Como os engenheiros realmente usam a simulação numérica?

Isenção de responsabilidade Eu sou um matemático aplicado por treinamento, não um engenheiro. Minha pesquisa de trabalho se concentra principalmente na criação de novos "métodos" para resolver diferentes PDE's relacionados à deformação sólida (elasticidade) e mecânica de fluidos. Nesse sentido, eu sei como resolver um problema de Pde computacionalmente. Na minha perspectiva, os engenheiros usam meu trabalho como "ferramentas" para realizar seu trabalho.

No entanto, devido à minha falta de educação / experiência em engenharia, admito que sou um pouco ignorante sobre como as soluções numéricas para os PDEs são realmente usadas na prática real dos engenheiros. A principal fonte da minha confusão é a seguinte:

Foi-me dito que os engenheiros nunca (ou nunca deveriam) realizar simulações numéricas (por exemplo, análise de elementos finitos, CFD, etc ...) sem saber ou ter uma boa idéia antecipadamente de como a simulação "deveria". Isso ajuda os engenheiros a discriminar resultados realistas dos questionáveis.

No entanto, eu argumento que, se o engenheiro já sabe o que deve acontecer na simulação, então qual é o ponto da simulação? Sempre presumi que simulações são necessárias para fins preditivos, o que pressupõe a ignorância do que está por vir. Ou seja, penso em uma simulação como uma ferramenta autônoma para prever o futuro quando você não sabe o que esperar .

O que estou procurando é uma perspectiva mais ampla de como / quando / por que os engenheiros usam simulações numéricas como CFD e Análise de Elementos Finitos, especialmente se as boas práticas de engenharia determinarem que você já deve saber o que esperar quando estiver simulando?

Eu escrevi principalmente sobre CFD nesta resposta, no entanto, os mesmos pontos também devem funcionar para a FEA ou outras técnicas de simulação.

O CFD é usado principalmente para otimização do projeto e estudo paramétrico do projeto. A seguir, alguns exemplos que mostram como os engenheiros usam simulações

1. Seleção de um projeto : Leia: Um estudo conceitual do aprimoramento do desempenho do aerofólio usando CFD. Esta tese mostra o uso do CFD para selecionar o melhor design dentre vários projetos candidatos. Os engenheiros costumam fazer simulações para selecionar 'o' dentre muitos .

2. Otimização de forma usando CFD : Este artigo fornece um exemplo de otimização de formato de asa usando CFD. E este incrível vídeo do YouTube é um excelente exemplo de como um engenheiro usaria um software CFD ( OpenFOAM ) e algoritmo genético. O CFD torna possível obter um design melhor sem, na verdade, criar vários protótipos e testes (que é um processo caro e longo). Na verdade, a otimização do design é a maneira mais comum de uso do CFD. De acordo com esta pesquisa , os engenheiros de projeto mecânico aproveitam ao máximo o uso de CFD (nota: eu não sei a autenticidade do relatório).

3. Uso de simulações em que as experiências são difíceis de realizar / podem custar muitos recursos (ou vida) : Aplicações em que não é possível realizar experiências, como a transferência de calor em veículos de reentrada hipersônica ( exemplos aqui ) ou fluxo sanguíneo no corpo humano , pode ser simulado com um computador e o design final pode ser testado. Outro exemplo; CFD é usado para a colocação de sondas em um modelo de túnel de vento. O CFD fornece, por exemplo, a posição do ponto de estagnação em uma superfície do modelo, e aí podemos colocar a sonda de pressão e testar o modelo no túnel de vento real. Esta apresentação explica como CFD e túnel de vento são complementares entre si. O CFD também é usado para prever os resultados onde os resultados experimentais não estão disponíveis (não é possível ter sondas em todos os lugares do modelo).

4. Projeto e otimização da própria instalação de experimentação : Simulações são comumente usadas para o projeto da própria instalação. Por exemplo, este relatório descreve como o CFD é usado para o projeto do túnel de vento.

