Mühendisler sayısal simülasyonu gerçekten nasıl kullanıyor?

Feragat Bir mühendis değil, eğitim yoluyla uygulamalı bir matematikçiyim. İş araştırmam temel olarak katı deformasyon (esneklik) ve akışkanlar mekaniği ile ilgili farklı PDE'leri çözmek için yeni "yöntemler" yaratmaya odaklanıyor. Bu anlamda, bir pde problemini hesaplamalı olarak nasıl çözeceğimizi biliyorum. Benim açımdan, mühendisler işimi işlerini gerçekleştirmek için "araçlar" olarak kullanıyorlar.

Bununla birlikte, eğitimde / mühendislik deneyimim eksikliğimden dolayı, aslında pde'lere sayısal çözümlerin bir mühendisin gerçek pratiğinde nasıl kullanıldığına dair aslında clueless olduğumu itiraf ediyorum. Karışıklığımın birincil kaynağı şudur:

Mühendislere, simülasyonun "neye" benzemesi gerektiğini önceden bilmeden veya iyi bir fikre sahip olmadan asla sayısal simülasyonlar (örn. Sonlu elemanlar analizi, CFD, vb ...) yapmadıkları (veya asla yapmamaları) söylendi. Bu, mühendislerin gerçekçi sonuçları şüpheli sonuçlardan ayırt etmelerine yardımcı olur.

Ancak, eğer mühendis zaten simülasyonda ne olması gerektiğini biliyorsa, o zaman ilk başta simülasyonun anlamı nedir ??? Her zaman simülasyonların tahminsel amaçlar için gerekli olduğunu varsaydım, ki bu da neyin geleceğini bilmiyor. Yani, bir simülasyonu, ne bekleyeceğinizi bilmediğiniz zaman geleceği tahmin etmek için tek başına bir araç olarak düşünüyorum .

Aradığım şey, mühendislerin CFD ve Sonlu Eleman Analizi gibi sayısal simülasyonları nasıl / ne zaman / neden kullandığına, özellikle de iyi mühendislik uygulamaları simüle ederken ne beklemeniz gerektiğini zaten belirlediğinde daha geniş bir bakış açısıdır?

Bu cevapta çoğunlukla CFD hakkında yazdım, ancak aynı noktalar FEA veya diğer simülasyon teknikleri için de çalışmalıdır.

CFD çoğunlukla tasarım optimizasyonu ve tasarımın parametrik çalışması için kullanılır. Aşağıda, mühendislerin simülasyonları nasıl kullandığını gösteren birkaç örnek verilmiştir

1. Tasarım seçimi : Okuma: CFD kullanarak kanat profili performansının geliştirilmesine ilişkin kavramsal bir çalışma. Bu tez, bir dizi aday tasarım arasından en iyi tasarımı seçmek için CFD kullanımını göstermektedir. Mühendisler çoğu zaman 'bir' olanı seçmek için simülasyonlar yaparlar .

2. CFD kullanarak şekil optimizasyonu : Bu makale CFD kullanarak kanat şekli optimizasyonuna bir örnek vermektedir. Ve bu şaşırtıcı YouTube videosu , bir mühendisin CFD yazılımı ( OpenFOAM ) ve genetik algoritma kullanma şekline mükemmel bir örnektir . CFD, aslında bir takım prototipler ve testler yapmadan (pahalı ve uzun bir süreçtir) daha iyi bir tasarıma ulaşmayı mümkün kılar. Aslında tasarım optimizasyonu CFD'nin en yaygın kullanım şeklidir. Bu araştırmaya göre , mekanik tasarım mühendisleri CFD kullanımını en fazla yapıyor (not: Raporun gerçekliğini bilmiyorum).

