Kuidas Simulatsioon Tagab Paremad Tolmuimejad

2023 Autor: Hannah Pearcy | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-08-25 03:37

Šveitsis Romanshornis üles kasvanud arvutusinsener Stefan Koch oli Dysoni ettevõttest algusest peale vaimustuses. Isegi 2016. aasta turuletoomise ajal tundis ta ettevõttes põnevat atmosfääri. "Kõik olid väga motiveeritud ja pühendunud oma oskusteabe kasutamisele, et täita arenevatele uutele Dysoni toodetele esitatavaid kõrgeid nõudmisi," teatab Stefan Koch. „Nad viisid mind läbi laborite ja selgitasid oma lähenemist alusuuringutele ja tootearendusele. Olin põnevil Dysoni ülikoolilinnakus Malmesburys Inglismaal ja mulle oli kohe selge: tahan siin töötada!

Pärast masinaehituse bakalaureuse kraadi omandamist Winterthuris lõpetas šveitslane Southamptonis aerodünaamika magistrikraadi. Täna on ta Dysoni uuringute vanem aerodünaamikainsener ja vastutab peamiselt põrandahoolduse eest. Seal juhib ta viie inimese simulatsioonimeeskonda, kes töötab tarkvaraga Ansys.

Pildigalerii

7 pildiga pildigalerii

Kuidas ideed tekivad Dysonis

Dyson on alati olnud väga eksperimentaalne. Katse ja proovida asju oli ja on oluline osa loomeprotsessis ajurünnakud ja hindamine. Selle tulemusel ehitati ja testiti palju prototüüpe, seejärel täiustati ja testiti uuesti. Seda lähenemisviisi lõi ettevõtte asutaja James Dyson, kes ehitas esimese kottideta tolmuimeja jaoks 5 127 prototüüpi.

"Me ei taha mitte ainult optimeerimist ikka ja jälle teha, vaid tegeleme põhimõtteliselt ka olemasolevate väljakutsetega, et pakkuda oma klientidele vastavale rakendusalale parimaid võimalikke tooteid," rõhutab Stefan Koch. Näiteks saavad Dysoni uusimad juhtmeta tolmuimejad oma suure imemisvõimsusega täiesti asendada tavalised tolmuimejad. Imemisvõimsus Dyson Cyclone V10 on suurenenud ligikaudu 20% võrreldes eelmise V8. 2019. aasta alguses lansseeritud V11 imemisvõimsust suurendati veel 15%.

Tootearendus

Tootearenduse ümbermõtestamine

Arengu keskmes olevad simulatsioonid

"Tinkerdamine ja proovimine on meie ettevõtte DNA-s," selgitab arvutusinsener. „Ehkki tänapäeval on meie arengute keskmes simulatsioonid, mängivad prototüübid endiselt väga olulist rolli. Sest peame oma disainilahendusi ikka ja jälle valideerima ja katsetama, et saada tõeline tunne, kuidas meie tooteid käideldakse.”

Dysonis kasutatakse arvulisi simulatsioone peamiselt kahel viisil:

• Ühelt poolt kasutatakse uute või muudetud mõistete hindamiseks lihtsaid ja kiireid simulatsioone.
• Teisest küljest võimaldab see mõista keerukaid füüsilisi protsesse, mis näiteks kulgevad nii kiiresti, et mõõtmisi saab teha ainult suure vaevaga või üldse mitte.

Stefan Koch nimetab siin tolmuimeja põrandaotsikut, mis töötab 3000 pööret minutis. Tema jaoks on see üks keerukamaid mitmefaasilisi süsteeme, mis hõlmab harju ja vaipu, aga ka nanomeetri vahemikus olevaid osakesi ja ka suures koguses tolmu. Tema jaoks on vaevalt teostatav ehitada välja realistlik katsesüsteem sobivate mõõtmiste tegemiseks.

Vastama kasvavatele nõudmistele simulatsiooni abil

Lõppkokkuvõttes võimaldavad simulatsioonirakendused toodete ja komponentide tõhusat uut arendamist ja optimeerimist, et saaksite täiustatud tooteid uuesti ja uuesti turule tuua. Lisaks rõhutab Stefan Koch: „Uute toodete turule toomise sagedus on tohutult kasvanud. Minu arvates oli see võimalik ainult simulatsiooni laialdase kasutamise kaudu. Kuna simulatsioonid on parim vahend kiireks ja tõhusaks tootearenduseks. Need ei anna mitte ainult teadmisi toote füüsilise käitumise kohta, vaid võimaldavad ka sissepoole vaadata, et seal toimuvat mõista.”

