שְׁאֵלָה:
כיצד באמת משתמשים מהנדסים בסימולציה מספרית?
Paul
2015-01-24 11:36:09 UTC
view on stackexchange narkive permalink

כתב ויתור אני מתמטיקאי יישומי בהכשרתי, לא מהנדס. מחקרי העבודה שלי מתמקדים בעיקר ביצירת "שיטות" חדשות לפתרון PDE שונות הקשורות לעיוות מוצק (גמישות) ולמכניקת נוזלים. במובן זה, אני יודע לפתור בעיית pde באופן חישובי. מנקודת מבטי, מהנדסים משתמשים בעבודתי כ"כלים "להגשמת עבודתם.

עם זאת, בגלל חוסר ההשכלה / הניסיון שלי בהנדסה, אני מודה שאני ממש חסר מושג לגבי פתרונות מספריים pde's משמשים באמת בפועל של מהנדסים. המקור העיקרי לבלבול שלי הוא הבא:

נאמר לי שמהנדסים לעולם לא (או לעולם לא צריכים) לבצע סימולציות מספריות (למשל סופיות ניתוח אלמנטים, CFD וכו '...) מבלי לדעת או שיהיה לך רעיון טוב מבעוד מועד איך הסימולציה "צריכה" להיראות. זה עוזר למהנדסים להבחין בין תוצאות מציאותיות לבין תוצאות מוטלות בספק.

עם זאת, אני טוען ש אם המהנדס כבר יודע מה אמור לקרות בסימולציה, אז מה הטעם של סימולציה ב מקום ראשון ??? תמיד הנחתי שיש צורך בסימולציות למטרות ניבוי, שמניחות בורות לגבי העתיד לבוא. כלומר, אני חושב על סימולציה ככלי עצמאי לחיזוי העתיד כאשר אינך יודע למה לצפות .

מה אני מחפש הוא נקודת מבט רחבה יותר לאיך / מתי / מדוע מהנדסים משתמשים בסימולציות מספריות כמו CFD וניתוח אלמנטים סופיים, במיוחד אם נוהגים הנדסיים טובים מכתיבים שכבר כדאי לדעת למה לצפות כשאתה מדמה?

כנראה שפרקטיקה הנדסית טובה היא רק לחוש אילו תוצאות יהיו סבירות ואילו תוצאות לא פיזיות. לדעת את התוצאה לפני שאתה עושה את זה כנראה יתבקש יותר מדי.
באמצעות סימולציה תוכלו לוודא שהתכנון שלכם נכון. לחלופין, אתה יכול להסיק כי העיצוב שלך פגום, או שביצעת פרמטרים של סימולציה.
כמי שמשתמש בתוכנת סימולציה של יציקה על בסיס קבוע, יש לי אינטואיציה ממש טובה לצורה הכללית של פרופילי התמצקות רק על ידי התבוננות בגיאומטריה של CAD למשך כמה שניות. עם זאת, שכנוע אחרים לקבל החלטות עסקיות דורש הוכחה רבה יותר מאשר רק "המעיים שלי אומרים ..."
שמונה תשובות:
#1
+24
Subodh
2015-01-24 13:35:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

כתבתי בעיקר על CFD בתשובה זו, אולם אותן נקודות צריכות לעבוד גם עבור FEA או טכניקות סימולציה אחרות.

CFD משמש בעיקר לאופטימיזציה של עיצוב וללימוד פרמטרי של העיצוב. להלן מספר דוגמאות המראות כיצד מהנדסים משתמשים בסימולציות

  1. בחירת עיצוב : קרא: מחקר קונספטואלי על שיפור ביצועי רצועת הנייר באמצעות CFD. תזה זו מראה שימוש ב- CFD לבחירת העיצוב הטוב ביותר מתוך מספר עיצובים מועמדים. מהנדסים בדרך כלל הולכים על סימולציות כדי לבחור 'אחד' מתוך רבים .

