Kärcher清理Ansys Twin Builder

By Ansys Advantage Staff

从创造性思维到产品实现的旅程是由良好的意图铺就的。许多一开始看起来很有希望的可能性永远不会进入市场。在产品设计和开发的构思和迭代阶段进行模拟，可以减少“下一步是什么”所需的时间、精力和费用。当整体使用时，仿真使公司能够有效地为消费者带来创新的、精心设计的产品。

通过模拟不同电池在真实消费条件下的电化学-热流，Kärcher确定了一种电池类型和电池外壳设计，可以使电池组中的电池数量减少20%。

Kärcher是一家德国高压清洗和其他设备制造商，以创新而闻名于世。他们的开创性产品包括第一台现代压力清洗机，第一台窗户吸尘器和第一台全自动真空机器人。在Kärcher，模拟有助于促进产品实现——也就是说，确保产品满足性能和质量目标的端到端过程。无论是开发新产品还是改进现有设备，模拟都能使产品团队在早期开发阶段生成、选择、实施和验证更好、更可行的想法时保持正轨。

能够虚拟地比较概念和理解权衡是这个过程的重要组成部分。这包括理解对一个组件的更改如何不仅影响其他组件，而且影响整个系统。但这通常是无法用传统的有限元分析(FEA)或计算流体动力学(CFD)软件单独确定的，至少不需要大量的计算时间或成本。

为了克服这个障碍，Kärcher工程师使用Ansys Twin Builder作为数字工程工作流程的基础，在优化新设备和两种现有产品(真空吸尘器和电池供电的地板清洁器)时，能够快速准确地进行概念比较。

Twin Builder是一个数字孪生平台，它将多域系统建模器的功能与广泛的0D特定应用程序库、3D物理求解器和降阶模型(ROM)功能相结合。Ansys Twin Builder通过使整个设备的仿真成为可能，增强了数字工程的可能性。通过将Modelica功能与Ansys Fluent相结合，Kärcher设计团队获得了以前无法实现的整个产品的整体视图，将计算时间从几天减少到几分钟，并避免了昂贵的物理原型。

通过将Ansys Twin Builder的Modelica功能与Ansys Fluent相结合，Kärcher设计团队获得了以前无法获得的整个产品的整体视图，在这种情况下，是电动地板清洁器。

洞察整个系统，在几分钟，而不是几天

从表面上看，电动清洁设备似乎很简单，它们处理的任务很平凡——拖地或用吸尘器吸掉洒在地上的麦片——但实际上它们是非常复杂的产品。流体泵本身有多个部件，包括曲轴、进出口阀、柱塞、调节器和安全装置。再加上其他组件——气泵、电子终端和控制、热交换器、开关等机械部件，通常还有高密度电池组——很容易看出设计过程有多复杂，以及前端的正确决策如何能带来更好的工程成果和更高的消费者满意度。

即使是优化现有设备的性能也是一个艰苦的过程，可能远远超出这里微调和那里调整的范围，尤其是在新技术可用和消费者偏好发生变化的情况下。工程师必须了解现有产品的工作原理，而不仅仅是转动旋钮看看会发生什么。相反，他们必须理解部件之间的交互作用，以及改变一个组件如何需要改变其他组件。如果没有这些信息，他们可能会重新推出一款产品，结果却发现没有任何改进。

模拟产生了更轻、更紧凑的电池组设计，降低了材料要求和成本。

在Kärcher开始使用Twin Builder之前，他们使用经典的FEA或CFD软件单独模拟每个组件。虽然这有助于工程师了解零件在不同条件下的行为，但它并不能提供对整个系统的洞察。用单个软件对整个设备进行建模是可能的，但耗时——计算可能需要长达三天的时间，这给试图比较早期设计阶段概念的工程师带来了不必要的延迟。然而，如果他们忽略了这一步，没有对整个设备进行模拟，Kärcher就有可能在产品即将上市之前发现潜在的问题，而这些问题可能会让工程师们回到虚拟绘图板上。

将Twin Builder的多学科特性与Fluent相结合，提供了所需的概念验证检查Kärcher。在真空吸尘器优化项目的情况下，添加Twin Builder将计算时间从几天减少到几分钟。结果精度在单独的FEA或CFD的5%到6%之间，在构思过程中是一个合适的裕度。

模拟一个更小的电池组以减轻重量和热量

Kärcher的产品优化优先事项之一是为一种成熟的地板清洁器开发一种新的电池组。Kärcher正在增加他们在消费市场的存在，为了满足人们对更轻、更灵活的产品的偏好，工程师们想要缩小70个电池的电池组。作为这项任务的一部分，他们试图整合一种新型电池，这种电池可以产生与现有电池组一样多的电力，但电池更少。

为了提高准确性和速度，工程师们在Twin Builder中对可充电电池组进行了建模，并在Fluent中对整个清洁设备进行了建模。将两者结合起来，工程师可以从Twin Builder中提取关键的电池组特性，并提高计算效率。事实上，在Twin Builder中模拟电池组只花了不到两分钟;整个清洗装置的仿真在4小时内完成。

地板清洁器与电池组模拟

在电池组设计中，与热量积累作斗争一直是一个问题。热对电池造成压力，导致加载时间更长，并增加故障风险，这在消费者产品中尤其不可接受，因为长电池寿命等于客户满意度。

通过模拟不同电池在真实消费条件下的电化学-热流，Kärcher确定了一种电池类型和电池外壳设计，可以使电池组中的电池数量减少20%。这不仅减少了热量的产生，还导致了更轻、更紧凑的设计，降低了材料要求和成本。

模拟真实的操作条件

最后，Kärcher使用Twin Builder和Modelica模拟了整个电池组，这使得面向组件的复杂系统建模成为可能。工程师还使用Fluent模拟了整个清洗装置内部的气流。这些模拟的双向耦合为工程师提供了额外的灵活性，以便在实际安装情况下考虑不同的电池单元或电池组外壳材料。由于如此详细的系统模拟所涉及的计算复杂性，仅使用CFD软件是无法管理的。

借助Twin Builder, Kärcher在系统级别上完成了以前无法实现的规模和规模的模拟。