La simulación CFD impulsada por GPU acelera la optimización del sistema de lubricación
jueves, 13 marzo, 2025
Las cajas de engranajes, transmisiones y demás maquinaria con piezas móviles dependen de la lubricación para minimizar la resistencia y el desgaste. Una lubricación deficiente puede causar diversos problemas, como una menor eficiencia energética, un aumento del calor y una vida útil más corta debido al desgaste y los daños. Los diseñadores e ingenieros de cajas de engranajes deben garantizar que los puntos de contacto reciban suficiente lubricación, a la vez que mitigan los efectos de turbulencia en el aceite, como la agitación y las salpicaduras, que desperdician energía.
Hay muchos parámetros funcionales que un ingeniero debe considerar, incluyendo la viscosidad del aceite, la geometría de la carcasa y los sistemas activos de distribución de aceite, como los inyectores. El flujo de aceite a través de las piezas móviles de la caja de engranajes es un problema tridimensional complejo, costoso, lento y casi imposible de identificar con precisión mediante prototipos físicos. La dinámica de fluidos computacional (CFD), rápida y precisa, permite modelar y simular el flujo de aceite entre las piezas móviles y detectar problemas de lubricación en condiciones reales.
Simulación de aceite dentro de una caja de engranajes en movimiento, mostrando la pulverización y el batido.
SIMULIA XFlow proporciona una robusta tecnología de simulación CFD ideal para resolver problemas de lubricación. Simula los flujos multifásicos y el movimiento dinámico de engranajes mediante el método de Boltzmann en red (LBM). Ha sido validado con casos académicos e industriales para obtener resultados de alta fidelidad. SIMULIA XFlow ofrece visualización 3D de los flujos dentro de la estructura, así como KPI estándar para el rendimiento de la lubricación. También se utiliza para estimar el coeficiente de transferencia de calor (HTC) en componentes críticos para el análisis térmico posterior en SIMULIA Abaqus, evitando así problemas de fiabilidad.
Para simular con precisión el rendimiento de la lubricación, se necesita un solver de alta precisión que opere con un modelo de alta fidelidad del sistema. Esto implica que la simulación de lubricación presenta importantes requisitos computacionales. La computación por GPU permite ejecutar simulaciones complejas de lubricación de cajas de engranajes de forma rápida y eficiente, incluso con hardware relativamente modesto.
SIMULIA XFlow admite la aceleración por GPU mediante la tecnología CUDA de NVIDIA. La simulación acelerada por GPU optimiza el rendimiento de simulaciones CFD complejas y de alta fidelidad, haciéndolas accesibles a un público más amplio, democratizando así el acceso a funciones avanzadas de simulación. Por ejemplo, una GPU NVIDIA L40 puede ejecutar una simulación compleja de caja de cambios en un solo día.
Tiempos de simulación en GPU NVIDIA para una simulación completa y detallada de la caja de cambios. 15 247 298 millones de celdas, paso de tiempo: 4,26e-6 s, tiempo de simulación: 5 s. Prueba realizada con XFlow 2023 Golden (compilación 120.01), controlador NVIDIA: 535.54.03, sistema operativo: Ubuntu 20.04.
Esta aceleración, impulsada por las GPU NVIDIA, ayuda a diseñadores e ingenieros a aprovechar las capacidades de colaboración de modelado y simulación unificados (MODSIM) en la plataforma 3D EXPERIENCE. Con el enfoque MODSIM, los diseñadores pueden usar los resultados de la simulación inmediatamente para explorar el impacto de los cambios de diseño en el rendimiento de su caja de cambios desde las primeras etapas del desarrollo. Esto ayuda a reducir el riesgo de retrasos causados por fallos en las pruebas y costosas repeticiones de trabajos posteriores en el ciclo de desarrollo. La rápida respuesta de la simulación CFD con GPU NVIDIA permite usar simulaciones XFlow para evaluar el rendimiento del diseño en cualquier punto del proceso de desarrollo.
Además, la simulación por GPU facilita la generación de múltiples escenarios de exploración de diseño para analizar y extraer automáticamente los KPI clave de ingeniería. Dado que cada simulación se acelera, se puede explorar todo el espacio de diseño con mayor rapidez y resolución.
Los fabricantes de equipos originales (OEM) y los proveedores de la industria automotriz necesitan garantizar una mayor eficiencia de las cajas de cambios para cumplir con los objetivos de sostenibilidad y reducir el consumo energético de los vehículos. También necesitan garantizar la fiabilidad para reducir el riesgo de fallos y los costosos tiempos de inactividad por mantenimiento. Esto aplica tanto a los vehículos eléctricos como a los de combustión interna. Un sistema de lubricación por chorro de aceite (OJLS) es una tecnología crucial para distribuir el aceite lubricante de forma óptima dentro de la caja de cambios, garantizando así la lubricación de todas las superficies críticas sin necesidad de grandes volúmenes de aceite ni las consiguientes pérdidas por fricción y agitación.
En este caso práctico, se utilizó el solucionador de GPU XFlow para evaluar la fiabilidad de la caja de cambios de una unidad de accionamiento eléctrico (EDU) automotriz. Esta caja de cambios se ha identificado como susceptible a problemas de fiabilidad, principalmente debido a la falla térmica de un cojinete de chaveta conectado al eje de entrada del motor. Se diseñó un OJLS para abordar la causa raíz, garantizando una lubricación precisa y la posterior refrigeración de todos los cojinetes y engranajes.
Imagen 3D del interior de una caja de cambios. Un chorro de aceite lubrica un rodamiento mientras que otro lubrica las superficies entre los engranajes. Las partículas de aceite se colorean según la velocidad.
A partir de la simulación, pudimos extraer rápidamente índices clave de rendimiento, como la resistencia al par y el área mojada de cada componente. La simulación mostró que el OJLS triplicó la cobertura de aceite del rodamiento propenso a fallos. De esta forma, el OJLS mitiga el riesgo de fallo térmico derivado de una lubricación inadecuada.
Gráfico de barras que muestra la mejora en el área húmeda promedio del rodamiento.
Resultados de la simulación del volumen de fluido (VOF) dentro del cojinete
Aunque el OJLS introdujo más aceite en el sistema, la precisión de los chorros de aceite permitió que solo se produjera un aumento del 20 % en la resistencia al par asociada a las pérdidas por agitación. Este resultado demuestra que un OJLS bien diseñado supera con creces un simple aumento del volumen inicial de aceite dentro del sistema. Optimizar el OJLS sin simulación habría sido un proceso mucho más complejo, con un tiempo considerable dedicado a la construcción y prueba de prototipos, además de la dificultad de extraer KPI precisos de los datos de medición sin una incertidumbre considerable. Al ejecutar las simulaciones en GPU, estos resultados se obtuvieron mucho más rápido que con un prototipo físico.
El uso de SIMULIA XFlow para el análisis CFD revela el comportamiento de los sistemas de lubricación en cajas de engranajes y sistemas de propulsión sin necesidad de construir un prototipo físico. Al aprovechar las GPU NVIDIA, XFlow puede calcular rápidamente KPI como pérdidas por agitación y área húmeda, lo que permite analizar el rendimiento de la caja de engranajes en menos de un día. Esta aceleración permite a diseñadores e ingenieros colaborar en el uso de los resultados de la simulación CFD durante todo el ciclo de desarrollo para reducir el tiempo y el coste de las pruebas físicas y acelerar la entrega de cajas de engranajes fiables a sus clientes.
Un artículo tomado de 3DS Blog
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