  2. אופטימיזציה של צורה באמצעות CFD : מאמר זה נותן דוגמה לאופטימיזציה של צורת כנף באמצעות CFD. ו סרטון YouTube המדהים הזה הוא דוגמה מצוינת לדרך בה מהנדס ישתמש בתוכנת CFD ( OpenFOAM) ובאלגוריתם גנטי. CFD מאפשר להגיע לעיצוב טוב יותר מבלי לבנות מספר אבות טיפוס ולבדוק בפועל (שזה תהליך יקר וארוך). למעשה אופטימיזציה לתכנון היא הדרך הנפוצה ביותר לשימוש ב- CFD. על פי סקר זה, מהנדסי תכנון מכני מפיקים את השימוש ביותר ב- CFD (שימו לב: אינני יודע את מקוריות הדו"ח).

  3. שימוש בסימולציות בהן ניסויים קשים לביצוע / עשויים לעלות הרבה משאבים (או חיים) : ניתן לדמות יישומים בהם לא ניתן לבצע ניסויים, כגון העברת חום בכלי רכב חוזרים היפרסוניים ( דוגמאות כאן), או זרימת דם בגוף האדם. עם מחשב וניתן לבדוק תכנון סופי. דוגמה אחרת; CFD משמש למיקום בדיקות במודל מנהרת רוח. CFD נותן, למשל, את המיקום של נקודת הקיפאון על משטח המודל, ושם נוכל להציב את בדיקת הלחץ ואז לבדוק את המודל במנהרת הרוח בפועל. מצגת זו מסבירה כיצד CFD ומנהרת רוח הם זה מזה. כמו כן, נעשה שימוש ב- CFD כדי לחזות את התוצאות כאשר תוצאות ניסיוניות אינן זמינות (לא ניתן לקבל בדיקות בכל מקום במודל).

  4. תכנון ואופטימיזציה של מתקן הניסוי עצמו : בדרך כלל משתמשים בסימולציות לתכנון המתקן עצמו. לדוגמא, דוח זה מתאר כיצד CFD משמש לתכנון מנהרת הרוח.

  5. לפיתוח מודל תיאורטי : הדבר נראה לעיתים קרובות בקוסמולוגיה. מדענים מבצעים סימולציות המבוססות על מודל ומאמתים באמצעות נתוני הניסוי. תהליך איטרטיבי זה מביא להבנה טובה יותר של הפיזיקה והעבודה של היקום. קבוצת האסטרופיזיקה של נאס"א עשתה הדמיה מסוימת של חורים שחורים סופר-מסיביים, הסרטון הזה מדבר יותר על זה.

  6. בסרטים, אמנות ואנימציות : שאלה זו והתשובות הבאות ב- Scicomp.SE מראים, כמה תפקיד CFD צריך לשחק בסרטים ואנימציות ... (הצהרה: שאלתי את השאלה).

  7. כמה יישומים אחרים: אווירודינמיקה של מעוף החרקים, חישוב רעשים באמצעות CAA, תכנון אנטנות ו טכנולוגיית התגנבות באמצעות CEM, יישומי CFD בתעשיית המזון וכו '

הרשימה תמשיך ... בסופו של יום, CFD היא מנהרת רוח וירטואלית, שהיא שולחן עבודה שבו מהנדס יכול לבדוק את הרעיון שלו מבלי לייצר / לבנות שום דבר. כך שאם התוצאות מאומתות על פי מודל / ניסוי ידוע, ניתן להסתמך על מתודולוגיית ה- CFD לשינוי קל בגיאומטריה או בצורה. גם בגלל תוצאות CFD, מהנדס יכול להיות אמון בתוצאות הניסוי שלו. לכן המונח אימות. משאב טוב למקרי בדיקת אימות כאן.

לחיים!

#2
+12
Dave Tweed
2015-01-24 18:39:46 UTC
view on stackexchange narkive permalink

לסיכום התשובות האחרות: מהנדס צריך לדעת באופן איכותי כיצד תעבור הסימולציה, אך הוא עדיין צריך להריץ את הסימולציה כדי לקבל את התשובה הכמותית.

