Wie setzen Ingenieure die numerische Simulation wirklich ein?

Haftungsausschluss Ich bin ausgebildeter Mathematiker und kein Ingenieur. Meine Forschungsarbeit konzentriert sich hauptsächlich auf die Entwicklung neuer "Methoden" zur Lösung verschiedener PDEs im Zusammenhang mit der Verformung von Festkörpern (Elastizität) und der Strömungsmechanik. In diesem Sinne weiß ich, wie man ein PDE-Problem rechnerisch löst. Aus meiner Sicht nutzen Ingenieure meine Arbeit als "Werkzeug", um ihre Arbeit zu erledigen.

Aufgrund meines Mangels an Ausbildung / Erfahrung im Ingenieurwesen gebe ich jedoch zu, dass ich ziemlich ahnungslos bin, wie numerische Lösungen für PDEs in der Praxis eines Ingenieurs tatsächlich verwendet werden. Die Hauptursache meiner Verwirrung ist die folgende:

Mir wurde gesagt, dass Ingenieure niemals numerische Simulationen (z. B. Finite-Elemente-Analyse, CFD usw.) durchführen sollten, ohne vorher zu wissen oder eine gute Idee zu haben, wie die Simulation aussehen sollte. So können Ingenieure realistische Ergebnisse von fragwürdigen unterscheiden.

Ich behaupte jedoch, dass, wenn der Ingenieur bereits weiß, was in der Simulation geschehen soll, worum geht es dann überhaupt bei der Simulation? Ich bin immer davon ausgegangen, dass Simulationen für Vorhersagezwecke erforderlich sind, was voraussetzt, dass wir nicht wissen, was kommen wird. Das heißt, ich stelle mir eine Simulation als eigenständiges Tool vor, mit dem Sie die Zukunft vorhersagen können, wenn Sie nicht wissen, was Sie erwartet .

Was ich suche, ist eine breitere Perspektive in, wie / wann / warum Ingenieure numerische Simulationen wie CFD und Finite-Elemente-Analyse verwenden, besonders wenn gute Ingenieurspraxis vorschreibt, dass Sie bereits wissen sollten, was zu erwarten ist, wenn Sie simulieren?

Ich habe in dieser Antwort hauptsächlich über CFD geschrieben, aber die gleichen Punkte sollten auch für FEA oder andere Simulationstechniken gelten.

CFD wird hauptsächlich zur Entwurfsoptimierung und zur parametrischen Untersuchung des Entwurfs verwendet. Es folgen einige Beispiele, die zeigen, wie Ingenieure Simulationen verwenden

1. Auswahl eines Designs : Lesen Sie: Eine konzeptionelle Studie zur Leistungssteigerung von Tragflächen mithilfe von CFD. Diese Arbeit zeigt die Verwendung von CFD zur Auswahl des besten Designs aus einer Reihe von Designkandidaten. Ingenieure gehen oft zu Simulationen, um aus vielen „den einen“ auszuwählen .

2. Formoptimierung mit CFD : In diesem Artikel wird ein Beispiel für die Flügelformoptimierung mit CFD gegeben. Und dieses erstaunliche YouTube-Video ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie ein Ingenieur eine CFD-Software ( OpenFOAM ) und einen genetischen Algorithmus verwenden würde. CFD ermöglicht es, ein besseres Design zu erzielen, ohne eine Reihe von Prototypen und Tests zu erstellen (was ein teurer und langer Prozess ist). Tatsächlich ist die Entwurfsoptimierung die am häufigsten verwendete Methode für die CFD. Laut dieser Umfrage nutzen Konstrukteure im Maschinenbau am meisten CFD (Anmerkung: Ich kenne die Echtheit des Berichts nicht).

