优化大型强子对撞机的线圈设计

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大型强子对撞机(LHC)High Luminosity(HiLumi)的升级以及其他额外的升级依赖于超导 11T 偶极磁体增大束流亮度,从而扩大物理实验的数据样本。新的偶极磁体由Nb3Sn超导元件制成,在制造阶段经过非常特殊和必要的热处理后变得非常脆。 在 LHC 加速器最终装配和运行期间,微观超导元件(直径约 40 µm)对施加给磁体的应力和应变会非常敏感。理解和调控源于宏观尺度到微观尺度的应力和应变,以及它们导致超导元件的永久性退化对磁体的性能极其重要。 图:LHC隧道(来源:CERN) 基于三维图像建模的 Simpleware 软件在欧洲核子研究中心(CERN)的 HiLumi 项目中,采用先进的材料模型表征代表性的线圈结构,从而预测不同尺度下的性能。这项研究通过考虑真实线圈几何结构的全局应力,在股线和细丝水平上进行逼真的模拟。 图:线圈107的高清光学(像素数:11640 × 6264)图像以及为网格划分和有限元分析将图像分割为不同的部分(来源:CERN) Simpleware 软件为处理三维图像数据提供了一个快速、直观的环境。在这个案例中,首先通过 X 射线 CT 扫描创建铝制部件(包含缺陷)的一组图像。ELEMCA 实验室使用 Simpleware ScanIP 分割组件和处理数据,捕获用于仿真的重要元素。 图:从完整的107线圈几何结构提取子模型,其SEM图像中分割出具有外载荷股线的应力分布。1:纤维/云母/树脂,2:股芯(退火铜),3:不锈钢芯,4:纯树脂,5:股线基体(退火铜),6:超导细丝,7:超导细丝(假设为退火铜)。环形区域显示在细丝之间呈现为高应力区域(来源:CERN) CERN 通过实验测试从线圈材料中获得应力-应变测量值。然而,他们发现有必要增加有限元(FE)模型的细节来进行模拟,以便更好地了解基于材料特性的行为。Simpleware 软件通过分割线圈截面的高清光学图像及同一线圈截面中微观超导细丝的扫描电子显微镜(SEM)图像能够解决这个问题。该方法可以在保留原始原型特征的情况下表征线圈复杂的内部几何结构。 CERN 在 ANSYS 中采用 Simpleware 创建的网格模型对线圈绞线和电缆的复丝进行真实的应力分析。Simpleware生成的精细网格使 CERN 能够提高测量应力的精确性,从而实现更准确和更有价值的模拟。本项目的结果正被用于改善 CERN 大型强子对撞机的线圈特性和长期性能。 CERN 的 Michael Daly 评价 Simpleware 软件对当前研究的重要性: Simpleware ScanIP 软件使我们能够利用光学和扫描电子显微镜的二维图像在多个尺度上分析 11T 偶极线圈的复杂性。偶极线圈的超导电缆内部存在固有变形,使用 CAD […]