כמו כן, הדמיה מאפשרת למהנדס להשתנות. את הפרמטרים מעט ( הדמיית מונטה קרלו) על מנת להעריך את יציבות או שגיאת השגיאה של הפתרון. זה נעשה לעתים קרובות בסימולציה של מעגלים חשמליים, למשל, על מנת להעריך את הרגישות של התכנון לסבילות ערך הרכיב.

#3
+9
Tim H
2015-01-26 15:32:02 UTC
view on stackexchange narkive permalink

מהנדסים צריכים לקבל מושג כללי לגבי התוצאה הצפויה (ערכי Balpark, התנהגות צפויה) בעת שימוש במודל מחשב מסובך. לרוב המסקנות הללו מבוססות על מודל פשוט (הרבה יותר), שרצוי שניתן לבדוק ביד.

הסיבה הגדולה ביותר לכך היא ביטול האפשרות ל טעות אנושית בבניית המודל עצמו. השימוש בתוכנת דוגמנות כקופסה שחורה נואש ברצינות ונחשב מאוד לא מקצועי ומסוכן. כאשר התוצאות שונות מאוד מהצפוי, השאלה הראשונה שיש לשאול היא 'האם המודל בנוי היטב ?, האם לא עשיתי טעות (טיפשית)?'

סיבה שנייה היא להרוויח על המודל על ידי הבנתו. המודל הפשוט יותר משמש אבן דרך בתהליך ההבנה. כאשר מבינים מודל קל יותר לדעת מה לשנות כדי למצוא את הפיתרון לבעיה ההנדסית. ככזה המודל הוא כלי בתהליך התכנון.

זו נקודה נהדרת. רק התהליך הפשוט של בניית המודל מוביל לעיתים קרובות להבנה מעמיקה יותר של בעיה חדשה.
#4
+8
Fred
2015-01-24 14:08:50 UTC
view on stackexchange narkive permalink

כפי שאמר המרצה שלי לנוזלים לפני שנים רבות, "אם המתמטיקה לא מסכימה עם המציאות, המתמטיקה שגויה". אתה יכול להחליף את המלים מודל, תיאוריה או סימולציה בקלות במילה מתמטיקה ..

מהנדסים המשתמשים בסימולציות צריכים לקבל מושג טוב מאוד למה לצפות לפיתרון, ולא בהכרח לדעת מה תהיה התשובה. לסימולציה. יש הבדל. שם הניסיון של המהנדס הוא קריטי ומדוע תמיד צריך להיות מפוקח היטב על מהנדסים חסרי ניסיון בעת ​​ביצוע סימולציות.

מהנדסים משתמשים בסימולציות ממגוון סיבות, תלוי בתחום ההנדסה בו הם עובדים ובמה שהם עושים. . יש מהנדסים שמשתמשים בסימולציות כדי לאשר את העיצובים שלהם, בעוד שאחרים משתמשים בסימולציות כדי לחפש חולשות פוטנציאליות בעיצובים או בחומרים. לוודא מה יכול לקרות כשמשנים פרמטרים. ניתן להשתמש בזה בכדי לבחון את גבולות הביצועים העליונים והתחתונים או שזה יכול להוביל לשינויים בתכנון ובמקרים מסוימים לעיצוב מחודש מוחלט.

שוב, בהתאם לתחום ההנדסה, סימולציות שימושיות גם כאשר בוחנים כאשר צריך להוסיף משהו או להגדיל אותו בקנה מידה, השפעה כזו על מערכת חלוקת מים על ידי הוספת פיתוח חדש, או שינויים שיש לבצע במערכת האוורור של מכרה תת קרקעי.

