In che modo gli ingegneri usano davvero la simulazione numerica?

Disclaimer Sono un matematico applicato per addestramento, non un ingegnere. La mia ricerca di lavoro si concentra principalmente sulla creazione di nuovi "metodi" per risolvere diversi PDE relativi alla deformazione solida (elasticità) e alla meccanica dei fluidi. In questo senso, so come risolvere un problema pde a livello computazionale. Dal mio punto di vista, gli ingegneri usano il mio lavoro come "strumenti" per realizzare il loro lavoro.

Tuttavia, a causa della mia mancanza di istruzione / esperienza in ingegneria, ammetto che in realtà sono piuttosto all'oscuro di come le soluzioni numeriche a PDE siano realmente utilizzate nella pratica di un ingegnere. La fonte principale della mia confusione è la seguente:

Mi è stato detto che gli ingegneri non eseguono (o non dovrebbero mai) simulazioni numeriche (ad esempio analisi agli elementi finiti, CFD, ecc ...) senza sapere o avere in anticipo una buona idea di come dovrebbe essere la simulazione. Questo aiuta gli ingegneri a discriminare risultati realistici da quelli discutibili.

Tuttavia, sostengo che se l'ingegnere sa già cosa dovrebbe succedere nella simulazione, allora qual è il punto di simulazione in primo luogo ??? Ho sempre supposto che le simulazioni siano necessarie per scopi predittivi, il che presuppone l'ignoranza di ciò che verrà. Cioè, penso a una simulazione come uno strumento autonomo per prevedere il futuro quando non sai cosa aspettarti .

Quello che sto cercando è una prospettiva più ampia su come / quando / perché gli ingegneri utilizzano simulazioni numeriche come CFD e analisi agli elementi finiti, soprattutto se le buone pratiche ingegneristiche impongono che dovresti già sapere cosa aspettarti quando simuli?

Ho scritto principalmente su CFD in questa risposta, tuttavia gli stessi punti dovrebbero funzionare anche per FEA o altre tecniche di simulazione.

Il CFD viene utilizzato principalmente per l'ottimizzazione della progettazione e lo studio parametrico della progettazione. Di seguito sono riportati alcuni esempi che mostrano come gli ingegneri utilizzano le simulazioni

1. Selezione di un disegno : Leggi: uno studio concettuale sul miglioramento delle prestazioni del profilo aerodinamico mediante CFD. Questa tesi mostra l'uso del CFD per selezionare il miglior design tra una serie di progetti candidati. Gli ingegneri spesso cercano simulazioni per selezionare "l'uno" tra molti .

2. Ottimizzazione della forma usando CFD : Questo documento fornisce un esempio di ottimizzazione della forma dell'ala usando CFD. E questo fantastico video di YouTube è un eccellente esempio del modo in cui un ingegnere userebbe un software CFD ( OpenFOAM ) e un algoritmo genetico. CFD consente di arrivare a una progettazione migliore senza effettivamente costruire un numero di prototipi e test (che è un processo costoso e lungo). In realtà l'ottimizzazione del design è il modo più comune in cui viene utilizzato il CFD. Secondo questo sondaggio , gli ingegneri di progettazione meccanica sfruttano maggiormente il CFD (nota: non conosco l'autenticità del rapporto).

3. Uso di simulazioni in cui gli esperimenti sono difficili da eseguire / potrebbero costare molte risorse (o vita) : applicazioni in cui non è possibile eseguire esperimenti, come il trasferimento di calore in veicoli di rientro ipersonici ( esempi qui ) o flusso sanguigno nel corpo umano , può essere simulato con un computer e può essere testato il progetto finale. Un altro esempio; Il CFD viene utilizzato per il posizionamento delle sonde su un modello di galleria del vento. Il CFD fornisce, ad esempio, la posizione del punto di ristagno su una superficie del modello, e lì possiamo posizionare la sonda di pressione e quindi testare il modello nella galleria del vento reale. Questa presentazione spiega come i CFD e la galleria del vento sono complementari. Inoltre, il CFD viene utilizzato per prevedere i risultati in cui non sono disponibili risultati sperimentali (non è possibile avere sonde ovunque nel modello).

4. Progettazione e ottimizzazione della struttura di sperimentazione stessa : le simulazioni sono comunemente utilizzate per la progettazione della struttura stessa. Ad esempio, questo rapporto descrive come viene utilizzato il CFD per la progettazione della galleria del vento.

