Hoe combineer je CFD-analyse met FEM in één project?

Je combineert een stromingsanalyse (Computational Fluid Dynamics, CFD) met een eindige-elementenmethode (FEM) door de resultaten van de ene simulatie als invoer te gebruiken voor de andere. In de praktijk betekent dit dat je eerst de druk- en temperatuurverdeling uit een CFD-analyse berekent en die vervolgens als belasting toepast op een FEM-model om mechanische spanningen en vervormingen te bepalen. De secties hieronder beantwoorden de meest gestelde vragen over wanneer, hoe en met welke tools je dit aanpakt.

Wanneer is het nodig om CFD en FEM tegelijk in te zetten?

Je zet CFD-analyse en FEM tegelijk in wanneer een product of systeem zowel te maken heeft met stromende media als met mechanische belastingen die niet los van elkaar te beschouwen zijn. Denk aan warmtewisselaars, drukvaten, turbineonderdelen of koellichamen waarbij de vloeistof- of gasstroming direct invloed heeft op de structurele integriteit van het component.

In de werktuigbouwkundige engineering zijn er meerdere situaties waarbij een enkelvoudige simulatiemethode tekortschiet:

Thermomechanische belasting: een verhit gas stroomt langs een metalen behuizing en veroorzaakt thermische spanningen die alleen zichtbaar worden als je de warmteoverdracht uit CFD combineert met een structuurberekening in FEM.
Fluid-Structure Interaction (FSI): een flexibele constructie vervormt onder vloeistofdruk, waardoor de stroming zelf verandert. Denk aan dunwandige pijpen, membraanpompen of flexibele klepconstructies.
Koeling van elektronica of machines: de stromingsanalyse bepaalt de warmteafvoer, terwijl FEM de temperatuurverdeling en bijbehorende uitzettingsspanningen in kaart brengt.

Is er geen wisselwerking tussen de stroming en de structuur, dan volstaat vaak één simulatiemethode. De keuze voor een gecombineerde aanpak is dus afhankelijk van de mate van koppeling tussen de fysische verschijnselen in je specifieke toepassing.

Wat is het verschil tussen een gekoppelde en een ontkoppelde CFD-FEM aanpak?

Bij een ontkoppelde aanpak voer je de CFD-analyse en de FEM-berekening afzonderlijk uit. Je neemt de resultaten van de stromingsanalyse, zoals drukken of temperaturen, en importeert die eenmalig als randvoorwaarden in het FEM-model. Er is geen terugkoppeling: de vervorming uit FEM beïnvloedt de CFD-berekening niet.

Bij een gekoppelde aanpak (ook wel two-way coupling of FSI-simulatie genoemd) wisselen de twee solvers actief data uit tijdens de berekening. De vervorming die FEM berekent, past de geometrie in het CFD-domein aan, waarna de stromingsanalyse opnieuw wordt uitgevoerd. Dit proces herhaalt zich iteratief totdat beide oplossingen convergeren.

De ontkoppelde methode is sneller en minder rekenintensief, en volstaat in de meeste industriële projecten waarbij de vervormingen klein zijn ten opzichte van de afmetingen van het component. De gekoppelde methode is nauwkeuriger maar vraagt aanzienlijk meer rekenkracht en een zorgvuldige opzet van de koppelingsinterface. Kies de gekoppelde aanpak alleen als de wisselwerking tussen stroming en structuur significant is voor de uitkomst van je berekening.

Hoe worden CFD-resultaten overgedragen naar een FEM-model?

CFD-resultaten worden overgedragen naar een FEM-model door de berekende grootheden, zoals drukken, temperaturen of warmtefluxen, te mappen op de knooppunten of elementen van het FEM-netwerk. Dit gebeurt via een interpolatiestap, omdat het CFD-rekenrooster en het FEM-rekenrooster vrijwel nooit identiek zijn.

De overdracht verloopt in drie stappen:

Export uit CFD: de relevante veldgrootheden worden geëxporteerd als een databestand, bijvoorbeeld in een formaat dat druk per oppervlakteelement of temperatuur per knooppunt beschrijft.
Interpolatie op het FEM-netwerk: een koppelingstool of de FEM-software zelf projecteert de CFD-data op de geometrie van het structuurmodel. Hierbij is het belangrijk dat de geometrische nauwkeurigheid van beide modellen overeenkomt.
Toepassing als randvoorwaarde: de geïmporteerde grootheden worden ingesteld als belastingen of temperatuurrandvoorwaarden in de FEM-solver, waarna de structuurberekening kan starten.

Een veelgemaakte fout is het gebruik van te grof gekalibreerde netten aan de CFD-zijde, waardoor de geïnterpoleerde waarden aan het oppervlak te weinig detail bevatten. Zorg ervoor dat het CFD-net aan het koppelingsoppervlak voldoende verfijnd is om de gradiënten in druk of temperatuur nauwkeurig te representeren.

Welke softwaretools ondersteunen gecombineerde CFD- en FEM-simulaties?

De meest gebruikte softwaretools voor gecombineerde CFD- en FEM-simulaties zijn Ansys (met Fluent of CFX voor CFD en Mechanical voor FEM), Siemens STAR-CCM+ in combinatie met Nastran of Abaqus, en COMSOL Multiphysics dat beide methoden in één omgeving integreert.