3. Deneylerin gerçekleştirilmesinin zor olduğu / çok fazla kaynağa (veya hayata) mal olabileceği simülasyonların kullanılması : Hipersonik yeniden giriş araçlarında ısı transferi ( burada örnekler ) veya kan akışı gibi deneylerin gerçekleştirilemediği uygulamalar insan vücudunda , bir bilgisayar ile simüle edilebilir ve nihai tasarım test edilebilir. Başka bir örnek; CFD, probların bir rüzgar tüneli modeline yerleştirilmesi için kullanılır. CFD, örneğin durgunluk noktasının modelin bir yüzeyi üzerindeki konumunu verir ve orada basınç probu yerleştirilebilir ve ardından modeli gerçek rüzgar tünelinde test edebiliriz. Bu sunum CFD ve rüzgar tünelinin birbirini nasıl tamamladığını açıklıyor. Ayrıca CFD, deneysel sonuçların mevcut olmadığı sonuçları tahmin etmek için kullanılır (modelin her yerinde prob bulunamaz).

4. Deney tesisinin tasarımı ve optimizasyonu : Simülasyonlar tesisin tasarımı için yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, bu raporda CFD'nin rüzgar tünelinin tasarımı için nasıl kullanıldığı açıklanmaktadır.

5. Teorik bir model geliştirmek için : Bu genellikle kozmolojide görülür. Bilim adamları bir modele dayalı simülasyonlar yapar ve deneysel verilerle doğrularlar. Bu yinelemeli süreç fiziğin daha iyi anlaşılmasını ve evrenin çalışmasını sağlar. NASA astrofizik grubu, Supermassive Kara Deliklerin bazı simülasyonlarını yaptı, bu video daha çok konuşuyor .

6. Filmlerde, sanatta ve animasyonlarda : Scicomp.SE ile ilgili bu soru ve aşağıdaki cevaplar , CFD'nin filmlerde ve animasyonlarda ne kadar rol oynaması gerektiğini gösteriyor ... (sorumluluk reddi: Soruyu sordum).

7. Diğer bazı uygulamalar: böcek uçuşun Aerodinamik , Gürültü hesaplama KAA kullanarak , antenleri ve gizli teknoloji tasarım CEM kullanarak , gıda endüstrisinde CFD Uygulamaları vb

Liste devam edecek ... Günün sonunda, CFD sanal bir rüzgar tüneli, bir mühendisin hiçbir şeyi üretmeden / inşa etmeden fikrini test edebileceği bir tezgah. Eğer sonuçlar bilinen bir modele / deneye göre valide edilmişse, geometri veya şekildeki küçük bir değişiklik için CFD metodolojisine güvenilebilir. Ayrıca CFD sonuçları nedeniyle, bir mühendis deneysel sonuçlarına güvenebilir. Bu yüzden doğrulama terimi. Doğrulama testi durumlar için iyi bir kaynaktır burada .

Şerefe!

Diğer cevapları özetlemek gerekirse: Bir mühendisin simülasyonun nasıl gideceğini niteliksel olarak bilmesi gerekir, ancak yine de niceliksel cevap almak için simülasyonu çalıştırması gerekir.

Ayrıca, simülasyon , çözümün kararlılığını veya hata payını değerlendirmek için mühendisin parametreleri biraz değiştirmesine ( Monte Carlo simülasyonu ) izin verir . Bu, örneğin bir tasarımın bileşen değeri toleranslarına duyarlılığını değerlendirmek için sıklıkla elektrik devresi simülasyonunda yapılır.

Mühendisler, karmaşık bir bilgisayar modeli kullanırken beklenen sonuç (Balpark değerleri, beklenen davranış) hakkında genel bir fikre sahip olmalıdır. Çoğu zaman bu sonuçlar, tercihen elle kontrol edilebilen (çok) daha basit bir modele dayanmaktadır.

Bunun en büyük nedeni , modelin kendisini oluştururken insan hatası olasılığını ortadan kaldırmaktır . Modelleme yazılımını bir kara kutu olarak kullanmak ciddi bir şekilde kaşlarını çattı ve çok profesyonel olmayan ve riskli olarak kabul edildi. Sonuçlar beklenenden çok farklı olduğunda, sorulması gereken ilk soru 'model iyi inşa edilmiş mi?, (Aptal) bir hata yapmadım mı?'

