W przygotowaniu

nr 5-6(25-26) 2017
dostępny
po 29.12.2017

Wydanie aktualne

nr 3-4(23-24) 2017
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

Wydania archiwalne

nr 1-2(21-22) 2017
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

nr 1-2(19-20) 2015
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(18) 2014
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(17) 2013
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(16) 2012
dostępny
w archiwum

numer 1(15) 2011
dostępny
w archiwum

numer 4(14) 2010
HD dostępny
w archiwum

numer 3(13) 2010
HD dostępny
w archiwum

numer 2(12) 2010
dostępny
w archiwum

numer 1(11) 2010 dostępny
w archiwum
(...)

Poniedziałek, 3.03.2012 r.

Kolorowo w chmurach

Projektowanie wspomagane komputerowo znacznie wykroczyło poza obszary, które jeszcze do niedawna były domeną desek kreślarskich, a także logarytmicznych suwaków i kalkulatorów. Obliczenia wytrzymałościowe, analizy zmęczeniowe, obliczenia wartości wielkości przepływów cieczy, ich wpływu na wielkość i rozkład drgań i naprężeń w układzie konstrukcji itp. stanowią jedną z dynamiczniej rozwijających się dziedzin z pogranicza matematyki, informatyki i inżynierii. Korzystanie w celu przeprowadzenia analiz i obliczeń z wyspecjalizowanego oprogramowania przestało być koniecznością, gdyż liczący się producenci coraz częściej implementują tego typu funkcjonalności bezpośrednio do swoich systemów; często dzieje się tak na drodze akwizycji. Gdy jednak nie dysponujemy takim środowiskiem programowym, a nasze finanse okazują się ograniczone, możemy sięgnąć po wysokiej klasy wyspecjalizowane narzędzia, dostępne albo bezpłatnie, albo na zasadzie SaaS (Software as a Service) – czyli odpłatnie, ale w stopniu proporcjonalnym do korzystania z zasobów i możliwości danego rozwiązania. Wiele wskazuje na to, że te ostatnie doskonale sprawdzą się jako systemy dostępne w chmurze (Cloud Computing)

OPRACOWANIE: Maciej Stanisławski

Komputerowe systemy do wykonywania analiz i symulacji z wykorzystaniem metody elementów skończonych (MES – ale uwaga, ang. skrót MES oznacza Mechanical Events Simulation) zrewolucjonizowały pracę inżynierów. Zredukowały czas potrzebny na wykonywanie skomplikowanych działań na układach równań, macierzach itp., w zamian pozwalając na wykonywanie wspomnianych analiz w środowisku będącym swoistym standardem współczesnych systemów CAE (ang. Computer Aided Engineering).

Metoda elementów skończonych stała się powszechnie stosowanym narzędziem obliczeń inżynierskich. Łatwo zauważyć, iż rozwój metody elementów skończonych przebiega równolegle z rozwojem techniki komputerowej. Pierwsze prace wskazujące na praktyczne zastosowania MES opublikowane zostały w latach czterdziestych ubiegłego wieku. W tych samych latach zresztą powstały pierwsze komputery. Początkowo obliczenia przeprowadzane za pomocą metody elementów skończonych dotyczyły obiektów o bardzo prostych geometriach (najczęściej modelowanych jako jednowymiarowe) i stałych własnościach materiałowych oraz zjawisk opisanych liniowymi równaniami różniczkowymi.

Przykład analizy statycznej danego elementu w złożeniu – środowisko Autodesk Simulation 360

Źródło: Autodesk

Od lat siedemdziesiątych metodę elementów skończonych zaczęto stopniowo stosować do rozwiązywania problemów nieliniowych, ale dalej dla obiektów o stosunkowo prostych geometriach, modelowanych jako jedno– lub dwuwymiarowe. Gwałtowny rozwój techniki komputerowej w latach osiemdziesiątych, związany z coraz większą mocą obliczeniową komputerów oraz możliwością operowania i przechowywania bardzo dużych zbiorów informacji, umożliwił zastosowanie metody elementów skończonych do obliczeń problemów nieliniowych dla obiektów o dowolnie złożonych geometriach, szczególnie 3D. Bardzo duży wkład w rozwój i popularyzację metody elementów skończonych wniósł profesor Zienkiewicz z Uniwersytetu Walijskiego w Swansea. Jego książka pt. „Metoda elementów skończonych” została przetłumaczona na język polski w 1972 r.

