Làm thế nào để các kỹ sư thực sự sử dụng mô phỏng số?

Từ chối trách nhiệm Tôi là một nhà toán học ứng dụng bằng cách đào tạo, không phải là một kỹ sư. Nghiên cứu công việc của tôi chủ yếu tập trung vào việc tạo ra các "phương pháp" mới để giải quyết các PDE khác nhau liên quan đến biến dạng rắn (độ đàn hồi) và cơ học chất lỏng. Theo nghĩa này, tôi biết làm thế nào để giải quyết vấn đề pde tính toán. Từ quan điểm của tôi, các kỹ sư sử dụng công việc của tôi như là "công cụ" để hoàn thành công việc của họ.

Tuy nhiên, do tôi không có trình độ học vấn / kinh nghiệm về kỹ thuật, tôi thừa nhận rằng tôi thực sự khá mù mờ về cách các giải pháp số cho pde thực sự được sử dụng trong thực tế kỹ sư. Nguồn chính của sự nhầm lẫn của tôi là như sau:

Tôi đã được thông báo rằng các kỹ sư không bao giờ (hoặc không bao giờ nên) tiến hành mô phỏng số (ví dụ phân tích phần tử hữu hạn, CFD, v.v.) mà không biết hoặc có ý tưởng hay trước thời hạn mô phỏng "nên" như thế nào. Điều này giúp các kỹ sư phân biệt kết quả thực tế từ những người nghi ngờ.

Tuy nhiên, tôi lập luận rằng nếu kỹ sư đã biết những gì sẽ xảy ra trong mô phỏng, thì điểm đầu tiên của mô phỏng là gì ??? Tôi đã luôn cho rằng các mô phỏng là cần thiết cho các mục đích dự đoán, giả định không biết gì về những gì sắp xảy ra. Đó là, tôi nghĩ về một mô phỏng như một công cụ độc lập để dự đoán tương lai khi bạn không biết phải trông đợi điều gì .

Điều tôi đang tìm kiếm là một viễn cảnh rộng hơn về cách thức / thời gian / lý do tại sao các kỹ sư sử dụng mô phỏng số như CFD và Phân tích phần tử hữu hạn, đặc biệt là nếu thực hành kỹ thuật tốt ra lệnh rằng bạn nên biết những gì sẽ xảy ra khi mô phỏng?

Tôi đã viết chủ yếu về CFD trong câu trả lời này, tuy nhiên những điểm tương tự cũng sẽ có tác dụng với FEA hoặc các kỹ thuật mô phỏng khác.

CFD chủ yếu được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế và nghiên cứu tham số của thiết kế. Sau đây là một vài ví dụ cho thấy cách các kỹ sư sử dụng mô phỏng

1. Lựa chọn thiết kế : Đọc: Một nghiên cứu khái niệm về nâng cao hiệu suất vận chuyển hàng không bằng CFD. Luận án này cho thấy việc sử dụng CFD để chọn thiết kế tốt nhất trong số một số thiết kế ứng cử viên. Các kỹ sư thường đi mô phỏng để chọn 'một trong số nhiều người .

2. Tối ưu hóa hình dạng bằng CFD : Bài viết này đưa ra một ví dụ về tối ưu hóa hình dạng cánh bằng CFD. Và video YouTube tuyệt vời này là một ví dụ tuyệt vời về cách một kỹ sư sẽ sử dụng phần mềm CFD ( OpenFOAM ) và thuật toán di truyền. CFD làm cho nó có thể đi đến một thiết kế tốt hơn mà không thực sự xây dựng một số nguyên mẫu và thử nghiệm (đây là một quá trình tốn kém và lâu dài). Trên thực tế tối ưu hóa thiết kế là cách phổ biến nhất mà CFD được sử dụng. Theo khảo sát này , các kỹ sư thiết kế cơ khí sử dụng CFD nhiều nhất (lưu ý: Tôi không biết tính xác thực của báo cáo).

