Senior Flexonics progetta i nuovi scambiatori di calore risparmiando il 95% del corso grazie al software di simulazione 3d di ANSYS

Case Study: Senior Flexonics risparmia il 95% sulla progettazione di nuovi scambiatori di calore con il software di simulazione 3D ANSYS

Per rimanere competitivi sul mercato, le aziende devono essere in grado di sviluppare prodotti innovativi, mantenendo bassi i costi e l’efficienza. La Senior Flexonics, con sede in Illinois, ha recentemente collaborato con ANSYS , leader mondiale nel software di simulazione 3D , per realizzare tutte queste cose.

Senior Flexonics sta attualmente sviluppando la nuova generazione di scambiatori di calore aria / liquidi compatti (HEX) per applicazioni mobili e industriali, inclusi getti di raffreddamento a pistone per autocarri pesanti e ricircolatori di gas di scarico (EGR). L’ultimo design della società, che richiede alette flessibili longitudinali in acciaio inossidabile all’interno dei tubi, è più piccolo e leggero rispetto ai refrigeratori di corrente e aumenta la conduzione del calore tra i fluidi caldi e freddi.

I fornitori di utensili hanno informato Senior Flexonics che ci vorrebbero 60.000 dollari e tre mesi di prove ed errori per convalidare utensili che potrebbero produrre con successo tubi con alette per il nuovo scambiatore, a causa della profondità delle pinne che costringono il materiale al limite dei suoi limiti di formabilità. Anche la lacerazione nelle aree ad alto stress è stata una preoccupazione, così come la previsione di una geometria degli utensili per fornire la giusta forma finale. Così gli ingegneri della società hanno deciso di progettare lo strumento internamente, rivolgendosi ad ANSYS e alla sua simulazione esplicita del programma LS-DYNA , per assistenza.

“Il design è così vicino ai limiti del materiale che il fornitore del die ha indicato che l’azienda non sarebbe stata in grado di produrre un dado che potesse fare le pinne senza lacerare l’acciaio”, Richard Mitchell, Responsabile marketing prodotti principali per le strutture di ANSYS, ha scritto in un post sul blog .
Il primo passo nel processo di produzione HEX consiste nel timbrare le alette in un modello piatto.
I tubi alettati possono aumentare il trasferimento di calore tra il gas caldo nei tubi e l’acqua fredda nel guscio, ma l’alto rapporto altezza-larghezza delle alette rende difficile da stampare, come lo sforzo e lo stress sul dado progressivo e lo stesso foglio di acciaio inossidabile grezzo è incredibilmente alto.

L’utilizzo del software di dinamica esplicita LS-DYNA di ANSYS per simulare il timbratura ha permesso all’azienda di identificare e risolvere i problemi nel progetto di stampo progressivo originale, quindi scegliere il materiale giusto e convalidare il processo per accelerare il processo di prototipazione. Flexonics senior, che non conosceva il particolare software, ha rapidamente imparato come impostare la simulazione, poiché già conosceva l’ambiente ANSYS Workbench.

La progettazione dello strumento è stata estratta in software CAD e una volta che il modello, che include 64.230 nodi e 67.112 elementi, è stato aperto in Workbench, gli ingegneri hanno utilizzato il metodo automatico multizona per generare mesh di elementi finiti. Un elemento di attrito ha aiutato a modellare una striscia di materiale estratto da uno scivolo di alimentazione e, come rileva lo studio, gli ingegneri “hanno scritto una funzione definita dall’utente per descrivere una funzione di spostamento sinusoidale dipendente dal tempo che fornisce avvio e rallentamento graduali ogni colpo del dado per garantire una soluzione stabile. ”

Ingegneri guidati dalla simulazione nello sviluppo di un nuovo dado progressivo che produce buone pinne.
Il software ha prodotto una soluzione di quattro cicli di stampaggio in 38 ore, ei risultati hanno mostrato che il design originale dello strumento si sarebbe arricciato dove doveva essere piatto, e anche che il raggio della radice della pinna era troppo grande. Inoltre, ci sono state molte lacerazioni, che temevano originariamente i fornitori. Per contrastare queste distorsioni, la Flexonics Senior ha regolato la geometria e ha anche cambiato il materiale da 17-4 PH a 316L in acciaio inossidabile. La simulazione ha mostrato, dopo alcune iterazioni, che il nuovo design avrebbe limitato la lacerazione ad una prima pinna accettabile, e che la lavorazione degli utensili avrebbe potuto resistere sotto il processo di formatura stressante.

Secondo il caso di studio, “La simulazione ha permesso di ottenere matrici adeguate alla prima consegna, risparmiando decine di migliaia di dollari e consentendo all’azienda di rispettare il programma di lancio del prodotto.”
La flessione della compressione non ha sigillato correttamente i tubi.
Una volta che l’azienda aveva ordinato il suo prototipo di strumento da un ufficio di servizi di stampa 3D, ha poi lavorato per sviluppare un modo per formare la striscia alettata in una forma cilindrica, in modo che potesse essere collocata all’interno di tubi. I risultati della simulazione sia per la piegatura a compressione che per un sistema di tergitura tangenziale prevedevano che le estremità delle alette non si sarebbero incontrate per formare un cilindro pieno, ma un processo di laminazione simulato aveva risultati migliori.

Il diametro del disegno della matrice rotante è stato abbassato all’uscita, quindi un cilindro laminato potrebbe fuoriuscire per l’inserimento del ritorno elastico in un tubo. Flexonics senior ha chiesto all’ufficio di assistenza di stampare in 3D anche questa parte.

Gli ingegneri hanno installato il prototipo di stampo progressivo in una pressa per stampaggio e hanno eseguito una striscia corta, che ha prodotto risultati che corrispondevano alle previsioni di simulazione di ANSYS; il dado rotante è anche abbinato e può sigillare correttamente i tubi.

“Senza simulazione, è probabile che sia il dado progressivo che il dado rotante avrebbero richiesto riparazioni costose e probabilmente anche la ricostruzione per risolvere i problemi identificati nella simulazione. La simulazione ha permesso di ottenere matrici adeguate alla prima consegna, risparmiando decine di migliaia di dollari e ha consentito all’azienda di rispettare il programma di sviluppo del prodotto “, ha spiegato il case study.
Senior Flexonics non solo ha progettato il suo prototipo di stampo progressivo, quindi ha funzionato correttamente la prima volta, ma ha anche ricevuto gli utensili in sole tre settimane – il 75% in meno di tempo rispetto alla migliore offerta originale. Inoltre, costa solo $ 3,000, che equivale a un risparmio del 95%.

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