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Um forte aumento do interesse na produção de hidrogênio verde A demanda atual e futura é por energia verdadeiramente livre de emissões. É preciso encontrar alternativas para substituir os combustíveis fósseis. Atualmente, as baterias são uma solução para o setor automotivo. Infelizmente, elas não são adequadas para muitas aplicações devido a limitações de capacidade de armazenamento, vida útil, restrições de carga e preocupações ambientais. Portanto, a produção de hidrogênio verde (produzido, por exemplo, por eletrólise, utilizando eletricidade renovável) é identificada como uma solução promissora para o armazenamento de energia renovável livre de emissões a longo prazo. Em 2019, a energia gerada graças ao hidrogênio era da mesma ordem de grandeza da energia fornecida por uma usina nuclear moderna. E, por alguns anos, o consumo de hidrogênio aumentou rapidamente. Essa tendência continuará a crescer significativamente, visto que muitos países têm investido recentemente em larga escala para aumentar a produção e o uso de hidrogênio nos setores de transporte, energia e indústria. Figura 1: Evolução do consumo de hidrogênio A maior parte do hidrogênio ainda é produzida a partir de combustíveis fósseis, o que significa que novas infraestruturas precisam ser desenvolvidas, enfrentando os seguintes desafios: Produção de hidrogênio verde, sem emissões de CO₂. A eletrólise da água é uma solução, utilizando eletricidade limpa gerada, por exemplo, por turbinas eólicas, painéis solares, conversores de ondas ou uma combinação destes. A melhoria do desempenho, da confiabilidade e da eficiência do sistema visa atingir um preço aceitável para o hidrogênio produzido. O armazenamento do hidrogênio. Como esse gás possui baixa densidade energética em condições ambientais, ele geralmente é comprimido ou liquefeito para armazenamento. Figura 2: Usina de produção de hidrogênio Então, como podemos lidar com esses desafios e capturar o comportamento de uma planta de produção de hidrogênio e de cada um de seus subsistemas? Um modelo que combina todos os subsistemas para avaliar o desempenho global A simulação da produção de hidrogênio verde no Simcenter Amesim é a solução. Ela permite capturar todo o processo de produção de hidrogênio verde, prever as interações entre os subsistemas e o desempenho global. Figura 3: Modelo de planta de produção de hidrogênio no Simcenter Amesim Passa-se agora à análise do exemplo da energia elétrica gerada a partir de 3 fontes verdes diferentes: Turbinas eólicas Painéis solares Conversores de onda A energia elétrica é usada para alimentar um eletrolisador que gera hidrogênio. O hidrogênio é finalmente comprimido para ser armazenado em tanques de alta pressão, pronto para ser usado, abastecer veículos ou ser transportado. Turbinas eólicas O modelo de turbina eólica leva em consideração o número de turbinas eólicas que desejamos utilizar, a definição da geometria da turbina (especialmente o diâmetro da hélice, o ângulo de inclinação…), o desempenho do gerador, as perdas dos subcomponentes e o controle do passo da hélice. Figura 4: Modelo de turbina eólica Este modelo permite prever, por exemplo, a potência elétrica e a potência mecânica da turbina, dependendo da velocidade transitória do vento. Figura 5: Resultados do modelo de turbina eólica Painéis solares O modelo do painel solar leva em consideração o número e a geometria das células e dos painéis, as condições operacionais transitórias: considerando a evolução da posição do sol e o impacto das nuvens, bem como a definição do desempenho do conjunto de painéis solares. Figura 6: Modelo de painéis solares Isso possibilita, por exemplo, prever a potência elétrica fornecida pelo painel solar, dependendo da potência de irradiação transitória nas células. Figura 7: Resultados do modelo de painéis solares Gerador de ondas Para prever o desempenho de um gerador de ondas, foi inicialmente construído um modelo multifísico bastante detalhado. Este modelo reproduz a arquitetura detalhada do sistema, considerando o dimensionamento e o comportamento dos subsistemas: o pistão, as válvulas, o motor e o gerador hidráulicos, um acumulador, tubulações, etc. O modelo leva em conta as condições operacionais transitórias com frequência e amplitude de ondas variáveis. Este modelo é preciso e útil para o projeto detalhado e otimização do gerador de ondas. No entanto, para simulações de longa duração, ele permanece lento. Em seguida, numa segunda etapa, partindo do modelo preciso, foi construído um modelo reduzido utilizando a ferramenta Simcenter Amesim Neural Network Builder. O Neural Network Builder permite treinar um modelo reduzido de forma fácil e rápida, gerando o modelo Amesim correspondente que será executado com grande rapidez. Numa simulação de validação, o modelo gerador de ondas reduzido conseguiu reproduzir os resultados do modelo inicial com um nível de confiança