结合增材制造、模拟、CT检测和试验优化设计TPMS换热器

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概述 六家行业领导者(nTopology、Ansys、EOS、Stress Engineering Services、North Star Imaging 和Synopsys)接受高难度挑战,利用各自公司的先进技术,开发了一套创新设计换热器的解决方案。 该项目旨在提升换热器能效和系统性能的同时,使用更少材料,占用更小空间。并将设计、模拟、CT 检测、试验结合起来,有利于对这款新颖的高成本产品进行质量控制。最终的模型设计实现了减少零件、降低压降、增加传热的预期。 亮点 为改善体积受限应用中的性能而重新设计换热器首次尝试即可成功打印部件运用扫描、检测和模拟技术比较设计件和制造件的性能零破坏的完整 NDE 检测实物测试验证传热和强度分析 设计过程 大多数新型换热器的应用都受到空间限制,随着热量的增加要求更小的空间和更高效设计。然而,在常见的换热器设计中创新相对较少,一般是低效的管壳式几何结构。通过采用隐式几何结构,换热器复杂的曲面设计可以使其在性能方面有显著地提高。 该项目见证了 nTopology 和 Ansys 合作生成和模拟换热器的创新型设计。nTopology 使用隐式几何技术创建三周期极小曲面(TPMS),因其平滑的拓扑结构在流体动力学中对换热器非常有利。此外,TPMS设计隔离了两个区域(热和冷),并且具有较高的强度重量比,使它们成为轻量化的理想选择。 图:采用 TPMS 几何结构重新设计的换热器比传统设计要小得多,实现了零件从 40 个减少到只有一个,总重减少了 81 % 对于重新设计,nTopology 定义了一个填充 TPMS 几何结构的换热器,实现了将零件数量从 40 减少到只有一个,总重减少了 81%。创建多个不同的设计方案,在 Ansys 软件中测试。先使用 Ansys Discovery Live 在不同的设计迭代中进行实时的流体流动模拟,再用 Ansys Fluent CFD 仿真对比传统换热器设计和TPMS 换热器的性能。研究结果令人印象深刻,体积减少 85%,单位体积传热增长 11.7 倍,单位质量传热增加 9.4 倍。 图:紧凑型换热器设计的验证结果 Ansys 利用仿真工具从设计上优化构建过程,评估了如最佳取向、自定义的支撑结构设计和其他输入等因素,从而帮助降低对打印效果的风险,并最大限度地缩短构建时间。Ansys 软件中的工艺仿真也有助于预测变形、孔隙率和微观结构,以及所选 […]

分析增材制造冠状动脉支架【Simpleware应用】

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概述 激光粉末床熔合技术(L-PBF)在金属增材制造(AM)方面的发展能够实现在微米范围内制造出高度多孔的细胞结构,因此理论上可以用于制造冠状动脉支架。 然而,工艺产生的不平整带来了特别的挑战,导致实际的 L-PBF 支架与预期支架(CAD 模型)在形态和力学性能上都存在偏差。本次分析着重关注 L-PBF 支架的膨胀行为。为进一步研究这些不平整造成的影响,基于真实和计算机重建L-PBF 支架建立实验和计算的联合框架。 亮点 使用Simpleware ScanIP 基于 µCT 数据重建 L-PBF 支架模型使用 Simpleware FE 生成稳健高效的支架网格模型,使用 Abaqus FEA 软件进行后续的结构分析基于重构的支架模型,采用实验测试和数值分析相结合的方法反演确定 L-PBF 支架的力学性能分析工艺产生的不平整对力学行为的影响,特别是 L-PBF 支架的膨胀行为。 实验数据 由 FIT Production GmbH 公司制造的激光粉末床融合(L-PBF)支架,考虑了两种分析 L-PBF 支架的后处理状态:1)热处理;2)电抛光和热处理。在支架被放置在两块板之间压缩以确定它们的径向强度之前,首先获取支架结构的 µCT 图像。在原始的实验中还对制造的支架做了进一步研究(详见参考信息)。 支架模型重建及FEA 将 µCT 数据导入 Simpleware ScanIP,使用 Flood Fill 工具进行分割,计算内部孔隙率。使用形态滤波器(erode、dilate、open和close)和 Boolean 布尔运算,生成内部空隙的三维模型。在 Simpleware FE 模块中对支架模型进行网格划分,由稳健的算法生成高质量的 FE 网格。然后将支架模型直接导入 SIMULIA Abaqus FEA 软件进行结构力学分析,重点研究支架在两个平板间的压缩和支架—球囊的扩张。 图:三个模型离散化图示。从左至右分别为:重建经热处理支架模型、重建经热处理和电抛光支架模型、以CAD模型为参考支架模型。 图:三个模型在压缩 0.8 mm 时外表面 […]

