Creación de Soluciones Energéticas Eficientes Mediante la Conexión de Hilos Digitales

En algún momento alrededor de 2014, Frédéric Bussières, entonces ingeniero de simulación en GE Power, se vio atrapado en una iniciativa de la empresa para acelerar soluciones adecuadas a la primera para los componentes más críticos de la empresa utilizando visiones tempranas del concepto emergente de un hilo digital.

“Estaba escribiendo en JavaScript para automatizar la creación de modelos, tratando de automatizar realmente cualquier cosa”, recuerda. “Pero desarrollar métodos al mismo tiempo que intentar automatizarlos es muy difícil. Así que fue demasiado pronto y me valió el apodo de ‘Digital Fred’”, dice riendo. “Se quedó estancado”.

En la actualidad, Digital Fred es director de equipo sénior de simulación mecánica global del Grupo INNIO, con sede en Jenbach, Austria. Las tecnologías Jenbacher de INNIO brindan calor y energía distribuidos de manera eficiente y sostenible para aplicaciones comerciales, industriales y municipales.

Los motores Jenbacher son conocidos por su eficiencia y robustez y funcionan con una amplia gama de fuentes de energía sostenibles, desde gasoducto hasta hidrógeno. Entre ellos se incluyen otros gases renovables como el biogás, el biometano, el gas de vertedero y el gas de aguas residuales, así como gases especiales como el gas de síntesis (una mezcla de CO y H 2 ₎ . Hasta la fecha se han entregado más de 24.000 motores Jenbacher en unos 100 países.

“Para INNIO, la sostenibilidad significa una búsqueda constante de innovación para desarrollar soluciones energéticas de mayor eficiencia y menores emisiones”, afirma Bussières. “La descarbonización, con hidrógeno u otros combustibles, también significa superar los nuevos desafíos materiales que presentan estas innovaciones. Por ejemplo, esto significa lidiar con temperaturas más altas, mecanismos de combustión más desafiantes y modos de falla potencialmente nuevos. Todo eso ejerce presión sobre nuestros métodos de ingeniería”.

Para aliviar parte de esa presión, INNIO utiliza Ansys Mechanical y Ansys Workbench para simular propiedades estáticas estructurales, térmicas de estado estable, térmicas transitorias, optimización estructural, análisis armónicos y vibración aleatoria de sus modelos de motor. También han utilizado la simulación explícita de Ansys LS-DYNA para determinar la respuesta de los materiales ante periodos cortos de carga severa. Recientemente, adoptaron las herramientas de materiales de Ansys Granta para garantizar que utilizan los mejores materiales para cada componente. Para la simulación de fluidos, utilizan Ansys CFX y Ansys Fluent para condiciones de contorno junto al agua.

Quizás lo más importante es que Bussières y su equipo han utilizado Ansys Workbench y Ansys ACT y Ansys Parametric Design Language (APDL), junto con otras herramientas de scripting, para crear flujos de trabajo de ingeniería digital que integran automáticamente estas simulaciones en un hilo digital. En lugar de tener que exportar manualmente datos de una simulación al siguiente paso de la cadena de simulación, los scripts hacen que el flujo de trabajo (transporte de datos y movimiento de un tipo de simulación a otro) sea ágil, automático y, por lo tanto, más rápido y eficiente. Les brinda a los ingenieros más tiempo para concentrarse en el objetivo final, con iteraciones fluidas y un ritmo de innovación más rápido.

Bussières dirige un equipo de ingenieros que es responsable de todas las plataformas de motores, incluidas las plataformas con múltiples recuentos de cilindros y numerosas configuraciones de productos. Coordinar el trabajo de dicho equipo de ingenieros y proyectos se hace más fácil y eficiente con la ingeniería digital. INNIO ha sido innovador a la hora de optimizar el proceso de parametrización, inventando mejores formas de mostrar los resultados de la simulación, seleccionando el material adecuado para la aplicación y mucho más. La simulación de Ansys juega un papel importante en los esfuerzos del equipo.

La parametrización es lo que inició a Bussières en la simulación. Pronto descubrió que la capacidad de la automatización y las secuencias programadas de simulaciones para investigar una amplia gama de parámetros automáticamente y determinar una configuración óptima para un componente era esencial para el éxito de la ingeniería. 

“El primer tipo de tarea que tuve usando las soluciones de simulación de Ansys fue puramente paramétrica, por lo que tuve que desarrollar scripts APDL muy extensos para construir geometría para modelos FEA (análisis de elementos finitos) desde cero, básicamente desde cero hasta un informe”, dice Bussières. “Y además de eso, ejecutar diseños de experimentos (DOE) y optimización simultáneamente: un proceso de parametrización completa de un trabajo desde el principio hasta el fin. Cuando comencé a usar Ansys Workbench, reconocí que había una hoja de ruta para mejorar aún más este proceso. Entonces, al parametrizar la geometría y el entorno, parametrizar casi cualquier cosa y agregarle personalización, siento que estoy dirigiendo el diseño hacia alguna parte y ganando propiedad del espacio de diseño”.