de 94%, com um tempo de simulação significativamente menor. É realmente incrível! Figura 8: Redução do modelo do gerador de ondas Este modelo reduzido pode então ser usado para prever a energia elétrica gerada pelo gerador de ondas, dependendo da frequência e amplitude da onda, com os desempenhos que precisamos em nosso modelo de sistema de produção de hidrogênio verde. Figura 9: Resultados do modelo do gerador de ondas Eletrolisador A energia elétrica gerada por painéis solares, turbinas eólicas e geradores de ondas é combinada e utilizada pelo eletrolisador. Este converterá água em O₂ e H₂. Neste modelo, o desempenho e as taxas de reação são previstos graças à curva de polarização fornecida como parâmetro, ao número de células e à área ativa das células. Figura 10: Modelo de eletrolisador Isso permite prever a energia elétrica consumida pelo eletrolisador, o fluxo instantâneo de hidrogênio que ele produzirá e a massa média correspondente que você poderá produzir por dia. Neste exemplo, você pode produzir cerca de 9 kg de hidrogênio por dia. Você também pode constatar que, com o dimensionamento dos subsistemas, o conversor de ondas produz 88% da energia elétrica, os painéis solares 4% e a turbina eólica 7%. Figura 11: Resultados do modelo de eletrolisador Armazenamento de hidrogênio Finalmente, o hidrogênio é comprimido no modelo de armazenamento de hidrogênio. Este modelo é baseado em tubulações, um compressor com seu controle, válvulas controladas e vários tanques. O controle das válvulas permite que o primeiro tanque seja enchido até que a pressão atinja 750 bar. O segundo tanque é enchido em seguida e, finalmente, o terceiro. As trocas térmicas que ocorrem entre o hidrogênio, as tubulações e os tanques são levadas em consideração. A simulação foi interrompida quando a pressão atingiu 750 bar em cada um dos três tanques. Figura 12: Modelo do sistema de armazenamento de hidrogênio Graças ao modelo e à simulação, é possível prever que, nas condições operacionais definidas, os 3 tanques podem ser enchidos em 42 dias. Também é possível compreender claramente a rapidez com que a pressão e a massa de hidrogênio aumentam, bem como a evolução da temperatura do gás dentro dos 3 tanques. A compressão do hidrogênio a 750 consome parte da energia gerada pelos painéis solares, turbinas eólicas e geradores de ondas. Isso, por fim, reduz a produção de hidrogênio. Graças à simulação, pode-se estimar que o compressor consome cerca de 6% da energia elétrica. Figura 13: Resultados do modelo do sistema de armazenamento de hidrogênio Conclusões Em conclusão, a simulação da produção de hidrogênio verde no Simcenter Amesim pode definitivamente ajudar a enfrentar os desafios da produção de hidrogênio verde. A extensa plataforma de simulação multifísica permite modelar sistemas completos. Dimensionar os diferentes subsistemas, considerando várias condições de operação, é benéfico. Isso possibilita uma melhor integração dos subsistemas e a melhoria do desempenho geral e do retorno sobre o investimento (ROI). Proporciona uma melhor compreensão do comportamento global do sistema. Com a simulação de sistemas, você pode projetar melhor seu sistema, além de avaliá-lo virtualmente e aprimorar suas estratégias de controle. Você finalmente poderá selecionar o design certo na primeira tentativa , reduzindo os riscos de erros e acelerando seus projetos. Finalmente, o Simcenter Amesim , graças a modelos e bibliotecas genéricos, possibilita abordar a produção de hidrogênio limpo, bem como muitas outras aplicações. Podemos mencionar brevemente, por exemplo, as seguintes: Projeto de tanques de hidrogênio integrados em veículos ou aeronaves, considerando tanques de alta pressão ou criogênicos, simulação de cenários como reabastecimento ou extração de hidrogênio. Avaliação do desempenho de motores aeronáuticos e turbinas a gás, análise do impacto da sangria em compressores multiestágios, foco em questões de engenharia, análise de modelos para avaliação fora do projeto e em regime transitório. Projeto de motores de combustão de hidrogênio, adaptação dos sistemas de injeção e controle, sistemas de carregamento, controle de combustão e sistemas de pós-tratamento. Projeto e integração de células de combustível com o fornecimento de ar e hidrogênio, a eletrônica de potência, o gerenciamento térmico e os controles. Figura 14: Exemplos de funcionalidades do Simcenter Amesim para outras aplicações relacionadas ao hidrogênio Sobre o autor: Patrice Montaland é Desenvolvedor de Negócios do Simcenter Amesim . Ele adquiriu experiência inicial em simulação, células de combustível e veículos híbridos como engenheiro atuando nas indústrias automotiva e de hidrogênio. Patrice ingressou na Siemens há 14 anos e agora trabalha em estreita colaboração com a equipe de desenvolvimento do Simcenter Amesim , motivado a melhor atender aos novos desafios da indústria. Patrice acredita firmemente nos benefícios da simulação de sistemas para o projeto de sistemas de produção de hidrogênio verde e para a melhoria do uso do hidrogênio em sistemas como células de combustível, graças a uma abordagem de modelagem multifísica rápida e abrangente. Pronto para avançar na produção de hidrogênio verde com mais eficiência e segurança? Agende uma reunião com a CAEXPERTS e descubra como as soluções de simulação, como o Simcenter Amesim , podem ajudar sua empresa a otimizar sistemas, reduzir riscos e acelerar resultados em projetos de energia limpa. WhatsApp: +55 (48) 98814-4798 E-mail: contato@caexperts.com.br

