Bagaimana para insinyur benar-benar menggunakan simulasi numerik?

Penafian Saya ahli matematika terapan melalui pelatihan, bukan insinyur. Penelitian pekerjaan saya terutama berfokus pada pembuatan "metode" baru untuk menyelesaikan berbagai PDE terkait deformasi padat (elastisitas) dan mekanika fluida. Dalam hal ini, saya tahu bagaimana memecahkan masalah PCE secara komputasi. Dari sudut pandang saya, insinyur menggunakan pekerjaan saya sebagai "alat" untuk menyelesaikan pekerjaan mereka.

Namun, karena kurangnya pendidikan / pengalaman di bidang teknik, saya akui saya sebenarnya agak tidak mengerti tentang bagaimana solusi numerik untuk pde benar-benar digunakan dalam praktik nyata para insinyur. Sumber utama kebingungan saya adalah sebagai berikut:

Saya telah diberitahu bahwa para insinyur tidak pernah (atau seharusnya tidak pernah) melakukan simulasi numerik (misalnya analisis elemen hingga, CFD, dll ...) tanpa mengetahui atau memiliki ide yang baik sebelumnya seperti apa bentuk simulasi "yang harus" terlihat. Ini membantu para insinyur membedakan hasil yang realistis dari yang dipertanyakan.

Namun, saya berpendapat bahwa jika insinyur sudah tahu apa yang seharusnya terjadi dalam simulasi, lalu apa gunanya simulasi? Saya selalu berasumsi bahwa simulasi diperlukan untuk tujuan prediksi, yang mengasumsikan ketidaktahuan tentang apa yang akan terjadi. Artinya, saya menganggap simulasi sebagai alat yang berdiri sendiri untuk memprediksi masa depan ketika Anda tidak tahu apa yang diharapkan .

Apa yang saya cari adalah perspektif yang lebih luas tentang bagaimana / kapan / mengapa insinyur menggunakan simulasi numerik seperti CFD dan Analisis Elemen Hingga, terutama jika praktik teknik yang baik menentukan bahwa Anda seharusnya sudah tahu apa yang diharapkan ketika Anda mensimulasikan?

Saya telah menulis sebagian besar tentang CFD dalam jawaban ini, namun poin yang sama juga berfungsi untuk FEA atau teknik simulasi lainnya.

CFD banyak digunakan untuk optimasi desain dan studi parametrik desain. Berikut adalah beberapa contoh yang menunjukkan bagaimana insinyur menggunakan simulasi

1. Pemilihan desain : Baca: Studi konseptual peningkatan kinerja airfoil menggunakan CFD. Tesis ini menunjukkan penggunaan CFD untuk memilih desain terbaik dari sejumlah desain kandidat. Insinyur sering melakukan simulasi untuk memilih 'satu' dari banyak .

2. Optimasi bentuk menggunakan CFD : Makalah ini memberikan contoh optimasi bentuk sayap menggunakan CFD. Dan video YouTube yang luar biasa ini adalah contoh yang sangat baik tentang cara seorang insinyur akan menggunakan perangkat lunak CFD ( OpenFOAM ) dan algoritma genetika. CFD memungkinkan untuk mencapai desain yang lebih baik tanpa benar-benar membangun sejumlah prototipe dan pengujian (yang merupakan proses yang mahal dan panjang). Sebenarnya optimasi desain adalah cara paling umum CFD digunakan. Menurut survei ini , insinyur desain mekanik membuat penggunaan CFD paling banyak (catatan: Saya tidak tahu keaslian laporan).

