+31 88 115 2000 info@demcon-bunova.nl

Waarom gebruiken we simulatiesoftware?

Eenvoudige (veelal 1-dimensionale) problemen kunnen vaak op analytische wijze (met hand berekeningen) worden opgelost of afgeschat. Hierbij kunt u o.a. denken aan spanning en vervormingen in vaste materialen onder invloed van krachten. Zo gebruikt menig construerende ingenieur de klassieke ‘vergeet-mij-nietjes’ om snel de doorbuiging van een stalen balk uit te rekenen.

Deze aanpak werkt prima voor een eerste inschatting, maar om tot een goed ontwerp te komen heeft de ingenieur vaak veel meer inzicht in details en nauwkeurigheid nodig, iets wat nauwelijks mogelijk is op analytische wijze. De formules (partiële differentiaalvergelijkingen) zijn gewoonweg niet met de hand op te lossen als het om een 3D geometrie gaat. Daarnaast is het ondoenlijk om ook de wisselwerking van verschillende vakgebieden zoals sterkteleer en stromingsleer mee te nemen in de berekening wanneer deze gekoppeld zijn.

Sinds de jaren 90, dankzij de toegenomen rekenkracht van computers en gebruik van 3D tekensoftware, heeft de inzet van simulatieprogramma’s een grote vlucht genomen als gereedschap voor het oplossen van complexe natuurkundige en technische vraagstukken. Deze vraagstukken komen zeker niet alleen voor in de wetenschap maar ook tijdens het ontwerpen van producten en systemen. Juist het inzicht dat verkregen wordt tijdens het ontwikkeltraject door simulaties kan veel geld besparen in de prototype fase. Daarnaast zijn codeberekeningen ook vaak noodzakelijk om aan een keuringsinstantie (DNV, BV, Lloyds, ABS) te kunnen demonstreren dat een ontwerp voldoet aan de voorgeschreven normen. Naast de bij veel mensen bekende verplichte mechanische codeberekeningen aan hijsmiddelen en drukvaten, komt dit ook voor bij bijvoorbeeld elektromagnetische apparatuur (EMC keuring).

Onder de motorkap

Bij het gebruik van software simulatie wordt een stelsel van partiële vergelijkingen opgelost met behulp van een krachtige computer. Hiervoor worden numerieke oplostechnieken gebruikt. Het domein van het probleem, bijvoorbeeld de geometrie van een product, wordt opgedeeld in miljoenen deelvolumes ook wel elementen genoemd. Deze elementen hebben gemeenschappelijke randvoorwaarden waar de numerieke oplossing aan moet voldoen. Dit uit zich in enorme wiskundige matrices, welke moeten worden opgelost om detail inzicht te verkrijgen. Dit kost tijd, en zeker als de matrix ‘groot’ is komt een snelle centrale server met vele rekenkernen, zoals Demcon Bunova heeft,  goed van pas. De computer rekent alle elementen punt voor punt door totdat er een voldoende nauwkeurige benaderingsoplossing is gevonden.

Verschillende vergelijkingen

Afhankelijk van het vakgebied wordt er gebruik gemaakt van een andere set vergelijkingen om het fysische probleem vast te beschreven.

