Produktentwicklung

Simulationen leicht gemacht

| Autor / Redakteur: Boguslaw Samul, Andrzej Kobierski, Janusz Duc, Boguslaw Samul, Andrzej Kobierski, Janusz Duc, Jan Westerlund, Dietrich Bonmann / Monika Zwettler

ABB will die Simulation demokratisieren: Um Simulation vielen Entwicklern zugänglich zu machen, hat das Unternehmen drei halbautomatisierte Tools entwickelt, die Konstrukteure bei der Entwicklung von Trafos, Elektromotoren und bei der Erstellung von CFD-Berechnungen unterstützen.
ABB will die Simulation demokratisieren: Um Simulation vielen Entwicklern zugänglich zu machen, hat das Unternehmen drei halbautomatisierte Tools entwickelt, die Konstrukteure bei der Entwicklung von Trafos, Elektromotoren und bei der Erstellung von CFD-Berechnungen unterstützen. (Bild: ABB/Gorodenkoff Productions OU)

Firmen zum Thema

Simulation ist die Basis für die schnelle Erstellung virtueller Prototypen und damit für eine effiziente Produktentwicklung. ABB hat drei halbautomatisierte Plattformen entwickelt, die darauf ausgelegt sind, Konstrukteuren eine schnelle, einfache und zuverlässige numerische Modellierung zu ermöglichen.

Leistungsstarke Tools wie Computer-Aided-Engineering (CAE) und numerische Strömungsberechnungen (CFD) ermöglichen die schnelle Erstellung virtueller Prototypen. Doch aufgrund der Komplexität dieser Tools ist ihre Nutzung meist auf erfahrene Anwender beschränkt. Ein wichtiger Treiber für Innovationen ist die Demokratisierung von Technologie. Vor diesem Hintergrund hat ABB drei halbautomatisierte Plattformen eingeführt, die darauf ausgelegt sind, eine schnelle, einfache und zuverlässige numerische Modellierung zu ermöglichen. Die neuen Tools senken die Kosten für die Prototyperstellung und ermöglichen das Testen Dutzender Designvarianten in einem akzeptablen Zeitrahmen.

Wie findet der Konstrukteur den richtigen Mittelweg?

Eine der Schlüsselfragen bei der Entwicklung elektrischer Geräte ist, inwieweit sie in der Lage sind, Produktions- und Betriebskosten zu senken. Während einerseits die Forderung besteht, das Gewicht, die Größe und die Komplexität solcher Geräte zu reduzieren, müssen sie andererseits robust, erschwinglich und effizient sein. Wie können Konstrukteure unter diesen Umständen in einer möglichst kurzen Zeit den bestmöglichen Mittelweg für eine bestimmte Anwendung finden?

Simulationssoftware unterstützt Konstrukteure bei der Entwicklung

Die Antwort auf diese Frage ist komplex, da z. B. die mögliche Reduzierung der Größe eines elektrischen Geräts von verschiedenen Faktoren wie elektrischen Abständen (Isolationseigenschaften) und dem Wärmemanagement des Geräts abhängt. Doch die Bestimmung der elektrischen und thermischen Eigenschaften durch physische Tests ist normalerweise teuer und zeitaufwändig.

Allerdings stehen leistungsstarke Werkzeuge zur Verfügung, die den Konstrukteuren dabei helfen können, immer mehr Eigenschaften eines Geräts schon in der Entwicklungsphase zu visualisieren, zu quantifizieren und genau vorherzusagen. So können z. B. mithilfe von CAE-Tools (Computer-Aided-Engineering) wie FEM (Finite-Elemente-Methode) und CFD (Computational Fluid Dynamics) die Kosten und Testzeiten erheblich reduziert werden, da sie die Erstellung virtueller Prototypen und die Analyse Dutzender Varianten in relativ kurzer Zeit ermöglichen.

Dank modernster Simulationssoftware und der zunehmenden Leistungsfähigkeit von Hochleistungsrechnern können komplette Geräte auf virtuelle Weise mit einer Genauigkeit getestet werden, die nur um wenige Prozentpunkte von realen Tests abweicht.

