Как инженеры действительно используют численное моделирование?

Отказ от ответственности Я прикладной математик по образованию, а не инженер. Мои исследования в основном направлены на создание новых «методов» для решения различных PDE, связанных с деформацией твердого тела (упругостью) и механикой жидкости. В этом смысле я знаю, как решить проблему pde в вычислительном отношении. С моей точки зрения, инженеры используют мою работу в качестве «инструмента» для выполнения своей работы.

Тем не менее, из-за моего отсутствия образования / опыта в области инженерии, я признаю, что на самом деле я довольно не знаю, как численные решения pde действительно используются в реальной практике инженеров. Основным источником моего замешательства является следующее:

Мне сказали, что инженеры никогда (или никогда не должны) проводить численное моделирование (например, анализ методом конечных элементов, CFD и т. Д.), Не зная заранее или не имея хорошей идеи, как должно выглядеть моделирование. Это помогает инженерам отличать реалистичные результаты от сомнительных.

Тем не менее, я утверждаю, что если инженер уже знает, что должно происходить в симуляции, то какой смысл симуляции в первую очередь ??? Я всегда предполагал, что симуляции необходимы для прогнозирующих целей, что предполагает незнание того, что должно произойти. То есть, я считаю симуляцию отдельным инструментом для прогнозирования будущего, когда вы не знаете, чего ожидать .

То, что я ищу, - это более широкий взгляд на то, как / когда / почему инженеры используют численное моделирование, такое как CFD и анализ методом конечных элементов, особенно если хорошая инженерная практика требует, чтобы вы уже знали, чего ожидать при моделировании?

В этом ответе я писал в основном о CFD, однако те же пункты должны также работать для FEA или других методов моделирования.

CFD в основном используется для оптимизации дизайна и параметрического исследования дизайна. Ниже приведены несколько примеров, показывающих, как инженеры используют симуляции

1. Выбор дизайна : Читать: Концептуальное исследование повышения производительности аэродинамического профиля с использованием CFD. Этот тезис показывает использование CFD для выбора лучшего дизайна из числа возможных проектов. Инженеры часто идут на симуляции, чтобы выбрать «один» из многих .

2. Оптимизация формы с использованием CFD : В этом документе приведен пример оптимизации формы крыла с использованием CFD. И это удивительное видео на YouTube - отличный пример того, как инженер будет использовать программное обеспечение CFD ( OpenFOAM ) и генетический алгоритм. CFD позволяет прийти к лучшему дизайну без фактического создания ряда прототипов и тестирования (что является дорогостоящим и длительным процессом). На самом деле оптимизация дизайна является наиболее распространенным способом использования CFD. Согласно этому опросу , инженеры-механики чаще всего используют CFD (примечание: я не знаю достоверность отчета).

3. Использование симуляций, когда эксперименты трудно провести / могут стоить больших ресурсов (или жизни) : Приложения, где эксперименты невозможно выполнить, такие как передача тепла в гиперзвуковых транспортных средствах повторного входа ( примеры здесь ) или кровоток в человеческом теле , может быть смоделирован с помощью компьютера, и окончательный дизайн может быть проверен. Другой пример; CFD используется для размещения зондов на модели аэродинамической трубы. CFD дает, например, положение точки застоя на поверхности модели, и там мы можем разместить датчик давления и затем протестировать модель в реальной аэродинамической трубе. Эта презентация объясняет, как CFD и аэродинамическая труба дополняют друг друга, Также CFD используется для прогнозирования результатов, когда экспериментальные результаты недоступны (в модели не может быть зондов).

4. Проектирование и оптимизация самой экспериментальной установки : для проектирования самой установки обычно используются симуляции. Например, этот отчет описывает, как CFD используется для проектирования аэродинамической трубы.

5. Разработать теоретическую модель : это часто наблюдается в космологии. Ученые проводят моделирование на основе модели и проверяют экспериментальные данные. Этот итеративный процесс приводит к лучшему пониманию физики и работы вселенной. Астрофизическая группа НАСА провела симуляцию сверхмассивных черных дыр, в этом видео рассказывается об этом больше .

6. В фильмах, искусстве и анимации . Этот вопрос и последующие ответы на Scicomp.SE показывают, какую роль CFD играет в фильмах и анимациях ... (отказ от ответственности: я задал вопрос).

7. Некоторые другие приложения: аэродинамика полета насекомых , вычисление шума с использованием CAA , разработка антенн и стелс-технологии с использованием CEM , применение CFD в пищевой промышленности и т. Д.

Список будет продолжен ... Конец дня, CFD - это виртуальная аэродинамическая труба, рабочая среда, где инженер может проверить свою идею, не производя и не производя ничего. Таким образом, если результаты сравниваются с известной моделью / экспериментом, то можно полагаться на методологию CFD для небольшого изменения геометрии или формы. Также из-за результатов CFD, инженер может быть уверен в своих экспериментальных результатах. Вот почему термин проверки. Хороший ресурс для проверочных тестов здесь .

Ура!