Para qualquer veículo, o mau gerenciamento da água pode ser um problema, algo bem conhecido pelos engenheiros automotivos da atualidade. Seja uma garoa leve ou uma enchente, a água impacta quase todos os aspectos do projeto de um carro, desde a visibilidade do motorista e a durabilidade dos componentes até a segurança e o desempenho geral do veículo. Durante anos, lidar com esses problemas significava testes físicos dispendiosos e demorados. Hoje, no entanto, os projetistas de automóveis contam com um conjunto cada vez maior de ferramentas para simular e mitigar o excesso de fluxo de água e os problemas de infiltração. Esse conjunto crescente de ferramentas, aliado ao avanço contínuo da computação de alto desempenho (HPC), consolidou a simulação como a opção indispensável para o engenheiro moderno, proporcionando economia de tempo e custos já nas fases iniciais do ciclo de projeto. Você tem opções de simulação Para auxiliar na navegação pelas águas da simulação, o software e os serviços da Simcenter oferecem ferramentas de análise baseadas nos métodos RANS e SPH, proporcionando combinações eficientes de soluções rápidas e de alta fidelidade. Vamos analisar mais detalhadamente o que cada opção pode oferecer. RANS (Navier-Stokes com média de Reynolds) Os métodos RANS são métodos de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) baseados em meio contínuo e dependentes da malha, que resolvem equações médias temporais para o escoamento de fluidos. Isso significa que eles modelam os efeitos da turbulência em vez de resolver diretamente cada vórtice turbulento. Um solver RANS trata o fluido como um meio contínuo e resolve grandezas médias, como velocidade, pressão e temperatura, em uma malha fixa. Os métodos RANS possuem diversas vantagens: Eficiência computacional para fluxos em regime permanente: Geralmente mais eficiente para fluxos em regime permanente ou quase permanente, tornando-os adequados para domínios maiores e tempos de simulação mais longos. Previsão do fluxo de fluido/ar em massa: Excelente para prever o comportamento geral da água com interação aerodinâmica do veículo (multifásico). Previsão de pressão: Fornece campos de pressão estáveis ​​e precisos usados ​​em previsões acopladas de deflexão e tensão, ou seja, interação fluido-estrutura (FSI) ou acoplamento de elementos finitos (FEA) e dinâmica dos fluidos computacional (CFD). SPH (Hidrodinâmica de Partículas Suavizadas) Os métodos SPH são métodos baseados em partículas lagrangianas e sem malha. Em vez de resolver em uma grade, o fluido é representado por partículas que se movem com o fluxo, carregando propriedades como massa, velocidade e pressão. Essas partículas interagem com seus vizinhos dentro de um comprimento de suavização definido, e as propriedades do fluido são reconstruídas usando interpolação baseada em kernel a partir dessas interações de partículas. Os métodos SPH também apresentam diversas vantagens: Eficiência computacional para fluxos transientes: Apresenta excelente desempenho na simulação de deformações de superfície livre altamente transientes e violentas, respingos, oscilações e dinâmicas complexas de superfície livre sem difusão numérica. Sem necessidade de malha: Elimine a necessidade de malhas e remesh complexos, simplificando a configuração para geometrias intrincadas, componentes móveis e cenários que envolvem ruptura ou fragmentação da água. Infiltração localizada de água e interação em nível de componentes: Ideal para análises detalhadas da infiltração de água através de aberturas de ventilação, drenos, vedações e pequenas aberturas, bem como da interação direta da água com sensores, câmeras e vias de entrada de ar. Vamos explorar alguns problemas comuns de gestão de água abordados de forma abrangente usando o software Simcenter Fluids and Thermal e as soluções Simcenter Engineering and Consulting Services. Garantir uma visão clara e a segurança do motorista Todos sabem que uma boa visibilidade ao dirigir é fundamental. Mesmo uma pequena redução na visibilidade do motorista pode ser irritante ou, na pior das hipóteses, extremamente perigosa. Felizmente, existem diversas maneiras pelas quais a simulação pode ajudar seu carro a manter uma visão clara em dias de chuva. Otimização do para-brisa e dos limpadores Utilizando modelagem CFD multifásica, os engenheiros podem prever com precisão como