pola ciśnienia, zazwyczaj bardziej efektywne jest wykonanie dwuetapowego hybrydowego podejścia CFD + akustyka.

Typowe przykłady, w których inżynierowie stosują rozwiązania Multiphysics.

Sprzężone analizy cieplno-przepływowe mają zwykle na celu:

• projektowanie systemów chłodzonych przepływem w celu uniknięcia przegrzania,
• przewidywanie rozkładu temperatury w urządzeniach elektronicznych,
• poznanie przebiegu oraz prędkości przepływu powietrza,
• przewidywanie rozkładu temperatur na płytkach PCB,

określenie wymagań dotyczących wielkości wentylatora.Sprzężone analizy termiczno-mechaniczne są zazwyczaj ukierunkowane na:

• przewidywanie zniekształceń od obciążeń termicznych,
• sprawdzanie termicznego i strukturalnego sprzężenia kontaktowego,
• przewidywanie odkształcenia pełzającego od obciążeń termicznych,
• sprawdzanie materiałów zależnych od temperatury,
• przewidywanie wzmocnienia lub utraty naprężenia wstępnego obciążenia termicznego śruby.

Sprzężone analizy przepływowo strukturalne są zazwyczaj wykonywane w celu:

• przewidywania odkształceń struktury pod wpływem przepływu,
• optymalizacji konstrukcji w celu uzyskania kontrolowanego przepływu.

Sprzężone analizy vibroacustic maja na celu:

• kontrola hałasu na podstawie wzbudzenia struktury,
• przewidywanie hałasu emitowanego przez drgające powierzchnie.

Analizy aero-vibroacoustics mają na celu:

• kontrola szumu wiatru,
• kontrola szumu wywołanego przepływem np. wokół samolotu, pociągu,
• sprawdzenie szumów sonaru,
• sprawdzenie szumów w pompach.

Przegląd branż stosujących analizy Multiphysics

Produkty Multiphysics Simcenter 3D używane w wielu gałęziach przemysłu. Rozwiązania Siemens są najczęściej stosowane w branżach: motoryzacyjna, lotnictwo, przemysł maszynowy, silniki lotnicze, skrzydła samolotowe. Simcenter Multiphysics jest obecny również w sektorze produktów morskich, elektroniki oraz towarów konsumpcyjnych. Nie oznacza to, że Simcenter Multiphysics nie jest stosowany w innych branżach – to bardziej zależy od wymagań symulacyjnych i trudno wymienić wszystkie branże i zastosowania.

W przemyśle motoryzacyjnym na przykład sprzężenie wibroakustyczne służy do przewidywania NVH, określenia poziomu hałasu wewnętrznego. Analizy cieplno-przepływowe wykorzystywane są do przewidywania temperatury i utraty ciepła w systemach wentylacyjnych.

W przypadku symulacji układu napędowego / układu przeniesienia napędu stosuje się Multiphysics do analizy hałasu emitowanego przez silniki, przekładnie i układy wydechowe, natomiast analizy cieplno-przepływowe do wyznaczenia temperatury w układach chłodzenia i wydechu.

W przemyśle lotniczym i kosmicznym stosuje się symulacje Multiphysics na przykład w symulowaniu satelitów. Wykonuje się analizy takie jak sprzężone analizy termiczno-mechaniczne dla temperatur orbitalnych i deformacji termicznych. Symulacje startów statków kosmicznych obejmują sprzężone analizy termiczno-mechaniczne w celu sprawdzenia rozkładu temperatury i naprężeń termicznych w silnikach rakietowych.

Przy projektowaniu konstrukcji nośnych w lotnictwie wykorzystuje się rozwiązania Multiphysics do oceny całych struktur, a także podsystemów. Niektóre z typowych zastosowań to symulacja termiczno-mechaniczna do przewidywania rozkładu temperatury i naprężeń termicznych w poszyciu i ramie, sprzężone analizy wibroakustyczne do sprawdzenia ciśnienia akustycznego kabiny z zewnętrznych turbulencji oraz systemów wentylacyjnych, sprzężone analizy termiczno-przepływowe do symulacji rozkładu temperatury w systemach wentylacji, a także symulacji utwardzania komponentów kompozytowych, aby przewidzieć zniekształcenia sprężyste podczas procesu produkcyjnego.

Silniki lotnicze są jednym, najbardziej złożonym podsystemem w samolocie, co powoduje, że stawia się im duże wymagania dotyczące symulacji – często obejmujące właśnie zagadnienia wielofizyczne, takie jak sprzężone analizy termiczno-mechaniczne, które są używane do obliczeń rozkładu temperatury i naprężeń termicznych oraz odkształceń. W sprężarkach i turbinach za pomocą sprzężonych analiz termiczno-przepływowych oblicza się transfer ciepła i ciśnienia przepływu dla układu konstrukcji silnika.