Подводя итог другим ответам: Инженер должен качественно знать, как будет проходить моделирование, но ему все равно нужно запустить моделирование, чтобы получить количественный ответ.

Кроме того, моделирование позволяет инженеру слегка изменять параметры ( моделирование по методу Монте-Карло ), чтобы оценить стабильность или предел погрешности решения. Это часто делается при моделировании электрических цепей, например, для оценки чувствительности конструкции к допустимым отклонениям значений компонентов.

Инженеры должны иметь общее представление об ожидаемом результате (значения Balpark, ожидаемое поведение) при использовании сложной компьютерной модели. В большинстве случаев эти выводы основаны на (гораздо) более простой модели, которую предпочтительно проверять вручную.

Самая большая причина для этого состоит в том, чтобы исключить возможность человеческой ошибки при построении самой модели. Использование программного обеспечения для моделирования в качестве черного ящика серьезно осуждается и считается очень непрофессиональным и рискованным. Когда результаты сильно отличаются от ожидаемых, первый вопрос, который следует задать: «Хорошо ли построена модель? Разве я не совершил (глупую) ошибку?»

Вторая причина - получить контроль над моделью, понимая ее. Более простая модель действует как трамплин в процессе понимания. Когда модель понятна, легче узнать, что нужно изменить, чтобы найти решение инженерной проблемы. Таким образом, модель является инструментом в процессе проектирования.

Как сказал мой лектор Fluids много лет назад, «если математика не соответствует действительности, математика ошибается». Вы можете легко заменить слова модель, теория или симуляция на слово математика.

Инженеры, использующие симуляции, должны очень хорошо представлять, чего ожидать от решения, и не обязательно знать, каким будет ответ на симуляцию. Есть разница. Вот где опыт инженера имеет решающее значение, и поэтому неопытные инженеры всегда должны хорошо контролироваться при выполнении симуляций.

Инженеры используют симуляции по разным причинам, в зависимости от области техники, в которой они работают, и того, что они делают. Некоторые инженеры используют симуляции для подтверждения своих проектов, в то время как другие используют симуляции для поиска потенциальных недостатков в проектах или материалах.

Другой аспект моделирования заключается в том, что они позволяют инженерам рассмотреть ряд сценариев «что, если», чтобы выяснить, что может произойти при изменении параметров. Это может быть использовано для оценки верхних и нижних пределов производительности или может привести к изменениям конструкции и в некоторых случаях к полной модернизации.

Опять же, в зависимости от области проектирования, моделирование также полезно при рассмотрении вопроса о том, когда что-то нужно добавить или увеличить в масштабе, например, влияние на систему распределения воды путем добавления новой разработки или изменений, которые необходимо внести в Система вентиляции подземного рудника.

Моделирование также может быть выполнено, чтобы посмотреть на: - влияние на поток материалов и ресурсов: нефть или вода в их соответствующих трубопроводах, воздух в вентиляционных сетях, руда из шахты или нескольких шахт на перерабатывающий завод или ряд процессов переработки заводы - смешивание минеральных продуктов, расширение инфраструктуры общественного транспорта, такого как железные дороги, автомобильные дороги, сети электроснабжения и связи - движение транспорта, когда вносятся изменения в систему дорожного движения: дорога заблокирована или расширена, реорганизована для движения в одностороннем порядке, введены проходы и запрещение парковки на обочинах дорог - проектирование подземных пространств для гражданских применений, таких как
подземные парковки, железнодорожные станции или туннели и остановки в подземном руднике. - финансовые оценки NPV для экономики проекта и инвестиционных целей

Всегда дешевле и разумнее провести ряд симуляций, чем что-то построить, и это может привести к катастрофическим сбоям.

Как еще один из моих преподавателей в университете сказал, когда «Доктор хоронит свои ошибки, архитекторы планируют лозы вокруг своих ошибок, инженеры убиты своими ошибками».

В моей конкретной области (проект захоронения) мы постоянно проводим анализ методом конечных элементов . Мы почти никогда не меняем дизайн, основываясь на результатах; мы знаем, исходя из (множества факторов, в основном из предыдущего опыта и консервативных предположений), хорош ли дизайн. Мы проводим анализ, чтобы продемонстрировать другим, что наш дизайн хорош. Мы можем что-то настроить, но это никогда существенно не изменится.

Очень часто строительные нормы и правила устанавливают определенные требования для демонстрации приемлемости проекта. Иногда управление моделью более или менее прыгает через эти обручи, так что человек с меньшими знаниями и временем может быстро выяснить соответствующие факты, не увязнув в мелочах.

Подводя итог - и я не собираюсь быть бойким, но:

Инженеры используют FEA / численное моделирование, чтобы у нас было что-то, что можно было представить в зале суда, кроме содержания нашего мозга.

ДОПОЛНЕНИЕ:

В наших отчетах нам также нравится (и нашим страховым компаниям ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ДЕЙСТВИТЕЛЬНО нравится наш) возможность сказать «Модель говорит ...» .

