Инженер по расчетам Стефан Кох, выросший в швейцарском городе Романсхорн, с самого начала был в восторге от компании Dyson. Даже на дату запуска в 2016 году он почувствовал захватывающую атмосферу в компании. «Все были очень мотивированы и стремились использовать свои ноу-хау для удовлетворения высоких требований к новым продуктам Dyson, которые будут разрабатываться», - сообщает Стефан Кох. «Они провели меня через лаборатории и объяснили свой подход к фундаментальным исследованиям и разработке продуктов. Я был в восторге от кампуса Дайсона в Малмсбери, Англия, и мне сразу стало ясно: я хочу работать здесь!
После получения степени бакалавра по машиностроению в Винтертуре, швейцарцы получили степень магистра по аэродинамике в Саутгемптоне. Сегодня он является старшим инженером по аэродинамике в исследованиях Дайсона и в первую очередь отвечает за уход за полом. Там он возглавляет команду моделирования из пяти человек, которая работает с программным обеспечением Ansys.
Картинная галерея
Картинная галерея с 7 картинками
Как идеи возникают в Дайсоне
Дайсон всегда был очень экспериментален. В эксперименте и попробовать то было и является важным компонентом в творческом процессе мозгового штурма и оценки. В результате многие прототипы были построены и протестированы, а затем улучшены и протестированы снова. Этот подход был придуман основателем компании Джеймсом Дайсоном, который создал 5127 прототипов для первого пылесоса без мешка.
«Мы хотим не только проводить оптимизацию снова и снова, но и фундаментально решать существующие проблемы, чтобы предоставлять нашим клиентам наилучшие продукты для соответствующей области применения», - подчеркивает Стефан Кох. Например, новейшие беспроводные пылесосы от Dyson с их высокой силой всасывания могут полностью заменить обычные пылесосы. Мощность всасывания Dyson Cyclone V10 была увеличена примерно на 20% по сравнению с предшественником V8. Мощность всасывания V11, запущенного в начале 2019 года, была увеличена еще на 15%.
Разработка продукта
Переосмысление разработки продукта
Симуляторы в центре разработки
«Изучение и пробование входит в ДНК нашей компании», - объясняет инженер по расчетам. «Несмотря на то, что на наших разработках сегодня находятся симуляции, прототипы по-прежнему играют очень важную роль. Потому что мы должны проверять и тестировать наши проекты снова и снова, чтобы получить реальное представление о том, как обрабатываются наши продукты ».
В Dyson численное моделирование в основном используется двумя способами:
- С одной стороны, простые, быстрые симуляции используются для оценки новых или модифицированных концепций.
- С другой стороны, это позволяет понять сложные физические процессы, которые, например, протекают так быстро, что измерения могут быть выполнены только с большими усилиями или не выполнены вообще.
Здесь Стефан Кох называет напольное сопло пылесоса, которое работает при 3000 оборотах в минуту. Для него это одна из самых сложных многофазных систем, которая включает в себя кисти и ковры, а также частицы в нанометровом диапазоне, а также большое количество пыли. Для того, чтобы построить в реалистичную систему испытания проводить соответствующие измерения, кажется, вряд ли представляется возможным для него.
Противодействие растущим требованиям с помощью моделирования
В конечном итоге приложения для моделирования позволяют эффективно разрабатывать и оптимизировать продукты и компоненты, чтобы иметь возможность снова и снова представлять улучшенные продукты на рынке. Кроме того, Стефан Кох подчеркивает: «Частота, с которой мы выпускаем новые продукты, значительно возросла. На мой взгляд, это стало возможным только благодаря широкому использованию симуляции. Потому что симуляции - лучший инструмент для быстрой и эффективной разработки продукта. Они не только дают знания о физическом поведении продукта, но и позволяют заглянуть внутрь, чтобы понять, что там происходит ».
Симуляция досье
Как моделирование улучшает разработку продукта
Что должен делать хороший инженер по расчетам?
Стефан Кох отвечает базовым утверждением на вопрос о необходимой вычислительной мощности, которая может быть увеличена при параллельном использовании процессоров:
«Инженеры по расчетам обязаны тщательно продумать, как лучше всего решить проблему с помощью моделирования. Это означает, что используется не столько процессоров, сколько возможно, а то, как можно построить разумную имитационную модель. Для этого мне нужно подумать, что именно я хочу знать и какая модель или программный инструмент мне нужны для этого. Следует также уточнить, насколько подробными должны быть результаты и какие аспекты следует учитывать и как. Нужен ли 3D-расчет и какая модель турбулентности лучше всего подходит? Мой опыт: Чем проще я могу создать свою имитационную модель, тем легче будет позже интерпретировать результаты и делать из них выводы. Иначе может случиться так, что поток данных затопит меня. Все эти критерии отличают хорошего инженера по расчетам от простого пользователя программного обеспечения ».
Умный инженерный день
Оцифровка производства требует переосмысления в разработке продукта. День Smart Engineering предлагает поддержку принятия решений для выбора наиболее подходящих методов для разработки, проектирования и разработки интеллектуальных продуктов и машин.
