Метод численного моделирования процессов и производство

Категория: Производство

процессорПроизводство сложных изделий иногда сталкивается с так называемыми проблемными деталями или узлами: стандартные расчеты дают корректные результаты, в то время как опытная эксплуатация приводит к поломкам там, где их быть "не должно".

Почему возникают такие ситуации? В общем, это понятно: инженерные расчеты проводятся с определенной точностью, и возможны, хотя и маловероятны, ситуации, когда неучтенные "мелочи" начинают играть существенную роль. Такая ситуация может возникнуть при достаточно больших нагрузках на деталь, или вибрациях от других узлов, приводящих к резонансам ... В каждом проблемном случае требуется отдельное изучение вопроса, возможно, достаточно глубокое.

Как правило, собственными силами провести такое изучение предприятие не берется - трудно прогнозировать ресурсы, которые потребуются при таком исследовании, да и решение не гарантировано. Альтернативой является разработка другой модели изделия, в которой проблемность отсутствует. Однако, возникают ситуации, которые не удается обойти вот таким прагматичным способом, и это может стать препятствием развития данного ряда изделий, что в условиях рынка крайне опасно.

Как правило, в каждой отрасли промышленности есть отраслевые институты; возможно, они уже сталкивались с данной проблемой, и могут дать конкретные рекомендации по ее решению. Но такая безоблачная ситуация также встречается не всегда. И вот для таких случаев разработаны и применяются системы компьютерного моделирования различного рода физических явлений, - механических, тепловых, аэро и гидродинамических и т.д. Что же это такое?
Существует ряд математических теорий, описывающих физические процессы: механическое взаимодействие тел разных характеристик, аэро или гидро динамические процессы, распределение тепла, электродинамика и т.д. Выведенные в них формулы довольно точно (точнее инженерных формул) описывают поведение соответствующих процессов в виде решений сложных дифференциальных уравнений, причем эти решения должны удовлетворять дополнительным условиям.

Поскольку напрямую такие дифференциальные уравнения не решаются, придуманы методы приближенного построения решения, с помощью которых можно получить требуемое решение с любой заданной точностью. Один из таких методов - так называемый метод конечных элементов, - обычно и используют, чтобы обсчитать конкретную ситуацию в том или ином физическом процессе. Хотя общая картина, описанная здесь проста, все сложности спрятаны в двух технических моментах:

1) надо задать правильные условия, чтобы искомое решение уравнения как можно точнее соответствовало проблемной физической ситуации;
2) надо подобрать такие параметры при использовании метода приближенного решения, чтобы получить ответ в реальное время, а не через сто лет работы компьютера.

Для задач, возникающих в практике (а именно таковы проблемные детали или узлы), используют наиболее мощные из доступных вычислительные средства, например, суперкомпьютеры. Существует ряд программ (FLUENT, STAR-CD, VP2/3, FLOW3D, ANSYS, LS DINE и др.), ориентированные на широкий круг вопросов. Как правило, такая программа снабжена средствами решения обеих технических вопросов, и - как нетрудно понять - эти средства не являются совсем уж простыми. Кроме этого, имеются средства визуализации полученного решения в образах той области, где проблема возникла (например, слишком быстро стирающийся под нагрузкой плуг, неэффективно работающий вентилятор, ломающийся карданный вал и др.).

Кроме визуального изображения моделируемого процесса отображается обычно и набор физических параметров (температура, давление, напряжения и др.). Визуализация иллюстрирует критичные параметры цветовой гаммой, поэтому по цвету изображения детали (или ее части) можно примерно определить изменение критичного параметра (например, напряжения) в моделируемый период.

Иногда требуется участие специалиста предприятия для адекватного описания возникшей задачи, и обсуждения допустимых упрощений общей ситуации. Но обычно бывает достаточно подробного описания возникшей проблемы. Часто визуализация полученного при моделировании проблемного процесса, делает для конструктора ясным и путь решения. Но в некоторых случаях может потребоваться расчет вариантов процесса в соответствии с заданными параметрами.
Можно также отметить, что и постановка задачи для численного моделирования, и результаты, полученные при моделировании, могут передаваться через интернет, правда, объем результатов сравним обычно с полнометражным фильмом. Поэтому численное моделирование постепенно становится одним из важных инструментов проектирование новой продукции для все большего количества предприятий.