Konstrukteure kämpfen mit drei bedeutenden Hürden

Das bedeutet aber nicht, dass damit ein Zeitalter fehlerloser virtueller Produkttests angebrochen ist. Konstrukteure haben noch immer mit drei bedeutenden Hürden zu kämpfen: die Kosten für die Software, die Kosten für die Hochleistungsrechner und eine häufig mangelnde Vertrautheit mit der Erstellung von Simulationsmodellen und der Einrichtung von Gleichungslösern (Solvern).

Sechs zu vermeidende Probleme beim Einsatz von Simulation in der Konstruktion

Simulation

Sechs zu vermeidende Probleme beim Einsatz von Simulation in der Konstruktion

27.05.19 - Produkte sind überaus komplex geworden. Daher ist es schwierig, die Auswirkungen einer Konstruktionsentscheidung auf den gesamten Entwurf abzusehen. Anhand der durch Simulationen gewonnenen Erkenntnisse können verschiedene Möglichkeiten bewertet, mit mehr Vertrauen konstruiert und letztendlich bessere Produkte entwickelt werden. Für den erfolgreichen Einsatz von Simulation gilt es ein paar Regeln zu beachten. lesen

Demokratisierung der Simulation

Doch auch hier stehen Lösungen zur Verfügung: So kann teure kommerzielle Software häufig durch Open-Source-Programme ersetzt werden. Statt lokalen Hochleistungsrechnern können Cloud-Lösungen genutzt werden, und die Modellerstellung und Solvereinrichtung kann in manchen Fällen durch spezielle Software mit vordefinierten Vorlagen und Einstellungen vorgenommen werden, die keine Änderung durch den Nutzer erfordern. In dieser sich entwickelnden Landschaft steht Ingenieuren nun eine benutzerfreundliche Bedienschnittstelle mit klaren Optionen zur Verfügung, die ihnen Ergebnisse in Berichtsform bereitstellt. Dieser Ansatz, der auch als „Demokratisierung der Simulation“ bezeichnet wird, ermöglicht statt einer Handvoll Spezialisten für numerische Berechnungen nahezu jedem Ingenieur die Nutzung eines solchen Systems.

Wie eine neue Simulationssoftware die Physik aller skizzierten Ideen sichtbar macht

Simulation

Wie eine neue Simulationssoftware die Physik aller skizzierten Ideen sichtbar macht

22.03.18 - Die Ideen für neue Produkte werden im Projektteam leidenschaftlich diskutiert. Oft fehlt aber eine sachliche Basis für Entscheidungen. Jetzt macht eine neue Simulationssoftware die Physik aller skizzierten Ideen sofort sichtbar. lesen

Simulation so einfach und schnell wie Excel? – Ansys Discovery Live in Creo integriert

Simulation

Simulation so einfach und schnell wie Excel? – Ansys Discovery Live in Creo integriert

16.11.18 - Die Echtzeit-Simulation Ansys Discovery Live ist ab sofort in der 3D-CAD-Software Creo von PTC integriert. konstruktionspraxis sprach mit Mark Hindsbo, Vice President und General Manager bei Ansys, über die Vorteile dieser Zusammenarbeit. lesen

Halbautomatisierte Tools für die Produktentwicklung

Wie unterstützt ABB diesen Trend zu erschwinglichen Simulationswerkzeugen, die auch Kunden einen Mehrwert bieten? Im Folgenden sollen drei halbautomatisierte Tools vorgestellt werden, die von ABB für den Einsatz in der Produktentwicklung konzipiert wurden.

Study-Trafo erleichtert Elektrokonstrukteuren die Arbeit

Die Verifizierung des Designs und die Optimierung der magnetischen Abschirmung sind wichtige Aspekte bei der Herstellung von Transformatoren, denn es gilt, die in den Metallteilen des Trafos unter Einwirkung von Magnetfeldern erzeugten Streuverluste zu reduzieren. Die Erstellung entsprechender numerischer Modelle erfordert fundierte Kenntnisse auf dem Gebiet der Simulationssoftware, Fertigkeiten in der 3D-Modellierung und Erfahrung in der Auswertung der Ergebnisse – alles Fähigkeiten, die normalerweise nur für tägliche Anwender von Simulationspaketen, aber nicht unbedingt für Elektrokonstrukteure relevant sind. Vor diesem Hintergrund hat ABB Study-Trafo entwickelt, ein halbautomatisiertes Tool zur Vorhersage von Heißpunkten, das für Simulationsexperten ebenso wie für gelegentliche Nutzer geeignet ist.

