Какие выгоды можно получить используя цифровые технологии в инженерном анализе (CAE)?

05 апреля 2022

Цифровой инженерный анализ подразумевает использование специализированного программного обеспечения для улучшения продукта и решения инженерных проблем в широком спектре отраслей промышленности. Он может включать в себя виртуальное моделирование, оптимизацию и валидацию изделий и процессов, охватывающих весь инженерный цикл проектирования, начиная от эскизного проекта и заканчивая натурными испытаниями и планированием производства.

CAE используется как для проектирования, так и для оптимизации процесса проектирования изделий, что позволяет проводить натурные испытания без необходимости в физическом прототипе. Наиболее часто используемые методы анализа включают анализ методом конечных элементов (FEA), вычислительную гидро-/газодинамику (CFD), тепловой анализ и многотельную динамику (кинематика).

Объединение инженерного моделирования и высокопроизводительных вычислений обеспечивает экономию средств и времени как при проектировании, так и в общем процессе разработки изделий.

Как это работает?

CAE обычно включает в себя три основных этапа: предварительной обработка, решение задачи и постобработки (обработка результатов расчета).

Стадия предварительной обработки — это когда инженеры моделируют системные и физические свойства конструкции вместе с рабочей средой в виде ограничений (закреплений) и действующих нагрузок. Важно, чтобы это моделирование включало в себя все аспекты действующих нагрузок, которым будет подвергаться изделие в процессе эксплуатации (включая силы, температуры и т. д.), чтобы максимально близко приблизить расчетную модель к реальной жизни. Важно отметить, что уровень детализации расчетной модели так же влияет, как и точность граничных условий и зависит от типа решаемой задачи и цели моделирования.

Затем конечно-элементная модель отправляется в решатель, который в соответствии с граничными условиями и физикой процесса, представит результаты в наглядном виде (те самые очень красивые, но непонятные картинки) для постобработки.

Моделирование сложной геометрии может быть затруднено даже в современных САПР, поскольку для этого требуется большое количество вычислительной мощности, предоставляемой сложными ИТ-инфраструктурами. Это стало проще с появлением высокопроизводительных облачных вычислений, которые позволяют небольшим компаниям получать доступ к CAE без необходимости покупать и обслуживать дорогостоящее оборудование. Облачные вычисления позволяют делают доступным инженерный анализ все большему числу производственных компаний, хотя стоит признать, что на практике для отечественных предприятие такой подход используется редко в силу понятных всем причин.

Преимущества

Одним из основных преимуществ CAE является то, что для создания и тестирования физических прототипов требуется всего несколько часов по сравнению с несколькими днями или даже неделями.

Очевидно, есть более сложные изделия, на расчеты которых могут уйти недели, а то и месяцы. В любом случае натурные испытания таких изделий занимаю времени на порядок дольше. Конечно, физический прототип практически всегда требуется в какой-то момент (зачем объясняем в нашей статье "Что такое верификация и валидация в инженерном анализе?", но CAE значительно уменьшает количество требуемых прототипов.

Использование CAE и последующее снижение требований к физическим прототипам экономит затраты и время на разработку продукта, обеспечивая при этом лучшие потребительский характеристики продукта и выпуск изделия с первого опытного образца.

К преимуществам CAE можно отнести:

Экономия денег: использование компьютерного моделирования для оценки проектов значительно дешевле, чем создание нескольких, а зачастую и одного физического прототипа
Экономия времени: программное обеспечение для CAE сэкономит время, позволяя вам быстрее создавать сложные расчетные модели, которые невозможно полноценно и точно посчитать аналитическими методами
Меньше ошибок: в последнее время среди вендоров программного обеспечения появился тренд демократизации расчетов в САПР, что позволяет снизить порог вхождения для анализа сложных систем, по сравнению со сложными аналитическими расчетами. Если некоторое время назад CAE использовали узкоспециализированные и дорогостоящие специалисты с соответствующим образованием, то сейчас можно с уверенностью сказать, что для расчета ряда несложных изделий может справиться инженер-конструктор. В таком подходе есть даже некоторое преимущество: проектировщик изделия лучше знает его узкие места и характер эксплуатации, чем инженер-расчетчик
Меньше усилий: проектирование различных моделей с использованием CAE требует меньше усилий, поскольку программное обеспечение CAE автоматизирует большую часть задачи
Меньше повторяющего труда: поскольку компьютерное кодирование может использоваться неоднократно, нет необходимости выполнять одни и те же задачи повторно. Вместо этого различные части кода могут быть скопированы и повторно использованы в дизайне по мере его разработки
Простой обмен: файлы расчетной модели можно легко хранить и совместно использовать
Повышенная точность: численные методы, реализованные в CAE, предлагают более высокий уровень точности по сравнению с аналитическими расчетами, что открывает много возможностей по улучшению ТТХ продукта, снижения себестоимости и эксплуатационных затрат. Мы не раз убеждались в этом на реальных проектах, поэтому с уверенностью можем сказать, что численные методы позволяют выпустить лучшее изделие, нежели посчитанное аналитическими методами. Чаще всего это связано с тем, что в аналитике многие физические явления учитываются эмпирическими коэффициентами, значения которых зачастую неизвестны и расчетчику приходится выбирать их по верхней границе. Численные методы позволяют моделировать множество физических явлений в явном виде и получать менее консервативные, и более точные результаты
Улучшенное принятие решений: проектные решения могут быть основаны на их влиянии на производительность конечного продукта или системы, в то время как последствия этих решений будут выявлены раньше в процессе разработки, когда любые изменения в дизайне легче и дешевле сделать, нежели после изготовления опытного образца

