Das Institute for Plasma Research (IPR), Teil der indischen Atomenergiebehörde, nutzt die Multiphysics-Simulation, um zu untersuchen, wie die Kernfusion mit Hilfe von magnetisch eingeschlossenen Plasmen erreicht werden kann.
Im Rahmen seines umfassenden Lösungsangebots für die technische Simulation führt Ansys neue Technologien ein, die Multiphysics-Simulationen noch schneller, lückenloser und realistischer machen.
Technische Simulationen spielen eine Rolle beim Entwurf von Gebäuden, von Autos und Smartphones, der Medizintechnik und vielen anderen Dingen. Seit die Simulationssoftware vor über vier Jahrzehnten von Ansys eingeführt wurde, wird sie in den verschiedensten Branchen eingesetzt. Heute nutzen viele Entwicklerteams Simulationstools und -methoden in den Entwurfsphasen der Produktentwicklung und ersetzen so den teuren Bau und Test von Prototypen durch fortschrittliche numerische Analysen.
Um alle einwirkenden Kräfte zu verstehen und exakt vorherzusagen, ob das Produkt die Erwartungen erfüllen wird, müssen alle relevanten physikalischen Größen berücksichtigt werden. Mit der gleichzeitigen Simualtion und der parametrischen Optimierung dieser Größen mit Hilfe der Multiphysics-Ergebnisse, können Ingenieure rasch wichtige Erkenntnisse über die Produktleistung gewinnen, Designs schneller realisieren und neue Produkte früher auf den Markt bringen.
Durch die Anwendung dieser Tools und Verfahren gewinnen zum Beispiel die Formel-1-Entwickler heute neue Einsichten darin, wie die aerodynamischen Eigenschaften mit hoher Leistung, struktureller Integrität und niedrigem Gewicht in Einklang gebracht werden können.
Oder die Hersteller schwerer Maschinen können auf diese Weise nicht nur strukturelle Schwächen vermeiden, sondern auch thermische Spannungen, die zum Verformen und Ausfall von Teilen führen können.
Hochkomplexe Produkte
Ansys Polyflow ermöglicht die Simulation der Herstellung im Blasformverfahren mit Hilfe von Geometrie und Werkstoff für Kunststoffverpackungen.
In fast jeder Branche ermöglichen es Multiphysics-Studien den Entwicklern, die wachsende Komplexität ihrer Produktdesigns zu meistern. Denn moderne Trends in der Produktentwicklung, etwa die Erhöhung der Leistungsdichte von Elektronikbauteilen oder die Kundennachfrage nach smarten Produkten, haben zu speziellen Herausforderungen geführt.
So müssen medizintechnische Geräte, die zunehmend für den Betrieb im Nanobereich ausgelegt werden, auch bei starken Strömungs- und Strukturlasten reibungslos funktionieren. Die geometrischen Gegebenheiten jedes einzelnen Patienten, die Kontraktion von Blutgefäßen, Veränderungen im Blutstrom und die Eigenschaften der umgebenden inneren Organe müssen alle gleichzeitig berücksichtigt werden, um das Verhalten eines bestimmten Gerätes oder Verfahrens vorherzusagen.
Neue fortschrittliche Verbundmaterialien dagegen enthalten Schichten von Fasern mit manchmal einzigartigen thermoelektrischen Eigenschaften. Aus diesen Materialien hergestellte Fahrzeugkarosserien und Flugzeugrümpfe müssen nicht nur im Hinblick auf ihre thermoelektrische Leistung, sondern auch ihr aerodynamisches Verhalten, ihr Schwingungsverhalten, ihre Energieeffizienz und ihre Langzeitzuverlässigkeit optimiert werden.
Durch diese und andere Trends wird es für Entwicklerteams immer schwieriger, wichtige Fragen zur Produktentwicklung zu beantworten:
- Welche potenziellen Ausfallursachen gibt es für das Produkt?
- Wie kann man den besten Kompromiss zwischen mehreren Leistungsanforderungen erzielen?
- Können die spezifizierten Materialien allen erwarteten Strömungs- und Strukturlasten widerstehen?
- Ist die Kühlung angesichts der möglichen Wärmeübertragung zwischen den Komponenten ausreichend?
- Kann dieses Produkt zeit- und kosteneffektiv und unter Minimierung von Material, Energie und Abfall hergestellt werden?
Ein flexibler Ansatz
Die Multiphysics-Simulation, einst eine nur von Experten genutzte Entwicklungsstrategie, wird in vielen Branchen zunehmend zu einer Standardkomponente der heutigen Produktentwicklung. Unter Verwendung von Multiphysics-Studien zur Vorhersage und Verifizierung der Produktleistung unter den verschiedensten Betriebsbedingungen, können die Entwicklerteams viele Quellen von Produktausfällen in der Realität ausschalten.
In manchen Fällen besteht eine inhärente starke Kopplung zwischen den physikalischen Größen, sodass sich wichtige Interaktionen nicht durch sequentielle Simulationen erfassen lassen. Beispiele hierfür sind der Entwurf von Ventilen, die Modellierung verformbarer Körper unter Einwirkung aerodynamischer Kräfte und die Analyse der gekoppelten Wärmeübertragung. In diesen Fällen sind gleichzeitig ablaufende Simulationen erforderlich, die zu bestimmten Zeitpunkten Daten austauschen, bidirektionale Co-Simulationen, um mehrere physikalische Effekte gleichzeitig zu lösen und die enge Wechselwirkung aller physikalischen Kräfte zu berücksichtigen.