Я проектирую электродвигатели и использую электромагнитную ВЭД как часть этого процесса проектирования. У разработчиков двигателей есть много хороших аналитических методов, которые очень близко приближают нас к фактическим характеристикам двигателей по определенным ключевым параметрам (крутящий момент, ток, скорость и т. Д.). Тем не менее, это требует, чтобы мы сделали определенные предположения, которые могут или не могут быть действительными. Например, я мог бы предположить, что поток через определенный путь стали равномерно распределен, или я мог бы предположить определенное количество утечки потока через щель. Эти типы предположений часто являются абсолютно обоснованными. Одна из причин, по которой я использую ВЭД, заключается в том, чтобы подтвердить, что сделанные мной предположения были верны. Если они действительны, результаты FEA дадут мне то, что я ожидал. Если они не верны, результаты ВЭД помогут мне выяснить, каковы были мои плохие предположения.

Еще одна причина, по которой я это использую, заключается в том, что есть некоторые параметры двигателя, которые нельзя определить очень хорошо с помощью аналитических методов. Например, пульсация крутящего момента (величина изменения крутящего момента при вращении ротора) трудно сделать с помощью аналитических методов. Я знаю, что некоторые типы двигателей имеют более сильную пульсацию, и я знаю, что определенные комбинации полюсов и слотов имеют лучшую пульсацию, чем другие комбинации и другие практические правила, но FEA может помочь вам определить это.

Другая причина, по которой я использую FEA - это действительно точная настройка дизайна. Если у меня есть дизайн, который в значительной степени делает то, что я хочу, тогда я могу попытаться немного повысить эффективность или уменьшить толщину магнита или что-то еще.

Итак, я использую его для 1) проверки своих предположений, 2) решения проблем, которые не могут быть легко решены с помощью аналитических методов, и 3) для точной настройки моих проектов с целью повышения производительности, снижения затрат или просто улучшения. Все 3 из них требуют, чтобы я хорошо разбирался в дизайне, прежде чем начать процесс FEA. Это не значит, что я никогда не удивляюсь результатам или ничего не изучаю, но когда эти сюрпризы случаются, вы можете быть уверены, что я вернусь и попытаюсь выяснить, что пошло не так.

Чтобы привести вам практический пример: мой папа был инженером-строителем в крупной национальной компании; его специальность заключалась в том, чтобы брать чертежи для конструкций (в основном, фасадов зданий), которые обычно были приемлемыми "ОК", и вычислять конкретные вещи, такие как размер винтов / болтов, расстояние, необходимые размеры стоек и так далее. Они работали на очень больших сооружениях, таких как аэропорты, оперные здания, небоскребы. Небольшое изменение в расчете (скажем, винты, которые немного меньше или чуть меньше) могут сэкономить сотни тысяч евро. Слишком маленький, и плохие вещи случаются.

В последнее десятилетие перед пенсией он в основном использовал GWBasic (!) С небольшими программами, написанными им самим. Это означает, что он непосредственно работал с методами, которые он знал и использовал задолго до появления компьютеров в своей области в программах GWBasic. Вы могли бы назвать это своего рода тривиальным численным моделированием, но на самом деле это был просто прославленный карманный калькулятор (на самом деле он делал то же самое с карманными калькуляторами с программируемыми магнитными полосами, прежде).

В конце рабочего дня стало появляться профессиональное программное обеспечение Finite Element, и он время от времени использовал его для очень сложных проектов. Речь никогда не шла о новых результатах, но всегда нужно было выяснить, возможен ли определенный подход. То есть в его работе это все о нагрузках на стальные стержни и тому подобное; и ручные вычисления, по очевидным причинам, в основном сводятся к линейным случаям (а затем к этому добавляются запасы безопасности 100-200%). Finite Elements открывает совершенно новые миры для архитектурно интересных зданий.

С помощью «Конечных элементов» он мог бы стать намного ближе к реальным потребностям (или, как люди верят), но, очевидно, теперь трудно (или, для людей, подобных ему) совершенно невозможно проверить результаты. И поверьте мне, «риск» является очень заметной вещью в этом отношении; если рухнет фасад большого здания в городе, люди умирают, а инженеры попадают в тюрьму.

TL; DR: инженеры используют числовое моделирование аналогично врачам / ученым, чтобы проверить предположения или итеративно найти «сладкие места» и тому подобное. Но очень нужно, чтобы они знали, чего вообще ожидать. Это так же, как в науке, где эксперимент, о котором вы заранее не рассуждали об ожидаемых результатах, просто бесполезен.

Больше нечего сказать, но знание результата перед запуском симуляции означает не точное числовое значение, а определенные ожидания относительно решения, основанного на понимании физики проблемы. Обычно инженеры ставят задачи и выбирают общий метод, и когда мы, наконец, формулируем проблему в виде системы уравнений и границ, мы обращаемся к математикам за помощью, чтобы помочь нам решить ее наиболее эффективным способом. Обычно инженеры - это те, кто определяют уравнения, математики их решают. Если у вас нет понимания изгиба, чем, хотя вы можете решить бигармоническое уравнение, ваше решение, вероятно, не будет набор правильных отклонений. Когда математик учится использовать инструменты для решения pde, он может решить большинство задач pde, но, например,