3. Mit Simulationen , bei denen Experimente schwierig auszuführen / könnte eine Menge von Ressourcen kosten (oder Leben) : Anwendungen , bei denen Experimente nicht möglich sind , durchzuführen, wie beispielsweise die Wärmeübertragung in hypersonisch Wiedereintrittsfahrzeugen ( Beispiele hier ) oder den Blutfluss Im menschlichen Körper kann mit einem Computer simuliert und das endgültige Design getestet werden. Ein anderes Beispiel; CFD wird zur Platzierung von Sonden in einem Windkanalmodell verwendet. CFD gibt zum Beispiel die Position des Staupunkts auf einer Oberfläche des Modells an, und dort können wir die Drucksonde platzieren und das Modell dann im tatsächlichen Windkanal testen. Diese Präsentation erklärt, wie sich CFD und Windkanal ergänzen. CFD wird auch verwendet, um die Ergebnisse vorherzusagen, wenn keine experimentellen Ergebnisse verfügbar sind (es können nicht überall Sonden im Modell vorhanden sein).

4. Entwurf und Optimierung der Versuchsanlage selbst : Simulationen werden üblicherweise für den Entwurf der Anlage selbst verwendet. In diesem Bericht wird beispielsweise beschrieben, wie CFD für die Auslegung des Windkanals verwendet wird.

5. Um ein theoretisches Modell zu entwickeln : Dies wird oft in der Kosmologie gesehen. Wissenschaftler führen Simulationen basierend auf einem Modell durch und validieren mit den experimentellen Daten. Dieser iterative Prozess führt zu einem besseren Verständnis der Physik und der Funktionsweise des Universums. Die NASA-Astrophysik-Gruppe hat einige Simulationen von supermassiven schwarzen Löchern durchgeführt. In diesem Video wird mehr darüber gesprochen .

6. In Filmen, Kunst und Animationen : Diese Frage und die folgenden Antworten auf Scicomp.SE zeigen, welche Rolle CFD in Filmen und Animationen spielt ... (Haftungsausschluss: Ich habe die Frage gestellt).

7. Einige andere Anwendungen: Aerodynamik des Insektenfluges , Geräuschberechnung mit CAA , Design von Antennen und Stealth-Technologie mit CEM , Anwendungen von CFD in der Lebensmittelindustrie usw.

Die Liste geht weiter ... Am Ende des Tages ist CFD ein virtueller Windkanal, eine Werkbank, in der ein Ingenieur seine Idee testen kann, ohne etwas herzustellen oder zu bauen. Wenn also die Ergebnisse anhand eines bekannten Modells / Experiments validiert werden, kann man sich bei einer geringfügigen Änderung der Geometrie oder Form auf die CFD-Methode verlassen. Auch aufgrund der CFD-Ergebnisse kann ein Ingenieur auf seine experimentellen Ergebnisse vertrauen. Das ist, warum der Begriff Validierung. Eine gute Quelle für Validierungstestfälle hier .

Prost!

Um die anderen Antworten zusammenzufassen: Ein Ingenieur muss qualitativ wissen, wie die Simulation abläuft, aber er muss trotzdem die Simulation ausführen, um die quantitative Antwort zu erhalten.

Die Simulation ermöglicht es dem Ingenieur auch, die Parameter geringfügig zu variieren ( Monte-Carlo-Simulation ), um die Stabilität oder die Fehlerquote der Lösung zu bewerten. Dies geschieht beispielsweise häufig in der Simulation elektrischer Schaltkreise, um die Empfindlichkeit eines Entwurfs gegenüber Bauteilwerttoleranzen zu bewerten.

Ingenieure sollten eine allgemeine Vorstellung vom erwarteten Ergebnis (Balpark-Werte, erwartetes Verhalten) haben, wenn sie ein kompliziertes Computermodell verwenden. Meistens basieren diese Schlussfolgerungen auf einem (viel) einfacheren Modell, das vorzugsweise von Hand überprüft werden kann.

Der Hauptgrund dafür ist, die Möglichkeit menschlicher Fehler bei der Konstruktion des Modells selbst auszuschließen. Die Verwendung von Modellierungssoftware als Black Box wird ernsthaft missbilligt und als sehr unprofessionell und riskant angesehen. Wenn die Ergebnisse stark von den Erwartungen abweichen, lautet die erste Frage: "Ist das Modell gut konstruiert? Habe ich keinen (dummen) Fehler gemacht?"