as palhetas do limpador de para-brisa removem a água sob diversas condições de chuva e vento. Isso permite a otimização do design, da velocidade e do ângulo de varredura das palhetas, além de ajudar a mitigar problemas como o fluxo de água e marcas deixadas pelas colunas A. Simulações acopladas mais avançadas (ar e água) chegam a analisar os efeitos aerodinâmicos para garantir que os limpadores permaneçam eficazes em altas velocidades, reduzindo ruídos e vibrações causados ​​pelo atrito entre as palhetas. Espelhos retrovisores e janelas laterais Os espelhos retrovisores laterais são um componente essencial para uma condução segura, cujo design deve estar em conformidade com diversas diretrizes governamentais (tamanhos e ângulos mínimos), bem como com restrições de engenharia aerodinâmica (mínimo arrasto). Por esses motivos, a área da superfície de um espelho retrovisor lateral tende a ser relativamente pequena e pode ser facilmente comprometida pela água. Felizmente, existem técnicas avançadas de modelagem CFD para mitigar esses problemas antes que ocorram na estrada. Simulações detalhadas de espelhos retrovisores laterais frequentemente exigem uma abordagem híbrida, utilizando diferentes modelos multifásicos para aproximar diferentes domínios da solução: fluxo de ar, água em massa, gotas de água e película de água. A transição entre os domínios é ditada por critérios definidos pelo usuário (por exemplo, impacto de gotas, espessura da película ou diâmetro da gota). Análise de aquaplanagem e pneus Uma análise de pneus realizada corretamente pode aumentar a segurança do veículo por meio de projetos otimizados da banda de rodagem e reduzir significativamente o tempo de prototipagem física. Essas simulações complexas utilizam métodos avançados para modelar as interações entre pneus, água e ar, a fim de prever quando e como um pneu perde tração. Elas podem ser simulações extremamente desafiadoras devido à geometria do pneu, que se move e se deforma, ao comportamento transitório do fluxo e ao nível de detalhamento necessário para atingir uma precisão aceitável. Esses desafios podem ser superados com o Simcenter STAR-CCM+ usando uma combinação de Volume de Fluido (VOF), malha dinâmica ou sobreposta e solvers FSI acoplados. Navegando em águas profundas: vadeio e proteção de componentes Grandes acúmulos de água são comuns após chuvas intensas, principalmente em áreas de baixa altitude, comunidades costeiras e estradas com drenagem deficiente. Os fabricantes sabem que esses eventos ocorrerão ao longo da vida útil de um veículo e, como resultado, os testes controlados de imersão em água tornaram-se um requisito padrão da maioria dos programas de validação de veículos, especialmente para veículos elétricos, onde a proteção dos componentes eletrônicos é fundamental. A travessia em água impõe exigências simultâneas em relação ao gerenciamento de respingos, à integridade da vedação e ao direcionamento dinâmico da água ao redor do veículo. As arquiteturas exclusivas das plataformas com motor a combustão e das plataformas elétricas a bateria criam caminhos de exposição à água muito diferentes, desde os sistemas de entrada e ventilação de ar até os componentes da parte inferior da carroceria, os compartimentos de alta tensão e os equipamentos de gerenciamento térmico. Compreender como a água se move, se acumula e interage com esses sistemas durante uma travessia em água é essencial desde o início do processo de projeto, muito antes do início dos testes físicos. Deflexões e tensões sob o painel Seja por direção imprudente ou simplesmente por falta de atenção, há uma grande probabilidade de você colidir com uma grande e pesada massa de água em alta velocidade com seu carro. Você pode não perceber na hora, mas esse infeliz acontecimento não só produz respingos excessivos de água, como também pode causar danos estruturais significativos na parte inferior do veículo. Grandes deformações na lataria podem gerar tensões indesejadas ou contato entre componentes. Portanto, embora pareça contraditório, a parte inferior de um veículo deve ser projetada para resistir a impactos. Os engenheiros iniciam a análise calculando as cargas de impacto em alta velocidade durante a travessia em águas rasas. Essas cargas são então usadas como condições de entrada para prever as deflexões sob o painel. As deflexões correspondem às tensões nos pontos de montagem, que podem levar à fadiga e falha do material. Todo o fluxo de trabalho é uma análise acoplada chamada Interação Fluido-Estrutura (FSI) e é essencialmente um processo de duas partes com duas disciplinas de simulação separadas: CFD – Uma simulação transiente multifásica (ar/água) calcula as cargas de pressão hidrodinâmica na parte inferior do veículo enquanto ele atravessa trechos alagados (podendo incluir efeitos aerodinâmicos). Análise de Elementos Finitos (FEA) – As cargas de pressão são mapeadas em um modelo estrutural e um solver de Análise de