Jak inżynierowie naprawdę używają symulacji numerycznej?

Oświadczenie Jestem matematykiem stosowanym z wykształcenia, a nie inżynierem. Moje badania naukowe koncentrują się przede wszystkim na tworzeniu nowych „metod” rozwiązywania różnych PDE związanych z deformacją bryły (sprężystością) i mechaniką płynów. W tym sensie wiem, jak rozwiązać problem pde obliczeniowo. Z mojej perspektywy inżynierowie używają mojej pracy jako „narzędzi” do wykonania swojej pracy.

Jednak z powodu mojego braku wykształcenia / doświadczenia w inżynierii, przyznaję, że właściwie nie mam pojęcia, w jaki sposób numeryczne rozwiązania pde są rzeczywiście stosowane w praktyce inżyniera. Główne źródło mojego zamieszania jest następujące:

Powiedziano mi, że inżynierowie nigdy (lub nigdy nie powinni) przeprowadzać symulacji numerycznych (np. Analizy elementów skończonych, CFD itp.), Nie wiedząc ani nie mając dobrego pomysłu z wyprzedzeniem, jak powinna wyglądać symulacja. Pomaga to inżynierom odróżnić realistyczne wyniki od wątpliwych.

Jednak twierdzę, że jeśli inżynier już wie, co powinno się wydarzyć w symulacji, to jaki jest sens symulacji? Zawsze zakładałem, że symulacje są potrzebne do celów predykcyjnych, które zakładają niewiedzę o tym, co ma nadejść. To znaczy myślę o symulacji jako samodzielnym narzędziu do przewidywania przyszłości, gdy nie wiesz, czego się spodziewać .

To, czego szukam, to szersze spojrzenie na to, jak / kiedy / dlaczego inżynierowie używają symulacji numerycznych, takich jak CFD i Analiza Elementów Skończonych, szczególnie jeśli dobra praktyka inżynierska nakazuje, abyś już wiedział, czego się spodziewać podczas symulacji?

W tej odpowiedzi pisałem głównie o CFD, jednak te same punkty powinny również działać w przypadku MES lub innych technik symulacji.

CFD jest głównie wykorzystywany do optymalizacji projektu i badania parametrycznego projektu. Poniżej znajduje się kilka przykładów pokazujących, w jaki sposób inżynierowie używają symulacji

1. Wybór projektu : Przeczytaj: Studium koncepcyjne poprawy wydajności płata za pomocą CFD. Teza ta pokazuje wykorzystanie CFD do wyboru najlepszego projektu spośród wielu projektów kandydujących. Inżynierowie często wybierają symulacje, aby wybrać jedną z wielu .

2. Optymalizacja kształtu za pomocą CFD : W tym artykule podano przykład optymalizacji kształtu skrzydła za pomocą CFD. I to niesamowite wideo YouTube jest doskonałym przykładem tego, jak inżynier będzie używał oprogramowania CFD ( OpenFOAM ) oraz algorytm genetyczny. CFD umożliwia uzyskanie lepszego projektu bez budowania wielu prototypów i testów (co jest kosztownym i długim procesem). W rzeczywistości optymalizacja projektu jest najczęstszym sposobem wykorzystania CFD. Według tego badania inżynierowie projektowania mechanicznego najbardziej wykorzystują CFD (uwaga: nie znam autentyczności raportu).

3. Korzystanie z symulacji, w których eksperymenty są trudne / mogą kosztować wiele zasobów (lub życia) : Aplikacje, w których eksperymenty nie są możliwe, takie jak przenoszenie ciepła w hipersonicznych pojazdach powrotnych ( tutaj przykłady ) lub przepływ krwi w ciele ludzkim można symulować za pomocą komputera, a ostateczny projekt można przetestować. Inny przykład; CFD służy do umieszczania sond w modelu tunelu aerodynamicznego. CFD podaje na przykład położenie punktu stagnacji na powierzchni modelu, i tam możemy umieścić sondę ciśnieniową, a następnie przetestować model w rzeczywistym tunelu aerodynamicznym. Ta prezentacja wyjaśnia, w jaki sposób CFD i tunel aerodynamiczny wzajemnie się uzupełniają. Również CFD służy do przewidywania wyników, w których wyniki eksperymentalne nie są dostępne (nie można mieć sond wszędzie w modelu).

4. Projektowanie i optymalizacja samego obiektu eksperymentalnego : Do projektowania samego obiektu powszechnie stosuje się symulacje. Na przykład ten raport opisuje, w jaki sposób CFD jest wykorzystywane do projektowania tunelu aerodynamicznego.