Ein zweiter Grund ist, die Kontrolle über das Modell zu erlangen , indem man es versteht. Das einfachere Modell fungiert als Sprungbrett im Verständnisprozess. Wenn ein Modell verstanden wird, ist es einfacher zu wissen, was geändert werden muss, um eine Lösung für das technische Problem zu finden. Als solches ist das Modell ein Werkzeug im Entwurfsprozess.

Wie mein Flüssigkeitsdozent vor vielen Jahren sagte, "wenn die Mathematik nicht mit der Realität übereinstimmt, ist die Mathematik falsch". Sie können das Wort Mathematik einfach durch die Wörter Modell, Theorie oder Simulation ersetzen.

Ingenieure, die Simulationen verwenden, sollten eine sehr gute Vorstellung davon haben, was für eine Lösung zu erwarten ist, und nicht unbedingt wissen, wie die Antwort für eine Simulation aussehen wird. Da ist ein Unterschied. Hier ist die Erfahrung des Ingenieurs entscheidend und warum unerfahrene Ingenieure bei der Durchführung von Simulationen immer gut überwacht werden sollten.

Ingenieure verwenden Simulationen aus verschiedenen Gründen, je nachdem, auf welchem ​​Gebiet sie arbeiten und was sie tun. Einige Ingenieure verwenden Simulationen, um ihre Konstruktionen zu bestätigen, während andere Simulationen verwenden, um nach potenziellen Schwachstellen in Konstruktionen oder Materialien zu suchen.

Der andere Aspekt von Simulationen besteht darin, dass Ingenieure eine Reihe von „Was-wäre-wenn-Szenarien“ betrachten können, um festzustellen, was passieren kann, wenn Parameter geändert werden. Dies kann verwendet werden, um die oberen und unteren Leistungsgrenzen zu überprüfen, oder es kann zu Designänderungen und in einigen Fällen zu einer vollständigen Neugestaltung führen.

Abhängig vom Gebiet der Technik sind Simulationen auch nützlich, wenn darüber nachgedacht werden soll, wann etwas zu- oder vergrößert werden muss, z Lüftungssystem einer unterirdischen Mine.

Es können auch Simulationen durchgeführt werden, um Folgendes zu untersuchen: - die Auswirkungen auf den Material- und Ressourcenfluss: Öl oder Wasser in den jeweiligen Rohrnetzen, Luft in Lüftungsnetzen, Erz von einer Mine oder mehreren Minen zu einer Verarbeitungsanlage oder eine Reihe von Verarbeitungsprozessen Pflanzen - Beimischung von Mineralprodukten zur Erweiterung des öffentlichen Nahverkehrs - Verkehrsinfrastruktur wie Eisenbahnen, Straßen, Elektrizität und Kommunikationsnetze - Verkehrsbewegung bei Änderungen an einem Verkehrssystem: Straßensperrung oder Verbreiterung, Umstrukturierung für den Einbahnverkehr, Einführung von Freiflächen und Verbot des Parkens am Straßenrand - die Gestaltung von unterirdischen Räumen für zivile Anwendungen wie
Tiefgaragen, Bahnhöfe oder Tunnel und Haltestellen in einer unterirdischen Mine. - finanzielle Barwertbewertungen für projektökonomische und Investitionszwecke

Es ist immer billiger und vorsichtiger, eine Reihe von Simulationen durchzuführen, als etwas zu konstruieren und es katastrophal scheitern zu lassen.

Ein anderer meiner Universitätsdozenten sagte vor langer Zeit: „Der Doktor begräbt seine Fehler, die Architekten planen Weinberge nach ihren Fehlern, die Ingenieure werden durch ihre Fehler getötet.“

In meinem speziellen Bereich (Konstruktion von vergrabenen Durchlässen) führen wir ständig Finite-Elemente-Analysen durch . Wir ändern fast nie ein Design basierend auf den Ergebnissen. Wir wissen, ob das Design gut ist oder nicht (aufgrund einer Vielzahl von Faktoren, hauptsächlich vorheriger Erfahrung und konservativer Annahmen). Wir führen die Analysen durch , um anderen zu zeigen, dass unser Design gut ist. Wir können etwas optimieren, aber es wird nie wesentlich geändert.