3. Menggunakan simulasi di mana eksperimen sulit dilakukan / mungkin menghabiskan banyak sumber daya (atau kehidupan) : Aplikasi di mana eksperimen tidak mungkin dilakukan, seperti perpindahan panas pada kendaraan masuk kembali hipersonik ( contoh di sini ), atau aliran darah dalam tubuh manusia , dapat disimulasikan dengan komputer dan desain akhir dapat diuji. Contoh lain; CFD digunakan untuk penempatan probe pada model terowongan angin. CFD memberikan, misalnya, posisi titik stagnasi pada permukaan model, dan di sana kita dapat menempatkan probe tekanan dan kemudian menguji model di terowongan angin yang sebenarnya. Presentasi ini menjelaskan bagaimana CFD dan terowongan angin saling melengkapi satu sama lain. Juga CFD digunakan untuk memprediksi hasil di mana hasil eksperimen tidak tersedia (orang tidak dapat memiliki probe di mana-mana pada model).

4. Desain dan optimisasi fasilitas eksperimen itu sendiri : Simulasi biasanya digunakan untuk desain fasilitas itu sendiri. Sebagai contoh, laporan ini menjelaskan bagaimana CFD digunakan untuk desain terowongan angin.

5. Untuk mengembangkan model teoritis : Ini sering terlihat dalam kosmologi. Para ilmuwan melakukan simulasi berdasarkan pada model dan memvalidasi dengan data eksperimen. Proses berulang ini menghasilkan pemahaman yang lebih baik tentang fisika dan cara kerja alam semesta. Kelompok astrofisika NASA telah melakukan beberapa simulasi Lubang Hitam Supermasif, video ini berbicara lebih banyak tentang hal itu .

6. Dalam film, seni, dan animasi : Pertanyaan ini dan jawaban berikut pada acara Scicomp.SE, seberapa banyak peran yang CFD harus mainkan dalam film dan animasi ... (disclaimer: Saya telah mengajukan pertanyaan).

7. Beberapa aplikasi lain: Aerodinamika penerbangan serangga , perhitungan kebisingan menggunakan CAA , desain antena dan teknologi siluman menggunakan CEM , Aplikasi CFD dalam industri makanan dll.

Daftar akan berlanjut ... Akhir hari, CFD adalah terowongan angin virtual, ini adalah meja kerja di mana seorang insinyur dapat menguji idenya tanpa membuat / membuat apa pun. Jadi, jika hasilnya divalidasi terhadap model / percobaan yang dikenal, maka orang dapat mengandalkan metodologi CFD untuk sedikit perubahan dalam geometri atau bentuk. Juga karena hasil CFD, seorang insinyur dapat memiliki kepercayaan pada hasil eksperimennya. Karena itulah istilah validasi. Sumber yang bagus untuk uji kasus validasi sini .

Tepuk tangan!

Untuk meringkas jawaban lain: Seorang insinyur perlu mengetahui secara kualitatif bagaimana simulasi akan berjalan, tetapi ia masih perlu menjalankan simulasi untuk mendapatkan jawaban kuantitatif.

Selain itu, simulasi memungkinkan insinyur untuk sedikit memvariasikan parameter ( simulasi Monte Carlo ) untuk mengevaluasi stabilitas atau margin kesalahan solusi. Ini sering dilakukan dalam simulasi rangkaian listrik, misalnya, untuk mengevaluasi sensitivitas desain terhadap toleransi nilai komponen.

Insinyur harus memiliki gagasan umum tentang hasil yang diharapkan (nilai Balpark, perilaku yang diharapkan) saat menggunakan model komputer yang rumit. Sebagian besar waktu kesimpulan ini didasarkan pada model (jauh) sederhana, yang lebih disukai dapat diperiksa dengan tangan.

Alasan terbesar untuk ini adalah untuk menghilangkan kemungkinan kesalahan manusia dalam membangun model itu sendiri. Menggunakan perangkat lunak pemodelan sebagai kotak hitam sangat disukai dan dianggap sangat tidak profesional dan berisiko. Ketika hasilnya sangat berbeda dari yang diharapkan, pertanyaan pertama yang harus ditanyakan adalah 'apakah modelnya dibangun dengan baik?, Bukankah saya membuat kesalahan (bodoh)?'