Недостатки

В то время как CAE предлагает множество преимуществ, есть некоторые, кто считает, что точные результаты появляются только позже в цикле проектирования продукта, что затрудняет проектирование более сложных деталей. Тем не менее, компании-разработчики программного обеспечения CAE постоянно разрабатывают новые инструменты и улучшают процесс для решения этой проблемы. Будем честны с вами, помимо этого, есть несколько других потенциальных недостатков CAE:

Аппаратный сбой: поломка компьютера может привести к потере работы
Безопасность: работа может быть подвержена вирусам или взломам
Навыки персонала: для работы с программным обеспечением CAE может потребоваться обучение
Стоимость САПР: современные CAE системы могут быть дорогими в покупке
Обновления: программное обеспечение может нуждаться в регулярном обновлении для поддержания его в актуальном состоянии

Кто использует автоматизированную инженерию?

Конструктора и расчетчики используют CAE для проектирования, тестирования, прогнозирования и улучшения компонентов и узлов, чтобы гарантировать, что готовая продукция соответствует требованиям к производительности, энергопотреблению и долговечности при минимальных затратах на ее изготовление.

Этот означает, что CAE используется в любой отрасли, которая нуждается в создании продуктов для различных отраслей, включая автомобильную, аэрокосмическую, потребительские товары, электронику, энергетику, машиностроение и многое другое, с продуктами, варьирующимися от крошечных до больших сложных структур, таких как целые электростанции.

Какие отрасли используют CAE? Промышленное применение

Как подчеркивалось выше, многие отрасли промышленности используют CAE, начиная от аэрокосмической и заканчивая энергетикой. Эти методы могут быть использованы для любой отрасли, которая разрабатывает или производит продукты, повышая безопасность и снижая затраты, гарантируя, что готовый продукт соответствует потребностям конечного пользователя, и все это без необходимости в нескольких дорогостоящих физических прототипах.

Существует широкий спектр различных промышленных применений и типов анализа, в том числе:

Анализ напряженно-деформированного состояния и динамики с использованием анализа методом конечных элементов (FEA)
Акустический анализ
Тепловой анализ и анализ поток жидкости и газа с помощью вычислительной гидродинамики (CFD)
Многотельный динамический (MBD) и кинематический анализ
1D-анализ, или моделирование мехатронных систем
Моделирование производственного процесса
Оптимизация продукта
Анализ системы управления

Каждый из этих типов анализа может потребовать цикла этапов предварительной обработки, расчета и постобработки, которые могут быть повторены несколько раз с целью верификации модели. Не путать с валидацией, это совершенно разные, но связанные между собой процессы. Обещаем поговорить об этом отдельно, потому что тема верификации и валидации расчетных моделей очень мало уделяется на отечественных предприятиях. По нашему мнению, это одна из проблем, следствием которой является недоверие к результатам расчетов и как следствие, не понимание как получить вышеперечисленные в статье выгоды с помощью инженерного анализа.

Верификация и валидация (также сокращенно V& V) являются независимыми процедурами, которые используются вместе для проверки того, что продукт или система соответствуют требованиям и спецификациям и что они соответствуют своему назначению.

Стандарт для верификации и валидации в вычислительной гидродинамике и теплопередаче ASME V&V-20 (2009)
Иллюстрация концепций верификации и валидации в вычислительной механике твердого тела ASME V&V-10.1 (2012)

Заключение

Объединение инженерного моделирования и высокопроизводительных вычислений позволяет автоматизированному проектированию обеспечивать преимущества в целом ряде отраслей. Создавая экономию времени и средств как при проектировании, так и при разработке продукта, CAE, похоже, будет продолжать оставаться важной частью совершенствования производства и процессов.

С созданием инновационных новых методов проектирования и проектирования CAE работает над оптимизацией и улучшением процедур разработки продуктов путем моделирования, обеспечивая при этом общий стандарт качества продукции. Успешно освоить инженерный анализ не так просто как кажется, тем не менее, вы можете использовать его как конкурентное преимущество и успешно выпускать лучшие изделия с первого опытного образца!