Sehr oft legen Bauvorschriften und Aufsichtsbehörden bestimmte Anforderungen für den Nachweis der Entwurfsakzeptanz fest. Manchmal springt das Laufen des Modells mehr oder weniger durch diese Rahmen, so dass eine Person mit weniger Wissen und Zeit die relevanten Fakten schnell ermitteln kann, ohne sich in der Kleinigkeit zu verfangen.

Zusammenfassend - und es ist nicht meine Absicht, glib zu sein, aber:

Ingenieure verwenden FEA / numerische Simulation, damit wir in einem Gerichtssaal etwas anderes präsentieren können als den Inhalt unseres Gehirns.

NACHTRAG:

In unseren Berichten gefällt es uns auch (und unseren Versicherungsträgern WIRKLICH sehr), sagen zu können, dass "Das Modell sagt ..." .

Ich entwerfe Elektromotoren und verwende dabei elektromagnetische FEA. Motorkonstrukteure verfügen über viele gute Analysetechniken, mit denen wir der tatsächlichen Leistung der Motoren für bestimmte Schlüsselparameter (Drehmoment, Stromaufnahme, Drehzahl usw.) sehr nahe kommen. Dies setzt jedoch voraus, dass wir bestimmte Annahmen treffen, die möglicherweise gültig sind oder nicht. Zum Beispiel könnte ich annehmen, dass der Fluss durch einen bestimmten Stahlpfad gleichmäßig verteilt ist, oder ich könnte eine bestimmte Menge an Flussverlust durch einen Schlitz annehmen. Diese Arten von Annahmen sind oftmals zutreffend. Ein Grund, warum ich FEA benutze, ist die Bestätigung, dass die von mir getroffenen Annahmen gültig sind. Wenn sie gültig sind, geben mir die FEA-Ergebnisse ziemlich genau das, was ich erwartet habe. Wenn sie nicht gültig sind, helfen mir die FEA-Ergebnisse dabei, meine schlechten Annahmen herauszufinden.

Ein weiterer Grund, warum ich es benutze, ist, dass es einige Motorparameter gibt, die mit analytischen Techniken nicht sehr gut bestimmt werden können. Zum Beispiel ist eine Drehmomentwelligkeit (das Ausmaß der Drehmomentschwankung, wenn sich der Rotor dreht) mit analytischen Techniken schwierig zu bewerkstelligen. Ich weiß, dass bestimmte Motortypen eine schlechtere Welligkeit aufweisen, und ich weiß, dass bestimmte Kombinationen von Polen zu Schlitzen eine bessere Welligkeit aufweisen als andere Kombinationen und andere Faustregeln, aber FEA kann Ihnen dabei helfen, dies zu quantifizieren.

Der andere Grund, warum ich FEA benutze, ist die Feinabstimmung eines Designs. Wenn ich ein Design habe, das so ziemlich das tut, was ich will, kann ich versuchen, die Effizienz ein wenig zu steigern oder die Magnetdicke oder was auch immer zu reduzieren.

Ich verwende es also, um 1) meine Annahmen zu überprüfen, 2) Probleme zu lösen, die mit Analysetechniken nicht einfach zu lösen sind, und 3) meine Designs zu optimieren, um die Leistung zu steigern oder die Kosten zu senken oder sie einfach zu verbessern. Alle drei erfordern, dass ich das Design gut beherrsche, bevor ich mit dem FEA-Prozess beginne. Das bedeutet nicht, dass ich nie von den Ergebnissen überrascht bin oder Dinge nicht lerne, aber wenn diese Überraschungen passieren, können Sie sicher sein, dass ich zurückkehren und versuchen werde, herauszufinden, was schief gelaufen ist.