Toimiku simulatsioon

Kuidas simulatsioon parandab tootearendust?

Mida peab tegema hea arvutusinsener?

Stefan Koch vastab vajaliku arvutusvõimsuse küsimusele, mida saab suurendada protsessorite paralleelse kasutamisega:

„Arvestusinseneride ülesandeks on intensiivselt mõelda, kuidas saaks probleemi simulatsioonide abil kõige paremini lahendada. See tähendab, et ei kasutata võimalikult palju protsessoreid, vaid kaalutakse ka seda, kuidas mõistlikku simulatsioonimudelit üles ehitada. Selleks pean ma täpselt mõtlema, mida ma tahan teada ja millist mudelit või tarkvarariista ma selle jaoks vajan. Samuti tuleks selgitada, kui detailsed peaksid olema tulemused ning milliseid aspekte tuleks arvestada ja kuidas. Kas mul on vaja 3D-arvutust ja milline turbulentsimudel sobib kõige paremini? Minu kogemus on: Mida lihtsam on mul simulatsioonimudelit kujundada, seda lihtsam on hiljem tulemusi tõlgendada ja neist järeldusi teha. Muidu võib juhtuda, et andmete üleujutus ujutab mind üle. Kõik need kriteeriumid eristavad head arvutusinsenerit lihtsast tarkvara kasutajast.”

Nutikas inseneripäev

Tootmise digiteerimine nõuab tootearenduse ümbermõtestamist. Smart Engineering Day pakkumised otsuse toetust valiku kõige sobivamad meetodid, kujundamist ja arukate toodete ja masinad.

Rohkem infot

Kuidas Dyson kasutab tootearenduses simulatsiooni

Voo optimeerimine: saadaval on uued tarkvarafunktsioonid:

• Ostuotsus tolmuimeja valimisel sõltub peamiselt selle imemisvõimsusest, aku tööajast ja filtrisüsteemist. Seetõttu keskenduvad Dysoni arvutusinsenerid nende tooteomaduste optimeerimisele, näiteks imemisvõimsuse suurendamiseks paremate mootorite ja kompressorite kaudu.
• Uute tarkvarafunktsioonide tõttu tekivad voo optimeerimiseks täiesti uued lähenemisviisid. Kui seni on inimesed alati aeruratast kujundanud ja vabadusastmeid ning parameetreid muutnud, siis nüüd saab selle töö osa ära teha tarkvara abil. See on eelis, sest inimesed peavad mõtlema probleemidele mittelineaarselt ja leidma lahendusi, mida nad ei suuda intuitiivselt ära tunda. Teisest küljest saab Ansys Fluent Adjoint Solveri abil geomeetriat optimeerida väga tõhusalt.
• Pärast vooluvälja arvutamist kasutab Adjoint Solver tundlikkuse uuringuid, et analüüsida, kuidas voolu parandamiseks tuleb geomeetriat muuta. “Selle modifitseeritud geomeetriaga algab tsükkel uuesti, kuni oleme voolu simulatsiooni tulemusega rahul,” teatab Stefan Koch. „Pärast 10, 20, 30 või isegi 40 iteratsiooni saame optimeeritud teraratta geomeetria, mis annab meile soovitud voolutulemused. Kuidas saaksime proovida sellist tulemust saavutada?"

Minimeerige soovimatud heliallikad:

• Sarnast protseduuri kasutatakse ka tiiviku ümber tekkivast voost põhjustatud müra minimeerimiseks. Mõlaratta tagumises servas toimuvate protsesside paremaks mõistmiseks kasutatakse kohapeal eemaldatud eddy simulatsiooni (DES). Seda saab kasutada väga kõrge eraldusvõimega tulemuste saamiseks, mille puhul arvutatakse tõhusalt akustiliselt asjakohane turbulents, mis võtab palju aega ja arvutusvõimsust.
• Lülisamba eraldumiste tugevust ja sagedusi võiks üksikasjalikult analüüsida. Tulemuseks oli, et gofreeritud tiiviku servadega heliallikate intensiivsus ei ole nii kõrge kui sirgete tagaservadega ja müra vähenes simulatsioonide tõttu. Ja testid näitasid ka, et tõelise aeruratta modifikatsioonid andsid heli vähendamise, mida simulatsioon lubas.