Alasan kedua adalah untuk mendapatkan kendali atas model dengan memahaminya. Model yang lebih sederhana bertindak sebagai batu loncatan dalam proses pemahaman. Ketika model dipahami, lebih mudah untuk mengetahui apa yang harus diubah untuk menemukan solusi untuk masalah teknik. Dengan demikian model adalah alat dalam proses desain.

Seperti yang dikatakan dosen Cairan saya bertahun-tahun yang lalu, "jika matematika tidak sesuai dengan kenyataan, matematika itu salah". Anda dapat dengan mudah mengganti model kata, teori atau simulasi untuk kata matematika ..

Insinyur yang menggunakan simulasi harus memiliki ide yang sangat bagus tentang apa yang diharapkan untuk suatu solusi, belum tentu tahu apa jawabannya untuk simulasi. Ada perbedaan. Di situlah pengalaman insinyur sangat penting dan mengapa insinyur yang tidak berpengalaman harus selalu diawasi dengan baik ketika melakukan simulasi.

Insinyur menggunakan simulasi untuk berbagai alasan, tergantung pada bidang teknik tempat mereka bekerja dan apa yang mereka lakukan. Beberapa insinyur menggunakan simulasi untuk mengkonfirmasi desain mereka sementara yang lain menggunakan simulasi untuk mencari kelemahan potensial dalam desain atau bahan.

Aspek lain dari simulasi adalah mereka memungkinkan para insinyur untuk mempertimbangkan sejumlah "skenario bagaimana-jika" untuk memastikan apa yang bisa terjadi ketika parameter diubah. Ini dapat digunakan untuk melihat batas kinerja batas atas dan bawah atau dapat menyebabkan perubahan desain dan dalam beberapa kasus total desain ulang.

Sekali lagi, tergantung pada bidang teknik, simulasi juga berguna ketika mempertimbangkan ketika sesuatu perlu ditambahkan atau ditingkatkan dalam skala, seperti pengaruhnya pada sistem distribusi air dengan menambahkan pengembangan baru, atau perubahan yang perlu dilakukan pada sistem ventilasi tambang bawah tanah.

Simulasi juga dapat dilakukan untuk melihat: - dampak pada aliran bahan dan sumber daya: minyak atau air di jaringan perpipaan masing-masing, udara dalam jaringan ventilasi, bijih dari tambang atau beberapa tambang ke pabrik pengolahan atau sejumlah pengolahan pabrik - perpaduan produk mineral memperluas publik - infrastruktur transportasi seperti kereta api, jalan, listrik & jaringan komunikasi - pergerakan lalu lintas ketika perubahan dilakukan pada sistem lalu lintas: jalan diblokir atau diperlebar, direorganisasi untuk lalu lintas satu arah, pengenalan jalan bebas hambatan dan melarang parkir di sisi jalan - desain ruang bawah tanah untuk aplikasi sipil seperti
area parkir bawah tanah, stasiun kereta api atau terowongan dan pemberhentian di tambang bawah tanah. - evaluasi NPV keuangan untuk ekonomi proyek dan tujuan investasi

Itu selalu lebih murah dan bijaksana untuk menjalankan sejumlah simulasi daripada membangun sesuatu dan gagal total.

Seperti yang dikatakan oleh dosen saya di universitas, di masa lalu, “Dokter menguburkan kesalahan mereka, arsitek merencanakan tanaman anggur di sekitar kesalahan mereka, para insinyur terbunuh oleh kesalahan mereka”.

Di bidang khusus saya (desain gorong-gorong terkubur), kami menjalankan analisis elemen hingga secara konstan. Kami hampir tidak pernah mengubah desain berdasarkan hasil; kita tahu masuk (dari berbagai faktor, sebagian besar pengalaman sebelumnya dan asumsi konservatif) apakah desainnya bagus atau tidak. Kami menjalankan analisis untuk menunjukkan kepada orang lain bahwa desain kami baik. Kami mungkin men-tweak sesuatu, tetapi tidak pernah berubah secara substansial.