Больше информации
Как Дайсон использует симуляцию в разработке продукта
Оптимизация потока: доступны новые программные функции:
- Решение о покупке при выборе пылесоса в основном зависит от его мощности всасывания, времени автономной работы и системы фильтров. Вот почему инженеры по расчетам в Dyson концентрируются на оптимизации этих свойств продукта, например, на увеличении мощности всасывания с помощью лучших двигателей и компрессоров.
- Благодаря новым программным функциям возникают совершенно новые подходы к оптимизации потока. До сих пор люди всегда проектировали гребное колесо и изменяли степени свободы и параметры, но теперь часть этой работы может быть выполнена программным обеспечением. Это преимущество, потому что люди должны думать о проблемах нелинейно и находить решения, которые они не могут интуитивно распознать. С другой стороны, с помощью Ansys Fluent Adjoint Solver геометрия может быть оптимизирована очень эффективно.
- После того, как поле потока было вычислено, вспомогательный решатель использует исследования чувствительности, чтобы проанализировать, как геометрия должна быть изменена, чтобы улучшить поток. «С этой измененной геометрией цикл начинается снова, пока мы не будем удовлетворены результатом моделирования потока», - сообщает Стефан Кох. «После 10, 20, 30 или даже 40 итераций мы получаем оптимизированную геометрию лопастного колеса, которая дает нам желаемые результаты потока. Как мы можем попытаться достичь такого результата?
Минимизируйте нежелательные источники звука:
- Аналогичная процедура используется для минимизации шумов, вызванных обтеканием рабочего колеса. Чтобы лучше понять процессы на задней кромке гребного колеса, локально используется моделирование вихревого отсоединения (DES). Его можно использовать для получения результатов с очень высоким разрешением, в которых эффективно рассчитывается акустически релевантная турбулентность, что требует много времени и вычислительной мощности.
- Сила и частота отрядов позвонков могут быть проанализированы подробно. В результате интенсивность источников звука с гофрированными краями крыльчатки не так высока, как с прямыми задними кромками, и шум был уменьшен из-за моделирования. И тесты также показали, что модификации реального гребного колеса обеспечили снижение звука, что обещало моделирование.
Двустороннее моделирование связанных частиц:
- Но также важно взглянуть на отдельные циклоны пылесоса, которые служат центробежными сепараторами, чтобы увеличить мощность всасывания. Поток в циклонах - иногда более десятка концентрически расположенных - всегда неустойчив из-за глобальной нестабильности, поэтому необходимо проанализировать абстрактную концепцию различных режимов потока. Здесь также необходимы подробные подробные расчеты для получения результатов с высоким разрешением для отдельных турбулентных структур, чтобы можно было еще более повысить эффективность осаждения.
- Отдельные спорадические вихри, которые снижают эффективность осаждения, могут быть предотвращены с помощью модификаций, которые были выполнены на основе соответствующих результатов моделирования. «Чтобы сделать это, мы должны были вдаваться в подробности, например, чтобы иметь возможность учитывать частицы пыли разных размеров - от микрометрового диапазона до размера так называемых хлопковых мышей - в расчетах», - объясняет инженер по расчетам.
- Для этого он использует двустороннее моделирование связанных частиц, потому что воздушный поток влияет на частицы и, наоборот, концентрация частиц в циклонах замедляет поток. Следует иметь в виду, что в циклонах генерируются невообразимые центробежные силы, которые в сто тысяч раз превышают гравитационную силу. Это может привести к колебаниям давления и вибрациям, которые вызывают вибрацию циклона, что приводит к потерям давления и развитию шума и, конечно, к снижению эффективности разделения.
Многомасштабные проблемы с соображениями фильтра:
- Что касается моделирования фильтров, Стефан Кох объясняет: «Для меня, как для инженера, они увлекательны и в то же время являются кошмаром». Из-за фильтров необходимо рассмотреть многомасштабную проблему, с одной стороны, систему фильтров, размер которой составляет несколько сантиметров, а с другой стороны, микроуровень с волокнами нанометрового размера в фильтрах. и мельчайшие частицы, которые должны попасть туда.
- В дополнение к разным порядкам величины необходимо учитывать разные временные масштабы. Это вряд ли возможно в симуляции. Вот почему инженеры Dyson в сотрудничестве с Оксфордским университетом [Принцыпар, Галина и Бруна, Мария и Гриффитс, Ян. (2018). Влияние микроструктуры пористых сред на фильтрацию] разработал гомогенизированную мультимасштабную модель с моделированием для макроблемы и модели для микрозадачи. Моделирование потока через материал фильтра связано с вычислением разделения частиц в фильтре, так что изменения в пористости фильтра возвращаются в макросимуляцию.
Фокус на системном моделировании и демократизации
На вопрос о том, какие будущие координаторы будут учитываться при моделировании, Стефан Кох видит две важные предметные области: «Мы уже все больше смотрим на системы, а не только на отдельные компоненты. Отличная система нуждается в оптимальных компонентах, но они также должны эффективно работать вместе. Мы улучшаем это с помощью системного моделирования. Я вижу второе важное направление в так называемой демократизации симуляции. В будущем каждый инженер-разработчик должен иметь доступ к использованию симуляции, чтобы каждый мог воспользоваться преимуществами ».