Um Ihnen ein praktisches Beispiel zu geben: Mein Vater war ein Bauingenieur, der für ein großes nationales Unternehmen arbeitete. Seine Spezialität war es, die Zeichnungen für Konstruktionen (hauptsächlich für Gebäudefassaden) zu erstellen, die normalerweise "OK" waren, und bestimmte Dinge wie Schraubengröße / Bolzen, Abstand, erforderliche Abmessung der Streben usw. zu berechnen. Sie arbeiteten an sehr großen Strukturen wie Flughäfen, Opernhäusern und Wolkenkratzern. Eine kleine Änderung in der Berechnung (z. B. etwas kleinere oder etwas weniger Schrauben) kann Einsparungen in Höhe von Hunderttausenden Euro bedeuten. Zu kleine und schlechte Dinge passieren.

In seinem letzten Jahrzehnt vor seiner Pensionierung verwendete er hauptsächlich GWBasic (!) Mit kleinen selbstgeschriebenen Programmen für seine Arbeit. Dies bedeutet, dass er die Methoden, die er kannte und lange vor dem Aufkommen von Computern auf seinem Gebiet verwendet hatte, direkt in GWBasic-Programme einarbeitete. Man könnte dies als eine Art triviale numerische Simulation bezeichnen, aber tatsächlich war es nur ein verherrlichter Taschenrechner.

Am Ende seiner Arbeitstage erschien eine professionelle Finite-Elemente-Software, die er von Zeit zu Zeit für sehr komplizierte Projekte verwendete. Es ging nie darum, tatsächlich neue Ergebnisse zu erzielen, sondern immer herauszufinden, ob ein bestimmter Ansatz machbar ist. Das heißt, in seiner Arbeit dreht sich alles um das Laden von Stahlstangen und dergleichen; und die manuellen Berechnungen werden aus offensichtlichen Gründen meist auf lineare Fälle reduziert (und dann mit 100-200% Sicherheitsmargen dazu). Finite Elemente eröffnen architektonisch interessanten Gebäuden ganz neue Welten.

Mit den Finiten Elementen könnte er den realen Notwendigkeiten viel näher kommen (so glauben die Leute), aber jetzt ist es offensichtlich schwierig (oder für Leute wie ihn), die Ergebnisse vollständig zu verifizieren. Und glauben Sie mir, "Risiko" ist in dieser Hinsicht eine sehr wichtige Sache; Wenn die Fassade eines großen Gebäudes in einer Stadt herunterfällt, sterben Menschen und Ingenieure landen im Gefängnis.

TL; DR: Ingenieure verwenden numerische Simulationen ähnlich wie Ärzte / Wissenschaftler, um Annahmen zu überprüfen oder iterativ Sweet Spots und dergleichen zu finden. Aber es ist sehr wichtig, dass sie wissen, was im Allgemeinen zu erwarten ist. Es ist dasselbe wie in der Wissenschaft, wo ein Experiment, für das Sie zuvor nicht über die erwarteten Ergebnisse nachgedacht haben, nur Junk ist.

Es bleibt nicht viel zu sagen, aber das Ergebnis vor dem Ausführen der Simulation zu kennen, ist kein exakter Zahlenwert, sondern bestimmte Erwartungen hinsichtlich der Lösung zu haben, die auf dem Verständnis der Physik des Problems beruhen. Normalerweise stellen die Ingenieure ein Problem und wählen die allgemeine Methode. Wenn wir das Problem schließlich als Satz von Gleichungen und Grenzen formulieren, suchen wir Hilfe von Mathematikern, um es auf die effektivste Weise zu lösen. In der Regel sind Ingenieure diejenigen, die Gleichungen definieren, Mathematiker lösen sie. Wenn Sie kein Verständnis für Biegen haben, obwohl Sie die biharmonische Gleichung lösen können, wird Ihre Lösung wahrscheinlich nicht aus den richtigen Ablenkungen bestehen. Wenn der Mathematiker lernt, Werkzeuge zum Lösen von PDE zu verwenden, kann er die meisten PDE-Probleme lösen, aber z.