Sangat sering, kode bangunan dan badan pengawas menentukan persyaratan tertentu untuk menunjukkan penerimaan desain. Kadang-kadang menjalankan model lebih atau kurang melompat melalui lingkaran ini, sehingga seseorang dengan sedikit pengetahuan dan waktu dapat dengan cepat memastikan fakta-fakta yang relevan tanpa terjebak dalam minutia.

Untuk meringkas - dan bukan maksud saya untuk menjadi fasih, tetapi:

Insinyur menggunakan simulasi FEA / numerik sehingga kami dapat memiliki sesuatu untuk disajikan di ruang sidang selain isi materi otak kami.

TAMBAHAN:

Dalam laporan kami, kami juga menyukai (dan perusahaan asuransi kami BENAR-BENAR seperti milik kami) dapat mengatakan "Model mengatakan ..." .

Saya merancang motor listrik dan saya menggunakan FEA elektromagnetik sebagai bagian dari proses desain itu. Desainer motor memiliki banyak teknik analitik yang baik yang membuat kita sangat dekat dengan kinerja aktual motor untuk parameter kunci tertentu (torsi, penarikan arus, kecepatan, dll.). Namun, ini mengharuskan kami membuat asumsi tertentu yang mungkin atau mungkin tidak valid. Sebagai contoh, saya mungkin berasumsi bahwa fluks melalui jalur baja tertentu terdistribusi secara merata atau saya mungkin mengasumsikan sejumlah kebocoran fluks melalui slot. Jenis-jenis asumsi tersebut seringkali benar-benar valid untuk dibuat. Salah satu alasan saya menggunakan FEA adalah untuk mengkonfirmasi bahwa asumsi yang saya buat valid. Jika mereka valid, hasil FEA akan memberi saya cukup banyak apa yang saya harapkan. Jika tidak valid, hasil FEA akan membantu saya mengetahui apa asumsi buruk saya.

Alasan lain saya menggunakannya adalah bahwa ada beberapa parameter motor yang tidak dapat ditentukan dengan baik menggunakan teknik analitik. Sebagai contoh, riak torsi (jumlah variasi torsi ketika rotor berputar) sulit dilakukan dengan teknik analitik. Saya tahu jenis motor tertentu memiliki riak yang lebih buruk dan saya tahu kombinasi kutub tertentu untuk slot memiliki riak yang lebih baik daripada kombinasi lainnya dan aturan praktis lainnya, tetapi FEA dapat membantu Anda menghitungnya.

Alasan lain saya menggunakan FEA adalah untuk menyempurnakan desain. Jika saya memiliki desain yang cukup banyak melakukan apa yang saya inginkan, saya kemudian dapat mencoba untuk meningkatkan efisiensi sedikit atau mengurangi ketebalan magnet atau apa pun.

Jadi, saya menggunakannya untuk 1) memeriksa asumsi saya, 2) menyelesaikan masalah yang tidak dapat dilakukan dengan mudah dengan teknik analitik dan 3) menyempurnakan desain saya untuk meningkatkan kinerja atau menurunkan biaya atau hanya membuatnya lebih baik. Semua 3 ini mengharuskan saya memiliki pegangan yang cukup baik pada desain sebelum saya memulai proses FEA. Itu tidak berarti saya tidak pernah terkejut dengan hasilnya atau tidak belajar sesuatu, tetapi ketika kejutan itu terjadi, Anda bisa yakin saya akan kembali dan mencoba mencari tahu apa yang salah.