İkinci bir neden ise modeli anlayarak kontrolünü ele geçirmektir . Daha basit model, anlayış sürecinde bir atlama taşı görevi görür. Bir model anlaşıldığında, mühendislik sorununun çözümünü bulmak için neyin değiştirileceğini bilmek daha kolaydır. Bu nedenle model, tasarım süreçlerinde bir araçtır.

Sıvılar öğretim elemanımın yıllar önce söylediği gibi, “matematik gerçekle aynı fikirde değilse matematik yanlıştır”. Matematik kelimesi için model, teori veya simülasyon kelimelerini kolayca değiştirebilirsiniz.

Simülasyon kullanan mühendisler, bir çözüm için ne beklemeleri gerektiği konusunda çok iyi bir fikre sahip olmalı, bir simülasyon için cevabın ne olacağını bilmemelidir. Bir fark var. İşte bu noktada mühendis deneyimi kritiktir ve simülasyonlar yapılırken deneyimsiz mühendislerin neden her zaman iyi denetlenmeleri gerekir.

Mühendisler, çalıştıkları mühendislik alanına ve yaptıklarına bağlı olarak simülasyonları çeşitli nedenlerle kullanırlar. Bazı mühendisler tasarımlarını onaylamak için simülasyonları kullanırken diğerleri tasarımlarda veya malzemelerde potansiyel zayıflıkları aramak için simülasyonları kullanır.

Simülasyonların diğer yönü, mühendislerin parametreler değiştiğinde ne olabileceğini tespit etmek için bir dizi “ne olursa olsun” senaryosunu düşünmelerine izin vermesidir. Bu, üst ve alt sınır performans sınırlarına bakmak için kullanılabilir veya tasarım değişikliklerine ve bazı durumlarda toplam yeniden tasarıma yol açabilir.

Yine, mühendislik alanına bağlı olarak, simülasyonlar, bir şeye ne zaman eklenmesi veya ölçeğin artırılması gerektiği göz önüne alındığında, yeni bir gelişme ekleyerek bir su dağıtım sistemi üzerindeki etki veya bir yeraltı madeninin havalandırma sistemi.

Simülasyonlar ayrıca aşağıdakilere bakmak için de yapılabilir: - malzemelerin ve kaynakların akışı üzerindeki etki: ilgili boru şebekelerinde yağ veya su, havalandırma şebekelerinde hava, bir madenden veya birkaç madenden bir işleme tesisine veya bir dizi işleme tesisler - kamuya yayılan mineral ürünlerin harmanlanması - demiryolları, karayolu, elektrik ve iletişim ağları gibi ulaşım altyapısı - trafik sisteminde değişiklikler yapıldığında trafik hareketi: yol engellenmiş veya genişletilmiş, tek yönlü trafik için yeniden düzenlenmiş, açık yolların tanıtılması ve yol kenarlarında park etmeyi yasaklamak - gibi sivil uygulamalar için yeraltı alanlarının tasarımı
bir yeraltı madenindeki yeraltı park alanları, tren istasyonları veya tüneller ve duraklar. - proje ekonomisi ve yatırım amaçları için finansal NPV değerlendirmeleri

Bazı simülasyonlar yapmak, bir şeyler inşa etmek ve felaketle başarısız olmaktan daha ucuz ve ihtiyatlıdır.

Üniversitem öğretim görevlilerinden birisinin de söylediği gibi, “Doktor hatalarını gömmeye, mimarlar hatalarını sarmalamak, mühendisler hatalarından öldürülür”.