5. Para desenvolver um modelo teórico : Isso é frequentemente visto na cosmologia. Os cientistas realizam simulações com base em um modelo e validam com os dados experimentais. Esse processo iterativo resulta em uma melhor compreensão da física e do funcionamento do universo. O grupo de astrofísica da NASA fez algumas simulações de buracos negros supermassivos, este vídeo fala mais sobre isso .

6. Nos filmes, arte e animações : Esta pergunta e as respostas a seguir no Scicomp.SE mostram quanto papel o CFD tem em filmes e animações ... (aviso: fiz a pergunta).

7. Algumas outras aplicações: aerodinâmica do vôo de insetos , computação de ruído usando CAA , projeto de antenas e tecnologia furtiva usando CEM , aplicações de CFD na indústria de alimentos etc.

A lista continuará ... No final das contas, o CFD é um túnel de vento virtual, é uma bancada de trabalho onde um engenheiro pode testar sua idéia sem fabricar / construir nada. Portanto, se os resultados são validados com base em um modelo / experimento conhecido, pode-se confiar na metodologia CFD para uma ligeira mudança na geometria ou na forma. Também por causa dos resultados de CFD, um engenheiro pode ter confiança em seus resultados experimentais. É por isso que o termo validação. Um bom recurso para casos de teste de validação aqui .

Felicidades!

Para resumir as outras respostas: Um engenheiro precisa saber qualitativamente como será a simulação, mas ainda precisará executar a simulação para obter a resposta quantitativa.

Além disso, a simulação permite ao engenheiro variar ligeiramente os parâmetros ( simulação de Monte Carlo ) para avaliar a estabilidade ou a margem de erro da solução. Isso é freqüentemente feito na simulação de circuitos elétricos, por exemplo, para avaliar a sensibilidade de um projeto às tolerâncias de valor dos componentes.

Os engenheiros devem ter uma idéia geral do resultado esperado (valores de Balpark, comportamento esperado) ao usar um modelo de computador complicado. Na maioria das vezes, essas conclusões são baseadas em um modelo (muito) mais simples, que de preferência pode ser verificado manualmente.

A maior razão para isso é eliminar a possibilidade de erro humano na construção do próprio modelo. Usar o software de modelagem como uma caixa preta é seriamente desaprovado e considerado muito pouco profissional e arriscado. Quando os resultados são muito diferentes do esperado, a primeira pergunta que se deve fazer é 'o modelo está bem construído?', Não cometi um erro (estúpido)?

Uma segunda razão é obter o controle do modelo, entendendo-o. O modelo mais simples atua como um trampolim no processo de entendimento. Quando um modelo é entendido, é mais fácil saber o que alterar para encontrar a solução para o problema de engenharia. Como tal, o modelo é uma ferramenta nos processos de design.

Como meu professor de Fluidos disse há muitos anos, "se a matemática não concorda com a realidade, a matemática está errada". Você pode substituir facilmente as palavras modelo, teoria ou simulação pela palavra matemática.

Os engenheiros que usam simulações devem ter uma idéia muito boa do que esperar de uma solução, sem necessariamente saber qual será a resposta para uma simulação. Há uma diferença. É aí que a experiência do engenheiro é crítica e por que engenheiros inexperientes devem sempre ser bem supervisionados ao fazer simulações.

Os engenheiros usam simulações por vários motivos, dependendo do campo da engenharia em que trabalham e do que estão fazendo. Alguns engenheiros usam simulações para confirmar seus projetos, enquanto outros usam simulações para procurar possíveis pontos fracos em projetos ou materiais.

O outro aspecto das simulações é que eles permitem que os engenheiros considerem uma série de “cenários hipotéticos” para determinar o que poderia acontecer quando os parâmetros fossem alterados. Isso pode ser usado para examinar os limites de desempenho dos limites superior e inferior ou pode levar a alterações no design e, em alguns casos, um redesenho total.

