Die elektromagnetische Bearbeitung von Materialien, wie z. B. die induktive Wärmebehandlung oder das elektromagnetische Rühren sind Techniken, die in der Industrie häufig eingesetzt werden. Sie ermöglichen es, bei gleichzeitiger Verbesserung der Gebrauchseigenschaften der zuvor hergestellten Teile, den damit verbundenen Energieverbrauch zu reduzieren. Darüber hinaus macht die Komplexität der beteiligten physikalischen Prinzipien den Einsatz digitaler Simulationen unabdingbar, wenn wir diese Prozesse verstehen und optimieren wollen.
Auf dem Weg zur automatischen Netzverfeinerung
Da die Modelle immer realistischer werden, steigt die Komplexität der Simulationen. Eine der Hauptherausforderungen ist die automatische Verfeinerung des Netzes, um die Zeit vom Konzept bis zur Produktion zu verkürzen und gleichzeitig den Engineering-Prozess zu erleichtern.
Bevor man sich an die automatische Neuvermaschung einer elektromagnetischen Simulation macht, muss man sich mit der „Fehlerabschätzung" befassen.
Wie der Name schon sagt, geht es darum, die Differenz zwischen der digitalen Lösung und der „exakten" Lösung abzuschätzen. Da letzteres per Definition in allgemeinen Fällen nicht möglich ist, basiert die Fehlerabschätzung auf dem Vergleich zwischen zwei Näherungen desselben physikalischen Feldes (Temperatur, Geschwindigkeit, Deformation, Magnetfeld usw.), um herauszufinden, welche Bereiche des Modells die größte Abweichung aufweisen.
Typischerweise vergleichen wir die durch direkte Auflösung der Finite-Elemente erhaltene Lösung mit einer sogenannten „angereicherten" Lösung. Diese Lösung ist nicht unbedingt relevanter als die ursprüngliche, hat aber eine Interpolationsordnung von (mindestens) einem Grad höher. Dies ermöglicht den Vergleich und anschließend die Erkennung von Bereichen, die eine Netzverfeinerung erfordern.
Sobald die Fehlerabschätzung feststeht, ist es dann möglich, die notwendigen Werkzeuge für die automatische Neuvermaschung zu erstellen. Unter diesem Gesichtspunkt sind im elektromagnetischen Modul der Software FORGE®, SIMHEAT® und THERCAST® A-posteriori-Fehlerschätzer in der Entwicklung, die insbesondere für die Modellierung der induktiven Wärmebehandlung verwendet werden.
Daher werden diese Schätzer zur Steuerung der Netzverfeinerungsstrategie verwendet und werden sich als ein sehr wichtiges Tool für die Benutzer des elektromagnetischen Moduls erweisen. Der Benutzer wird durch die Verfeinerung des ursprünglichen Modellnetzes weniger eingeschränkt, da diese während der Berechnung automatisch angepasst wird. Die Bereiche, die einer hohen elektromagnetischen Belastung ausgesetzt sind, werden verfeinert, und für die weniger betroffenen Bereiche wird das Netz vergrößert, um sowohl die Genauigkeit als auch die Berechnungszeit zu optimieren.
TEAM-Vergleichsfall
Um den Fehlerschätzer zu bewerten, werden zwei Vergleichsfälle aus den TEAM-Problemen (Testing Electromagnetic Analysis Methods) ausgewählt:
- TEAM 3: dieses Problem besteht aus einer leitfähigen Badplatte mit zwei Löchern, die von einer kreisförmigen Spule bewegt werden (Abbildung 1)
Abbildung 1: TEAM-Vergleichsfall Nummer 3
- TEAM 7: Dieses Problem besteht aus einer dicken Aluminiumplatte mit einem Loch, das exzentrisch und asymmetrisch in einem ungleichmäßigen Magnetfeld angeordnet ist. Das Feld wird durch den erregten Strom erzeugt, der sich sinusförmig mit der Zeit ändert (Abbildung 2).
Abbildung 2: TEAM-Vergleichsfall Nummer 7
Die Magnetfeldergebnisse aus den TEAM-Fällen wurden mit den numerischen Ergebnissen verglichen (Abbildung 3).
Abbildung 3: Magnetfeldergebnisse in schwarz vs. Simulation in rot: a) TEAM 3 und b) TEAM 7
Die Fehlerschätzer wurden unter Verwendung von Feldglättungsstrategien sowie den Grundprinzipien des Elektromagnetismus konstruiert. In der ersten Phase des Projekts werden die Fehlerschätzer durch eine Konvergenzanalyse in gleichmäßigen Netzen abnehmender Größe verifiziert (Abbildung 4 und 5).
Abbildung 5: Konvergenzanalyse des TEAM 7-Falls
Der nächste Schritt, an dem derzeit gearbeitet wird, ist die Verwendung des Fehlerschätzers mit der automatischen Neuvermaschungstechnologie, um schnellere und genauere elektromagnetische Berechnungen für verschiedene industrielle Anwendungen wie Induktionserwärmung, elektromagnetisches Rühren und magnetische Impulsformung zu ermöglichen.
KONFERENZ ICTP: MAGNETISCHE PULSFORMPROZESSE MIT FORGE®
José Alves, wissenschaftlicher Entwicklungsingenieur bei Transvalor, präsentierte während der ICTP 2021 (International Conference on the Technology of Plasticity) Fortschritte in der Simulation von magnetischen Pulsformungsprozessen mit FORGE®.