Przykład analizy termalnej elementu turbiny – środowisko Autodesk Simulation 360. Wielu producentów rozwiązań CAE lubi przykłady dotyczące takiego elementu (vide CalculiX)

Źródło: Autodesk

Rozwiązanie problemu za pomocą metody elementów skończonych przebiega w kilku następujących kolejno etapach:
1. Analizowany obszar zostaje podzielony na pewną skończoną liczbę geometrycznie prostych elementów, tzw. elementów skończonych.
2. Zakłada się, że te elementy połączone są ze sobą w skończonej liczbie punktów znajdujących się na obwodach – najczęściej są to punkty narożne. Noszą one nazwę węzłów. Poszukiwane wartości wielkości fizycznych stanowią podstawowy układ niewiadomych.
3. Następnie obiera się pewne funkcje jednoznacznie określające rozkład analizowanej wielkości fizycznej wewnątrz elementów skończonych, w zależności od wartości tych wielkości fizycznych w węzłach. Funkcje te noszą nazwę funkcji węzłowych lub funkcji kształtu.
4. Równania różniczkowe opisujące badane zjawisko przekształcone zostają (poprzez zastosowanie tzw. funkcji wagowych) w równania metody elementów skończonych. Są to równania algebraiczne.
5. Na podstawie równań metody elementów skończonych przeprowadza się asemblację układu równań, tzn. oblicza wartości współczynników stojących przy niewiadomych oraz odpowiadające im wartości prawych stron. Jeżeli rozwiązywane zadanie jest niestacjonarne, to w obliczaniu wartości prawych stron wykorzystuje się dodatkowo warunki początkowe. Liczba równań w układzie jest równa liczbie węzłów przemnożonych przez liczbę stopni swobody węzłów, tzn. liczbę niewiadomych występujących w pojedynczym węźle.
6. Do tak utworzonego układu równań wprowadza się warunki brzegowe. Wprowadzenie tych warunków następuje poprzez wykonanie odpowiednich modyfikacji macierzy współczynników układu równań oraz wektora prawych stron.
7. Rozwiązuje się układ równań otrzymując wartości poszukiwanych wielkości fizycznych w węzłach.
8. W zależności od typu rozwiązywanego problemu lub potrzeb, oblicza się dodatkowe wielkości.
9. Jeżeli zadanie jest niestacjonarne, to czynności opisane w pkt. 5, 6, 7 i 8 powtarza się aż do momentu spełnienia warunku zakończenia obliczeń. Może to być np. określona wartość wielkości fizycznej w którymś z węzłów, czas przebiegu zjawiska lub jakiś inny parametr.

Proste? Bynajmniej. Dlatego właśnie postanowiono zaprząc do pomocy... komputery.

Systemy CAE
Programy komputerowe, w których stosowana jest metoda elementów skończonych, składają się z trzech zasadniczych części:
• preprocesora, w którym budowane jest zadanie do rozwiązania,
• procesora, czyli części obliczeniowej,
• postprocesora, służącego do graficznej prezentacji uzyskanych wyników.

Graficzne zobrazowanie wykorzystuje m.in. skalę barw do odzwierciedlenia warunków zachodzących w badanym modelu: błękit i zieleń wskazują obszary bezpieczne, czerwień – obszary zagrożone w wyniku oddziaływania określonych sił. Stąd tytułowe „kolory”...

Wał korobowy to wdzięczny element do przeprowadzenia analizy wytrzymałości zmęczeniowej
– środowisko Autodesk Simulation 360...

Źródło: Autodesk

Dla użytkowników tych programów najbardziej pracochłonnym i czasochłonnym etapem rozwiązywania zadania jest podział na elementy skończone w preprocesorze. Należy tutaj nadmienić, że niewłaściwy podział na elementy skończone powoduje uzyskanie błędnych wyników. Wtedy może okazać się, że wspomniana zieleń lub błękit, widoczne podczas komputerowej wizualizacji symulacji, tak naprawdę zamaskują przed nami fakt, iż w tym miejscu nasza konstrukcja najprawdopodobniej się... rozpadnie.