Novamente, dependendo do campo da engenharia, as simulações também são úteis ao considerar quando algo precisa ser adicionado ou aumentado em escala, como o efeito em um sistema de distribuição de água, adicionando um novo desenvolvimento ou mudanças que precisam ser feitas no sistema. sistema de ventilação de uma mina subterrânea.

Também podem ser feitas simulações para observar: - o impacto no fluxo de materiais e recursos: óleo ou água em suas respectivas redes de tubulação, ar nas redes de ventilação, minério de uma mina ou várias minas para uma planta de processamento ou vários processos de processamento usinas - mistura de produtos minerais que amplia o público - infraestrutura de transporte como ferrovias, rodovias, redes de eletricidade e comunicação - movimento de tráfego quando são feitas alterações em um sistema de tráfego: estrada bloqueada ou ampliada, reorganizada para tráfego de mão única, introdução de vias proibir o estacionamento nas bermas das estradas - a concepção de espaços subterrâneos para aplicações civis como
áreas de estacionamento subterrâneo, estações de trem ou túneis e paradas em uma mina subterrânea. - avaliações financeiras do VPL para fins econômicos e de investimento do projeto

É sempre mais barato e prudente executar uma série de simulações do que construir algo e fazê-lo falhar catastroficamente.

Como outro professor da minha universidade também disse, quando, “os médicos enterram seus erros, os arquitetos planejam videiras em torno de seus erros, os engenheiros são mortos por seus erros”.

No meu campo específico (projeto de bueiro enterrado), executamos análises de elementos finitos constantemente. Quase nunca mudamos um design com base nos resultados; sabemos que, a partir de uma variedade de fatores, principalmente de experiências anteriores e de premissas conservadoras, sabemos se o design é bom ou não. Executamos as análises para demonstrar aos outros que nosso design é bom. Podemos ajustar algo, mas nunca é alterado substancialmente.

Muitas vezes, os códigos de construção e as agências reguladoras especificam certos requisitos para demonstrar a aceitabilidade do projeto. Às vezes, executar o modelo é mais ou menos pular por esses aros, para que uma pessoa com menos conhecimento e tempo possa verificar rapidamente os fatos relevantes sem se atolar nas minúcias.

Para resumir - e não é minha intenção ser simplista, mas:

Os engenheiros usam simulação numérica / FEA para que possamos ter algo para apresentar em uma sala de audiências que não seja o conteúdo de nossa matéria cerebral.

TERMO ADITIVO:

Nos nossos relatórios, também gostamos (e as nossas operadoras de seguros REALMENTE REALMENTE, da nossa) de poder dizer "O modelo diz ..." .

Eu desenho motores elétricos e uso a FEA eletromagnética como parte desse processo de design. Os projetistas de motores têm muitas boas técnicas analíticas que nos aproximam muito do desempenho real dos motores para determinados parâmetros-chave (torque, consumo de corrente, velocidade, etc.). No entanto, isso exige que façamos certas suposições que podem ou não ser válidas. Por exemplo, eu posso assumir que o fluxo através de um determinado caminho de aço é distribuído uniformemente ou eu posso assumir uma certa quantidade de vazamento de fluxo através de um slot. Esses tipos de suposições costumam ser totalmente válidas. Uma razão pela qual uso a FEA é confirmar que as suposições que fiz foram válidas. Se forem válidos, os resultados da FEA me darão praticamente o que eu esperava. Se eles não forem válidos, os resultados da FEA me ajudarão a descobrir quais eram minhas más suposições.

Outro motivo pelo qual uso é que existem alguns parâmetros motores que não podem ser determinados muito bem usando técnicas analíticas. Por exemplo, a ondulação do torque (a quantidade de variação no torque à medida que o rotor gira) é difícil de ser realizada com técnicas analíticas. Sei que certos tipos de motores têm pior ondulação e que certas combinações de pólos para slots têm melhor ondulação do que outras combinações e outras regras práticas, mas a FEA pode ajudá-lo a quantificar isso.

