Menu

Что такое имитационное моделирование?

Вы здесь:ИРИСОФТИнженерные расчетыЧто такое имитационное моделирование?

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.

Конструкторы часто моделируют тепловые, частотные и конструкционные свойства 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.

Адмирал Риковер — отец современного флота США и возможно самый последовательный сторонник физического прототипирования. (Автор неизвестен,c официального сайта Военно-морского исторического центра США)

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

Март 2021
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031