סימולציות ניתן לעשות זאת בכדי לבחון: - ההשפעה על זרימת החומרים והמשאבים: נפט או מים ברשתות הצנרת בהתאמה, אוויר ברשתות אוורור, עפרות ממכרה או כמה מוקשים למפעל עיבוד או למספר מפעלי עיבוד. - מיזוג של מוצרים מינרליים המרחיבים ציבוריים - תשתית תחבורה כמו מסילות ברזל, כביש, חשמל רשתות תקשורת & - תנועת תנועה בעת ביצוע שינויים במערכת תעבורה: כביש חסום או מורחב, מאורגן מחדש לתנועה חד כיוונית, ה- i מבוא של נתיבי דרכים ואיסור חניה בצידי הכבישים - תכנון חללים תת קרקעיים ליישומים אזרחיים כגון אזורי חניה תת קרקעיים, תחנות רכבת או מנהרות ועצירות במכרה תת קרקעי. - הערכות NPV פיננסיות למטרות כלכלת פרויקט והשקעות

תמיד זה זול יותר ונבון להריץ מספר סימולציות מאשר לבנות משהו ולהיכשל באסון.

כפי שאמר עוד אחד ממרצי האוניברסיטאות שלי, עוד כאשר "הרופא טומן את טעויותיהם, אדריכלים מתכננים גפנים סביב טעויותיהם, המהנדסים נהרגים מטעויותיהם".

"אם המתמטיקה לא מסכימה עם המציאות, אז המתמטיקה שגויה" ... אני מסכים איתך בלב שלם. הלוואי שמתמטיקאים אחרים ירגישו כך :)
תפישת המציאות שלנו משתנה כל יום! ובכל זאת מתמטיקה אף פעם לא עושה ... אני מניח שמתמטיקה בפני עצמה היא די מעניינת. אנחנו יכולים לבחור לקשר זאת לתפיסת המציאות שלנו!
#5
+5
Rick supports Monica
2015-01-27 01:35:42 UTC
view on stackexchange narkive permalink

בתחום הספציפי שלי (עיצוב קולטרה קבור), אנו מריצים ללא הרף ניתוחי אלמנטים סופיים. אנחנו כמעט ולא משנים עיצוב על פי התוצאות; אנו יודעים להיכנס (ממגוון גורמים, בעיקר ניסיון קודם והנחות שמרניות) אם העיצוב טוב או לא. אנו מבצעים את הניתוחים כדי להדגים לאחרים כי העיצוב שלנו טוב. אנו עשויים לצבוט משהו, אך הוא לעולם אינו משתנה באופן מהותי.

לעתים קרובות מאוד, קודי בנייה וסוכנויות רגולטוריות מציינים דרישות מסוימות להפגנת קבילות העיצוב. לפעמים הפעלת המודל היא קפיצה פחות או יותר דרך החישוקים הללו, כך שאדם עם פחות ידע וזמן יכול לברר במהירות את העובדות הרלוונטיות מבלי להיתקע בדקות.


לסיכום - ולא כוונתי להיות גלוב, אלא:

מהנדסים משתמשים ב- FEA / סימולציה מספרית כדי שיהיה לנו מה להציג באולם בית משפט מלבד תוכן חומר המוח שלנו.

תוספת :

בדוחות שלנו, אנחנו גם אוהבים (ומובילי הביטוח שלנו באמת אוהבים את שלנו) להיות מסוגלים לומר "המודל אומר ..." .

אף פעם לא דמיינתי את זה ככה ..! אז עד כמה איכות ההדמיה חשובה במקרים כאלה? אני מתכוון למרווח רשת, שלב בזמן וכו ', מכיוון שזו נקודת מבט חדשה לחלוטין להסתכל על סימולציה, +1
לאיכות (שעל פי תיאורך אני מתכוון לדיוק) יש חשיבות משתנה - היא חייבת להיות לפחות מספיק טובה כדי שאדם בעל ידע דומה יוכל לומר שאתה עומד בסטנדרט הטיפול הנדרש מטבעו כשאתה חותמת על הדו"ח שלך. אבל לפעמים יותר מדי איכות / דיוק הם עניין של ממש; זה יכול לגרום לזה להיראות כאילו אתה יודע יותר ממך, או שאתה אומר שאתה יודע יותר מכפי שאתה יודע. עליכם להיות זהירים מאוד ולנהל תמיד את צד האחריות שלכם (או שלא תישארו זמן רב בעסקים).
נושא אחר: לרוב זה יקר מדי לבצע ניתוחים מרובים. דרישת הזמן פשוט גבוהה מדי. מסיבה זו בלבד היית משתדל לעולם לא להשקיע את הזמן בבניית מודל שעדיין לא בטוח שאתה תשתמש בו בסופו של דבר.
#6
+3
Eric
2015-01-27 02:35:08 UTC
view on stackexchange narkive permalink