3. Sử dụng các mô phỏng trong đó các thí nghiệm khó thực hiện / có thể tiêu tốn nhiều tài nguyên (hoặc tính mạng) : Các ứng dụng không thể thực hiện các thí nghiệm, chẳng hạn như truyền nhiệt trong các phương tiện tái nhập siêu âm ( ví dụ ở đây ) hoặc lưu lượng máu trong cơ thể người , có thể được mô phỏng bằng máy tính và thiết kế cuối cùng có thể được thử nghiệm. Một vi dụ khac; CFD được sử dụng để đặt các đầu dò trên mô hình hầm gió. CFD đưa ra, ví dụ, vị trí của điểm đình trệ trên một bề mặt của mô hình, và ở đó chúng ta có thể đặt đầu dò áp suất và sau đó kiểm tra mô hình trong hầm gió thực tế. Bài trình bày này giải thích cách CFD và hầm gió miễn phí với nhau. Ngoài ra CFD được sử dụng để dự đoán kết quả khi không có kết quả thử nghiệm (người ta không thể có đầu dò ở mọi nơi trên mô hình).

4. Thiết kế và tối ưu hóa chính cơ sở thử nghiệm : Mô phỏng thường được sử dụng để thiết kế cơ sở. Ví dụ, báo cáo này mô tả cách CFD được sử dụng để thiết kế hầm gió.

5. Để phát triển một mô hình lý thuyết : Điều này thường thấy trong vũ trụ học. Các nhà khoa học thực hiện mô phỏng dựa trên một mô hình và xác nhận với dữ liệu thực nghiệm. Quá trình lặp lại này dẫn đến sự hiểu biết tốt hơn về vật lý và hoạt động của vũ trụ. Nhóm vật lý thiên văn của NASA đã thực hiện một số mô phỏng của Lỗ đen siêu khối, video này nói nhiều hơn về nó .

6. Trong phim, nghệ thuật và hoạt hình : Câu hỏi này và câu trả lời sau trên chương trình Scicomp.SE, CFD có vai trò bao nhiêu trong phim và hoạt hình ... (từ chối trách nhiệm: Tôi đã hỏi câu hỏi).

7. Một số ứng dụng khác: Khí động lực học của côn trùng bay , Tính toán tiếng ồn bằng CAA , thiết kế ăng ten và công nghệ tàng hình sử dụng CEM , Ứng dụng CFD trong ngành công nghiệp thực phẩm, v.v.

Danh sách sẽ tiếp tục ... Cuối ngày, CFD là một đường hầm gió ảo, là bàn làm việc nơi một kỹ sư có thể kiểm tra ý tưởng của mình mà không cần sản xuất / xây dựng bất cứ thứ gì. Vì vậy, nếu kết quả được xác thực dựa trên mô hình / thử nghiệm đã biết, thì người ta có thể dựa vào phương pháp CFD để thay đổi một chút về hình học hoặc hình dạng. Cũng vì kết quả CFD, một kỹ sư có thể tự tin vào kết quả thử nghiệm của mình. Đó là lý do tại sao các xác nhận hạn. Một nguồn tốt cho các trường hợp kiểm tra xác nhận ở đây .

Chúc mừng!

Để tóm tắt các câu trả lời khác: Một kỹ sư cần biết định tính mô phỏng sẽ diễn ra như thế nào, nhưng anh ta vẫn cần chạy mô phỏng để có được câu trả lời định lượng.

Ngoài ra, mô phỏng cho phép kỹ sư thay đổi các tham số một chút ( mô phỏng Monte Carlo ) để đánh giá độ ổn định hoặc biên sai số của giải pháp. Điều này thường được thực hiện trong mô phỏng mạch điện, ví dụ, để đánh giá độ nhạy của thiết kế đối với dung sai giá trị thành phần.

Các kỹ sư nên có một ý tưởng chung về kết quả mong đợi (giá trị Balpark, hành vi dự kiến) khi sử dụng một mô hình máy tính phức tạp. Hầu hết thời gian những kết luận này dựa trên một mô hình (nhiều) đơn giản hơn, tốt nhất có thể được kiểm tra bằng tay.

Lý do lớn nhất cho việc này là để loại bỏ khả năng lỗi của con người trong việc xây dựng mô hình. Sử dụng phần mềm mô hình như một hộp đen được coi là nghiêm túc và được coi là rất không chuyên nghiệp và rủi ro. Khi kết quả rất khác so với dự kiến, câu hỏi đầu tiên người ta nên hỏi là 'mô hình có được xây dựng tốt không?, Tôi đã không phạm sai lầm (ngu ngốc) phải không?'

