Projektinitiativ #30: SimIndProc-Stöd vid datorsimulering av industriella processer
Idag finns kraftfulla datorprogram, s k multifysikprogram, för processimulering, till exempel värmeledning, gasströmning, vätskeströmning, elektromagnetism, kemiska reaktioner och kombinationer av dessa. Hinder för användning av dessa program inom industrin är ofta hög inköpskostnad, svårigheter att hitta/frigöra lämplig simuleringsansvarig, stor investering i att lära sig programvaran och svårigheter att i detalj klarlägga programmens möjligheter och begränsningar att simulera de egna processerna. Förutom rätt programvara fordras bra indata, ofta inte enkelt att ta fram, för att lyckas med simuleringen. Slutligen måste man genomföra mätningar i processen, inte heller det enkelt i många fall, för att veta om simuleringarna varit framgångsrika.
Jesper Oppelstrup presenterar initiativ #30 på programkonferensen Metalliska Material 2017
För att minska ovanstående hinder startade vi, doc. Anders Salwén (då på Swerea KIMAB) och prof. Jesper Oppelstrup (då på Numerisk Analys, KTH), för ett antal år sedan ett samarbete och har genomfört ett antal projekt med flera olika företag om simulering av industriella processer med kommersiella eller egenkonstruerade datorprogram. T ex är programsystemet COMSOL Multiphysics väl lämpat för modellering och vi samarbetar fortlöpande med programleverantören Comsol, Inc., om olika modellerings- och problem-formulerings-idéer. Det finns dock ingen kommersiell bindning till Comsol.
Samarbetet har fungerat som tänkt och vi, AS (Innoxinetix AB) och JO (NEOKO AB) – vill därför erbjuda våra tjänster, gärna i samarbete med andra forskningsutövare, till företag, som överväger att datorsimulera någon av sina av processer.
AS har lång erfarenhet av utvecklingsarbete i och med materialindustrin. JOs insatser gäller bedömning av kommersiella programs huvudkarakteristika, matematisk och numerisk modellutveckling samt implementering. Vid vårt samarbete kunde en del av implementerings- och simuleringsarbetet ofta utföras av examensarbetare eller doktorander, vilket sänkte kostnaden.
Vi kan vara bollplank vid upphandling av programvara, ta ansvar för inledande simuleringar eller genomföra större modellerings- och simuleringsarbeten, innan företaget känner sig moget att ta över ansvaret.
Exempel på samarbeten ges nedan. Detaljer som företagsnamn, projekttid och kostnad ges av naturliga skäl inte. Om något är särskilt intressant kan vi eventuellt, efter kontakt med aktuell uppdragsgivare, ge sådan information.
1. Reaktiv gastransport: Modellering av oxidreaktion av vätgas i porösa kroppar i en kontinuerlig ugn. Laboratoriemätningar genomfördes på enstaka kroppar och på ugnen.
Reduktionsmodellen behöver tillgång till experimentella data för kinetiken för oxidreduktionsprocessen. De gjorda mätningarna kunde inte ge alla kinetiska parametrar vilket omöjliggjorde en slutlig validering genom jämförelse mellan simulering och experiment, men för övrigt kunde allt väsentligt modelleras.
2. Supersoniskt gasflöde i en gasatomiseringsdysa: Här simulerades gasflödet i Swerea KIMABs gasatomiseringsdysa utan smältstråle. Simuleringarna visade att ett backflöde uppstod på grund av en ca 0.1 mm hög kant nära mynningen för smältstrålen. Detta förklarade de observerade påfrysningsproblemen. Simuleringarna visade också hastighetsgradienter i gasflödet, vilka anses styra storleken på de bildade metalldropparna.
3. Gaskylning av komponenter efter värmebehandling: Simuleringen genomfördes med ett kommersiellt datorprogram med en förenklad behandling av gasströmning. Svalningsdata för komponenterna kan etableras med hjälp av termoelement, som följer med komponenterna genom ugnen, men det är dyrt, och blev inte gjort. Därmed kunde inga säkra slutsatser dras om beräkningarnas tillförlitlighet.
4. Längdutvidgning av valsämnen före valsning: Noggrann mätning av längdutvidgningen av valsämnen har blivit möjlig med UWB-radar-teknik. Ur dessa data kan man, genom jämförelse med provstavar under kontrollerade förhållanden, extrahera ämnestemperaturer. Med denna teknik skapades ett verktyg för valsningsoperatören att avgöra när ämnet skulle tas ut för valsning. Projektet pågår eventuellt fortfarande, men utan vår eller Swerea KIMABs medverkan.
5. Pressningskrafter för styrpinnar i t ex motorblock: Med olika modeller för friktion simulerades de krafter som behövs för inpressning av styrpinnar vid olika geometrisk utformning av styrpinnar och förborrade hål. Ingen slutsats har kunnat dras än på grund av att utvärderingen av presskrafter har försenats hos företaget av prioritetsskäl.
6. Stelningskrympning mm. i stränggjutning: Två-dimensionella och rotations-symmetriska simuleringsmodeller utvecklades på Swerea KIMAB som pilot-projekt för simulering av komplett stränggjutning inkluderande effekter av strålning och stelningskrympning på värmeöverföringen mellan skal och kokill. Resultaten, som var bland de första med komplett koppling mellan stelnat skal, smälta, och kokill, rapporterades i ett EU-projekt med Swerea KIMAB. Projektet valde en annan simuleringsplattform och därmed blev våra modeller aldrig validerade i 3D.
7. Topologisk optimering av förstyvningselement i fartygsskrov: En topologisk optimering genomfördes med COMSOL, som visade hur förstyvningselementet kunde bära och fördela lasten. Därmed kunde dess detaljer utformas för litet materiallspill och enkel tillverkning.
8. Strömning i roterande kanal: Utveckling av beräkningsmodeller för och formoptimering av utloppskanal för snabbt roterande maskin. Projektet pågår.
Erfarenheterna från Reaktiv gastransport skulle kanske kunna utnyttjas vid utredning av järnmalmsreduktion med vätgas.
Namn Anders Salwén
Organisation InnoXinetix AB