Ressourcen strategisch nutzen
Die von Ansys unterstützten flexiblen Multiphysics-Optionen ermöglichen es den Entwicklungsorganisationen, ihre Ressourcen strategisch einzusetzen. Die Forschungs- und Entwicklungs-Teams können sich auf diejenige Multiphysics-Kopplung konzentrieren, die ihnen die passenden Einblicke zur Lösung ihres aktuellen Problems liefert, sowie auf andere, die für zukünftige Entwicklungen interessant sind. Alle Ebenen der Multiphysics-Simulation unterstützen eine robuste Strategie zur Design-Optimierung, die auf eine kompromisslose Produktqualität ausgerichtet ist.
Für jeden Physics-Bereich bietet das Unternehmen Technologien an: Fluiddynamik, Strukturmechanik, Thermodynamik und Elektronik. Die Simulationssoftware muss exakte und stabile Ergebnisse für jeden Physics-Bereich liefern, bevor die komplexen Wechselwirkungen zwischen diesen Bereichen erfasst werden können. Laufende Verbesserungen machen die Simulationssofware unkompliziert, anpassungsfähig und direkt einsatzfähig.
Ein Blick in die Zukunft
Multiphysics Solutions
Die Welt, in der wir leben – die Umgebung, in der die Produkte eines Unternehmens bestehen müssen – ist durch zahlreiche verschiedene physikalische Phänomene gekennzeichnet. Flüssigkeitseinwirkungen, Wärmeeffekte, Strukturfestigkeit und elektromagnetische Strahlung haben jeweils Einfluss auf die Leistung von Produkten und industriellen Prozessen. Versucht man, die verschiedenen einwirkenden Kräfte isoliert zu betrachten, kann es sein, dass das Verhalten nicht genau vorhersagbar ist. Dennoch wissen Ingenieure, die Computersimulationen für das Verhalten von Produkten und Prozessen nutzen, dass die Betrachtung isolierter physikalischer Eigenschaften ein entscheidender Teil des Prozesses ist. Manchmal müssen Ingenieure einen Kompromiss eingehen: Opferung der Präzision zugunsten einfacherer Simulationen und schnellerer Abläufe. Der harte Wettbewerb zwingt aber Entwickler dazu, ihre Produkte schneller und billiger auf den Markt zu bringen als je zuvor, die zudem neuer und intelligenter sind und möglichst wenig Energie und Material verbrauchen. Daher wurde es notwendig, Simulationen und Entwürfe zu entwickeln, die hochpräzise Informationen liefern. So sind multiphysikalische Simulationen unverzichtbar geworden.
Die Kopplung im Drag-&-Drop-Verfahren in Workbench erleichtert das Einrichten einer Reihe von Multiphysics-Studien und unterstützt sowohl unidirektionale sequentielle Simulationen als auch die bidirektionale Co-Simulation. Mit flexiblen, offenen, automatisierten und exakten Funktionen zum Datenaustausch ermöglicht das Workbench die Verwendung experimenteller Daten, Daten aus anderen Quellen oder Daten aus anderen Physics-Simulationen in der aktuellen Simulation.
Leichterer Datenaustausch
Die Hyperthermia Group an der Duke University nutzt die Multiphysics-Simulation zur Entwicklung neuer nicht-invasiver Verfahren bei der Behandlung von Blasenkrebs, zum Beispiel für eine miniaturisierte wassergefüllte Mikrowellenantenne.
Zusätzlich wird der Datenaustausch mit externen Softwarelösungen durch das Ansys Application Customization Toolkit (ACT) erleichtert, welches das Workbench Software Development Kit (SDK) enthält. Diese Tools erlauben umfangreiche Anpassungen, um spezielle Simulationsfähigkeiten zu optimieren, etwa den Informationstransfer mit externen Technologie-Lösungen.
Die fundierte, anspruchsvolle Lösertechnologie, die dem Workbench zu Grunde liegt, umfasst High-Performance Computing (HPC)-Funktionen, parallele Skalierbarkeit und beschleunigt die Lösung umfangreicher Multiphysics-Simulationen.
Sie kann auch problemlos große Geometrien mit hohen Zellenzahlen sowie die bei detaillierten Multiphysics-Simulationen entstehenden enormen Datenmengen handhaben. Workbench handelt die komplexe Interaktion zwischen Physics-Lösern bei der Co-Simulation.
Heutzutage ist die Simulation zu einem Standardverfahren in der Entwicklung geworden. Denn sie ist die Zukunft der Produktentwicklung, da die Entwicklerteams nach Möglichkeiten suchen, um die Komplexität zu beherrschen, die Zuverlässigkeit zu verbessern und den Zeit- und Kostenaufwand im Entwicklungszyklus ebenso wie in den Produktionsverfahren zu reduzieren.
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Autor: Theo Drechsel, 4marcom im Auftrag von Ansys