Một lý do thứ hai là để giành quyền kiểm soát mô hình bằng cách hiểu nó. Mô hình đơn giản hơn đóng vai trò là bước đệm trong quá trình hiểu biết. Khi một mô hình được hiểu, sẽ dễ dàng hơn để biết những gì cần thay đổi để tìm giải pháp cho vấn đề kỹ thuật. Như vậy mô hình là một công cụ trong quá trình thiết kế.

Như giảng viên về Chất lỏng của tôi đã nói từ nhiều năm trước, nếu toán học không đồng ý với thực tế thì toán học đã sai. Bạn có thể dễ dàng thay thế mô hình từ, lý thuyết hoặc mô phỏng cho toán học từ ..

Các kỹ sư sử dụng mô phỏng nên có một ý tưởng rất tốt về những gì mong đợi cho một giải pháp, không nhất thiết phải biết câu trả lời sẽ là gì cho một mô phỏng. Có một sự khác biệt. Đó là nơi kinh nghiệm của các kỹ sư rất quan trọng và tại sao các kỹ sư thiếu kinh nghiệm phải luôn được giám sát tốt khi thực hiện mô phỏng.

Các kỹ sư sử dụng mô phỏng vì nhiều lý do, tùy thuộc vào lĩnh vực kỹ thuật mà họ làm việc và những gì họ đang làm. Một số kỹ sư sử dụng mô phỏng để xác nhận thiết kế của họ trong khi những người khác sử dụng mô phỏng để tìm kiếm những điểm yếu tiềm ẩn trong thiết kế hoặc vật liệu.

Một khía cạnh khác của mô phỏng là chúng cho phép các kỹ sư xem xét một số tình huống-nếu kịch bản xác định những gì có thể xảy ra khi các tham số được thay đổi. Điều này có thể được sử dụng để xem xét các giới hạn hiệu suất ràng buộc trên và dưới hoặc nó có thể dẫn đến thay đổi thiết kế và trong một số trường hợp thiết kế lại toàn bộ.

Một lần nữa, tùy thuộc vào lĩnh vực kỹ thuật, mô phỏng cũng hữu ích khi xem xét khi cần thêm hoặc tăng quy mô, như ảnh hưởng đến hệ thống phân phối nước bằng cách thêm một sự phát triển mới, hoặc thay đổi cần thực hiện đối với hệ thống thông gió của một mỏ ngầm.

Mô phỏng cũng có thể được thực hiện để xem xét: - tác động đến dòng chảy của vật liệu và tài nguyên: dầu hoặc nước trong mạng lưới đường ống tương ứng của chúng, không khí trong mạng lưới thông gió, quặng từ mỏ hoặc một số mỏ đến nhà máy chế biến hoặc một số xử lý nhà máy - pha trộn các sản phẩm khoáng sản mở rộng cơ sở hạ tầng giao thông công cộng như đường sắt, đường bộ, điện và mạng lưới giao thông - chuyển động khi thay đổi hệ thống giao thông: đường bị chặn hoặc mở rộng, được tổ chức lại cho giao thông một chiều, giới thiệu đường cao tốc và cấm đỗ xe ở hai bên đường - thiết kế các không gian ngầm cho các ứng dụng dân sự như
khu vực đỗ xe ngầm, nhà ga hoặc đường hầm và dừng lại trong một mỏ dưới lòng đất. - đánh giá NPV tài chính cho mục đích đầu tư và kinh tế dự án

Luôn luôn rẻ hơn và thận trọng khi chạy một số mô phỏng hơn là xây dựng một cái gì đó và khiến nó thất bại thảm hại.

Như một giảng viên đại học khác của tôi cũng đã nói, từ khi trở về, bác sĩ của chôn vùi những sai lầm của họ, các kiến ​​trúc sư lên kế hoạch cho những sai lầm của họ, các kỹ sư bị giết bởi những sai lầm của họ.