5. Sviluppare un modello teorico : questo è spesso visto in cosmologia. Gli scienziati eseguono simulazioni basate su un modello e convalidano con i dati sperimentali. Questo processo iterativo si traduce in una migliore comprensione della fisica e del funzionamento dell'universo. Il gruppo di astrofisica della NASA ha fatto alcune simulazioni di Supermassive Black Holes, questo video ne parla di più .

6. Nei film, nell'arte e nelle animazioni : questa domanda e le seguenti risposte mostrano Scicomp.SE, quanto un ruolo CFD deve avere nei film e nelle animazioni ... (dichiarazione di non responsabilità: ho posto la domanda).

7. Alcune altre applicazioni: aerodinamica del volo degli insetti , calcolo del rumore mediante CAA , progettazione di antenne e tecnologia stealth mediante CEM , applicazioni di CFD nell'industria alimentare ecc.

L'elenco continuerà ... Alla fine della giornata, CFD è una galleria del vento virtuale, è un banco di lavoro in cui un ingegnere può testare la sua idea senza produrre / costruire nulla. Quindi, se i risultati vengono convalidati rispetto a un modello / esperimento noto, allora si può fare affidamento sulla metodologia CFD per un leggero cambiamento nella geometria o nella forma. Anche a causa dei risultati CFD, un ingegnere può avere fiducia nei suoi risultati sperimentali. Ecco perché il termine convalida. Una buona risorsa per i casi di test di validazione qui .

Saluti!

Per riassumere le altre risposte: un ingegnere deve sapere qualitativamente come andrà la simulazione, ma deve comunque eseguire la simulazione per ottenere la risposta quantitativa.

Inoltre, la simulazione consente all'ingegnere di variare leggermente i parametri ( simulazione Monte Carlo ) al fine di valutare la stabilità o il margine di errore della soluzione. Ciò viene spesso eseguito nella simulazione del circuito elettrico, ad esempio, al fine di valutare la sensibilità di un progetto alle tolleranze del valore dei componenti.

Gli ingegneri dovrebbero avere un'idea generale del risultato atteso (valori di Balpark, comportamento previsto) quando utilizzano un modello di computer complicato. Il più delle volte queste conclusioni si basano su un modello (molto) più semplice, che preferibilmente può essere verificato a mano.

La ragione principale di ciò è eliminare la possibilità di errore umano nella costruzione del modello stesso. L'uso del software di modellazione come una scatola nera è seriamente disapprovato e considerato molto poco professionale e rischioso. Quando i risultati sono molto diversi da quelli attesi, la prima domanda che ci si dovrebbe porre è "il modello è ben costruito ?, non ho fatto un (stupido) errore?"

Un secondo motivo è quello di ottenere il controllo del modello comprendendolo. Il modello più semplice funge da trampolino di lancio nel processo di comprensione. Quando viene compreso un modello, è più semplice sapere cosa modificare per trovare la soluzione al problema di ingegneria. Come tale il modello è uno strumento nei processi di progettazione.

Come ha affermato il mio professore di Fluids molti anni fa, "se la matematica non è d'accordo con la realtà, la matematica è sbagliata". Puoi facilmente sostituire il modello di parole, la teoria o la simulazione con la parola matematica.

Gli ingegneri che usano le simulazioni dovrebbero avere un'ottima idea di cosa aspettarsi da una soluzione, non necessariamente sapere quale sarà la risposta per una simulazione. C'è una differenza. È qui che l'esperienza dell'ingegnere è fondamentale e perché gli ingegneri inesperti devono sempre essere ben supervisionati durante le simulazioni.

Gli ingegneri utilizzano le simulazioni per una serie di motivi, a seconda del campo di ingegneria in cui lavorano e di ciò che stanno facendo. Alcuni ingegneri usano simulazioni per confermare i loro progetti mentre altri usano simulazioni per cercare potenziali punti deboli in progetti o materiali.

L'altro aspetto delle simulazioni è che consentono agli ingegneri di considerare una serie di "scenari ipotetici" per accertare cosa potrebbe accadere quando i parametri vengono modificati. Questo può essere utilizzato per esaminare i limiti di prestazioni limite superiore e inferiore o può portare a modifiche di progettazione e in alcuni casi a una riprogettazione totale.