Elementos Finitos é usado para calcular a deflexão, a tensão e a deformação dos painéis inferiores e dos componentes de conexão. Domando o Spray: Fortalecendo a Durabilidade e a Proteção dos Componentes Todos nos lembramos dos passeios de bicicleta na infância, vagando sem rumo entre a rua, a calçada e as poças de chuva. E quando percebíamos as costas estavam completamente encharcadas pelos respingos dos pneus (mais um exemplo de má gestão da água no veículo). Os respingos de água de uma bicicleta BMX podem ser vistos como um incômodo aceitável (ou até mesmo divertido), porém, os respingos de água de uma motocicleta ou carro devem ser levados mais a sério. Eles podem ser corrosivos, destrutivos ou até mesmo perigosos. Felizmente, existem diversas maneiras pelas quais a simulação pode ajudar a mitigar o impacto dos respingos de pneus logo no início do ciclo de projeto, antes mesmo do veículo chegar às ruas. Visibilidade e segurança do motorista As simulações de pulverização ajudam os engenheiros a projetar componentes como arcos de roda, painéis inferiores da carroceria e para-lamas para minimizar os respingos, melhorando a visibilidade do motorista e resolvendo problemas aeroacústicos e estéticos. Contaminação de componentes Uma análise por pulverização pode prever áreas de alta sujidade em componentes como faróis, lanternas traseiras e radiadores, permitindo uma aplicação otimizada e o desenvolvimento de revestimentos antiaderentes. Corrosão e Falha de Componentes A simulação dinâmica de pulverização também pode ajudar os engenheiros a entender como substâncias corrosivas, como o sal de estrada, afetam as partes vulneráveis ​​de um carro ou motocicleta ao longo do tempo, permitindo o desenvolvimento de medidas de proteção. Degradação da câmera e do sensor Para sistemas avançados de assistência ao condutor (ADAS) e veículos autônomos, uma simulação de alta fidelidade pode ser crucial para eliminar projetos inadequados. As previsões de gotas e películas de água ajudam a determinar o posicionamento ideal de câmeras e sensores para minimizar a exposição à chuva, lama e sujeira, e podem auxiliar no desenvolvimento de sistemas de limpeza eficazes. Ingress protection de componentes eletrônicos Os testes de ingress protection (IP) tornaram-se uma parte crítica da validação de veículos modernos, visto que cada vez mais componentes eletrônicos são acondicionados em locais expostos ou sujeitos a respingos. Normas como a IEC 60529 e a ISO 20653 definem os requisitos de  ingress protection de líquidos para invólucros e equipamentos elétricos de veículos rodoviários (por exemplo, inversores, ECUs, sensores, carcaças de baterias e conectores). Abrangem cenários de exposição à água que variam da proteção básica contra gotejamento e respingos (IPX1) a condições de lavagem com alta pressão e alta temperatura (IPX9), representando requisitos de  ingress protection progressivamente mais exigentes para componentes automotivos. A simulação é particularmente eficaz para o estudo desses comportamentos, pois as falhas de entrada de água são frequentemente causadas por movimentos de água localizados e altamente transitórios, em vez de fluxo constante. Eventos de curta duração, como respingos e exposição por impacto, podem ser analisados ​​para compreender os caminhos e o acúmulo de água. A simulação também pode revelar como a água entra em componentes como mecanismos de trava, além de avaliar o impacto do posicionamento de respiros e drenos e identificar onde a água se acumula e molha repetidamente regiões críticas. Otimizando o desempenho e a funcionalidade do sistema As simulações de água em grande quantidade também permitem ajustar com precisão a forma como a água interage com sistemas complexos de veículos. Drenagem do conjunto da coifa e controle de entrada de ar do sistema HVAC O conjunto do painel corta-fogo desempenha um papel crucial na gestão da água no veículo, atuando como principal zona de coleta e redistribuição de água da chuva, respingos e escoamento do para-brisa e do capô. Ao mesmo tempo, frequentemente abriga ou alimenta sistemas sensíveis, como entradas de ar do sistema de climatização, filtros de ar da cabine, mecanismos dos limpadores de para-brisa e componentes eletrônicos. Durante chuvas intensas ou lavagens de veículos, o painel corta-fogo sofre com fluxos de água altamente transitórios, acúmulo localizado e demandas de drenagem rápida. O gerenciamento inadequado da água nessa área pode levar à entrada de água nos sistemas de climatização, acúmulo próximo a componentes elétricos, problemas de ruído ou comprometimento da durabilidade a longo prazo. A simulação permite que os engenheiros estudem esses comportamentos complexos e dependentes do tempo logo no início do processo de projeto. O acúmulo transitório de água, o transbordamento, o respingo e a interação com grelhas, telas e caminhos de drenagem podem ser visualizados e quantificados em condições repetíveis. Isso