Virtuelles Engineering multiphysikalischer Systeme

Kalt schwingt anders

Kalt schwingt anders

Die multiphysikalische Simulation von LED-Chips berücksichtigt elektrische Potentiale, Stromdichte, Wärmequellen, thermisch-mechanische Spannungen, Wärmeleitung und konvektiven Wärmeübergang.

Sonne im Laminar Flow?

Die Strömungsvisualisierung ist ein beliebtes Untersuchungsobjekt, gerade in Verbindung mit weiteren physikalischen Einflussgrößen. Ein Beispiel: Dass sich der Laminar Flow in einer Anlage virtuell lenken und optimieren lässt, ist bekannt. Doch nun steht die Anlage im Fensterbereich einer pharmazeutischen Fertigung. Es stellt sich die Frage, wie die einfallenden Sonnenstrahlen und die damit auftretenden Temperaturen den Laminar Flow verändern. Eine multiphysikalische Untersuchung mit den Methoden des virtuellen Engineerings brachte unterschiedliche Temperaturfelder und damit unerwünschten Auftrieb zum Vorschein.

Ein weiteres Beispiel ist der Einbau von LED-Chips an Kamerasystemen in der Inprozesskontrolle. Denn wie dicht lassen sich passiv oder aktiv gekühlte LED-Chips anordnen, ohne dass thermisch bedingtes Versagen der Bauteile zu befürchten ist? Um dies zu klären, analysierten die Ingenieure in einer Simulation thermische Spannungen und den Wärmeübergang an den elektronischen Leistungsbauteilen. Die stark gekoppelte multiphysikalische Simulation berücksichtigte gleichzeitig elektrische Potentiale, elektrische Stromdichte, elektrische Wärmequellen, thermisch-mechanische Spannungen, Wärmeleitung und konvektiven Wärmeübergang. Jede dieser Größen kann von einer anderen abhängen – beispielsweise ändert sich der spezifische elektrische Widerstand mit der Temperatur.

Kalt schwingt anders

Auch bei Hitze stabil? Damit die Box unter Druck dicht bleibt, muss der Deckel auch bei hohen Temperaturen steif bleiben. Die multiphysikalische Simulation zeigt das Materialverhalten.
(Bilder: Optima Pharma)

Komplexe Physik, klare Antwort

Auch die scheinbar relativ einfache Darstellung mechanischer Phänomene täuscht: Oftmals sind unterschiedliche Koordinatensysteme wie Spannungsverteilungen in den Berechnungen zu berücksichtigen. Auch hier treten häufig Kopplungen auf. Temperaturen können Materialeigenschaften wie die Biegesteifigkeit stark beeinflussen.

Steht beispielsweise eine Plexiglas-Box unter Außendruck, ist es wichtig, wie viel Wärme der Behälterboden passieren lässt. Bei gleichzeitiger starker Hitze muss außerdem der Plexiglasdeckel eine ausreichende Reststeifigkeit unter thermischem Einfluss aufweisen. Denn falls diese zu niedrig ausfällt, könnte die Dichtfläche am Deckel unwirksam werden. Im Falle einer Vakuumbox hätte dies fatale Folgen für das Vakuum. Temperatur, Wärmestrom und mechanische Spannungsverteilung sowie der herrschende Außendruck sind hier multiphysikalisch gekoppelt.
Für die Betreiber pharmazeutischer Anlagen ist die Frage letztlich zweitrangig, ob eine virtuelle Studie besonders komplexe Berechnungen erfordert oder nicht. Die zusätzliche Sicherheit einer virtuellen Anlagenanalyse und -optimierung ist hingegen ein gewichtiges Argument in der Engineering-Phase. Dies gilt immer dann, wenn die Methoden der virtuellen Multiphysik Problematiken aufdecken – und auch die Wirksamkeit der Gegenmaßnahmen aufzeigen können. Hier zeigt sich, dass die Komplexität der Simulation von physikalischen Phänomenen besonderes Know-how erfordert.

Heftausgabe: Oktober 2016
Seite:

Über den Autor

Felix Henning, Henning PR
Loader-Icon