航空航天零件的增材制造与质量控制【Simpleware应用】

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概述 增材制造(AM)是航天工业中非常有价值的工具,特别是与无损检测方法相结合,例如通过X射线计算机断层成像检测和分析缺陷;与有限元建模(FEM)相结合可以量化零部件中缺陷产生的影响。 本项目对用于 TARANIS 卫星的铝合金AM零件进行分析,确定材料内部孔隙的位置。利用 Simpleware 软件生成的有限元模型验证其结构完整性,采用随机振动模型与 CAD 建模和拓扑优化的结果进行对比。 亮点 使用 Simpleware ScanIP 软件对铝合金零件的X射线 CT 数据进行分割和处理使用 Simpleware FE 模块生成用于可在 ANSYS Workbench 中进行仿真的模型结果验证了 AM 方法用于比较CAD模型和设计零件,用于空间任务的应用 图像处理 利用 X 射线 CT 扫描获取包含缺陷的铝合金零件图像数据。采用 Simpleware ScanIP 软件从图像空间中分割出构件的主体,创建结构的初始掩模;删除与主体无连接部分的掩模区域。使用 Paint 和 Paint with threshold 工具精准分割结构,减少金属伪影。然后对分割后的几何结构进行平滑处理,增加网格划分前表面的平滑度。 图:在 Simpleware ScanIP 中由 CT 数据分割出铝合金 AM 零件 网格划分&有限元分析 图:在Simpleware生成可导出至ANSYS Workbench的网格模型 运用 Simpleware FE 模块的算法对结构进行网格划分,在保持感兴趣特征细节的同时自动生成粗网格。在结构顶部设置网格精细区域,并在螺孔区域添加节点集。最后将生成的网格模型导出至 ANSYS […]

逆向工程在汽车零部件设计中的应用【Simpleware应用】

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概述 考虑到所用材料的复杂性和处理图像数据时对精度的需求,对汽车零部件进行逆向工程和分析是一个很大的挑战。 在本项目中,研究人员利用Simpleware ScanIP克服上述困难,将气缸盖的CT数据转换为适合检测缺陷和可导出为模拟准备的网格化高质量三维模型 为进行热模拟分析和考虑到铸造铝件时空洞的影响,因此将重点放在气门座的分割上。 亮点 从CT扫描获得3D图像数据在Simpleware ScanIP中进行可视化和初始分割使用形态学开滤波器和3D编辑工具改善气门座的分割在Simpleware FE中对处理后的图像数据进行网格划分将为模拟准备好的网格导出至LS-DYNA®进行热结构分析 可视化和图像分割 利用工业CT扫描设备以0.4mm×0.4mm×0.5mm的分辨率获取气缸盖的成像数据,并导入Simpleware ScanIP中。利用体积渲染、不透明度设置和颜色映射工具根据其底层灰度值进行可视化和重建数据,故此能够检测到铸件中微小缺陷/空洞。下一步的分割要将气门座与气缸分开。 气门座的3D编辑 在Simpleware ScanIP中,使用多种图像处理工具的组合将气门座从气缸盖中分割出来。初始阈值可以快速为各组件创建独立的掩模,在选中的感兴趣区域(ROI)使用形态学滤波器处理模型。利用Simpleware的3D编辑工具,在气门座周围创建一个3D ROI,用形态学开放滤波器去除小范围的噪声。这些工具使气缸盖中气门座的多部位分割更加准确和清晰。 图:使用Simpleware的3D编辑工具去除气门座周围的小范围噪声 结果 采用Simpleware FE对分割后的图像数据进行网格划分,并导入LS-DYNA®初步分析气缸盖中有无空洞对图像的影响。在考虑进气温度和排气温度的情况下, 比较有无空洞时空洞周围的主应力。该方法有助于深入了解零件在不同制造条件下的潜在性能,为缺陷分析奠定了未来研究的基础。 图:在LS-DYNA中分析气缸盖中有无空洞所造成的影响 参考 致谢与其他信息请参考英文原文。