Seotud kahesuunaline osakeste simulatsioon:

• Kuid imemisvõimsuse suurendamiseks on oluline arvestada ka tolmuimeja üksikute tsüklonitega, mis toimivad tsentrifugaalseparaatorina. Vooluhulk tsüklonites - mõnikord kontsentriliselt enam kui tosinas - on globaalse ebastabiilsuse tõttu alati ebastabiilne, nii et tuleb analüüsida erinevate voolurežiimide abstraktset kontseptsiooni. Ka siin on üksikute turbulentsstruktuuride jaoks kõrge eraldusvõimega tulemuste saamiseks vajalikud ulatuslikud üksikasjalikud arvutused, et sadestumise tõhusust saaks veelgi parandada.
• Individuaalseid juhuslikke keeriseid, mis vähendavad sadestumise efektiivsust, saaks ära hoida modifikatsioonidega, mis viidi läbi vastavate simulatsioonitulemuste põhjal. "Selleks pidime laskuma väga detailselt, näiteks selleks, et saaksime arvutustes võtta arvesse tolmuosakesi nende erineva suurusega - mikromeetri ulatusest kuni nn puuvillahiirte suuruseni," selgitab arvutustehnika insener.
• Selleks kasutab ta ühendatud kahesuunalist osakeste simulatsiooni, sest õhuvool mõjutab osakesi ja vastupidi, osakeste kontsentratsioon tsüklonites aeglustab voolu. Tuleb meeles pidada, et tsüklonites tekivad kujuteldamatud tsentrifugaaljõud, mis on sada tuhat korda suurem gravitatsioonijõud. See võib põhjustada rõhu kõikumisi ja vibratsiooni, mis põhjustab tsükloni vibreerimist, mille tulemuseks on rõhukaod ja müra ning loomulikult vähenenud eraldamise efektiivsus.

Mitme skaala probleemid filtriga seotud kaalutlustel:

• Filtri simulatsioonide kohta selgitab Stefan Koch: „Minu kui inseneri jaoks on need põnevad ja samal ajal õudusunenägu.“Kuna filtritega tuleb arvestada mitme skaala probleemiga, on ühelt poolt mitme sentimeetri suurune filtrisüsteem ja teiselt poolt mikrotasand filtrites oleva nanomeetri suurusega kiududega. ja kõige väiksemad osakesed, mis sinna peaksid jääma.
• Lisaks erinevatele suurusjärkudele tuleb arvestada ka erinevate ajakavadega. See on simulatsioonis vaevalt võimalik. Seetõttu on Dysoni insenerid koostöös Oxfordi ülikooliga [Printsypar, Galina ja Bruna, Maria & Griffiths, Ian. (2018). Poorse söötme mikrostruktuuri mõju filtreerimisele] töötati välja homogeniseeritud mitme skaalaga mudel, kus simuleeriti makroprobleemi ja ühte mikroprobleemi jaoks. Filtrimaterjali läbiva voolu simulatsioon ühendatakse tahkete osakeste eraldumise arvutamisega filtris, nii et filtri poorsuse muutused naasevad makrosimulatsiooni.

Keskenduge süsteemi simuleerimisele ja demokratiseerimisele

Kui küsida, milliseid tulevasi fookuspunkte simulatsioonis võetakse arvesse, näeb Stefan Koch kahte olulist teemavaldkonda: „Vaadame juba praegu üha enam süsteeme, mitte ainult üksikuid komponente. Suurepärane süsteem vajab optimaalseid komponente, kuid need peavad ka tõhusalt koos töötama. Parandame seda süsteemisimulatsioonide abil. Teine oluline valdkond, mida ma näen simulatsiooni nn demokratiseerimises. Tulevikus peaks see võimaldama kõigil arenevatel inseneridel simulatsiooni kasutada, nii et eelised saaksid kasu kõik."