Автор Дэйв Мартин (Dave Martin)
Допустим, вы возглавляете организацию, занимающуюся разработкой изделий. Группа ваших конструкторов создала то, что, по вашему мнению, станет замечательным изделием. То есть пора переходить к массовому производству, не так ли?
Не так быстро. До этого вам следует понять, как вы будете его изготавливать. Также вам надо быть уверенным в том, что изделие будет работать. Оно не должно легко ломаться или иметь излишества и работать вечно (учесть моральный износ). Вы создали прототип и испытали его, но это слишком дорого. Как вы сможете валидировать и верифицировать вое изделие быстро и по низкой стоимости? Ответ: имитационное моделирование.
Имитационное моделирование — процесс разработки математического представления реального или предполагаемого изделия в виде компьютерной модели.
Прототипирование или моделирование
Отец американского ядерного флота адмирал Хайман Риковер известен как сторонник создания дубликатов, а не выполнения моделирования. Если у вас имеется время, ресурсы и финансы, всегда предпочтительным будет создавать полномасштабные прототипы и протестировать их в реальных условиях эксплуатации. Но, если необходимо быстро выйти на рынок, быстрее своих конкурентов, и по низкой цене, создание таких прототипов не целесообразно, более того, это может быть опасно. Заставлять людей работать с оборудованием прототипа, не выполнив предварительного моделирования с целью проверки безопасности подвергает их риску.
Чтобы сделать процесс разработки изделия быстрее, дешевле и безопаснее, ученые и инженеры начали использовать компьютеры для моделирования и расчетов сложных конструкторских задач еще в начале 1940-х. С этого началась новая эра имитационного моделирования.
Прогноз реальных результатов
Благодаря возможностям имитационного моделирования, к модели могут применяться условия реального мира для имитации того, как будет функционировать ее реальный аналог. Это позволяет получить численные результаты для описания реакций и конечного состояния изделия, часто в виде визуального представления и анимации.
Имитационное моделирования предназначено для проверки того, как изделие отвечает своим требованиям к функционированию. Оно может дать идеи для внесения необходимых изменений и подтвердить правильность выбора испытаний в реальных условиях. Вы сможете отказаться от испытаний, если имеется высокий запас прочности, выполнять испытания для требований, где ваши требования являются предельными значения и изменить модель, если они не выполняются.
Имитационное моделирование при конструкторской разработке изделий может выполняться различными способами, включая, помимо прочего:
- расчеты с помощью метода конечных элементов (FEA);
- вычислительную гидроаэродинамику (CFD);
- кинематику и динамику твердого тела.
В области FEA могут выполняться такие различные типы расчетов, как статические, динамические, колебательные, тепловые для стационарных процессов, теплопередачи и усталости.
Имитационное моделирование в проектировании
Конструкторы знают, как находить аналитические решения для таких ситуаций, как:
- прогиб и напряжения консольной балки при равномерно распределенной нагрузке;
- температурное равновесие массивного предмета при заданных тепловых нагрузках;
- число циклов до разрушения при распространении трещины.
Однако аналитические решения отсутствуют для сложных изделий, состоящих из многих компонентов, имеющих неправильную форму и состоящих из различных материалов, как, например, в изделиях для космонавтики, авиации и оборонной промышленности, потребительской электронике, медицинских устройствах и автомобилях.
Поэтому в имитационном моделировании используется подход «разделяй и властвуй» для оценки задач, не имеющих аналитического решения. FEA разделяет модель на многочисленные малые элементы, например, тетраэдры (пирамиды), клинья и параллелепипеды, для которых имеется аналитическое решение. Из этих элементов составляется матрица жесткости. После наложения на модель связей, матрица жесткости упрощается до решаемых уравнений.
Для приложенных к модели усилий можно вычислить перемещения из которых можно получить деформации (изменение длины по отношению к первоначальному значению), а затем напряжения. Такая информация позволяет нам понять, выдержит ли объект условия эксплуатации или деформируется и сломается.
Помимо геометрии изделия, принцип «разделяй и властвуй» может также быть применен и к другим вопросам расчетов, например, нагрузкам и времени. Скажем, при моделировании контакта или удара, нагрузка может действовать по нарастающей, так как напряжения растут нелинейно при увеличении зоны контакта. Тепловые, газодинамические расчеты и расчеты механизмов делят временной интервал на малые приращения для вычисления последовательных изменений.
Часто конченым результатом имитационного моделирования становится вычисление коэффициента надежности и запаса прочности. Они математически связаны друг с другом и дают заключение о том, может ли изделие выдержать нагрузки в ходе эксплуатации.
Если изделие отвечает требованиям к запасу прочности, результаты можно будет использовать для его оптимизации. Таким образом, имитационное моделирование может помочь создавать более легкие, эстетически боле привлекательные и более простые в изготовлении изделия.
Имитационное моделирование и тестирование
Имитационное моделирование всегда должно сопровождаться испытаниями в реальных условиях. Адмирал Риковер знал, имитационное моделирование — не замена испытаниям, но проверка того, что мы выполняем правильные испытания (около или ниже границы). Сочетание имитационного моделирования и испытаний создает процесс верификации, гарантирующий соответствие изделия требованиям и назначению.
Имитационное моделирование играет важную роль в процессе разработки изделий, позволяя использовать вычислительную мощь для создания наилучшего изделия, согласно нашим потребностям, как можно быстро, недорого и безопасно.
Узнать о предлагаемых инструментах для имитационного моделирования.
Источник: https://www.ptc.com/en/cad-software-blog/what-is-simulation-analysis