  • In de stromingsleer (Fluid Mechanics) wordt de fysica van vloeistoffen en gassen beschreven door de Navier-Stokes Deze worden in de meeste gevallen sluitend gemaakt met de keuze van het ‘juiste’ turbulentiemodel. Veelgebruikt zijn k-epsilon, k-omega, k-omega SST of het Reynolds stress model. Het oplossen van bovenstaande vergelijkingen met behulp van een computer wordt ook ‘Computational Fluid Dynamics’ (CFD) genoemd.
  • In de warmteleer (Heat Transfer) wordt met name gekeken naar geleidings- (conductie), stromings- (convectie) en stralings- vraagstukken. Bij vaste stoffen ligt de focus meestal op conductie en wordt de fysica beschreven met behulp van de Wet van Fourier. Met name het toepassen van de juiste warmtegeleidingscoëfficiënt is van groot belang om tot zinvolle resultaten te komen.  Vaak wordt gebruikt gemaakt van de ‘Finite Element Method’ (FEM) voor het oplossen van deze problemen met een computer.
  • Bij elektromagnetische (Electromagnetismn) vraagstukken wordt gebruik gemaakt van de Maxwell vergelijkingen om de interactie tussen elektrische en magnetische velden te beschrijven. Deze vergelijkingen vormen een samenvatting van eerder afzonderlijke geformuleerde wetten, zoals de wetten van Gauss, Ampère en Faraday. Het simuleren van elektromagnetische velden met behulp van een computer wordt ook wel ‘Computational Electro Magnetics’ (CEM) genoemd.
  • In de mechanica (Solid Mechanics) worden de klassieke wetten van Newton toegepast en gecombineerd met materiaalkunde om uitspraken te kunnen doen over de vervorming van een constructie of product. Hierin is het bijvoorbeeld erg belangrijk het juiste materiaalmodel (lineair/niet-lineair) en eventuele wrijvingsmodel toe te passen. Voor het maken van deze berekeningen wordt wederom gebruikt gemaakt van de ‘Finite Element Method’ (FEM).

Gereedschap op de juiste manier inzetten vereist kennis en ervaring.

Het is van groot belang dat een ingenieur verstand van zaken heeft met betrekking tot de numerieke methoden en de fysische achtergrond goed kent als hij de simulatie opzet en evalueert. Afhankelijk van het probleem moeten er namelijk een groot aantal belangrijke keuzes gemaakt worden als men door het simulatieproces loopt.

Pre-processing:

Zoals reeds eerder aangegeven moet de geometrie worden opgedeeld in een groot aantal elementen. Dit, samen met het kiezen van de juiste type elementen, wordt meshen genoemd. De mesh beïnvloed te nauwkeurigheid, de convergentie en snelheid van de oplossing. De elementen moeten op een goede manier en met de juiste resolutie door de geometrie worden gelegd en op plaatsen waar men hoge gradiënten verwacht moeten meer elementen worden toegevoegd. Getoetst moet worden of de uiteindelijke mesh de uitkomst van de berekening niet beïnvloed. De oplossing moet mesh onafhankelijk zijn. Daarom begint men robuust en wordt er lokaal verfijnd waar nodig.  Om het model verder op te bouwen moeten naast de juiste stof eigenschappen ook de randvoorwaarden worden gedefinieerd. Dit kunnen drukken, temperaturen, krachten, of bijvoorbeeld snelheden zijn, allemaal afhankelijk van het probleem. In elke stap kunnen fouten worden geïntroduceerd, welke tot een verkeerde uitkomst kunnen leiden. Samenvattend kunnen we stellen dat de mesh en het opstellen van de juiste randvoorwaarden van grote invloed is op je resultaten.

Solver:

Na het opzetten van het model kan er begonnen worden met het daadwerkelijk uitvoeren van de simulaties. Simulaties kunnen ‘steady state zijn’ of ‘transiënt’. Een steady state berekening houdt in dat er geen tijdafhankelijk in zit. Dit treft men vaak aan in de sterkteleer. De transiënte problemen hebben ook een tijdsafhankelijkheid. Hierbij kun je denken aan het opwarmen van een koffiemok na het vullen met warme koffie.

Post-processing:

Als het rekenprogramma, de solver, klaar is met de berekening, kan deze in de post-processor geanalyseerd worden.  De resultaten van de simulatie, of delen daarvan, kunnen zichtbaar gemaakt worden en moeten op waarde worden geschat. De uitkomsten (getallen) kunnen tot op element niveau bekeken worden. Contour plots, grafieken en tabellen kunnen naar wens worden aangemaakt.

Met de opgedane kennis en inzichten uit de simulatie kan door de ingenieur bevestigd worden of een product werkt zoals verwacht of dat er aanpassingen moeten worden gemaakt. Bij voorkeur wordt een FEM/CFD berekening al in een vroeg stadium gemaakt om middels een aantal iteraties tot een goed eind-design te komen. Vaak kan hiermee veel tijd en geld worden bespaard.