將大分析能力應用於小組件：使用 AI 加強多物理場進行電磁閥模擬

 

電磁閥是一種簡單的開/關閥，常用於空氣壓縮機、泵、工業水控制以及洗車和洗衣設備。 它們有多種壓力等級和尺寸可供選擇，用於流體動力氣動和液壓系統，以控制氣缸、流體動力馬達或更大的工業閥門。 這些重要但經常被忽視的組件由兩個基本功能單元組成——閥體和電磁鐵，它們在通電或斷電時會關閉或允許流過閥孔。

與工程師負責通過模擬設計和驗證的許多其他高度複雜的組件相比，不起眼的電磁閥相比之下可能顯得無關緊要。 為什麼要專注於優化看起來幾乎沒有改進空間的東西呢？

通常，產品工程師通過有限的計算流體動力學 (CFD) 鏡頭查看電磁閥的功能。 經過優化通過閥門的流動路徑，您已經優化了組件。 但閥門的驅動對可靠性和安全性也起著重要作用。 然而，驅動問題要複雜得多，需要了解磁學、液壓學、流體動力學和力學之間的相互作用。 為了優化電磁閥驅動，需要採用多物理場方法來考慮所有力，從而優化整個系統的設計。

 

使用系統建模建立多學科分析

Altair Activate® 是一個開放且靈活的集成平台，用於廣泛的系統模擬。 Altair Activate® 基於信號塊、面向目標的物理組件以及電動和電子系統的混合塊狀圖建模環境，允許在整個開發週期中進行多物理場分析。

應用於電磁閥分析，Activate® 允許工程師將來自所有領域（電磁學、力學、液壓學和流體動力學）的混合保真模型整合到整個系統的統一模擬中。 方便的參數化和模擬控制使工程師能夠可視化和調整基本設置、邊界條件和子模型。

電磁閥的 Activate 模型

 

力學

在 Activate® 中，Modelica Standard Library (MSL) 用於對閥門柱塞和彈簧的質量力學進行建模。 磁力、壓力和流動力可以在它們自己的域模型中計算並添加到連接中。

Modelica_電磁閥

 

電磁學

使用 Altair Flux® 求解電磁分析。 Flux 捕捉電機設備的複雜性，以準確優化其性能、效率、尺寸、成本或重量，為最終用戶帶來更好的創新和價值產品。 Flux® 模擬磁靜態、穩態和瞬態條件，以及電動和熱屬性。 由於 Activate® 和 Flux® 之間的緊密集成，用戶可以執行高準確度電磁協同模擬，或者通過利用 look-up 表或功能 mock-up 單元 (FMU) 來選擇運行更快的。

 

CFD

在閥門的液壓零件，有兩個方面很重要——流動和力。 力由靜態壓力產生，但也由局部降低的動態壓力（流動力）產生。 該模型由液壓組件和 Altair CFD^TM 通用 Navier-Stokes 求解器的模擬結果組合表示。

Look-up 表用於表示穩態行為的流動和力。 使用固定條件對流動進行建模和求解，探索幾個柱塞位置和不同的流動。 這些穩態模擬的結果被傳輸到 Look-up 表中，其中可以檢查組合數據以確定取決於壓力差和柱塞位置的質量流動和力。

為了更準確地表示該現象，然後使用動態降階模型 (ROM) 來表示電磁閥的瞬態流體動力學行為。

 

用於動態降階模型產生的人工智慧

降階模型對於將詳細的 3D 模擬合併到計算效率更高的 1D 環境中以進行系統級研究非常有用。 Altair CFD^TM 和 Altair Flux® 等模擬工具允許對時變非線性系統進行詳細研究，但由於模擬運行時間長，分析通常集中在組件或子系統上。 然而，在完整系統模擬的情況下，將組件行為減少到與完整系統的互動通常就足夠了，從而提高了求解器的運行時間，同時仍能提供足夠準確的結果。

利用 Altair 的 romAI 人工智慧工具，3D 模擬可用作生成動態 ROM 的訓練數據。 只需要幾次 3D 模擬運行，因為這種方法比傳統的數據驅動方法需要更少的訓練數據。 romAI 可以與任何求解器一起使用，並在訓練空間內運行時產生高度準確的結果，甚至對於空間外的外推也很穩定和有用。 當從測試數據開始時，同樣的機器學習技術也可以用於系統識別目的。

通過利用 romAI 進行電磁閥模擬，用戶可以兩全其美——3D 模型的準確性和 1D 模型的速度。 這是通過幾個簡單的步驟來實現的。

1. 執行瞬態 3D 模擬 - 選擇勵磁，以便覆蓋 ROM 的預期工作條件。
2. 從 3D 模擬中提取訓練數據——選擇 ROM 應表示的輸入、輸出和狀態變量。 應選擇足夠小的輸出時間步長來捕捉您想要捕捉的系統頻率。 然後應將每個時間步長的輸入、輸出和狀態變量儲存到 CSV 檔案中。
3. 運行機器學習模組——指定隱藏層、神經元等的數量，然後使用內建工具檢查收斂性和準確性。 滿意後，使用 Altair Activate® 中提供的專用模組測試 romAI。
4. 使用Activate中的ROM進行系統模擬

用於電磁閥CFD模擬的romAI過程

romAI 與 CFD 結果 - 電磁閥液壓

 

AI 加強多物理場分析的結果

Activate® 被證明是電磁閥多學科系統模擬的理想集成平台，包括電磁閥、流體動力學和機械性能。 Activate® 模型可用於快速設計研究和組件系統的詳細尺寸標註。 romAI 還有助於高速集成瞬態 CFD，同時仍提供足夠的準確度。

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