permite que as equipes avaliem a geometria da coifa, o dimensionamento e o posicionamento dos drenos e a eficácia dos defletores antes da construção de protótipos físicos. Ao entender como a água se move através da coifa sob cenários de carga realistas, os projetistas podem reduzir o risco de infiltração, melhorar a robustez e evitar alterações dispendiosas no projeto em estágios avançados. Escoamento de água do capô e da porta traseira O escoamento da água pelo capô, tampa do porta-malas e porta traseira é um aspecto fundamental da gestão da água em veículos, pois a água naturalmente segue a geometria da superfície e migra em direção a frestas, bordas e interfaces se não for direcionada intencionalmente. Durante a chuva e a lavagem do carro, formam-se películas e filetes de água nos painéis externos, que se desprendem nas bordas, dobradiças, faróis e áreas de fechamento. A simulação permite que os engenheiros visualizem esses caminhos de escoamento em condições controladas e avaliem recursos como calhas, bordas, canais e pingadeiras que direcionam a água para longe de aberturas e pontos de contato do usuário. Isso ajuda a reduzir o desperdício de água durante a abertura da porta traseira, limita a umidade repetida em interfaces críticas e melhora a robustez geral antes da construção de protótipos físicos. Oscilação do tanque O movimento do líquido dentro dos tanques é um desafio no projeto de veículos, particularmente em aplicações que envolvem tanques parcialmente cheios, como reservatórios de combustível, líquido de arrefecimento ou fluido de lavagem de para-brisa. Durante a frenagem, aceleração, curvas ou operação em estradas irregulares, o movimento do líquido dentro desses tanques pode se tornar altamente dinâmico e caótico. O movimento descontrolado do líquido pode influenciar a dinâmica do veículo, introduzir cargas transitórias nas paredes e suportes do tanque, contribuir para a transferência de carga e momentos de rolamento induzidos pelo movimento, além de gerar ruído. Esses efeitos são especialmente importantes em veículos e sistemas maiores, onde os volumes de fluido são significativos e as condições de operação variam amplamente. A simulação oferece uma maneira prática de estudar e gerenciar o comportamento de oscilação do líquido logo no início do processo de projeto. Os engenheiros podem avaliar a influência da geometria do tanque, do nível de enchimento e de características internas, como defletores, em cenários de condução repetíveis. Isso permite a otimização rápida do layout dos defletores para melhorar a estabilidade do veículo, reduzir a carga estrutural transitória, limitar o movimento do centro de massa induzido pelo fluido e mitigar os momentos de rolamento relacionados à oscilação antes do início dos testes físicos. Lançamentos digitais, impacto real A gestão da água proveniente de veículos é um desafio complexo, que vai muito além dos quintais e entradas de garagem do dia a dia, e as soluções práticas nem sempre são óbvias. A mitigação do desperdício de água exige conhecimento, criatividade e inovação – tudo o que o portfólio de softwares e serviços da Simcenter pode ajudar a fornecer. Com simulações eficazes, o imprevisível torna-se calculável, transformando a engenharia de um processo reativo, baseado em tentativa e erro, em uma ciência proativa e preditiva. Os engenheiros de hoje podem inovar mais rapidamente, construir com mais segurança e entregar produtos mais confiáveis, garantindo uma experiência mais segura, seca e confortável para todos, independentemente das condições climáticas. Descubra como a simulação pode transformar os desafios da gestão de água em veículos em oportunidades de inovação e desempenho. A CAEXPERTS  pode ajudar sua equipe a aplicar soluções avançadas com ferramentas como Simcenter STAR-CCM+ para otimizar projetos, reduzir custos de prototipagem e acelerar o desenvolvimento. Agende uma reunião com nossos especialistas e veja como implementar simulações eficientes no seu processo de engenharia. WhatsApp: +55 (48) 98814-4798 E-mail: contato@caexperts.com.br

Introdução Os veículos elétricos estão no centro dos desenvolvimentos atuais da indústria automotiva e, como coração de um veículo elétrico, a bateria desempenha um papel fundamental na sua alimentação. É um componente crucial e valioso. No entanto, sua importância vai além da funcionalidade – o peso, o custo e a vulnerabilidade a danos da bateria a tornam uma área de preocupação para os proprietários de veículos elétricos. Ao contrário dos veículos com motores de combustão interna, os veículos elétricos geralmente têm a bateria integrada em plataformas tipo skate, populares na indústria automotiva por incorporarem o conjunto de baterias ao assoalho do veículo. Esse design oferece diversas vantagens, mas também apresenta riscos significativos para os proprietários de veículos elétricos. Com a crescente presença de lombadas nas ruas, há uma preocupação