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Ansys-Multiphysics-Simulation bei Beatmungsgeräten
Die Hamilton Medical AG gilt als Erfinder der intelligenten Beatmung. Die Atemflussmessung liefert dazu die entscheidenden Daten. CADFEM hat das Gerät mit Simulation optimiert.

Simulation in der Beatmung

Branche: Chemie und Pharmazie, Konsumgüter/Gebrauchsgüter, Gesundheit, Medizintechnik, Kunststoff und Gummi, Feinmechanik und OptikFachgebiet: Strömungsmechanik, Multiphysics, Strukturmechanik

Ein Beatmungsgerät muss eine hohe Dauerfestigkeit besitzen. Ein Nachweis über experimentelle Validierungen in Testreihen benötigt enorm viel Zeit. Dem Atemdurchflussmesser kommt dabei eine Schlüsselrolle zu. Die Hamiltion Medical AG hat deshalb CADFEM beauftragt, mittels Simulation den Prozess zu beschleunigen.

Zusammenfassung

Aufgabe

Die Produktqualität steht im Mittelpunkt des Entwicklungsprozesses von Beatmungsgeräten. Da eine lange experimentelle Validierung erforderlich ist, um die Dauerfestigkeit über viele Atemzyklen zu gewährleisten, war ein numerisches Prototyping erforderlich, um zu garantieren, dass aufwendige Testaufbauten nur einmal durchgeführt werden müssen.

Lösung

Mit Hilfe der ANSYS Multiphysics-Plattform wurde ein realitätsnaher Simulationsprozess aufgesetzt. Auftretenden Spannungen und Schwingungen sind in einer Zweiwege-Fluid-Structure-Interaction (FSI) in ANSYS Workbenche berechnet worden. Ebenso das Strömungsfeld und die Strukturverformungen. Außerdem wurde eine Ermüdungsanalyse erbracht.

Kundennutzen

Das Design des Atemdurchflussmessers konnte von CADFEM numerisch im Simulationsmodell validiert und optimiert werden. Anschließend war nur ein, entsprechend langer, experimenteller Alterungstest an einem realen Prototypen notwendig, bei dem die Komponenten über zwei Monate hinweg ununterbrochen zyklisch belastet wurden. Dies ermöglichte eine Verkürzung des Entwicklungszyklus für eine optimale Variante und minimierte die Kosten im Vergleich zur rein experimentellen Testung aller Varianten erheblich.

Projekt Details

Aufgabenstellung

Die Hamilton Medical AG bietet eine breite Palette von Beatmungsgeräten an, die für viele verschiedene Patientengruppen optimal geeignet sind. Die Produktqualität steht im Mittelpunkt des Entwicklungsprozesses. Da eine lange experimentelle Validierung erforderlich ist, um die Dauerfestigkeit über viele Atemzyklen zu gewährleisten, war ein numerisches Prototyping erforderlich, um zu garantieren, dass Messkampagnen nur einmal durchgeführt werden.


Nutzen für den Kunden

Das Design des Atemdurchflussmessers konnte von CADFEM numerisch im Simulationsmodell validiert und optimiert werden. Anschließend war nur ein, entsprechend langer, experimenteller Alterungstest an einem realen Prototypen notwendig, bei dem die Komponenten über zwei Monate hinweg ununterbrochen zyklisch belastet wurden. Dies ermöglichte eine Verkürzung des Entwicklungszyklus für eine optimale Variante und minimierte die Kosten im Vergleich zur rein experimentellen Testung aller Varianten erheblich. Die Druck-Durchfluss-Kennlinie konnte simuliert und mit den Anforderungen an die Messeinheit verglichen werden. Die Analyse ermöglichte es, die kritischsten Stellen schnell zu ermitteln und die Konstruktion zu verbessern, was eine beispiellose Robustheit bei gleichzeitiger Gewährleistung der Messgenauigkeit ermöglichte.


Lösung

Mit Hilfe der ANSYS Multiphysics-Plattform wurde ein realitätsnaher Simulationsprozess aufgesetzt. Die Spannungen aufgrund von Ventilzyklen und Schwingungen in der turbulenten Strömung wurden mit Hilfe einer instationären Zweiwege-Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) in ANSYS Workbench berechnet, einschließlich des Strömungsfeldes und der Strukturverformungen (siehe Abbildungen). Kleine und große Spannungsschwingungen bei verschiedenen Frequenzen konnten in der Ermüdungsanalyse berücksichtigt werden. Nichtlineare Reibungskontakte zwischen der lose gehaltenen Ventilmembran und der umgebenden Struktur wurden berücksichtigt.

Bilder: © Hamiltion Medical AG


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