Techniki projektowania komputerowego są wykorzystywane od dłuższego czasu, pozwalając na znaczne usprawnienie procesu przygotowywania nowych budynków, konstrukcji, maszyn i poszczególnych podzespołów. Możliwości obliczeniowe współczesnych systemów komputerowych pozwalają jednak nie tylko na przygotowywanie nowych rozwiązań oraz nadzorowanie ich późniejszego wytwarzania, ale są również wsparciem na etapie ich testowania. Coraz częściej obejmuje to nie tylko analizę danych dostarczanych przez urządzenia pomiarowe wykorzystywane podczas poszczególnych prób, ale także zastępowanie ich przez oprogramowanie do modelowania multifizycznego Simcenter 3D, ułatwiającego prowadzenie symulacji oraz wspierającego prace konstrukcyjne i inżynierskie na wszystkich etapach przygotowań. Przyjrzyjmy się bliżej zagadnieniom związanym z rozwiązaniami umożliwiającymi prowadzenie modelowania multifizycznego.
Dlaczego warto korzystać z metod modelowania multifizycznego?
Tradycyjne podejście do projektowania wszelkiego rodzaju maszyn, urządzeń i konstrukcji obejmowało zwykle przygotowanie koncepcji nowego rozwiązania, a następnie tworzenie prototypu oraz przeprowadzanie kolejnych badań i testów, pozwalających na sprawdzenie jego zachowania w konkretnych warunkach. Choć wiele elementów przygotowywano na podstawie wcześniejszych obliczeń i wykorzystania uzyskanych doświadczeń to cały szereg parametrów można było ustalić dopiero na bazie pomiarów uzyskiwanych podczas kolejnych prób.
Takie podejście do projektowania wiązało się ze zwiększonym ryzykiem popełniania błędów – w wielu dziedzinach, np. przygotowywaniu konstrukcji nowych samolotów okupionych tragicznymi wypadkami. Poważnym problemem były też bardzo wysokie koszty wynikające z konieczności zgromadzenia dużych ilości odpowiedniej aparatury, jej kalibrowania, obsługi, a także znaczna ilość czasu niezbędnego zarówno na same pomiary, jak i na obróbkę uzyskanych danych. Kłopotliwe było także to, że wprowadzenie niewielkich zmian powodowało, że wiele czynności musiało zostać powtórzonych.
Zupełnie inaczej wygląda jednak współczesne projektowanie i prowadzenie obliczeń inżynierskich. Choć systemy komputerowe nie wyeliminowały całkowicie klasycznych badań polegających na rejestrowaniu mierzalnych zjawisk fizycznych, to stosuje się je jedynie w wybranych obszarach. Pozostałe parametry są określane przy użyciu systemów CAE (Computer Aided Enginering).
Z czym wiąże się używanie symulacji multifizycznych?
Rozwiązaniem, które pozwala na uproszczenie i skrócenie całego procesu związanego z projektowaniem, jest wykorzystywanie oprogramowania do symulowania wpływu różnych czynników i zjawisk fizycznych na działanie poszczególnych części tworzonego urządzenia, a także modelowanie sposobu, w jaki będzie się ono zachowywało podczas pracy. Za sprawą odpowiednich zmiennych można uzyskać obraz tego, jak będą się zachowywać poszczególne elementy, sprawdzając np. ich wytrzymałość, czy powstające odkształcenia, a także kontrolować zachowanie całego układu. Co więcej, projektant ma możliwość korygowania kluczowych zmiennych i weryfikowania jak wpływa to na efekty działania maszyny czy konstrukcji. Pozwala to na dokładne sprawdzanie zachodzących zmian i symulowanie bardzo różnych warunków – przeciążeń, efektów uszkodzeń jednego z elementów czy nawet wpływu wad materiałowych.
Modelowanie może obejmować zjawiska z różnych dziedzin – stąd określenie multifizyczne – w zakres możliwych do badania obszarów wchodzi mechanika, termika i hydraulika. Dzięki odpowiedniemu oprogramowaniu wszystkie obliczenia są wykonywane w bardzo krótkim czasie, pozwalając na elastyczny dobór zmiennych i badanie rozmaitych wariantów, a w efekcie daleko idącą optymalizację. Stosunkowo łatwe jest także wyszukiwanie krytycznych miejsc, w których mogą pojawiać się nadmierne naprężenia, wzrosty temperatury czy duże odkształcenia. Nie ma większych problemów z symulowaniem typowych dla układów mechanicznych problemów np. tarcia i przepływu cieczy lub gazów.
Stosowanie modelowania multifizycznego przy projektowaniu nowych maszyn i urządzeń pozwala na weryfikowanie kluczowych dla danych zastosowań zjawisk. Każdy rodzaj konstrukcji musi mierzyć się ze specyficznymi problemami, które mogą obejmować różne zmienne – związane z akustyką i rozchodzeniem się dźwięków oraz wibracji, oddziaływaniami elektromagnetycznymi, przemieszczaniem się poszczególnych elementów czy występowaniem wysokich temperatur. Określenie najważniejszych obszarów daje możliwość sprawdzenia działania przy różnych prawdopodobnych układach, a jednocześnie skontrolowania zachowania w trakcie najczęściej sprawiających problemy stanów – w zależności od rodzaju sprzętu może to być np. rozruch i pojawiające się podczas niego siły, czy moment kontaktu z cieczą używaną do chłodzenia lub materiałem, który ma być przez urządzenie obrabiany.
Metoda symulacji multifizycznej okazuje się narzędziem pozwalającym na analizę projektowanego układu pod wybranym kątem i sprawdzenie działania w różnych warunkach i pod wpływem najczęściej występujących zjawisk. Za pomocą odpowiedniego oprogramowania można badać nawet najbardziej skomplikowane konstrukcje i szukać rozwiązań technicznych, które będą spełniały określone kryteria. Korzystanie z metod modelowania komputerowego bardzo ogranicza koszty przygotowania produkcji, i choć nadal istnieje potrzeba eksperymentalnego weryfikowania części zmiennych, to zakres niezbędnych badań jest o wiele mniejszy i na ogół służy tylko potwierdzeniu osiąganych wcześniej rezultatów.