Ancora una volta, a seconda del settore dell'ingegneria, le simulazioni sono utili anche quando si considera quando qualcosa deve essere aggiunto o aumentato in scala, come l'effetto su un sistema di distribuzione dell'acqua aggiungendo un nuovo sviluppo o le modifiche che devono essere apportate al sistema di ventilazione di una miniera sotterranea.

Le simulazioni possono anche essere fatte per esaminare: - l'impatto sul flusso di materiali e risorse: olio o acqua nelle rispettive reti di tubazioni, aria nelle reti di ventilazione, minerale proveniente da una miniera o più miniere verso un impianto di lavorazione o una serie di lavorazioni impianti - miscelazione di prodotti minerali che estendono il pubblico - infrastrutture di trasporto come ferrovie, strade, reti elettriche e di comunicazione - circolazione del traffico quando vengono apportate modifiche a un sistema di traffico: blocco o ampliamento della strada, riorganizzazione per traffico a senso unico, introduzione di autostrade e che vieta il parcheggio ai lati delle strade il - la progettazione di spazi sotterranei per applicazioni civili come
parcheggi sotterranei, stazioni ferroviarie o tunnel e fermate in una miniera sotterranea. - valutazioni finanziarie NPV per scopi economici e di progetto

È sempre più economico e prudente eseguire una serie di simulazioni piuttosto che costruire qualcosa e farlo fallire catastroficamente.

Come ha detto anche un altro dei miei docenti universitari, molto tempo fa, "Il dottore seppellisce i propri errori, gli architetti pianificano la vite intorno ai loro errori, gli ingegneri vengono uccisi dai loro errori".

Nel mio campo particolare (progettazione di canali sotterranei sepolti), eseguiamo costantemente analisi agli elementi finiti . Non cambiamo quasi mai un design basato sui risultati; sappiamo se (da una varietà di fattori, principalmente esperienze precedenti e ipotesi conservative), se il design è buono o no. Eseguiamo le analisi per dimostrare agli altri che il nostro design è buono. Potremmo modificare qualcosa, ma non è mai cambiato sostanzialmente.

Molto spesso, i codici di costruzione e le agenzie di regolamentazione specificano determinati requisiti per la dimostrazione dell'accettabilità del progetto. A volte eseguire il modello è più o meno saltare attraverso questi cerchi, in modo che una persona con meno conoscenza e tempo possa accertare rapidamente i fatti rilevanti senza impantanarsi nella minutia.

Riassumendo - e non è mia intenzione essere glib, ma:

Gli ingegneri usano la simulazione FEA / numerica in modo che possiamo avere qualcosa da presentare in un'aula di tribunale diverso dai contenuti della nostra materia cerebrale.

APPENDICE:

Nei nostri rapporti, ci piace anche (e ai nostri assicuratori DAVVERO DAVVERO piace molto ai nostri) poter dire "Il modello dice ..." .

Progetto motori elettrici e utilizzo FEA elettromagnetico come parte di tale processo di progettazione. I progettisti di motori hanno molte buone tecniche analitiche che ci avvicinano molto alle prestazioni effettive dei motori per determinati parametri chiave (coppia, assorbimento di corrente, velocità, ecc.). Tuttavia, ciò richiede che facciamo alcune ipotesi che potrebbero essere o non essere valide. Ad esempio, potrei supporre che il flusso attraverso un certo percorso di acciaio sia distribuito uniformemente o che io possa assumere una certa quantità di perdita di flusso attraverso uno slot. Questi tipi di ipotesi sono spesso totalmente validi da formulare. Uno dei motivi per cui utilizzo FEA è confermare che le ipotesi che ho formulato erano valide. Se sono validi, i risultati FEA mi daranno praticamente quello che mi aspettavo. Se non sono validi, i risultati FEA mi aiuteranno a capire quali fossero le mie cattive ipotesi.

Un altro motivo per cui lo uso è che ci sono alcuni parametri motori che non possono essere determinati molto bene usando tecniche analitiche. Ad esempio, l'ondulazione di coppia (la quantità di variazione della coppia durante la rotazione del rotore) è difficile da fare con le tecniche analitiche. So che alcuni tipi di motori hanno un'increspatura peggiore e so che alcune combinazioni di poli con slot ha un'increspatura migliore rispetto ad altre combinazioni e altre regole empiriche, ma FEA può aiutarti a quantificarlo.