A outra razão pela qual uso o FEA é realmente ajustar um design. Se eu tenho um design que praticamente faz o que eu quero, posso tentar aumentar um pouco a eficiência ou reduzir a espessura do ímã ou o que for.

Portanto, eu o uso para 1) verificar minhas suposições, 2) resolver problemas que não podem ser resolvidos facilmente com técnicas analíticas e 3) ajustar meus projetos para aumentar o desempenho ou diminuir o custo ou apenas melhorá-lo. Todos os três exigem que eu tenha uma boa noção do design antes de iniciar o processo da FEA. Isso não significa que nunca fico surpreso com os resultados ou não aprendo coisas, mas quando essas surpresas acontecem, você pode ter certeza de que voltarei e tentarei descobrir o que deu errado.

Para dar um exemplo prático: meu pai era um engenheiro estrutural que trabalhava para uma grande empresa nacional; sua especialidade era fazer desenhos para construções (principalmente fachadas de edifícios), que geralmente eram razoáveis ​​"OK", e calcular itens específicos, como tamanho de parafusos, espaçamento, dimensão necessária das estruturas e assim por diante. Eles trabalharam em estruturas muito grandes, como aeroportos, edifícios de ópera, arranha-céus. Uma pequena mudança no cálculo (digamos, parafusos um pouco menores ou um pouco menos) pode significar centenas de milhares de € economizados. Coisas pequenas demais e ruins acontecem.

Em sua última década antes de sua aposentadoria, ele usou principalmente o GWBasic (!) Com poucos programas escritos por si mesmo para seu trabalho. Isso significa que ele trabalhou diretamente os métodos que conhecia e usara muito antes do advento dos computadores em seu campo nos programas GWBasic. Você poderia chamar isso de algum tipo de simulação numérica trivial, mas na verdade era apenas uma calculadora de bolso glorificada (na verdade, ele havia feito o mesmo em calculadoras de bolso com tiras magnéticas programáveis ​​antes).

No final de seus dias úteis, o software profissional Finite Element começou a aparecer, e ele os usava para projetos muito complicados de tempos em tempos. Nunca se tratou de apresentar novos resultados, mas sempre para descobrir se uma certa abordagem era viável. Ou seja, em sua linha de trabalho, trata-se de cargas em barras de aço e tal; e os cálculos manuais são, por razões óbvias, reduzidos principalmente a casos lineares (e depois com margens de segurança de 100 a 200% adicionadas a isso). O Finite Elements abre novos mundos para construções arquitetonicamente interessantes.

Com os Elementos Finitos, ele poderia se aproximar muito das necessidades reais (ou assim as pessoas acreditam), mas obviamente agora é difícil (ou, para pessoas como ele) totalmente impossível verificar os resultados. E acredite, "risco" é uma coisa muito importante nesse sentido; se a fachada de um grande edifício em uma cidade cai, as pessoas morrem e os engenheiros acabam na prisão.

TL; DR: Os engenheiros usam simulações numéricas semelhantes aos médicos / cientistas, para verificar suposições ou encontrar iterativamente pontos positivos e outros. Mas é muito necessário que eles precisem saber o que, em geral, esperar. É o mesmo que na ciência, onde um experimento para o qual você não raciocinou sobre os resultados esperados antes, é apenas lixo.

Não resta muito a dizer, mas que o resultado do conhecimento antes da execução da simulação não é saber o valor numérico exato, mas ter certas expectativas em relação à solução com base no entendimento da física do problema. Geralmente, os engenheiros definem o problema e escolhem o método geral e, quando finalmente formulamos o problema como um conjunto de equações e limites, procuramos a ajuda de matemáticos para nos ajudar a resolvê-lo da maneira mais eficaz. Normalmente, engenheiros são aqueles que definem equações, os matemáticos os resolvem. Se você não entender o que é a dobra, embora possa resolver a equação biarmônica, sua solução provavelmente não será definida com as deflexões corretas. Quando o matemático aprende a usar ferramentas para resolver pde, ele pode resolver a maioria dos problemas de pde, mas por exemplo.