אני מתכנן מנועים חשמליים ואני משתמש ב- FEA אלקטרומגנטית כחלק מאותו תהליך תכנון. למעצבי מנועים יש הרבה טכניקות אנליטיות טובות שמקרבות אותנו מאוד לביצועים בפועל של המנועים עבור פרמטרים מרכזיים מסוימים (מומנט, משיכת זרם, מהירות וכו '). עם זאת, הדבר מחייב שנניח הנחות מסוימות שעשויות להיות תקפות או לא. לדוגמא, אני יכול להניח שהשטף דרך פלדה מסוימת מפוזר באופן שווה או שאניח כמות מסוימת של דליפת שטף דרך חריץ. סוגים אלה של הנחות הינן לעיתים קרובות תקפות לחלוטין. אחת הסיבות שאני משתמש ב- FEA היא לאשר שההנחות שהנחתי תקפות. אם הן תקפות, תוצאות ה- FEA יתנו לי פחות או יותר את מה שציפיתי. אם הן לא תקפות, תוצאות ה- FEA יעזרו לי להבין מה ההנחות הרעות שלי.

סיבה נוספת שאני משתמש בה היא שיש כמה פרמטרים מוטוריים שלא ניתן לקבוע היטב בעזרת טכניקות אנליטיות. לדוגמא, אדוות מומנט (כמות השונות במומנט כאשר הרוטור מסתובב) קשה לעשות בטכניקות אנליטיות. אני יודע שלסוגים מסוימים של מנוע יש אדווה גרועה יותר ואני יודע שלשילובים מסוימים של קטבים לחריצים יש אדווה טובה יותר משילובים אחרים וכללי אצבע אחרים, אבל FEA יכולה לעזור לך לכמת את זה.

הסיבה השנייה שאני משתמש ב- FEA היא כיוונון עיצוב באמת. אם יש לי עיצוב שעושה פחות או יותר את מה שאני רוצה, אז אני יכול לנסות להגביר את היעילות או להפחית את עובי המגנט או כל דבר אחר.

אז אני משתמש בזה בכדי 1) לבדוק את ההנחות שלי, 2) לפתור בעיות שלא ניתן לעשות בקלות בעזרת טכניקות אנליטיות ו -3) לכוונן את העיצובים שלי בכדי להגדיל את הביצועים או להפחית את העלות או פשוט לשפר אותם. כל 3 אלה דורשים שתהיה לי אחיזה טובה למדי בעיצוב לפני שאתחיל בתהליך FEA. זה לא אומר שאני אף פעם לא מופתע מהתוצאות או לא לומד דברים, אבל כאשר ההפתעות האלה קורות, אתה יכול להיות בטוח שאחזור ואנסה להבין מה השתבש.

#7
+2
AnoE
2017-12-01 18:31:32 UTC
view on stackexchange narkive permalink

כדי לתת לך דוגמה מעשית: אבי היה מהנדס מבנים שעבד בחברה לאומית גדולה; המומחיות שלו הייתה לקחת את הרישומים למבנים (בעיקר חזיתות בנייה), שלרוב היו "בסדר" סבירים ולחשב דברים ספציפיים כמו גודל ברגים / ברגים, ריווח, ממד הצורך של תמוכות וכן הלאה. הם עבדו על מבנים גדולים מאוד, כמו שדות תעופה, בנייני אופרה, גורדי שחקים. שינוי קטן בחישוב (נניח, ברגים מעט קטנים יותר, או קצת פחות) יכול להיות מאות אלפי אירו שנחסכו. דברים קטנים ורעים מדי קורים.