cada vez maior com os danos que esses obstáculos podem causar ao conjunto de baterias localizado sob o veículo. Atravessar uma lombada em alta velocidade sem cuidado pode resultar em reparos caros ou até mesmo na necessidade de substituir todo o veículo. A bateria de um veículo elétrico pegou fogo após ser danificada em um acidente ( fonte ). Em um artigo de imprensa publicado pela Reuters Information em março de 2023 , Christoph Lauterwasser, diretor-geral do Centro de Tecnologia da Allianz, enfatizou o crescente número de casos de danos em baterias e ressaltou a importância de manuseá-las com o máximo cuidado. A reparabilidade das baterias tornou-se uma consideração crítica para as montadoras, com algumas, como a Ford Motor Co. e a General Motors Co., focando em facilitar os reparos. No entanto, a Tesla Inc. adotou uma abordagem diferente, introduzindo uma nova estrutura de bateria em seu Modelo Y, fabricado no Texas, que especialistas consideraram "zero reparabilidade". O impacto dos danos às baterias vai além dos proprietários individuais de veículos. Mesmo grandes empresas de aluguel de carros, como a SIXT e a HERTZ, têm observado uma queda no número de veículos elétricos em suas frotas devido aos altos custos de reparo associados a danos nas baterias, principalmente aqueles resultantes de colisões. Essa informação, divulgada pela Reuters em janeiro de 2024 , destaca a importância de proteger as baterias de veículos elétricos para garantir sua longevidade e minimizar as despesas com reparos. Neste blog, vamos analisar mais de perto os desafios e soluções relacionados à proteção da bateria do seu veículo elétrico. Usando o Simcenter Amesim , será demonstrado como você pode entender melhor os riscos representados por colisões e estradas irregulares e explorar estratégias para proteger esse componente crítico. Modelagem de baterias no Simcenter Amesim O Simcenter Amesim oferece recursos muito valiosos para o desenvolvimento e integração de componentes em veículos elétricos. Ele permite avaliar características de desempenho essenciais, como autonomia, desempenho do veículo, desempenho térmico e vida útil da bateria. Neste blog, mostraremos modelos de demonstração desenvolvidos no Simcenter Amesim que ajudam a analisar o impacto da bateria de um veículo elétrico em uma lombada, dependendo da velocidade do carro e da altura e formato da lombada. Campo de provas virtual A pista de testes foi gerada usando a ferramenta Ground Designer e a bateria da plataforma do skate foi modelada usando submodelos de contato de malha-esfera. Lombadas são cada vez mais usados ​​para garantir velocidades baixas em áreas urbanas. Dependendo do país, elas têm diversos formatos, alturas e larguras; existem vários padrões que são mais ou menos respeitados. A pista de testes usada nesta demonstração inclui 3 tipos de lombadas: Lombadas semicirculares Lombadas sinusoidais Lombadas trapezoidais Para cada tipo de lombada, são testadas 5 alturas diferentes: h1 = 5 cm, h2 = 7,5 cm, h3 = 10 cm, h4 = 12,5 cm e h5 = 15 cm. Essa área de teste é então criada no Simcenter Amesim usando o aplicativo integrado de projeto de terreno. Sequência com uma infinidade de obstáculos Diversos parâmetros são expostos no aplicativo de projeto do campo de provas, possibilitando a modificação de certos parâmetros dessa pista de testes. Criação de pista de testes no aplicativo Ground Designer Parametrização da pista de provas no aplicativo Ground Designer Modelo do veículo O sistema de propulsão elétrica é modelado usando a biblioteca IFP Drive e o modelo do chassi utiliza principalmente os componentes da biblioteca de dinâmica veicular. Modelo do powertrain Este modelo inclui uma VCU (Unidade de Controle de Velocidade), o motor elétrico, o sistema de baterias, um carregador e um modelo térmico simplificado da bateria e seu sistema de refrigeração. O sistema de frenagem inclui um sistema hidráulico simplificado e um modelo térmico básico. O coeficiente de atrito é calculado em função da temperatura do disco utilizando a seguinte tabela: Coeficiente de atrito em função da temperatura O esboço final do modelo inclui um modelo detalhado do chassi com 15 graus de liberdade (DoF) do chassi da Tesla e modelos de pneus Pacejka. O novo modelo de direção autônoma ajustada seguirá a trajetória no terreno irregular definido. Modelo final completo do veículo Pacote de baterias integrado A bateria é interligada por meio de 12 contatos esféricos. Esses contatos formam uma grade muito simples para interligar a bateria, conforme mostrado abaixo. Malha da bateria A detecção de contato utiliza a abordagem da Hierarquia de Volumes Delimitadores (BVH). A primeira detecção de contato ocorre no nível do Volume Delimitador (BV) . Se um contato for detectado entre o BV da esfera e o BV final da BVH, uma detecção de contato é calculada entre a esfera e o triângulo dentro do BV final. A próxima imagem mostra 3 esferas em contato com um