W przemyśle morskim korzysta się z symulacji Multiphysics do rozwiązywania takich problemów, jak emisja hałasu oraz wyciszenie hałasu z silników, przekładni i układów wydechowych. Termiczno-przepływowych analiz używa się do obliczeń rozkładu temperatur w systemach rurowych i naprężeń kadłuba pochodzących z obciążeń falowych.Przemysł maszynowy ma podobne zastosowania jak przemysł motoryzacyjny w odniesieniu do Multiphysics. Zazwyczaj są to zagadnienia takie jak analizy wibroakustyczne do sprawdzenia hałasu w kabinie oraz na zewnątrz. Analizy termiczno-przepływowe do symulacji rozkładu temperatury i utraty ciepła w wentylacji. W układach przeniesienia napędu oblicza się hałas emitowany z silników, przekładni i układów wydechowych. Sprzężonych analiz termiczno-przepływowych używa się do oszacowania wydajności chłodnic.

W przemyśle elektronicznym symulacje Multiphysics są zwykle stosowane w obliczeniach obudowy urządzeń elektronicznych. Sprzężone analizy cieplno-przepływowe pozwalają na sprawdzenie rozkładu temperatury w komponentach wewnątrz obudowy urządzenia elektronicznego i na płytkach PCB. Sprzężone analiz termiczno-mechaniczne pozwalają na sprawdzenie naprężeń i odkształceń termicznych.

Sukcesy klientów

Graham Packaging jest światowym liderem w projektowaniu i produkcji niestandardowych, formowanych przez rozdmuchiwanie sztywnych pojemników z tworzyw sztucznych. Trzeba zbadać i ocenić formy przed produkcją, aby zaoszczędzić czas na przeprojektowanie oraz wykonanie form. W Simcenter 3D głównie firma używa symulacji Thermal and Flow, aby szybko przeanalizować projekty form. Dzięki symulacjom mogą przejść bezpośrednio do produkcji pomijając fizyczne testy. Firmie udało się zaoszczędzić 6 tygodni fizycznych testów jednym tygodniem symulacji.

Ecomise: Produkcja śrub okrętowych. Siemens wraz z partnerami pomagał opracować projekt kompozytowej śruby okrętowej. Wyzwaniem było przewidzenie wydajności pracy części uwzględniając wpływ procesu produkcyjnego. W celu sprawdzenia, jak zachowuje się proces utwardzania i odkształcania zastosowano sprzężone analizy cieplno-mechaniczne. Dzięki Simcenter 3D udało się uzyskać dokładną charakterystykę wydajności konstrukcji unikając czasochłonnych testów.

Rolls-Royce Aero Engine projektuje turbiny gazowe i silniki tłokowe napędzające samoloty i statki. W 2012 roku podjęli poważną decyzję o zastąpieniu wewnętrznych narzędzi do symulacji strukturalnej i termicznej rozwiązaniami Simcenter 3D. Siemens wspiera analizy silników turbinowych, które zazwyczaj są wykonywane jako symulacje termiczno-mechaniczne. Zastosowania Multiphysics pozwala na: • pełną analiza TMC układu silnika, • podsystem TMC, z wykorzystaniem symetrii cyklicznej 3D. Symulacje obejmują efekty kontaktu, obciążenia śrubami, zastosowanie siatek adaptacyjnych aby zapewnić dokładność i jakość elementów skończonych.

SAFRAN: międzynarodowa grupa dostarczająca zaawansowane technologicznie systemy i urządzenia dla przemysłu lotniczego, obronnego i bezpieczeństwa. Wyzwaniem było zapobieganie uszkodzeniom wyrzutni na skutek możliwych problemów z elektroniką. W tym celu musieli przeprowadzić analizy termomechaniczne. Ich rozwiązaniem było zastosowanie rozwiązań Simcenter 3D z Multiphysics dla nieliniowych struktur. Dzięki tym narzędziom byli w stanie zaprojektować swój system z wymaganymi marginesami bezpieczeństwa bez nadmiernego projektowania.

Daimler Mercedes Car Group: zajmuje się produkcją luksusowych samochodów. Koncern ma bardzo wysokie wymagania dotyczące analizy wibroakustycznej, ponieważ postrzegana przez klienta jakości pojazdu jest ściśle związane z osiągami NVH. W tym celu Daimler polega na Simcenter Nastran, dla wszystkich swoich symulacji NVH, w tym sprzężonych analiz strukturalno-akustycznych. Typowe analizy to symulacja hałasu wewnątrz kabiny emitowanego przez silnik, pochodzący z drogi oraz wiatru, a także hałas z układu wydechowego i dolotowego.

Opracował: Michał Sroka

Skontaktuj się z nami