בעשור האחרון שלו לפני הפנסיה, הוא השתמש בעיקר ב- GWBasic (!) עם מעט תוכניות בכתב עצמי עבור עבודתו. פירוש הדבר שהוא עבד ישירות בשיטות שהכיר והשתמש בהן הרבה לפני הופעת המחשבים בתחומו לתוכניות GWBasic. אפשר לקרוא לזה סוג של סימולציה מספרית טריוויאלית, אבל למעשה זה היה רק ​​מחשבון כיס מהולל (למעשה הוא עשה את אותו הדבר על מחשבוני כיס עם רצועות מגנטיות ניתנות לתכנות, לפני כן).

בסוף בימי העבודה שלו החלה להופיע תוכנת Finite Element המקצועית, והוא השתמש בפרויקטים מסובכים מאוד מעת לעת. מעולם לא היה מדובר בהגעה לתוצאות חדשות, אלא תמיד לברר האם גישה מסוימת אפשרית. כלומר, בקו עבודתו הכל קשור לעומסים על מוטות פלדה וכאלה; והחישובים הידניים מצטמצמים, מסיבות ברורות, לרוב למקרים לינאריים (ואז עם רווחי אבטחה של 100-200% נוסף לכך). אלמנטים סופיים פותחים עולמות חדשים לגמרי לבניינים מעניינים אדריכליים.

עם האלמנטים הסופיים, הוא יכול היה להתקרב ל הרבה לצרכים האמיתיים (או כך לפחות אנשים מאמינים), אך ברור שכעת קשה (או, לאנשים כמוהו) בלתי אפשרי לאמת את התוצאות. . ותאמין לי, "סיכון" הוא דבר בולט מאוד מבחינה זו; אם חזית הבניין הגדול בעיר יורדת, אנשים מתים ומהנדסים בסופו של דבר בכלא.

TL; DR: מהנדסים משתמשים בסימולציות מספריות בדומה לרופאים / מדענים, כדי לאמת הנחות, או למצוא באופן איטרטיבי נקודות חמודות וכאלה. אך נדרש מאוד שהם צריכים לדעת למה, באופן כללי, לצפות. זה אותו דבר כמו במדע, שבו ניסוי שלא נימקת לפני כן לגבי התוצאות הצפויות, הוא רק זבל.

#8
+1
Katarina
2017-12-01 19:28:51 UTC
view on stackexchange narkive permalink

לא נותר הרבה מה לומר, אך תוצאה של ידיעה לפני סימולציה של ריצה אינה הכרת ערך מספרי מדויק אלא שיש ציפיות מסוימות בנוגע לפיתרון המבוסס על הבנת הפיזיקה של הבעיה. בדרך כלל מהנדסים קובעים בעיה ובוחרים בשיטה כללית וכאשר אנו מגבשים סוף סוף בעיה כמערכת משוואות וגבולות אנו מבקשים עזרה ממתמטיקאים שיעזרו לנו לפתור אותה בצורה היעילה ביותר. בדרך כלל מהנדסים הם אלה שמגדירים משוואות, מתמטיקאים פותרים אותן. אם אין לך הבנה בכיפוף, אם כי אתה יכול לפתור משוואה ביהרמונית, הפיתרון שלך כנראה לא יהיה סטה של ​​סטיות נכונות. כאשר מתמטיקאי ילמד להשתמש בכלים לפתרון pde הוא יכול לפתור את רוב בעיות ה- pde, אך למשל. מהנדס מכונות אם כי יבין את היסודות של solwer לא ינסה להשתמש בו כדי לפתור הדמיה של מכ"ם או זרימה חשמלית.

הדרך היחידה לפתור את בעיות CFD ביותר, אם לא כולן, נובעת משימוש נבון בהנחות להקטנת האלמונים ...
אותו דבר כמו מבני ואחר. בשבועות האחרונים פתרתי כיפוף, הבעיות הגדולות ביותר מבחינתי הן תנאי הגבול.


שאלה ותשובה זו תורגמה אוטומטית מהשפה האנגלית.התוכן המקורי זמין ב- stackexchange, ואנו מודים לו על רישיון cc by-sa 3.0 עליו הוא מופץ.
Loading...