Schnelle Generierung von Simulationsmodellen von Trafos

Die Bedienoberfläche des Tools ermöglicht eine einfache und schnelle Generierung von Simulationsmodellen auf der Grundlage der eingegebenen mechanischen Abmessungen der Transformatorkomponenten wie Kern- und Jochpresselemente, Wicklungen, Kessel und Abschirmung. Die Simulationsmodelle werden in einer kommerziellen Software für elektromagnetische und thermische Berechnungen mithilfe von integrierten 3D-Primitiven wie Blöcken, Zylindern usw. und geometrischen Operationen generiert.

Modelle erhalten automatisch passende Einstellungen

Randbedingungen und Simulationseinstellungen werden den generierten Modellen automatisch zugewiesen. Sämtliche Parameter werden auf der Grundlage Dutzender getesteter Exemplare kleiner, mittelgroßer und großer Leistungstransformatoren, die von ABB weltweit gefertigt wurden, statistisch angepasst. Eine speziell für solche Berechnungen vorgesehene Werkstoffbibliothek wurde von ABB-Wissenschaftlern mithilfe von Labormessungen entwickelt.

Transformatoren an einem Tag optimieren

Study-Trafo ist in C# geschrieben, und Eingabedaten können manuell eingegeben oder direkt aus einem Designsystem importiert werden. Letzteres ermöglicht eine sofortige Erstellung von Simulationsmodellen. Das Ergebnis ist eine relativ kurze Simulationszeit, die es Ingenieuren erlaubt, die komplette Optimierung eines Transformatordesigns innerhalb eines Tages durchzuführen. Die Endergebnisse werden in Form einer Tabelle dargestellt, die die Verteilung der Verluste und die Höchsttemperaturwerte zeigt.

Simulation verbessert Verständnis der physikalischen Vorgänge

Die Methodik ist praktisch und kostengünstig. Im Vergleich zu anderen verfügbaren Tools und Analysemethoden für die Berechnung von Streuverlusten ist die Standardabweichung zwischen den gemessenen und berechneten strukturellen Verlusten um den Faktor zwei geringer.

Darüber hinaus beschränkt sich der Nutzen von Computersimulationen nicht auf Kosten- und Zeiteinsparungen für einzelne Transformatoreinheiten, sondern ermöglicht auch ein besseres Verständnis der physikalischen Vorgänge während des Betriebs. Ferner bietet der Ansatz die Möglichkeit, verschiedene Lösungen durch Simulation zu testen, was wiederum zu verbesserten Designs mit niedrigeren Streuverlusten und einer höheren Effizienz führt.

Für die Entwicklung von Elektromotoren: CFD für MCCU

MCCU-CFD ist ein halbautomatisiertes Tool zur Durchführung experimenteller numerischer Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD) von Elektromotoren, das als Bestandteil der MCCU (Multiphysics Cascaded Controlling Unit) entwickelt wurde. Die Software bietet die Möglichkeit, verschiedene physikalische Phänomene, die von F&E-Ingenieuren häufig zur Untersuchung des Betriebs von Elektromotoren verwendet werden, zu steuern und zu automatisieren. So kann z. B. untersucht werden, wie sich eine Veränderung der Abmessungen oder der Betriebsparameter auf die approximierte Motorleistung auswirkt.

Das Ziel: CFD-Simulationen automatisieren

MCCU integriert mehrere Tools in einer einzigen Bedienoberfläche, auf die über eine Webseite zugegriffen werden kann. Das Ziel des Tools ist es, F&E-Ingenieuren die Möglichkeit zu bieten, die Erstellung kompletter CFD-Simulationen auf der Grundlage vordefinierter Parameter zu automatisieren.

Mit dem MCCU-CFD-Tool können Nutzer mit einem Klick eine CFD-Simulation eines Motors durchführen. Die Eingaben für die Simulation, zu denen die Abmessungen und Betriebsparameter des Motors gehören, liefert die ADEPT-Software, eine umfassende Designumgebung für Elektromotoren.