Trong lĩnh vực cụ thể của tôi (thiết kế cống chôn), chúng tôi liên tục chạy các phân tích phần tử hữu hạn . Chúng tôi gần như không bao giờ thay đổi một thiết kế dựa trên kết quả; chúng tôi biết đi vào (từ nhiều yếu tố, chủ yếu là kinh nghiệm trước đây và các giả định bảo thủ) cho dù thiết kế có tốt hay không. Chúng tôi chạy các phân tích để chứng minh cho người khác thấy rằng thiết kế của chúng tôi là tốt. Chúng tôi có thể điều chỉnh một cái gì đó, nhưng nó không bao giờ thay đổi đáng kể.

Rất thường xuyên, các mã xây dựng và các cơ quan quản lý quy định các yêu cầu nhất định để thể hiện khả năng chấp nhận thiết kế. Đôi khi, việc chạy mô hình ít nhiều nhảy qua các vòng này, để một người có ít kiến ​​thức và thời gian có thể nhanh chóng xác định được các sự kiện có liên quan mà không bị sa lầy vào chi tiết vụn vặt.

Tóm lại - và đó không phải là ý định của tôi, nhưng:

Các kỹ sư sử dụng FEA / mô phỏng số để chúng tôi có thể có một cái gì đó để trình bày trong phòng xử án ngoài nội dung của vấn đề não bộ của chúng tôi.

ĐỊA CHỈ:

Trong các báo cáo của chúng tôi, chúng tôi cũng thích (và các hãng bảo hiểm của chúng tôi THỰC SỰ THỰC SỰ như chúng tôi) có thể nói "Mô hình nói ..." .

Tôi thiết kế động cơ điện và tôi sử dụng FEA điện từ như một phần của quá trình thiết kế đó. Các nhà thiết kế động cơ có rất nhiều kỹ thuật phân tích tốt giúp chúng ta rất gần với hiệu suất thực tế của động cơ đối với các thông số chính nhất định (mô-men xoắn, vẽ hiện tại, tốc độ, v.v.). Tuy nhiên, điều này đòi hỏi chúng tôi phải đưa ra một số giả định nhất định có thể có hoặc không hợp lệ. Ví dụ, tôi có thể giả sử rằng từ thông qua một đường thép nhất định được phân bố đều hoặc tôi có thể giả sử một lượng rò rỉ từ thông nhất định qua một khe. Những loại giả định thường là hoàn toàn hợp lệ để thực hiện. Một lý do tôi sử dụng FEA là để xác nhận rằng các giả định tôi đưa ra là hợp lệ. Nếu chúng hợp lệ, kết quả FEA sẽ cho tôi khá nhiều những gì tôi mong đợi. Nếu chúng không hợp lệ, kết quả FEA sẽ giúp tôi tìm ra những giả định tồi tệ của mình.

Một lý do khác mà tôi sử dụng là có một số thông số động cơ không thể xác định tốt bằng các kỹ thuật phân tích. Ví dụ, gợn mô-men xoắn (lượng biến thiên của mô-men xoắn khi rôto quay) rất khó thực hiện với các kỹ thuật phân tích. Tôi biết một số loại động cơ có gợn tồi tệ hơn và tôi biết một số kết hợp cực nhất định với các khe có độ gợn tốt hơn so với các kết hợp khác và các quy tắc khác, nhưng FEA có thể giúp bạn định lượng điều đó.

Lý do khác tôi sử dụng FEA là để thực sự tinh chỉnh một thiết kế. Nếu tôi có một thiết kế gần như thực hiện những gì tôi muốn, thì tôi có thể cố gắng tăng hiệu quả lên một chút hoặc giảm độ dày nam châm hoặc bất cứ điều gì.

Vì vậy, tôi sử dụng nó để 1) kiểm tra các giả định của mình, 2) giải quyết các vấn đề không thể thực hiện dễ dàng bằng các kỹ thuật phân tích và 3) tinh chỉnh các thiết kế của tôi để tăng hiệu suất hoặc giảm chi phí hoặc chỉ làm cho nó tốt hơn. Cả 3 điều này đều yêu cầu tôi phải xử lý khá tốt về thiết kế trước khi bắt đầu quy trình FEA. Điều đó không có nghĩa là tôi không bao giờ ngạc nhiên với kết quả hoặc không học được điều gì, nhưng khi những điều ngạc nhiên đó xảy ra, bạn có thể chắc chắn rằng tôi sẽ quay lại và cố gắng tìm ra điều gì đã xảy ra.