Untuk memberi Anda contoh praktis: ayah saya adalah seorang insinyur struktural yang bekerja untuk sebuah perusahaan nasional besar; spesialisasinya adalah mengambil gambar untuk konstruksi (terutama fasad bangunan), yang biasanya masuk akal "OK", dan menghitung hal-hal spesifik seperti ukuran sekrup / baut, jarak, dimensi yang diperlukan dari penopang dan sebagainya. Mereka bekerja pada struktur yang sangat besar, seperti bandara, gedung opera, gedung pencakar langit. Sedikit perubahan dalam perhitungan (katakanlah, sekrup yang sedikit lebih kecil, atau sedikit lebih sedikit) dapat berarti ratusan ribu € disimpan. Terlalu kecil, dan hal-hal buruk terjadi.

Dalam dekade terakhir sebelum pensiun, ia terutama menggunakan GWBasic (!) Dengan sedikit program yang ditulis sendiri untuk karyanya. Ini berarti, dia secara langsung mengerjakan metode yang dia tahu dan telah menggunakan jauh sebelum munculnya komputer di bidangnya ke dalam program GWBasic. Anda bisa menyebutnya semacam simulasi numerik sepele, tetapi sebenarnya itu hanya kalkulator saku yang dimuliakan (sebenarnya dia telah melakukan hal yang sama pada kalkulator saku dengan strip magnetik yang dapat diprogram, sebelumnya).

Pada akhir hari kerjanya, perangkat lunak Elemen Hingga profesional mulai muncul, dan ia menggunakannya untuk proyek yang sangat rumit dari waktu ke waktu. Itu tidak pernah benar-benar menghasilkan hasil baru, tetapi selalu untuk mencari tahu apakah pendekatan tertentu layak. Yaitu, dalam pekerjaannya, ini semua tentang beban pada batang baja dan semacamnya; dan perhitungan manual, untuk alasan yang jelas, sebagian besar dikurangi menjadi kasus linier (dan kemudian dengan margin keamanan 100-200% ditambahkan ke dalamnya). Elemen Hingga membuka dunia baru untuk bangunan yang menarik secara arsitektural.

Dengan Elemen Hingga, dia bisa mendapatkan banyak dekat dengan kebutuhan nyata (atau orang-orang percaya), tetapi jelas sekarang sulit (atau, untuk orang-orang seperti dia) sama sekali tidak mungkin untuk memverifikasi hasilnya. Dan percayalah, "risiko" adalah hal yang sangat menonjol dalam hal itu; jika fasad bangunan besar di kota runtuh, orang-orang mati dan insinyur berakhir di penjara.

TL; DR: Insinyur menggunakan simulasi numerik yang mirip dengan dokter / ilmuwan, untuk memverifikasi asumsi, atau secara iteratif menemukan sweet spot dan semacamnya. Tetapi sangat diperlukan bahwa mereka perlu tahu apa yang secara umum diharapkan. Itu sama seperti dalam sains, di mana percobaan yang tidak Anda alasankan tentang hasil yang diharapkan sebelumnya, hanyalah sampah.

Tidak banyak yang bisa dikatakan tetapi mengetahui hasil sebelum menjalankan simulasi tidak mengetahui nilai numerik yang tepat tetapi untuk memiliki harapan tertentu mengenai solusi berdasarkan pemahaman fisika dari masalah. Biasanya insinyur mengatur masalah dan memilih metode umum dan ketika kami akhirnya merumuskan masalah sebagai kumpulan persamaan dan batasan, kami mencari bantuan dari ahli matematika untuk membantu kami menyelesaikannya dengan cara yang paling efektif. Biasanya insinyur adalah mereka yang mendefinisikan persamaan, ahli matematika menyelesaikannya. Jika Anda tidak memiliki pemahaman tentang tekukan daripada, meskipun Anda dapat menyelesaikan persamaan biharmonik, solusi Anda mungkin tidak akan diatur dengan defleksi yang tepat. Ketika matematikawan belajar menggunakan alat untuk menyelesaikan pde, ia dapat memecahkan sebagian besar masalah pde, misalnya.