Kärcher清理与Ansys Twin Builder

由Ansys Advantage Staff提供

从创造性思维到产品实现的过程是由良好的意愿铺就的。许多一开始看起来很有前景的可能性从来没有进入市场。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提供创新的、精心设计的产品。

通过模拟不同电池单元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，可以将电池组中的电池单元数量减少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，第一台窗户真空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，即确保产品满足性能和质量目标的端到端过程。无论他们是在开发新产品还是增强现有设备，仿真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。但这通常是无法通过传统的有限元分析(FEA)或计算流体动力学(CFD)软件单独确定的，至少没有相当多的计算时间或成本。

为了克服这一障碍，Kärcher工程师使用了Ansys Twin Builder作为数字工程工作流程的基础，在优化新设备和两个现有产品(真空吸尘器和电池供电的地板清洁器)时，可以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强大功能与广泛的0D应用程序特定库、3D物理求解器和降阶模型(ROM)功能结合在一起。Ansys Twin Builder通过对整个设备进行仿真，增强了数字化工程的可能性。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实现的整个产品的整体视图，在这种情况下，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，它们处理的任务也很普通——拖脏地板或用吸尘器吸掉溢出的麦片——但实际上它们是非常复杂的产品。仅流体泵就有多个部件，包括曲轴、进口和出口阀、柱塞、调节器和安全装置。再加上其他部件——气泵、电子终端和控制器、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么复杂，以及前端的正确决策如何能够带来更好的工程结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，它远远超出了这里的微调和那里的调整——特别是随着新技术的出现和消费者偏好的变化。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，以及如何改变一个组件就必须改变其他组件。如果没有这些信息，他们可能会重新推出一款产品，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表现，但并不能让他们深入了解整个系统。用单独的软件对整个设备进行建模是可行的，但很耗时——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造成了不必要的延误。然而，如果他们忽略了这一步，没有模拟整个设备，Kärcher就有可能在发现潜在问题之前就将产品推向市场，而这些问题可能会让工程师重新回到虚拟绘图板上。

结合Twin Builder与Fluent的多学科特性，提供了Kärcher所需的概念验证检查。在真空吸尘器优化项目中，将Twin Builder添加到混合中可以将计算时间从几天缩短到几分钟。结果精度仅在FEA或CFD的5%至6%之间，在构思过程中具有合适的边际。

模拟更小的电池组以减轻重量和热量

Kärcher的产品优化重点之一是为一种成熟的地板清洁剂开发一种新的电池组。Kärcher正在扩大他们在消费市场的影响力，为了满足消费者对更轻、更灵活的产品的偏好，工程师们想要缩小70单元电池组的尺寸。作为这项任务的一部分，他们试图加入一种新型电池，这种电池可以产生与现有电池组相同的电量，但电池数量更少。

为了提高精度和速度，工程师们在Twin Builder中建模了可充电电池组，在Fluent中建模了整个清洁设备。将两者结合起来，工程师可以从Twin Builder中提取关键电池组特性，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，与热量积聚作斗争一直是一个问题。高温会对电池造成压力，导致更长的加载时间，并增加故障的风险，这在消费产品中尤其不可接受，因为长电池寿命等于客户满意度。

通过模拟不同电池单元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，可以将电池组中的电池单元数量减少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。

复制真实的操作条件

最后，Kärcher使用Twin Builder和Modelica模拟了整个电池组，这可以对复杂系统进行面向组件的建模。工程师还应用Fluent模拟整个清洗装置内部的气流。这些模拟的双向耦合为工程师在实际安装情况下考虑不同电池或电池组外壳材料等问题提供了额外的灵活性。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。

通过Twin Builder, Kärcher完成了系统级别的模拟，其规模和规模在以前是不可行的。