Özel alanımda (gömülü menfez tasarımı), sonlu eleman analizlerini sürekli yapıyoruz . Bir tasarımı neredeyse hiçbir zaman sonuçlara göre değiştirmeyiz; tasarımın iyi olup olmadığını çeşitli faktörlerden, çoğunlukla önceki deneyimlerden ve muhafazakar varsayımlardan) biliyoruz. Tasarımlarımızın iyi olduğunu başkalarına göstermek için analizler yapıyoruz . Bir şeyi değiştirebiliriz, ancak asla önemli ölçüde değişmez.

Çoğu zaman, bina kodları ve düzenleyici kurumlar tasarım kabul edilebilirliğinin gösterilmesi için belirli gereksinimleri belirler. Bazen modeli çalıştırmak bu çemberlerden az ya da çok atlar, böylece daha az bilgi ve zamana sahip bir kişi, minutiaya saplanmadan ilgili gerçekleri hızlı bir şekilde tespit edebilir.

Özetlemek gerekirse - ve benim niyetim glib olmak değil, ama:

Mühendisler FEA / sayısal simülasyon kullanıyorlar, böylece mahkeme salonunda beyin meselemizin içeriği dışında bir şeyler sunabiliyoruz.

EK:

Raporlarımızda da (ve gerçekten de tıpkı bizim gibi sigorta şirketlerinin) "Model diyor ..." diyebilmeyi seviyoruz .

Elektrik motorları tasarlıyorum ve bu tasarım sürecinin bir parçası olarak elektromanyetik FEA kullanıyorum. Motor tasarımcıları, belirli anahtar parametreler için (tork, akım çekimi, hız, vb.) Motorların gerçek performansına çok yaklaşmamızı sağlayan birçok iyi analitik tekniğe sahiptir. Ancak bu, geçerli olabilecek veya olmayabilecek bazı varsayımlar yapmamızı gerektirir. Örneğin, belirli bir çelik yolundan geçen akının eşit olarak dağıldığını ya da bir yarıktan belirli bir miktarda akı sızıntısı olduğunu varsayabilirim. Bu tür varsayımlar genellikle yapmak için tamamen geçerli olan varsayımlardır. FEA kullanmamın bir nedeni, yaptığım varsayımların geçerli olduğunu doğrulamaktır. Geçerliyse, FEA sonuçları bana beklediğimden fazlasını verecektir. Geçerli değilse, FEA sonuçları kötü varsayımlarımın ne olduğunu anlamama yardımcı olacaktır.

Bunu kullanmamın bir başka nedeni de analitik teknikler kullanılarak çok iyi belirlenemeyen bazı motor parametrelerin olmasıdır. Örneğin, tork dalgalanması (rotor dönerken torktaki değişim miktarı) analitik tekniklerle yapmak zordur. Bazı motor tiplerinin daha kötü dalgalanmalara sahip olduğunu biliyorum ve belirli kutup kombinasyonlarının yuvalara diğer kombinasyonlardan ve diğer başparmak kurallarından daha iyi dalgalanma olduğunu biliyorum, ancak FEA bunu ölçmenize yardımcı olabilir.

FEA kullanmamın bir başka nedeni de bir tasarıma ince ayar yapmaktır. İstediğim şeyi yapan bir tasarıma sahipsem, verimliliği biraz artırmayı veya mıknatıs kalınlığını veya her şeyi azaltmayı deneyebilirim.

Bu nedenle, 1) varsayımlarımı kontrol etmek, 2) analitik tekniklerle kolayca yapılamayan sorunları çözmek ve 3) performansı artırmak veya maliyeti azaltmak veya sadece daha iyi hale getirmek için tasarımlarımda ince ayar yapmak için kullanıyorum. Bunların üçü de, FEA sürecine başlamadan önce tasarım üzerinde oldukça iyi bir tutuşum olmasını gerektiriyor. Bu, sonuçlardan asla şaşırmadığım veya bir şey öğrenmediğim anlamına gelmez, ancak bu sürprizler gerçekleştiğinde, geri döneceğime ve neyin yanlış gittiğini anlamaya çalışacağımdan emin olabilirsiniz.