Để cho bạn một ví dụ thực tế: bố tôi là một kỹ sư kết cấu làm việc cho một công ty quốc gia lớn; chuyên môn của anh là lấy bản vẽ cho các công trình (chủ yếu là mặt tiền tòa nhà), thường là "OK" hợp lý, và tính toán những thứ cụ thể như kích thước của ốc vít / bu lông, khoảng cách, kích thước cần thiết của thanh chống, v.v. Họ làm việc trên các cấu trúc rất lớn, như sân bay, tòa nhà opera, tòa nhà chọc trời. Một chút thay đổi trong tính toán (giả sử, các ốc vít nhỏ hơn một chút hoặc ít hơn một chút) có thể có nghĩa là hàng trăm ngàn € được lưu. Quá nhỏ, và những điều xấu xảy ra.

Trong thập kỷ cuối cùng trước khi nhận lương hưu, ông chủ yếu sử dụng GWBasic (!) Với rất ít chương trình tự viết cho công việc của mình. Điều này có nghĩa, anh ta trực tiếp làm việc với các phương pháp mà anh ta biết và đã sử dụng từ lâu trước khi máy tính trong lĩnh vực của anh ta vào các chương trình của GWBasic. Bạn có thể gọi đây là một loại mô phỏng số tầm thường, nhưng thực tế nó chỉ là một máy tính bỏ túi được tôn vinh (thực ra trước đây ông đã làm tương tự trên máy tính bỏ túi với các dải từ có thể lập trình được).

Vào cuối ngày làm việc, phần mềm Finite Element chuyên nghiệp bắt đầu xuất hiện và thỉnh thoảng anh sử dụng chúng cho các dự án rất phức tạp. Nó không bao giờ thực sự đưa ra kết quả mới, nhưng luôn luôn tìm hiểu xem một phương pháp nhất định có khả thi hay không. Tức là, trong công việc của mình, tất cả là về tải trọng trên các thanh thép và như vậy; và các tính toán thủ công, vì những lý do rõ ràng, chủ yếu được giảm xuống thành các trường hợp tuyến tính (và sau đó với tỷ lệ bảo mật 100-200% được thêm vào đó). Các yếu tố hữu hạn mở ra toàn bộ thế giới mới cho các tòa nhà thú vị về kiến ​​trúc.

Với các yếu tố hữu hạn, ông có thể nhận được nhiều gần gũi hơn với nhu cầu cần thiết thực (hoặc lâu hơn người tin), nhưng rõ ràng là bây giờ nó là cứng (hoặc, đối với những người như anh ta) hoàn toàn không thể xác minh các kết quả. Và tin tôi đi, "rủi ro" là một điều rất nổi bật trong khía cạnh đó; nếu mặt tiền của một tòa nhà lớn trong thành phố sụp đổ, mọi người chết và các kỹ sư phải vào tù.

TL; DR: Các kỹ sư sử dụng mô phỏng số tương tự như bác sĩ / nhà khoa học, để xác minh các giả định hoặc lặp đi lặp lại tìm các điểm ngọt và như vậy. Nhưng điều rất cần thiết là họ cần phải biết những gì, nói chung, để mong đợi. Nó giống như trong khoa học, nơi một thí nghiệm mà bạn không lý do về kết quả mong đợi trước đó, chỉ là rác.

Không còn nhiều điều để nói nhưng việc biết kết quả trước khi chạy mô phỏng không biết giá trị số chính xác mà là có những kỳ vọng nhất định về giải pháp dựa trên sự hiểu biết về vật lý của vấn đề. Thông thường các kỹ sư đặt vấn đề và chọn phương pháp chung và khi cuối cùng chúng ta xây dựng bài toán thành tập phương trình và ranh giới, chúng ta tìm kiếm sự giúp đỡ từ các nhà toán học để giúp chúng ta giải quyết nó một cách hiệu quả nhất. Thông thường các kỹ sư là những người định nghĩa các phương trình, các nhà toán học giải chúng. Nếu bạn không có hiểu biết về uốn cong hơn, mặc dù bạn có thể giải phương trình biharmonic, giải pháp của bạn có lẽ sẽ không được đặt lệch. Khi nhà toán học học cách sử dụng các công cụ cho solwing pde, anh ta có thể giải quyết hầu hết các vấn đề về pde nhưng vd.