5. Aby opracować model teoretyczny : często obserwuje się to w kosmologii. Naukowcy przeprowadzają symulacje w oparciu o model i weryfikują dane eksperymentalne. Ten iteracyjny proces skutkuje lepszym zrozumieniem fizyki i działania wszechświata. Grupa astrofizyki NASA przeprowadziła symulację Supermassive Black Holes, ten film mówi o tym więcej .

6. W filmach, sztuce i animacjach : To pytanie i poniższe odpowiedzi na Scicomp.SE pokazują, jaką rolę CFD ma do odegrania w filmach i animacjach ... (zrzeczenie się: Zadałem pytanie).

7. Niektóre inne zastosowania: aerodynamika lotu owada , obliczanie hałasu za pomocą CAA , projektowanie anten i technologii ukrywania za pomocą CEM , zastosowania CFD w przemyśle spożywczym itp.

Lista będzie długa ... Koniec dnia, CFD to wirtualny tunel aerodynamiczny, warsztat, w którym inżynier może przetestować swój pomysł bez wytwarzania / budowania czegokolwiek. Jeśli więc wyniki są zatwierdzone na podstawie znanego modelu / eksperymentu, można polegać na metodyce CFD w przypadku niewielkiej zmiany geometrii lub kształtu. Również ze względu na wyniki CFD inżynier może mieć zaufanie do swoich wyników eksperymentalnych. Właśnie dlatego termin walidacja. Dobry zasób dla przypadków testowych sprawdzania poprawności tutaj .

Twoje zdrowie!

Podsumowując pozostałe odpowiedzi: Inżynier musi wiedzieć jakościowo, jak przebiegać będzie symulacja, ale nadal musi uruchomić symulację, aby uzyskać odpowiedź ilościową.

Ponadto symulacja pozwala inżynierowi nieznacznie zmieniać parametry ( symulacja Monte Carlo ) w celu oceny stabilności lub marginesu błędu rozwiązania. Często odbywa się to w symulacji obwodu elektrycznego, na przykład w celu oceny wrażliwości projektu na tolerancje wartości komponentów.

Inżynierowie powinni mieć ogólne wyobrażenie o oczekiwanym wyniku (wartości Balpark, oczekiwane zachowanie) podczas korzystania ze skomplikowanego modelu komputerowego. W większości przypadków wnioski te oparte są na (znacznie) prostszym modelu, który najlepiej można sprawdzić ręcznie.

Największym powodem tego jest wyeliminowanie możliwości błędu ludzkiego przy budowie samego modelu. Używanie oprogramowania do modelowania jako czarnej skrzynki jest poważnie odrzucone i uważane za bardzo nieprofesjonalne i ryzykowne. Kiedy wyniki są bardzo różne od oczekiwanych, pierwsze pytanie, które należy zadać, brzmi: „czy model jest dobrze skonstruowany ?, czy nie popełniłem (głupiego) błędu?”.

Drugim powodem jest przejęcie kontroli nad modelem poprzez jego zrozumienie. Prostszy model działa jako odskocznia w procesie zrozumienia. Po zrozumieniu modelu łatwiej jest wiedzieć, co zmienić, aby znaleźć rozwiązanie problemu inżynierskiego. Jako taki model jest narzędziem w procesie projektowania.

Jak powiedział mój wykładowca Fluids wiele lat temu, „jeśli matematyka nie zgadza się z rzeczywistością, matematyka jest zła”. Możesz łatwo zastąpić słowo model, teoria lub symulacja słowem matematyka.

Inżynierowie korzystający z symulacji powinni bardzo dobrze wiedzieć, czego oczekiwać od rozwiązania, niekoniecznie wiedząc, jaka będzie odpowiedź na symulację. Jest różnica. Właśnie tam doświadczenie inżyniera ma kluczowe znaczenie i dlatego niedoświadczeni inżynierowie powinni zawsze być dobrze nadzorowani podczas wykonywania symulacji.

Inżynierowie używają symulacji z różnych powodów, w zależności od dziedziny inżynierii, w której pracują i tego, co robią. Niektórzy inżynierowie używają symulacji, aby potwierdzić swoje projekty, podczas gdy inni używają symulacji, aby szukać potencjalnych słabości w projektach lub materiałach.

Innym aspektem symulacji jest to, że pozwalają inżynierom rozważyć szereg scenariuszy „co, jeśli”, aby ustalić, co może się zdarzyć po zmianie parametrów. Może to być wykorzystane do spojrzenia na górne i dolne granice wydajności lub może prowadzić do zmian w projekcie, aw niektórych przypadkach do całkowitego przeprojektowania.