INNIO utiliza CADNexus para producir diseños junto con el software Ansys Mechanical FEA en un entorno Ansys Workbench. La plataforma Ansys Workbench les permite integrar datos en simulaciones de ingeniería para crear modelos más precisos de manera más eficiente.

“La combinación de Workbench y CADNexus para llevar la parametrización al mundo FEA ha sido un beneficio realmente fundamental del enfoque de Ansys frente al de sus otros competidores”, afirma.

La combinación ha dado sus frutos para INNIO.

“El tiempo del ciclo original de un análisis de culata era demasiado largo”, afirma Bussières. “Nos llevaría semanas llegar a un punto en el que hubiéramos documentado y comprendido cómo era una iteración, desde los fluidos hasta los resultados estructurales y la vida. Y ahora podemos realizar todas estas simulaciones multifísicas en un par de días. Entonces, en una semana tenemos varios conceptos que podemos iterar a mayor velocidad. Eso nos hace mucho más eficientes y exitosos, y nos da confianza en la solidez de nuestras soluciones. Creo que eso se debe a nuestra capacidad para explorar el espacio del diseño, iterar rápidamente y aprender rápidamente de lo que armamos”.

La ingeniería digital, específicamente el mantenimiento de la cadena entre CAD y FEA, es clave para la eficiencia de INNIO.

“Cuando seguimos nuestro proceso de ingeniería interno, nos guía hacia una interacción conjunta entre el diseñador y CAE”, dice Bussières. “Con Workbench, tenemos una forma muy sólida de incorporar nueva geometría y capacitar al analista o al ingeniero CAE para que se apropie de ese diseño en cierto sentido, para iterarlo, lo cual es fundamental para el diseño basado en análisis”.

Dado el tamaño del equipo CAE de INNIO, el papel de los analistas es mucho más que mostrar resultados con imágenes coloridas. La “necesidad de velocidad” de INNIO, como dice Bussieres, requiere que la calidad y la eficiencia se encapsule en métodos.

“Necesitábamos pasar de los colores y la evaluación instintiva a soluciones basadas en métricas”, dice. Entonces, a partir de 2016, utilizaron Ansys ACT para desarrollar una caja de herramientas digital que contiene 20 herramientas para traducir las sombras del arco iris de los resultados de FEA en algo que muestre los resultados de manera más objetiva y efectiva.

Para mejorar la comunicación de los resultados dentro del equipo, Bussieres desarrolló evaluaciones basadas en indicadores clave de desempeño (KPI) que han sido muy útiles para hacer que los modelos FEA de INNIO se entiendan más fácilmente.

Algunos KPI se centran en los costos, otros en la creación de valor y otros involucran la demanda de recursos. “Hemos reducido consistente y considerablemente el costo de la responsabilidad de calidad que teníamos en el pasado. Y eso, en mi opinión, es gracias a la inversión que hacemos en el desarrollo de métodos, en el conocimiento de la simulación. Ha sido un largo viaje, pero la visión está dando sus frutos. Todas estas herramientas personalizadas están destinadas a traducir los resultados del FEA en algo más significativo”, afirma Bussières. “Desvían su atención de los colores del ‘arco iris’ de un resultado hacia una evaluación más basada en métricas y KPI”.

“La simulación nos hace más eficientes a la hora de proteger los intereses de nuestros clientes, abordando la innovación y asegurándonos de que sean competitivos y rentables”, afirma Bussières. “Al proteger la longevidad y el ciclo de vida de sus activos, y al proporcionar innovación adaptable a lo largo del camino, estamos preservando su retorno de la inversión presente y futuro. Lo hacemos teniendo fe en los resultados de nuestros esfuerzos de simulación y desarrollo. Cuanto más rápido podamos hacerlo, más rápido podrán conseguirlo. Por lo tanto, reducir el tiempo del ciclo de nuestro desarrollo de ingeniería hace que nuestros productos lleguen al campo más rápido y nos ayuda a diferenciarnos de la competencia”.

Este compromiso con los métodos de ingeniería es parte de una iniciativa llamada “Ingeniería del futuro”. Andreas Kunz, CTO de INNIO, reflexiona sobre el asunto: “El rendimiento cada vez más exigente de nuestros productos requiere el mismo compromiso con la innovación y la excelencia en ingeniería. Future Engineering es nuestra manera de traducir nuestra visión de un futuro sostenible con esfuerzos de desarrollo, utilizando métodos y herramientas de simulación de vanguardia”.

“Ha sido emocionante”, concluye Bussières. “Podemos decir con orgullo que nuestro trabajo permite reducir el costo de la calidad y al mismo tiempo crear valor futuro. Ahorros en el futuro y valor en el futuro: eso es el doble de beneficio”.

Autor
Tim Palucka
Redactor senior de comunicaciones de marketing, Ansys