BUCHTIPPDas Buch „Praxishandbuch Antriebsauslegung“ hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

Tool erzeugt 3D-Modell für die Simulation

Das Tool erzeugt ein repräsentatives 3D-Modell eines Motors, das sich zur Durchführung einer Luftströmungssimulation oder einer gekoppelten thermischen und Luftströmungssimulation mithilfe eines Open-Source-Programms wie Open-Foam eignet. Sobald die Skripte die Erzeugung der Finite-Volumen-Gitter für die Aktivteile und den Luftraum abgeschlossen haben, sorgen sie für die richtige Zuweisung der Materialeigenschaften, Wärmequellen und Randbedingungen zu allen Motorkomponenten.

Ist ein Modell fertiggestellt, wird die Simulation auf einem Server berechnet, bis ein stabiler Zustand erreicht ist. Am Ende des Simulationsvorgangs erfolgt eine automatische Nachverarbeitung unter Verwendung einer Software wie Para-View. MCCU-CFD sammelt Simulationsergebnisse in Form von Bildern, Diagrammen und Tabellen und erstellt daraus einen Bericht, der dem Benutzer übermittelt wird.

Dry-Foam: Werkzeug für thermische Berechnungen

Trockentransformatoren sind konstruktionsbedingt äußerst empfindlich gegenüber Temperaturveränderungen. Aufgrund des Kühlmediums (Luft) und der Tatsache, dass die Wärmeübertragung durch natürliche Konvektion erfolgt, ist ihr Wärmeverhalten schlechter als das von flüssigkeitsgefüllten Transformatoren. Daher ist es für die Optimierung des Designs von Trockentransformatoren unerlässlich, dass dem Konstrukteur zuverlässige Werkzeuge für thermische Berechnungen zur Verfügung stehen.

Diese können von vereinfachten Lumped-Mass-Systemen bis hin zu sehr filigranen Netzmodellen reichen. Numerische Strömungsberechnungen gehen über die Beschränkungen von Modellen mit gemittelten Parametern hinaus und bieten die Möglichkeit, die Auswirkungen von Turbulenzen, Strahlung, Auftrieb und geometrischen Merkmalen in Trockentransformatoren abzubilden.

Cloud-Computing eröffnet vielfältige Möglichkeiten für CFD

Seit dem Aufkommen des Cloud-Computings sind die Rechenkosten so niedrig wie nie zuvor und stellen für ein numerisches Analysesystem wie CFD keinen Engpass mehr dar. In der Vergangenheit verhinderten die Kosten für eine kommerzielle Lizenzierung häufig eine verbreitete Nutzung verfügbarer Plattformen. In dieser neuen Landschaft konkurriert Open-Foam als Open-Source-Alternative mit kommerziellen Softwarepaketen.

Viel Leistung bei geringen Kosten

Mit Open-Foam lassen sich Simulationen auf mehrere Rechenressourcen verteilen, sodass eine hohe Rechenleistung zu geringen Kosten erreicht werden kann. Für eine sich wiederholende Aufgabe wie die Konstruktion eines Transformators stellt eine automatisierte Plattform auf der Basis von Open-Foam eine gute Lösung für genaue thermische Berechnungen dar.

Automatisierung von CFD-Simulationen auf der Grundlage vordefinierter Parameter

Dry-Foam („Dry“ für Trockentransformator und „FOAM“ für Open-Foam) geht zurück auf einen Workshop im Jahr 2016 unter dem Titel „Themal Issues on Electrical Machines“. Der Erfahrungsaustausch in den Bereichen Open-Source-Computing, Wärmemanagement, Entwicklung von Simulationssoftware und neue Verfahren des Cloud-Computing führte 2017 zu einem IT-Projekt mit folgenden Zielen:

  • Bereitstellung eines einfachen und zuverlässigen Tools zur Durchführung von Fluidströmungs- und thermischen Simulationen von Trockentransformatoren
  • Nutzung von Open-Source-Technologien, um die Betriebskosten möglichst gering zu halten
  • Nutzung von Cloud-Computing (Microsoft Azure), um die Rechenkosten zu reduzieren
  • Einfache Gestaltung der Lösung, sodass sie von jedem Ingenieur in einem Trockentransformatorenwerk genutzt werden kann, und zwar unabhängig von seinem Hintergrundwissen im Bereich Thermofluiddynamik.

