Simulation dans le domaine de la ventilation
Secteur: Industries chimique et pharmaceutique, Biens de consommation, Santé, Technique médicale, Plastique et caoutchouc, Mécanique de précision et optiqueDiscipline: Mécanique des fluides, Multiphysique, Mécanique des structuresA ventilator must have a high fatigue strength. Verification through experimental validations in test series requires an enormous amount of time. The respiratory flow meter plays a key role in this process. Hamilton Medical AG has therefore commissioned CADFEM to accelerate this process using simulation.
Résumé
Tâche
Product quality is at the heart of the ventilator development process. Since lengthy experimental validation is required to ensure fatigue strength over many breathing cycles, numerical prototyping was needed to guarantee that elaborate test setups would only need to be performed once.
Solution
A realistic simulation process was set up using the ANSYS Multiphysics platform. Occurring stresses and vibrations have been calculated in a two-way fluid-structure interaction (FSI) in ANSYS Workbench, including the flow field and structural deformations. In addition, a fatigue analysis has been provided.
Avantages clients
CADFEM was able to numerically validate and optimize the design of the respiratory flow meter in the simulation model. Subsequently, only one, correspondingly long, experimental aging test on a real prototype was necessary, in which the components were cyclically loaded continuously for two months. This made it possible to shorten the development cycle for an optimum variant and significantly minimize the costs compared to purely experimental testing of all variants.
Hamilton Medical SA propose une large gamme de respirateurs qui conviennent parfaitement à de nombreux groupes de patients différents. La qualité du produit est au cœur du processus de développement. Comme une longue validation expérimentale est nécessaire pour garantir la résistance à la fatigue sur de nombreux cycles respiratoires, un prototypage numérique a été nécessaire pour garantir que les campagnes de mesure ne soient effectuées qu'une seule fois.
La conception du débitmètre respiratoire a pu être validée et optimisée numériquement par CADFEM dans le modèle de simulation. Ensuite, seul un test de vieillissement expérimental, d'une durée correspondante, a été nécessaire sur un prototype réel, au cours duquel les composants ont été soumis à des charges cycliques ininterrompues pendant deux mois. Cela a permis de raccourcir le cycle de développement d'une variante optimale et de minimiser considérablement les coûts par rapport à des tests purement expérimentaux de toutes les variantes.
La courbe caractéristique pression-débit a pu être simulée et comparée aux exigences posées à l'unité de mesure. L'analyse a permis d'identifier rapidement les points les plus critiques et d'améliorer la conception, ce qui a permis d'atteindre une robustesse sans précédent tout en garantissant la précision de mesure.
Un processus de simulation proche de la réalité a été mis en place à l'aide de la plateforme ANSYS Multiphysics. Les contraintes dues aux cycles des vannes et aux oscillations dans l'écoulement turbulent ont été calculées à l'aide d'une interaction fluide-structure (FSI) instationnaire à deux voies dans ANSYS Workbench, y compris le champ d'écoulement et les déformations de la structure (voir figures). Les petites et grandes oscillations de contrainte à différentes fréquences ont pu être prises en compte dans l'analyse de fatigue. Les contacts frictionnels non linéaires entre la membrane de la vanne maintenue lâchement et la structure environnante ont été pris en compte.