FEA i MES (ang. FEM)
Podejście FEA (Finite Element Analysis – analiza elementów skończonych) bazuje na zasadach dyskretnych – tworzeniu macierzy sztywności dla pojedynczego elementu, agregacji elementowych macierzy sztywności w pojedynczy układ algebraicznych równań liniowych. FEA unika analizy matematycznej i jest równoważne szczególnym przypadkom metody elementów skończonych (Finite Element Method).

Analiza elementowa jest do dziś stosowana w wielu obszarach mechaniki konstrukcji, chociaż obecnie ustąpiła miejsca w powszechnym użyciu bardziej elastycznej i rygorystycznej matematycznie metodzie elementów skończonych.

Bezpłatna alternatywa

Najpopularniejsze bezpłatne rozwiązania CAE (MES) dostępne i z powodzeniem wykorzystywane zarówno
przez osoby prywatne, jak i firmy czy rozmaite instytucje (w tym uczelnie technicze) to m.in. CalculiX i Z88 Aurora. Oba oferują bardzo rozbudowane i zaawansowane możliwości, ale na korzyść Aurory
przemawia interfejs bardziej przyjazny dla użytkownika...

CalculiX – http://www.calculix.de

Z88 Aurora – http://www.z88.uni-bayreuth.de

Oprogramowanie FEA pozwala na przeprowadzanie wirtualnych testów, na podstawie których inżynierowie odpowiedzialni za projektowanie elementów większych instalacji mogą przewidzieć, w jaki sposób zachowają się np. zbiorniki ciśnieniowe, instalacje hydrauliczne i pneumatyczne, podnośniki, czy też rotory – w określonych warunkach środowiskowych, po zainstalowaniu ich na platformach wiertniczych, w elektrowniach wiatrowych itp.

Jak wspomniałem, wiele współczesnych zintegrowanych systemów komputerowego wspomagania prac inżynierskich oferuje swoim użytkownikom możliwości symulacji i analiz. Czasem w formie uproszczonej, dostosowanej do wymagań i umiejętności użytkownika, który jest inżynierem-cadowcem, prowadzącej go niemalże „za rękę”, a czasem w postaci zintegrowanych rozbudowanych modułów lub aplikacji, które w zasadzie mogą być wykorzystywane niezależnie, przez inżynierów specjalizujących się w analizach. Zdecydowana większość dostosowana jest do instalacji w środowisku lokalnym, na komputerach stacjonarnych i... kosztuje niemało, zwłaszcza w porównaniu z systemami CAD. Bardzo nieliczne (patrz ramka) – dostępne są za darmo, a korzystanie z nich narzuca pewne ograniczenia. Ciekawą propozycją, wykorzystującą dostęp do danych i oprogramowania w chmurze, wydaje się być Autodesk Simulation 360...

Autodesk Simulation 360 to najnowsza propozycja Autodesk, wykorzystująca platformę 360. Tym samym portfolio rozwiązań cloud computing wzbogaciło się o kolejną pozycję...

Autodesk Simulation 360
Jest to najnowsza aplikacja na platformie Autodesk 360, będąca w zasadzie zestawem wyspecjalizowanych narzędzi, umożliwiających każdej firmie wykonywanie symulacji w codziennym procesie projektowym. Dostępna jest w systemie pay-as-you-go (model zbliżony do wspomnianego SaaS – odpłatność uzależniona jest od czasu korzystania z aplikacji, ilości przesłanych danych, stopnia wykorzystania itp.).

W przypadku Autodesk Simulation 360 trudno mówić o instalacji. Do jego pierwszego uruchomienia „w chmurze” musimy mieć jednak na naszym komputerze/urządzeniu mobilnym zainstalowane oprogramowanie „klienta”. Wymagane jest także konto Autodesk (rejestracja jest bezpłatna)...

Poza alternatywną możliwością finansowania, Simulation 360 pozwala wykorzystać potencjał chmury – daje możliwość przeprowadzania naprawdę złożonych testów, które dotychczas mogli wykonywać jedynie specjaliści od symulacji, dysponujący wydajnymi stacjami roboczymi. Na stronach producenta możemy przeczytać, iż korzystając z tej aplikacji, projektanci będą mogli szybciej przetestować różne warianty ergonomiczne projektu. Będą mogli także np. lepiej zrozumieć proces generowania ciepła przez urządzenia elektroniczne, co umożliwi im uwzględnienie w projektach właściwych systemów chłodzenia zapobiegających przegrzaniu, a w konsekwencji pozwoli uniknąć kosztownych reklamacji konsumenckich.