ou mais triângulos. A esfera 1 tem apenas 1 ponto de contato com o triângulo 1. A esfera 2 possui 5 pontos de contato com os triângulos 1, 2, 3, 4 e 5. A esfera 3 possui 2 segmentos de contato com os triângulos 3 e 4. Cada esfera possui apenas uma força de reação. Detecção de contato de malha esférica Resultados Em seguida, o Tesla é conduzido na pista de testes em cinco velocidades diferentes: baixa velocidade: 5 m/s (aproximadamente 18 km/h ou 11 mph) velocidade normal: 10 m/s (aproximadamente 36 km/h ou 22 mph) alta velocidade: 15 m/s (aproximadamente 54 km/h ou 34 mph) velocidade muito alta: 20 m/s (aproximadamente 72 km/h ou 45 mph) Os três primeiros perfis de velocidade não são totalmente constantes para definir com mais precisão o comportamento de um motorista humano ao se aproximar de uma lombada. Se o veículo se desloca a 5, 10 e 15 m/s sobre as lombadas, ele acelera nos trechos planos, freia antes de passar pela lombada e acelera logo em seguida (veja as curvas abaixo). Sem contato em velocidades baixas e normais do carro Sem contato em velocidades baixas e normais do carro Diversos gráficos são criados para estudar o comportamento do veículo. Os submodelos de contato de malha-esfera incluem uma variável de "número de pontos de contato" que pode ser usada para monitorar a ocorrência de um contato. Somando essa variável para todos os contatos, é fácil detectar se a bateria atingiu o solo, pois a soma será maior que 0. Para velocidades baixas e normais, observa-se que a bateria não toca o solo. Por outro lado, quando a velocidade excede 50 km/h ou 30 mph, ou seja, os limites de velocidade usuais em áreas urbanas de muitos países, observa-se que alguns contatos são detectados ao passar por lombadas mais altas. Vários contatos são encontrados em altas velocidades. Outros diagramas podem ser usados ​​para localizar esses contatos. É possível observar claramente que a área mais afetada é a parte frontal da bateria. Esse tipo de estudo pode ajudar a identificar os pontos mais frágeis da bateria e a posicionar as placas de reforço. Localização dos pontos de contato Por fim, o submodelo de contato malha-esfera permite estimar a força de contato e a penetração durante o impacto, a fim de determinar se a bateria sofreria danos severos, bem como dimensionar as placas de reforço. Como exemplo, segue uma comparação da penetração e da força na parte frontal da bateria entre 15 m/s (em azul) e 20 m/s (em vermelho). Comparação de penetração e forças – pontos de contato frontais Uma animação 3D ajuda o usuário a visualizar onde ocorrem os pontos de contato na bateria. Conclusão Este blog demonstra como os recursos de simulação multifísica do Simcenter Amesim podem ajudar os engenheiros automotivos a analisar os possíveis impactos causados ​​pelo contato com a bateria, dependendo do projeto do chassi. O acoplamento entre o chassi, o trem de força e a geometria da bateria em um mesmo esboço de simulação permite uma análise virtual precisa dos danos causados. É possível definir módulos de bateria modulares e bipartidos, com paredes reforçadas em algumas partes, utilizando este modelo de simulação. Como próximo passo, os engenheiros podem considerar o projeto de sistemas de suspensão ativa, utilizando sensores e controladores ADAS para alterar a rigidez da suspensão. Após a detecção do obstáculo (lombadas, buracos, etc.) por câmeras ou lidars, os controladores ADAS interagem com o subsistema de suspensão ativa para aumentar a rigidez imediatamente antes do impacto, evitando danos à bateria. Tudo isso é possível com o Simcenter Amesim . Proteja um dos componentes mais críticos dos veículos elétricos com o poder da simulação avançada. A CAEXPERTS  pode ajudar sua equipe a utilizar o Simcenter Amesim  para analisar impactos, otimizar o projeto do chassi e reduzir riscos de danos às baterias ainda na fase de desenvolvimento. 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O método dos elementos discretos pode ser usado para simular o movimento de um grande número de objetos discretos (partículas) que interagem entre si, como o fluxo granular de agregados, partículas de alimentos, pós metálicos, comprimidos em cápsulas e trigo ou um gramado. O Simcenter é a primeira ferramenta de simulação de engenharia comercial a incluir um recurso DEM totalmente acoplado à simulação numérica de fluxo. O software de exploração de design leva a simulação para o próximo nível, permitindo que os usuários determinem valores apropriados de variáveis, gerando, assim, designs de produtos que resultam em desempenho excepcional Melhorar significativamente um projeto de bateria em toda a sua faixa de operação é uma tarefa desafiadora e envolve a otimização simultânea de vários parâmetros. O Simcenter fornece um ambiente de simulação completo para análise e projeto do sistema eletroquímico e geometria detalhada de células de bateria individuais. 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