クラウドベースシミュレーションで産業機械の冷却を最適化

シミュレーションが一部の業界で長年使用されてきた一方で、産業、建設、農業機械などの分野では、その活用が始まったばかりです。しかし、これらの業界は、特にエンジン冷却の分野で、このテクノロジーの重要な用途を見出しています。

自動車とは異なり、これらの低速移動および定置型機械には、冷却を助ける「無料」のラムエアがなく、冷却ファンと熱交換器を含む冷却パッケージの性能のみに頼って余分な熱を放出しています。したがって、効果的な冷却システムはそれらにとって極めて重要です。冷却は熱効率を維持し、部品のオーバーヒートとそれに続く安全性および耐久性の問題を防ぎます。熱衝撃を避けるために緩やかな加熱が必要であり、均一な冷却は温度スパイクによる構造的問題を防ぐために不可欠です。

エンジンブロック周りに冷却水を循環させる効果的なシステムを設計するのは複雑な作業ですが、適切なデジタルプロセスで大幅に簡素化できます。高温環境下でもこの冷却水を低温に保つことは、性能維持と稼働継続に不可欠です。

しかし、一部のデジタルプロセスはその複雑さゆえに多大な専門知識を必要とします。これにより、冷却システム設計に取り組める人材が、社内のシミュレーションに精通した稀な個人に限定されてしまいます。一部の企業では、そうした人材が存在せず、エンジニアリングサービス会社にシミュレーション業務をアウトソースせざるを得なかったり、貴重な時間と資金を追加トレーニングに費やしたりします。さらに悪いことに、物理テストに頼ることになり、機械の性能を著しく損ないながら開発コストを増大させる結果になります。トレーニングを受けても、経験の浅いユーザーはミスを犯す可能性があります。これは機械のリリース遅延、製品開発予算の超過、シェアの損失につながります。

しかし、SIMULIAは、設計者、シミュレーションアナリスト、専門家が容易に使用できるクラウド駆動のソリューションを開発しました。PowerFLOWを利用し、SIMULIA Cloudでホストされるエンジン冷却自動化プロセスは、完全自動化されており、シミュレーションの事前知識を一切必要としません。ユーザーは機械の希望運転条件に関する基本データを入力するだけで、自動化プロセスが残りの作業を行い、冷却システムが装着状態でどう機能するかをシミュレートします。

「お客様がエンジン冷却システムの支援のためにシミュレーションテクノロジーに目を向ける際のペインポイントを、我々は正確に把握しています」と、SIMULIAのインダストリープロセスコンサルトシニアマネージャー、トリスタン・ドンリー氏は語ります。「我々は彼らのフィードバックに耳を傾け、それがSIMULIAが市場向けに自動化ソリューションを開発した理由です。」

SIMULIAのインダストリープロセスエキスパートディレクター、サティーシュ・カンダサミー氏によると、「自動化プロセス開発の着想は、世界中の機器メーカーとの経験から生まれました。そこでは、テストや機器設計に携わるエンジニアが、設計変更による性能変化の理由を知るためにシミュレーションも実行する必要があります。自動車業界とは異なり、IE業界には必ずしも解析をサポートする専任のCAE部門があるわけではありません。つまり、機器の設計とテストに携わるエンジニアが解析も行わなければなりません。残念ながら、機器設計という要求の厳しいタスクのために、複数のモジュールを含み、かなり異なるCAEワークフローを学ぶ時間がありません。我々が得意とする世界クラスの機器設計・開発をクライアントに可能にするため、エンドツーエンドの自動化プロセスを開発する戦略的決定を行い、クライアントが求めていた結果を提供することにしました。」

SIMULIAの自動化プロセスは経験レベルに関わらず誰でも使用できるため、複数のチームメンバーが協力し、情報を共有し、より効率的に設計できます。複数の設計実行を容易に送信でき、ベストプラクティスが自動化プロセスに組み込まれているためエラーの可能性が減少し、シミュレーションコストとのバランスを取りながら最適な設計を実現できます。

「クラウド環境により、サイト間や国境を越えた、より速く自然なコラボレーションが実現しました。ファイル転送ゼロ、ソフトウェアインストール不要で、サイト間やエンジニアリンググループ間で結果を同時に表示・処理できることは、結果とアイデアのより良いコミュニケーションにつながりました」と、2020年SIMULIAチャンピオンのジェイミソン・ヒューバー氏（Doosan Bobcat、ノースダコタ州ビスマーク、シニアシミュレーションエンジニア）は語ります。

SIMULIAは、冷却ファンモデリングのための真の回転メッシュと、PowerFLOWの完全過渡・高精度ラッティスボルツマンソルバーを活用し、産業、建設、農業機械業界向けに独自の統合エンジン冷却ソリューションを提供します。

「コンピュータビジョンを含む自動化技術を通じて、CFDシミュレーションプロセスのすべてのドットを接続するこの新しい自動化プロセスは、エンジン冷却シミュレーション市場に新たな時代を開きました」とカンダサミー氏は述べています。

新しい自動化プロセスがもたらす違いを理解するには、それがない場合のシミュレーションプロセスを理解する必要があります。アナリストは、流体力学、熱伝達、ファンモデリング、熱交換器設計の知識を必要とします。また、CADモデルから表面メッシュを準備する方法（数日以上かかる可能性）、ボリュームメッシュの準備方法も知っていなければなりません。モデルが準備できたら、次はGUIベースのソフトウェアで全シミュレーションパラメータを入力しますが、これはアナリストがソフトウェアを深く理解していることを前提としています。残念ながら、これは人間のミスが頻発する非常にエラーしやすいプロセスです。シミュレーション実行後、アナリストが手動で結果を処理しますが、これも良質な結果チェックに必要なことを知り、シミュレーションから必要な情報を取得する方法を知っていることを前提としています。手動プロセスは数日かかり、セットアップエラーによる再実行でリソースも浪費します。

新しい自動化プロセスは、これらすべてのシミュレーションプロセスを統合し、CADモデルからの表面メッシュ自動準備、ボリュームメッシュ準備、シミュレーション入力パラメータの簡素化、シミュレーション実行の送信、標準的なシミュレーション結果の自動生成を行います。各ステップには、数千回のシミュレーションで開発された標準的なベストプラクティスが組み込まれ、最も正確なシミュレーション結果を提供します。総作業時間の節約は最大80%に達します。

「競争の激しい世界で活動するエンジニアとして、自動化プロセスにより、非常に複雑で高価なテストをシミュレートする機会を得られ、物理テストの回数を削減できます。プロセスはSIMULIAチームによって常に改善され、メッシングプロセスの自動化、解析セットアップ、結果読み取りが、私のわずかな介入だけでかなり速く結果を見られるようになりました」と、Doosan Portable Power（ノースカロライナ州ステイツビル）のパワートレイン工学部門設計エンジニア、セルジウ・チュパル氏は語ります。

自動化エンジン冷却シミュレーションプロセスはSIMULIA Cloud上にあり、部門間や別々の場所にいる個人が協力しやすくなります。すべてのファイルは、プロジェクトに割り当てられた誰もがいつでもアクセスできる安全でセキュアな環境に保管されます。その使いやすさとアクセス性により、SIMULIAの新しい自動化プロセスは、複雑なプロセスを極めてシンプルにします。