Hieronder een overzicht van de gangbare opties:

Ansys Workbench: biedt een geïntegreerde workflow voor één-weg en twee-weg koppeling tussen Fluent en Ansys Mechanical. Breed ingezet in de maakindustrie.
COMSOL Multiphysics: werkt met één gedeelde geometrie en één rekennet voor meerdere fysica. Nuttig voor compacte modellen waarbij de koppeling sterk is en het domein niet te groot is.
Siemens STAR-CCM+ met Abaqus: veelgebruikt in de automotive en procesindustrie. De koppeling verloopt via een co-simulatie-interface.
OpenFOAM met CalculiX: open-source alternatief dat met name in onderzoeksomgevingen en bij maatwerktoepassingen wordt ingezet.

De keuze voor een specifieke tool hangt af van de complexiteit van de koppeling, de beschikbare licenties in je organisatie en de sectorspecifieke eisen, zoals certificering of validatievereisten in de farmaceutische of automotive industrie.

Welke validatiestappen zijn belangrijk bij een gecombineerde simulatie?

Bij een gecombineerde CFD-FEM-simulatie valideer je beide deelmodellen afzonderlijk voordat je de gekoppelde berekening vertrouwt. Daarna controleer je de overdracht van grootheden aan het koppelingsoppervlak en vergelijk je de eindresultaten met metingen of bekende referentiewaarden.

Een gestructureerde validatieaanpak bevat de volgende stappen:

Verificatie van het CFD-model: controleer of de stromingsanalyse convergeert, of de massabalans klopt en of de resultaten netwerk-onafhankelijk zijn door een meshstudie uit te voeren.
Verificatie van het FEM-model: valideer het structuurmodel met eenvoudige belastingscases of analytische oplossingen voor geometrisch vergelijkbare situaties.
Controle van de data-overdracht: vergelijk de geïmporteerde grootheden in FEM met de geëxporteerde waarden uit CFD op identieke locaties. Afwijkingen groter dan enkele procenten wijzen op interpolatiefouten.
Vergelijking met meetdata: waar mogelijk, vergelijk temperatuurmetingen, drukmetingen of vervormingsmetingen uit een prototype of bestaande installatie met de simulatieresultaten.
Sensitiviteitsanalyse: varieer de invoerparameters binnen realistische bandbreedtes om te beoordelen hoe gevoelig de uitkomst is voor onzekerheden in de randvoorwaarden.

Hoe beïnvloedt de projectstructuur de keuze voor CFD, FEM of beide?

De projectstructuur bepaalt welke simulatiemethode je inzet doordat de beschikbare tijd, het ontwikkelstadium en de complexiteit van de vraagstelling direct de diepgang van de analyse bepalen. In een vroege ontwerpfase volstaat vaak een snelle CFD-analyse of een vereenvoudigde FEM-berekening. Naarmate het ontwerp vordert, neemt de behoefte aan gecombineerde simulaties toe.

Enkele factoren die de keuze sturen:

Ontwerpfase: in de conceptfase werk je met vereenvoudigde modellen om snel te kunnen vergelijken. In de detailleringsfase is een gecombineerde analyse pas zinvol als de geometrie stabiel is.
Risicoprofiel: bij veiligheidsrelevante componenten, zoals in de farmaceutische industrie of bij drukapparatuur, is een gecombineerde validatie een vereiste, geen optie.
Beschikbare capaciteit: gecombineerde simulaties vragen meer rekentijd en specialistische kennis. Als die capaciteit intern niet beschikbaar is, is externe ondersteuning een praktische keuze.
Projectplanning: een iteratieve projectstructuur met korte reviewmomenten maakt het makkelijker om simulatieresultaten tijdig te verwerken in ontwerpbeslissingen.

In de werktuigbouwkundige engineering is het verstandig om de simulatiestrategie al bij de projectopstart vast te leggen, zodat de modellen vanaf het begin consistent worden opgebouwd en er geen tijd verloren gaat aan het achteraf koppelen van incompatibele modellen.

Hoe wij helpen met gecombineerde CFD- en FEM-analyse

Binnen ons team van werktuigbouwkundige engineers beschikken we over specialisten die zowel stromingsanalyse (CFD) als eindige-elementenberekeningen (FEM) beheersen en die ervaring hebben met het opzetten van gekoppelde simulaties voor uiteenlopende industriële toepassingen. We werken voor sectoren zoals de High-Tech en Semicon industrie, Machinebouw, Food, Farmacie en de Procesindustrie.

Wat we concreet voor je doen:

De juiste simulatiestrategie bepalen op basis van jouw ontwerp en de fysische verschijnselen die een rol spelen.
CFD-analyses uitvoeren voor warmteoverdracht, stromingsweerstand, drukverliezen en koeling.
FEM-berekeningen opstellen voor structurele sterkte, thermische spanningen en vermoeiing.
Beide methoden koppelen en de data-overdracht valideren zodat je betrouwbare resultaten krijgt.
De simulatieresultaten vertalen naar concrete ontwerpverbeteringen of ontwerpaanbevelingen.

Wil je weten welke aanpak het beste past bij jouw project? Neem contact op voor een gesprek over de mogelijkheden en een offerte op maat.