L'altra ragione per cui utilizzo FEA è quella di mettere a punto un progetto. Se ho un design che fa praticamente quello che voglio, posso quindi provare a migliorare un po 'l'efficienza o a ridurre lo spessore del magnete o altro.

Quindi, lo uso per 1) controllare i miei presupposti, 2) risolvere problemi che non possono essere fatti facilmente con le tecniche analitiche e 3) mettere a punto i miei progetti per aumentare le prestazioni o ridurre i costi o semplicemente migliorarli. Tutti e 3 questi richiedono che io abbia una buona padronanza del design prima di iniziare il processo FEA. Ciò non significa che non sono mai sorpreso dai risultati o non imparo cose, ma quando si verificano queste sorprese, puoi essere sicuro che tornerò indietro e cercherò di capire cosa è andato storto.

Per darvi un esempio pratico: mio padre era un ingegnere strutturale che lavorava per una grande azienda nazionale; la sua specialità era prendere i disegni per le costruzioni (principalmente facciate di edifici), che di solito erano "OK" ragionevoli, e calcolare cose specifiche come la dimensione di viti / bulloni, la distanza, la dimensione necessaria di montanti e così via. Lavorarono su strutture molto grandi, come aeroporti, palazzi dell'opera, grattacieli. Una piccola modifica nel calcolo (diciamo, viti un po 'più piccole o un po' meno) può significare centinaia di migliaia di € risparmiati. Succedono cose troppo piccole e brutte.

Nell'ultimo decennio prima della pensione, ha usato principalmente GWBasic (!) Con piccoli programmi scritti da sé per il suo lavoro. Ciò significa che ha lavorato direttamente con i metodi che conosceva e aveva usato molto prima dell'avvento dei computer nel suo campo nei programmi GWBasic. Potresti chiamarlo una sorta di banale simulazione numerica, ma in realtà era solo una calcolatrice tascabile glorificata (in realtà aveva già fatto lo stesso su calcolatori tascabili con strisce magnetiche programmabili, prima).

Alla fine dei suoi giorni di lavoro, ha iniziato a comparire il software Finite Element professionale, che ha usato di tanto in tanto per progetti molto complicati. Non si trattava mai di ottenere nuovi risultati, ma sempre di scoprire se un certo approccio fosse fattibile. Vale a dire, nella sua linea di lavoro, si tratta di carichi su barre di acciaio e simili; e i calcoli manuali sono, per ovvi motivi, per lo più ridotti a casi lineari (e quindi con margini di sicurezza del 100-200% aggiunti a quello). Finite Elements apre mondi completamente nuovi per edifici architettonicamente interessanti.

Con gli Elementi finiti, potrebbe avvicinarsi molto alle necessità reali (o almeno così la gente crede), ma ovviamente ora è difficile (o, per persone come lui) assolutamente impossibile verificare i risultati. E credetemi, "rischio" è una cosa molto importante in questo senso; se la facciata di un grande edificio in una città crolla, la gente muore e gli ingegneri finiscono in prigione.

TL; DR: gli ingegneri usano simulazioni numeriche in modo simile ai medici / scienziati, per verificare ipotesi o trovare ripetutamente punti deboli e simili. Ma è molto necessario che abbiano bisogno di sapere cosa, in generale, aspettarsi. È lo stesso della scienza, in cui un esperimento per il quale non hai ragionato in anticipo sui risultati attesi, è solo spazzatura.

Non c'è molto altro da dire, ma che conoscere il risultato prima di eseguire la simulazione non è conoscere esattamente il valore numerico ma avere determinate aspettative riguardo alla soluzione basata sulla comprensione della fisica del problema. Di solito gli ingegneri pongono il problema e scelgono il metodo generale e quando finalmente formuliamo il problema come insieme di equazioni e confini, cerchiamo aiuto dai matematici per aiutarci a risolverlo nel modo più efficace. Di solito gli ingegneri sono quelli che definiscono le equazioni, i matematici le risolvono. Se non hai alcuna comprensione della flessione di, anche se puoi risolvere l'equazione biarmonica, la tua soluzione probabilmente non sarà impostata con le giuste deviazioni. Quando il matematico impara a usare gli strumenti per risolvere i problemi, può risolvere la maggior parte dei problemi, ma ad es.