Size pratik bir örnek vermek gerekirse: babam büyük bir ulusal şirkette çalışan bir yapısal mühendisdi; uzmanlığı, genellikle makul "Tamam" olan yapılar (esas olarak bina cepheleri) için çizimler almak ve vida / cıvata boyutu, boşluk, desteklerin gerekli boyutu ve benzeri gibi belirli şeyleri hesaplamaktı. Havaalanları, opera binaları, gökdelenler gibi çok büyük yapılar üzerinde çalıştılar. Hesaplamada küçük bir değişiklik (örneğin, biraz daha küçük veya biraz daha az olan vidalar) yüz binlerce € tasarruf anlamına gelebilir. Çok küçük ve kötü şeyler olur.

Emekli maaşından önceki son on yılında, ağırlıklı olarak çalışmaları için az sayıda kendi kendine yazılan programlarla GWBasic (!) Kullandı. Bu, kendi alanındaki bilgisayarların GWBasic programlarına gelmesinden çok önce bildiği ve kullandığı yöntemleri doğrudan çalıştığı anlamına gelir. Buna bir tür önemsiz sayısal simülasyon diyebilirsiniz, ama aslında sadece yüceltilmiş bir cep hesap makinesiydi (aslında daha önce programlanabilir manyetik şeritli cep hesap makinelerinde de aynısını yapmıştı).

Çalışma günlerinin sonunda profesyonel Sonlu Elemanlar yazılımı ortaya çıkmaya başladı ve zaman zaman çok karmaşık projeler için bunları kullandı. Asla yeni sonuçlara varmakla ilgili değildi, ama her zaman belirli bir yaklaşımın mümkün olup olmadığını bulmaktı. Yani, kendi işinde, her şey çelik çubuklar ve benzeri yüklerle ilgili; ve manuel hesaplamalar, belli nedenlerden ötürü, çoğunlukla doğrusal durumlara indirgenir (ve daha sonra buna% 100-200 güvenlik payı eklenir). Sonlu Elemanlar, mimari açıdan ilginç binalar için yepyeni dünyalar açar.

Sonlu Elemanlar ile gerçek ihtiyaçlara çok daha yakın olabilir (ya da insanlar inanır), ama açıkçası şimdi zor (ya da onun gibi insanlar için) sonuçları doğrulamak imkansızdır. Ve inan bana, "risk" bu açıdan çok önemli bir şeydir; bir şehirde büyük bir binanın cephesi yıkılırsa insanlar ölür ve mühendisler hapse girer.

TL; DR: Mühendisler, varsayımları doğrulamak veya yinelemeli olarak tatlı noktalar ve benzeri bulmak için doktorlara / bilim adamlarına benzer sayısal simülasyonlar kullanırlar. Ancak genel olarak ne bekleyeceklerini bilmeleri çok gereklidir. Beklenen sonuçlar hakkında önceden aklınıza gelmeyen bir deneyin sadece önemsiz olduğu bilimdeki ile aynıdır.

Söylenecek çok şey yok, ancak simülasyonu çalıştırmadan önce sonucu bilmek, kesin sayısal değeri bilmek değil, sorunun fiziğini anlamaya dayanan çözümle ilgili belirli beklentilere sahip olmaktır. Genellikle mühendisler problemi belirler ve genel yöntemi seçer ve nihayet problemi denklemler ve sınırlar kümesi olarak formüle ettiğimizde, bunu en etkili şekilde çözmemize yardımcı olmak için matematikçilerden yardım isteriz. Genellikle mühendisler denklemleri tanımlayanlardır, matematikçiler bunları çözer. Eğer eğilme anlayışından daha fazlasına sahip değilseniz, biharmonik denklemi çözebilmenize rağmen, çözümünüz muhtemelen doğru sapmalardan oluşmayacaktır. Matematikçi pde çözme için araçlar kullanmayı öğrendiğinde, çoğu pde problemini çözebilir, örneğin.