Ponownie, w zależności od dziedziny inżynierii, symulacje są również przydatne przy rozważaniu, kiedy należy dodać lub zwiększyć skalę, na przykład wpływ na system dystrybucji wody poprzez dodanie nowego opracowania lub zmiany, które należy wprowadzić w system wentylacji kopalni podziemnej.

Można również przeprowadzić symulacje, aby przyjrzeć się: - wpływowi na przepływ materiałów i zasobów: ropy naftowej lub wody w odpowiednich sieciach rurowych, powietrza w sieciach wentylacyjnych, rudy z kopalni lub kilku kopalni do zakładu przetwórczego lub szeregu przeróbek zakłady - mieszanie produktów mineralnych rozszerzających użyteczność publiczną - infrastruktura transportowa, taka jak koleje, drogi, elektryczność i sieci komunikacyjne - ruch w przypadku zmian w systemie ruchu: droga zablokowana lub poszerzona, zreorganizowana dla ruchu jednokierunkowego, wprowadzenie dróg ekspresowych i zakaz parkowania po bokach dróg - projektowanie podziemnych przestrzeni do zastosowań cywilnych takich jak
podziemne parkingi, stacje kolejowe lub tunele i przystanki w podziemnej kopalni. - oceny finansowe NPV dla ekonomiki projektu i dla celów inwestycyjnych

Przeprowadzanie wielu symulacji jest zawsze tańsze i rozsądniejsze niż skonstruowanie czegoś i katastrofalne niepowodzenie.

Jak powiedział inny wykładowca uniwersytecki w przeszłości: „Doktorze chowają swoje błędy, architekci planują winorośl wokół swoich błędów, inżynierowie są zabijani przez swoje błędy”.

W mojej konkretnej dziedzinie (projekt zagłębionego przepustu) stale przeprowadzamy analizy elementów skończonych . Prawie nigdy nie zmieniamy projektu w oparciu o wyniki; wiemy, wchodząc (z różnych czynników, głównie z wcześniejszych doświadczeń i konserwatywnych założeń), czy projekt jest dobry, czy nie. Przeprowadzamy analizy, aby pokazać innym, że nasz projekt jest dobry. Możemy coś ulepszyć, ale nigdy nie ulegnie to zasadniczej zmianie.

Bardzo często kodeksy budowlane i agencje regulacyjne określają pewne wymagania dotyczące wykazania akceptowalności projektu. Czasami uruchomienie modelu to mniej więcej przeskakiwanie przez te obręcze, dzięki czemu osoba z mniejszą wiedzą i czasem może szybko ustalić istotne fakty bez zagubienia się w szczegółach.

Podsumowując - i nie mam zamiaru być glibem, ale:

Inżynierowie używają FEA / symulacji numerycznej, abyśmy mogli mieć coś do zaprezentowania w sądzie innym niż zawartość naszej materii mózgowej.

UZUPEŁNIENIE:

W naszych raportach podoba nam się również (i NAPRAWDĘ NAPRAWDĘ nasi ubezpieczyciele), że możemy powiedzieć „Model mówi…” .

Projektuję silniki elektryczne i wykorzystuję elektromagnetyczne MES jako część tego procesu projektowania. Projektanci silników mają wiele dobrych technik analitycznych, które przybliżają nas do rzeczywistej wydajności silników dla niektórych kluczowych parametrów (moment obrotowy, pobór prądu, prędkość itp.). Wymaga to jednak przyjęcia pewnych założeń, które mogą, ale nie muszą być prawidłowe. Na przykład, mógłbym założyć, że strumień przez pewną ścieżkę stali jest równomiernie rozłożony lub mógłbym założyć, że pewien wyciek strumienia przez szczelinę. Tego rodzaju założenia są często całkowicie uzasadnione. Jednym z powodów, dla których używam MES jest potwierdzenie, że przyjęte przeze mnie założenia były prawidłowe. Jeśli są prawidłowe, wyniki MES dadzą mi prawie to, czego się spodziewałem. Jeśli nie są prawidłowe, wyniki MES pomogą mi zorientować się, jakie były moje złe założenia.

Innym powodem, dla którego go używam jest to, że istnieją pewne parametry silnika, których nie można bardzo dobrze określić za pomocą technik analitycznych. Na przykład tętnienie momentu obrotowego (wielkość zmiany momentu obrotowego podczas obracania się wirnika) jest trudne do wykonania w przypadku technik analitycznych. Wiem, że niektóre typy silników mają gorsze tętnienie i wiem, że niektóre kombinacje biegunów do szczelin mają lepsze tętnienia niż inne kombinacje i inne praktyczne zasady, ale FEA może pomóc ci to oszacować.