Użytkownik stawiający pierwsze kroki w „Autodeskowej chmurze” może liczyć na wprowadzenie. Osoby znające tą platformę
z innych aplikacji odkryją znajome środowisko. Szkoda, że na razie nie jest dostępna wersja w języku polskim...

Analizy strukturalne, obciążeniowe, zmęczeniowe, termiczne... pełna gama dedykowanych narzędzi w jednym środowisku.
Korzystanie z wersji testowej jest bezpłatne, ale ograniczone czasowo...

Architekci i inżynierowie dzięki symulacji przepływów powietrza będą mogli zapewnić projektowanym budynkom komfort termiczny oraz lepiej zrozumieć ich funkcjonalność. Będą mogli również analizować wpływ czynników środowiskowych na mosty i budynki oraz testować zachowania materiałów konstrukcyjnych np. betonu, jeszcze przed wybudowaniem każdego z tych obiektów.

Użytkownik systemu CAE (MES) powinien mieć możliwość definiowania podstawowych parametrów siatki (mesh)...

Czy warto przenieść obliczenia do chmury?
Możliwości obliczeniowe chmury eliminują potrzebę wykorzystania specjalistycznego sprzętu, co niweluje dotychczasowe ograniczenia i pomaga zwiększyć wydajność. Oprogramowanie „cloud computing” – zwłaszcza działające w obszarze symulacji i analiz – odciąża zasoby użytkowników z bardzo skomplikowanych obliczeń symulacyjnych i przenosi je do zasobów chmury obliczeniowej. Dostęp z dowolnego miejsca i w dowolnym czasie oznacza, że użytkownik może uruchomić symulacje i uzyskać dostęp do wyników praktycznie w dowolnym miejscu, dzięki czemu zwiększa elastyczność swojej pracy i może utrzymywać lepszą współpracę z partnerami i klientami.

Nie ma już konieczności inwestycji w drogi sprzęt, aby uruchomić symulacje i dotychczasowe wydatki poświęcone na oprogramowanie zastąpione zostają przez rozwiązanie dostępne wtedy, gdy jest potrzebne, bez konieczności posiadania go na własność. W odróżnieniu od tradycyjnego systemu licencjonowania wieczystego, prosty i przystępny system płatności pay-as-you-go (wykorzystywany w przypadku Autodesk Simulation 360) ułatwia dostęp do tej aplikacji.

Autodesk Simulation 360 obejmuje szeroką gamę narzędzi do symulacji elementów mechanicznych, dynamiki płynów, termiki i formowania wtryskowego tworzyw sztucznych, oferowaną w przystępnej cenie. Dodatkowe korzyści obejmują możliwość bezpośredniej wymiany danych geometrycznych, wysokiej jakości siatkowanie; obszerne biblioteki materiałów oraz sprawdzoną technologię obliczeniową, co pozwala na przeprowadzanie dokładniejszych symulacji w najistotniejszych obszarach.

Aplikacja dostępna jest w Polsce, obecnie wyłącznie w języku angielskim. Planowane jest udostępnienie jej w innych wersjach językowych; czy znajdzie się także wśród nich wersja polska – niewykluczone, że jest to uzależnione od zainteresowania ze strony rodzimych użytkowników.

Dodatkowe informacje dotyczące Autodesk Simulation 360 dostępne są na na www.autodesk.com/simulation-360. Wersję testową (ograniczoną czasowo) można pobrać tutaj: http://www.autodesk.com/products/sim-360/free-trial. Wymagane jest wcześniejsze założenie konta – rejestracja w systemie Autodesk.

Opracowanie: Maciej Stanisławski
ródło: MuM, Autodesk, CADblog.pl
 

Tekst napisany dla miesięcznika STAL, ukazał się (pt. „Kolorowe chmury”) w wydaniu 1-2/2014.

Pierwszym systemem ADSK pracującym w chmurze, a opisywanym na CADblog.pl (tutaj) i zarazem dostępnym bezpłatnie/za niewielką odpłatnością był PLM360. O PLM360 można poczytać także na stronach Deelipa (link tutaj).

Blog monitorowany przez: