Як інженери насправді використовують чисельне моделювання?

Відмова Я прикладний математик за освітою, а не інженер. Моя робота в основному зосереджена на створенні нових "методів" для вирішення різних PDE, пов'язаних із твердою деформацією (пружністю) та механікою рідини. У цьому сенсі я знаю, як вирішити проблему pde обчислювально. З моєї точки зору, інженери використовують мою роботу як "інструменти" для виконання своєї роботи.

Однак, через мою недостатню освіту / досвід в галузі інженерії, я визнаю, що насправді я досить не зрозумілий, як чисельні рішення для pde справді використовуються в реальній практиці інженерів. Основним джерелом моєї плутанини є наступне:

Мені сказали, що інженери ніколи (або ніколи не повинні) проводити чисельне моделювання (наприклад, аналіз кінцевих елементів, CFD тощо), не знаючи або не маючи гарної ідеї заздалегідь, як виглядає моделювання. Це допомагає інженерам відрізнити реальні результати від сумнівних.

Однак я стверджую, що якщо інженер вже знає, що повинно відбутися в моделюванні, то в чому сенс імітації в першу чергу ??? Я завжди вважав, що моделювання потрібні для прогнозних цілей, що передбачає незнання того, що має бути. Тобто, я вважаю симуляцію як самостійний інструмент для прогнозування майбутнього, коли ви не знаєте, чого очікувати .

Що я шукаю, - це більш широкий погляд на те, як / коли / чому інженери використовують чисельні моделювання, такі як CFD та аналіз кінцевих елементів, особливо якщо хороша інженерна практика наказує, що ви вже повинні знати, чого чекати, коли ви моделюєте?

У цій відповіді я писав здебільшого про CFD, однак такі ж пункти повинні працювати і для FEA або інших методів моделювання.

CFD здебільшого використовується для оптимізації дизайну та параметричного вивчення конструкції. Нижче наведено кілька прикладів, що показують, як інженери використовують моделювання

1. Вибір дизайну : Читайте: Концептуальне дослідження підвищення продуктивності крила з використанням CFD. Ця дипломна робота показує використання CFD для вибору найкращого дизайну з числа кандидатів. Інженери часто йдуть на симуляції, щоб вибрати "ту" з багатьох .

2. Оптимізація форми за допомогою CFD : У цьому документі наведено приклад оптимізації форми крила за допомогою CFD. І це дивовижне відео YouTube - прекрасний приклад того, як інженер використовував би програмне забезпечення CFD ( OpenFOAM ) та генетичний алгоритм. CFD дає змогу досягти кращого дизайну, фактично не будуючи ряд прототипів і тестуючи (що є дорогим і тривалим процесом). Насправді оптимізація дизайну - це найпоширеніший спосіб використання CFD. Згідно з цим опитуванням , інженери механічного проектування найбільше використовують CFD (зауважте: я не знаю достовірності звіту).

3. Використання симуляцій, коли експерименти важко виконувати / можуть коштувати чимало ресурсів (або життя) : програми, коли експерименти неможливо здійснити, наприклад, передача тепла в гіперзвукових автомобілях для повторного входу ( приклади тут ) або приплив крові в людському організмі можна імітувати за допомогою комп’ютера і остаточний дизайн можна перевірити. Ще один приклад; CFD використовується для розміщення зондів на моделі вітрового тунелю. CFD дає, наприклад, положення точки застою на поверхні моделі, і там ми можемо встановити датчик тиску, а потім протестувати модель в реальному вітроенергетичному тунелі. У цій презентації пояснюється, наскільки CFD та вітроелектронні тунелі корисні один одному. Також CFD використовується для прогнозування результатів, коли експериментальні результати недоступні (не можна мати зонди скрізь на моделі).

4. Проектування та оптимізація самого експериментального обладнання : Моделювання зазвичай використовуються для проектування самого об'єкта. Наприклад, у цьому звіті описано, як CFD використовується для проектування вітрового тунелю.

5. Розробка теоретичної моделі : Це часто спостерігається в космології. Вчені проводять моделювання на основі моделі та підтверджують експериментальні дані. Цей ітеративний процес призводить до кращого розуміння фізики та роботи Всесвіту. Група астрофізики НАСА зробила кілька моделей надмасивних чорних дірок, це відео розповідає більше про це .

6. У фільмі, мистецтві та анімації : Це питання та відповіді, які ви знайдете на Scicomp.SE, показують, яку роль має відігравати CFD у фільмах та анімаціях ... (відмова від відповідальності: я задав питання).

7. Деякі інші сфери застосування: аеродинаміка польоту комах , обчислення шуму за допомогою CAA , проектування антен і технологія схованості з використанням CEM , застосування CFD у харчовій промисловості тощо.

Список продовжуватиметься ... Кінець дня CFD - це віртуальний вітроенергетичний тунель, його робочий стіл, де інженер може перевірити свою ідею, не виготовляючи / будуючи нічого. Отже, якщо результати підтверджені відповідно до відомої моделі / експерименту, тоді можна покластися на методологію CFD для невеликої зміни геометрії чи форми. Крім того, завдяки результатам CFD, інженер може бути впевнений у своїх експериментальних результатах. Ось чому термін валідація. Хороший ресурс для тестування перевірки випадків тут .

Ура!

Підсумовуючи інші відповіді: Інженеру необхідно якісно знати, як пройде моделювання, але йому все одно потрібно запустити моделювання, щоб отримати кількісну відповідь.

Також моделювання дозволяє інженеру трохи змінювати параметри ( моделювання Монте-Карло ), щоб оцінити стабільність або похибку рішення. Це часто робиться при моделюванні електричних ланцюгів, наприклад, для оцінки чутливості конструкції до допусків значення компонентів.

Інженери повинні мати загальне уявлення про очікуваний результат (значення Balpark, очікувана поведінка) при використанні складної комп'ютерної моделі. Більшу частину часу ці висновки базуються на (набагато) більш простої моделі, яку бажано перевірити вручну.

Найбільшою причиною цього є усунення можливості помилок людини в побудові самої моделі. Використання програмного забезпечення для моделювання в якості чорної скриньки серйозно насувається і вважається дуже непрофесійним та ризикованим. Коли результати сильно відрізняються від очікуваних, першим питанням слід задати: «Чи добре побудована модель? Чи я не зробив (дурну) помилку?»

Друга причина - отримати контроль над моделлю, розуміючи її. Простіша модель виступає кроком у процесі розуміння. Коли модель зрозуміла, простіше знати, що змінити, щоб знайти рішення інженерної проблеми. Як така модель є інструментом в процесі проектування.

Як сказав мій лектор з рідин багато років тому, "якщо математика не узгоджується з реальністю, математика не є правильною". Ви можете легко замінити слова модель, теорія або моделювання на слово математика.

Інженери, які використовують імітацію, повинні мати дуже гарне уявлення про те, чого очікувати для рішення, не обов'язково знати, що буде відповідати за моделювання. Є різниця. Ось тут досвід роботи інженера є критичним, і чому недосвідчені інженери завжди повинні бути добре контрольовані під час моделювання.

Інженери використовують моделювання з різних причин, залежно від галузі техніки, в якій вони працюють, і чим займаються. Деякі інженери використовують імітацію для підтвердження своїх конструкцій, а інші використовують симуляції для пошуку потенційних недоліків у конструкціях чи матеріалах.

Інший аспект моделювання полягає в тому, що вони дозволяють інженерам розглянути ряд «сценаріїв що робити», щоб встановити, що може статися при зміні параметрів. Це можна використовувати для перегляду верхньої та нижньої меж продуктивності, або це може призвести до змін дизайну, а в деяких випадках і до повного перегляду.

Знову ж таки, залежно від галузі техніки, моделювання також є корисним при розгляді того, коли щось потрібно додати або збільшити в масштабі, такий вплив на систему розподілу води шляхом додавання нової розробки або змін, які потрібно внести в вентиляційна система підземної шахти.

Моделювання також можна здійснити, щоб переглянути: - вплив на витрату матеріалів і ресурсів: нафта або вода у відповідних трубопровідних мережах, повітря у вентиляційних мережах, руда від шахти або декількох шахт до переробного заводу або ряд переробки Заводи - змішування мінеральних продуктів, що розширюють інфраструктуру громадського транспорту, як залізниці, дороги, електроенергію та комунікаційні мережі - рух транспорту, коли зміни в систему руху: перекрита або розширена дорога, реорганізована для руху в одну сторону, введення прохідних шляхів заборона паркування з боків доріг - проектування підземних просторів для цивільних застосувань, таких як
підземні паркувальні майданчики, залізничні станції або тунелі та перегородки в підземній шахті. - фінансові оцінки NPV для економіки та інвестиційних цілей

Завжди дешевше і доцільніше запустити ряд симуляцій, ніж щось сконструювати і не допустити цього катастрофічно.

Як сказав ще один з моїх викладачів університету, назад, коли: «Доктор ховає свої помилки, архітектори планують лози навколо своїх помилок, інженерів гинуть за їх помилки».

У моєму конкретному полі (похований дизайн прокладки) ми постійно проводимо аналіз кінцевих елементів . Ми майже ніколи не змінюємо дизайн на основі результатів; ми знаємо, що йдемо (з різних факторів, переважно попереднього досвіду та консервативних припущень), чи гарний дизайн чи ні. Ми проводимо аналізи, щоб продемонструвати іншим, що наш дизайн хороший. Ми можемо щось підправити, але це ніколи суттєво не змінюється.

Дуже часто будівельні норми та регулюючі органи встановлюють певні вимоги для демонстрації прийнятності конструкції. Іноді запуск моделі - це більш-менш стрибки через ці обручі, так що людина з меншими знаннями та часом може швидко з’ясувати відповідні факти, не забиваючись у деталі.

Підводячи підсумок - і це не мій намір бути глібом, але:

Інженери використовують FEA / чисельне моделювання, щоб ми могли щось представити в залі суду, крім вмісту нашої мозкової справи.

ДОДАТИ:

У наших звітах ми також любимо (а наші страхові перевізники дійсно дуже люблять наші), щоб вони могли сказати "Модель говорить ..." .

Я проектую електродвигуни і використовую електромагнітні FEA в рамках цього проектування. Дизайнери двигунів мають багато хороших аналітичних прийомів, що дозволяють нам наблизитись до фактичних показників роботи двигунів за певними ключовими параметрами (крутний момент, струм витягування, швидкість тощо). Однак це вимагає, щоб ми робили певні припущення, які можуть бути, але можуть бути неправдивими. Наприклад, я можу припустити, що потік через певний шлях сталі розподіляється рівномірно, або я можу припустити певну кількість витоку потоку через проріз. Ці типи припущень часто є цілком справедливими. Однією з причин, що я використовую FEA, є підтвердження того, що зроблені мною припущення були дійсними. Якщо вони дійсні, результати ЗЕД дадуть мені майже те, що я очікував. Якщо вони не відповідають дійсності, результати ЗЕД допоможуть мені зрозуміти, які були мої погані припущення.

Інша причина, яку я використовую, полягає в тому, що є деякі моторні параметри, які неможливо визначити дуже добре, використовуючи аналітичні методи. Наприклад, пульсація крутного моменту (величина коливання крутного моменту при обертанні ротора) складно зробити з аналітичними методами. Я знаю, що певні типи двигунів мають гірші пульсації, і я знаю, що певні комбінації полюсів до слотів мають кращі пульсації, ніж інші комбінації та інші правила, але FEA може допомогти вам оцінити це.

Інша причина, по якій я використовую ЗЕД - полягає в тому, щоб по-справжньому налагодити дизайн. Якщо у мене є конструкція, яка в значній мірі робить те, що я хочу, я можу спробувати трохи підвищити ефективність або зменшити товщину магніту чи що завгодно.

Отже, я використовую це для 1) перевірки своїх припущень, 2) вирішення проблем, які неможливо зробити легко за допомогою аналітичних прийомів і 3) тонкої настройки моїх конструкцій для підвищення продуктивності або зниження вартості або просто поліпшення її. Усі 3 з них вимагають, щоб я мав досить гарну ручку дизайну, перш ніж розпочати процес FEA. Це не означає, що я ніколи не дивуюся результатам чи не вчусь, але коли ці сюрпризи трапляться, ви можете бути впевнені, що я повернусь назад і намагаюся зрозуміти, що пішло не так.

Навести практичний приклад: мій тато був інженером-конструктором, який працював у великій національній компанії; його спеціальність полягала в тому, щоб брати креслення для конструкцій (в основному фасадів будівель), які зазвичай були розумними "ОК", і обчислювати конкретні речі, такі як розмір гвинтів / болтів, відстань, необхідний розмір стійок тощо. Вони працювали над дуже великими структурами, як аеропорти, оперні будівлі, хмарочоси. Невелика зміна в обчисленні (скажімо, гвинтів, яких трохи менше, або трохи менше) може означати заощаджені сотні тисяч євро. Занадто мало, і трапляються погані речі.

В останнє десятиліття перед пенсією він в основному використовував GWBasic (!) З невеликими написаними програмами для своєї роботи. Це означає, що він безпосередньо працював над відомими методами та використовував їх задовго до появи комп'ютерів у своїй галузі в програмах GWBasic. Ви можете назвати це якоюсь тривіальною чисельною симуляцією, але насправді це був просто прославлений кишеньковий калькулятор (насправді він робив те ж саме на кишенькових калькуляторах з програмованими магнітними смужками раніше).

Наприкінці робочих днів почало з’являтися професійне програмне забезпечення Finite Element, яке він час від часу використовував для дуже складних проектів. Ніколи не йшлося про те, щоб насправді придумати нові результати, але завжди з’ясувати, чи певний підхід здійсненний. Тобто, в його роботі, справа йде про навантаження на сталеві прутки та інше; і ручні розрахунки, з очевидних причин, здебільшого зводяться до лінійних випадків (а потім до цього додаються 100-200% запаси). Кінцеві елементи відкривають цілі нові світи для архітектурно цікавих будівель.

За допомогою Кінцевих Елементів він міг набагато наблизитись до реальних потреб (або так вважають люди), але очевидно, що зараз важко (або, для таких людей, як він) перевірити результати. І повірте, "ризик" - це дуже помітна річ у цьому відношенні; якщо фасад великої будівлі в місті зійде, люди гинуть, а інженери опиняються у в'язниці.

TL; DR: Інженери використовують чисельне моделювання аналогічно лікарям / вченим, щоб перевірити припущення, або ітеративно знайти солодкі плями тощо. Але дуже потрібно, щоб вони знали, чого взагалі очікувати. Це те саме, що і в науці, де експеримент, для якого ви не заздалегідь міркували про очікувані результати, - це просто непотріб.

Залишилося сказати, але те, що знати результат перед рушійним моделюванням, не знає точного числового значення, але має певні очікування щодо рішення, заснованого на розумінні фізики проблеми. Зазвичай інженери встановлюють задачу і вибирають загальний метод, і коли ми, нарешті, сформулюємо проблему як набір рівнянь і меж, ми звертаємося за допомогою до математиків, які допоможуть нам вирішити її найбільш ефективним чином. Зазвичай інженери - це ті, хто визначає рівняння, математики їх вирішують. Якщо ви не розумієте згинання, ніж, хоча ви можете вирішити бігармонічне рівняння, ваше рішення, ймовірно, не буде встановлено правильних відхилень. Коли математик навчиться використовувати інструменти для розв’язування pde, він може вирішити більшість проблем з pde, але наприклад.