Dry-Foam extrahiert automatisch geometrische Parameter

Dry-Foam beginnt mit einer einzigen universellen Eingabedatei, die auch vom Common Design System (CDS) von ABB für die Konstruktion von Transformatoren verwendet wird. Das System extrahiert automatisch die geometrischen Parameter wie Wicklungs-, Kern- und Gehäuseabmessungen, Lasten (Verluste) und Randbedingungen (Umgebungstemperatur). Octave-Skripte (ein weiteres Open-Source-System ähnlich der kommerziellen Software Matlab) übernehmen dann die Erstellung eines axialsymmetrischen repräsentativen 2D-Modells eines Transformators einschließlich Kern, Wicklungen, Kühlkanälen, Gehäuse, Lüftungsöffnungen und dem Luftraum um das Gerät.

Finite-Volumen-Gitter werden entsprechend den Anforderungen von CFD-Methoden erzeugt, sodass die notwendige Qualität der Elemente und die Details der Grenzschichten für die Berechnung der wandnahen Strömungen bei natürlicher und erzwungener Konvektion sichergestellt sind.

Und schließlich sorgt der Dry-Foam-Workflow für die Zuweisung der Wärmequellen, Materialeigenschaften, Randbedingungen und Solvereinstellungen. Ist das Modell fertiggestellt, beginnt Dry-Foam mit den Berechnungen und erstellt einen Bericht, sobald der Solver eine stabile Lösung gefunden hat.

Intelligent konstruieren

Kompendium Maschinenkonstruktion

Intelligent konstruieren

Angesichts zunehmender Digitalisierung, Vernetzung von Maschinen und Anlagen oder neuer Software-Tools ändert sich das Aufgabengebiet des Konstrukteurs entscheidend. Grund genug, relevante Artikel für Sie zusammen zu fassen. weiter...

Automatisierte Berichte zeigen Konstrukteuren abstrahierte Informationen

Die automatisierte Berichterstellung ist eines der Hauptmerkmale von Dry-Foam, da dies die Kommunikation der Ergebnisse in einem für alle Konstrukteure lesbaren Format erleichtert. Dabei wird die Komplexität der Simulation abstrahiert, und den Konstrukteuren werden die wichtigsten Informationen zum Wärmeverhalten von Kern und Wicklung angezeigt. So kennen sie nicht nur die durchschnittlichen Wicklungstemperaturen, sondern auch die Temperaturen und die Lage der Heißpunkte. Ein Bericht kann anschließend heruntergeladen oder im System gespeichert werden.

Vielversprechender Ansatz mit Dry-Foam in der Cloud

Von der Implementierung her ist Dry-Foam vollständig containerisiert und kann daher auf einem Laptop, Arbeitsplatzrechner oder in der Cloud genutzt werden. Cloudlösungen scheinen besonders vielversprechend, da eine vordefinierte Cloud-Benutzeroberfläche für Dry-Foam die Datensicherheit gewährleistet und ein schnelles und einfaches Eingeben und Hochladen von Dateien, Herunterladen von Berichten sowie die Online-/Live-Darstellung von Parametern zur Stabilität der Lösung bei verschiedenen Iterationen ermöglicht.

In seiner derzeitigen Form ermöglicht die Dry-Foam-Software 2D-Berechnungen von zwei Konstruktionsarten, doch es gibt Pläne für detailliertere 3D-Berechnungen, die die Simulation von anderen Transformatortypen wie Resibloc- oder Traktionstransformatoren ermöglichen. Vor allem aber kann das Gerüst des Tools problemlos für die Simulation anderer ABB-Produkte angepasst werden.

SEMINARTIPPIn dem Seminar „Design-to-Cost-Methoden“ vermittelt der Referent wirkungsvolle Anwendung und Kombination der wesentlichsten DTC-Methoden – basierend auf seiner jahrelangen Erfahrung als Kostenmanager und Unternehmensberater.
Weitere Informationen

* Boguslaw Samul, Andrzej Kobierski, Janusz Duc: ABB Corporate Research, Krakau, Polen

* Jaydeep Deshpande, ABB Power Grids, Dry Transformers, Raleigh, NC, USA

* Jan Westerlund, ABB Motors and Generators Technology, Helsinki, Finnland

* Dietrich Bonmann, ABB Power Grids, Power Transformers, Bad Honnef, Deutschland

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45999633 / Entwurf)