Innym powodem, dla którego korzystam z MES, jest dopracowanie projektu. Jeśli mam projekt, który właściwie robi to, co chcę, mogę spróbować nieco zwiększyć wydajność lub zmniejszyć grubość magnesu lub cokolwiek innego.

Używam go więc do 1) sprawdzenia moich założeń, 2) rozwiązania problemów, których nie da się łatwo rozwiązać technikami analitycznymi oraz 3) dostrojenia moich projektów w celu zwiększenia wydajności lub zmniejszenia kosztów lub po prostu ulepszenia. Wszystkie 3 z tych wymagają, żebym miał całkiem dobre podejście do projektu, zanim zacznę proces FEA. To nie znaczy, że nigdy nie jestem zaskoczony wynikami ani nie uczę się różnych rzeczy, ale kiedy zdarzają się te niespodzianki, możesz być pewien, że wrócę i spróbuję dowiedzieć się, co poszło nie tak.

Dla praktycznego przykładu: mój tata był inżynierem budowlanym pracującym dla dużej krajowej firmy; specjalizował się w rysowaniu konstrukcji (głównie fasad budynków), które zwykle były rozsądne „OK”, i obliczaniu konkretnych rzeczy, takich jak rozmiar śrub / śrub, odstępy, niezbędny wymiar rozpórek i tak dalej. Pracowali nad bardzo dużymi budowlami, takimi jak lotniska, budynki operowe, wieżowce. Niewielka zmiana w obliczeniach (powiedzmy, śruby nieco mniejsze lub nieco mniejsze) mogą oznaczać setki tysięcy zaoszczędzonych euro. Zdarzają się zbyt małe i złe rzeczy.

W swojej ostatniej dekadzie przed emeryturą korzystał głównie z GWBasic (!) Z niewielkimi programami do swojej pracy. Oznacza to, że bezpośrednio pracował metodami, które znał i stosował na długo przed pojawieniem się komputerów w swojej dziedzinie w programach GWBasic. Można to nazwać banalną symulacją numeryczną, ale tak naprawdę był to tylko świetny kalkulator kieszonkowy (tak naprawdę robił to samo na kalkulatorach kieszonkowych z programowalnymi paskami magnetycznymi).

Pod koniec dni roboczych zaczęło pojawiać się profesjonalne oprogramowanie Finite Element, które od czasu do czasu wykorzystywał do bardzo skomplikowanych projektów. Nigdy nie chodziło o wymyślanie nowych wyników, ale zawsze o sprawdzenie, czy pewne podejście jest wykonalne. Tj. W swojej pracy chodzi przede wszystkim o obciążenia prętów stalowych i tym podobne; a obliczenia ręczne są, z oczywistych powodów, redukowane głównie do przypadków liniowych (a następnie z dodanymi marginesami bezpieczeństwa 100-200%). Finite Elements otwiera zupełnie nowe światy dla interesujących architektonicznie budynków.

Dzięki Elementom Skończonym mógł znacznie zbliżyć się do rzeczywistych potrzeb (przynajmniej tak sądzą ludzie), ale oczywiście teraz trudno (lub, dla ludzi takich jak on), niemożliwe jest sprawdzenie wyników. I wierzcie mi, „ryzyko” jest pod tym względem bardzo znaczącą rzeczą; jeśli fasada dużego budynku w mieście zburzy się, ludzie umrą, a inżynierowie trafią do więzienia.

TL; DR: Inżynierowie używają symulacji numerycznych podobnie jak lekarze / naukowcy, aby zweryfikować założenia lub iteracyjnie znaleźć słabe punkty i tym podobne. Ale jest bardzo wymagane, aby wiedzieli, czego się spodziewać. To tak samo, jak w nauce, gdzie eksperyment, w przypadku którego wcześniej nie rozumowałeś oczekiwanych rezultatów, jest po prostu śmieciem.

Nie pozostało wiele do powiedzenia, ale znajomość wyniku przed uruchomieniem symulacji nie zna dokładnej wartości liczbowej, ale ma pewne oczekiwania dotyczące rozwiązania opartego na zrozumieniu fizyki problemu. Zwykle inżynierowie ustalają problem i wybierają ogólną metodę, a kiedy ostatecznie formułujemy problem jako zbiór równań i granic, szukamy pomocy matematyków, aby pomóc nam rozwiązać go w najbardziej efektywny sposób. Zwykle inżynierowie to ci, którzy definiują równania, matematycy je rozwiązują. Jeśli nie rozumiesz zginania, ale możesz rozwiązać równanie biharmoniczne, prawdopodobnie Twoje rozwiązanie nie będzie zawierało prawidłowych ugięć. Kiedy matematyk uczy się korzystać z narzędzi do rozwiązywania pde, może rozwiązać większość problemów z pde, ale np.