Зачем инженеру CAE?
15.09.2020
Дмитрий Евстратов
Для того, чтобы ответить на вопрос зачем нужен подход CAE необходимо разобраться, что обозначает эта аббревиатура и чем данный подход может помочь в проектировании любого устройства.
CAE — computer-aided engineering, обобщенное название различных программ и программных комплексов, предназначенных для решения инженерных задач и симуляции физических явлений и процессов. Любая подобная система содержит расчетную часть, представляющую решатель, либо набор решателей. Принцип работы решателя построен на численном методе решения дифференциальных уравнений. В зависимости от класса решаемых задач, а также типа CAE-систем дифференциальные уравнения могут решаться методом конечных элементов (МКЭ), либо методом конечных объемов (МКО). Также существует метод конечных разностей, но этот и другие методы применяется значительно реже.
Суть методов МКЭ и МКО заключается в разбиение расчетной области на конечное число подобластей, в первом случае на элементы, во втором - на некоторые замкнутые объемы. Для каждой подобласти справедливо решение аппроксимирующей функции в случае МКЭ, в МКО производится поиск полей макроскопических величин, которые обычно формулируются с помощью законов сохранения.
CAE — computer-aided engineering, обобщенное название различных программ и программных комплексов, предназначенных для решения инженерных задач и симуляции физических явлений и процессов. Любая подобная система содержит расчетную часть, представляющую решатель, либо набор решателей. Принцип работы решателя построен на численном методе решения дифференциальных уравнений. В зависимости от класса решаемых задач, а также типа CAE-систем дифференциальные уравнения могут решаться методом конечных элементов (МКЭ), либо методом конечных объемов (МКО). Также существует метод конечных разностей, но этот и другие методы применяется значительно реже.
Суть методов МКЭ и МКО заключается в разбиение расчетной области на конечное число подобластей, в первом случае на элементы, во втором - на некоторые замкнутые объемы. Для каждой подобласти справедливо решение аппроксимирующей функции в случае МКЭ, в МКО производится поиск полей макроскопических величин, которые обычно формулируются с помощью законов сохранения.
Поиск неизвестных величин для нескольких конечных элементов или объемов можно произвести и вручную, аналитически, решив систему алгебраических уравнений. Однако, если речь заходит о расчетной области, описанной несколькими тысячами или миллионами ячеек, то без современных вычислительных мощностей решение инженерной задачи может занять достаточно много времени. Сочетание численных расчетных методов, вычислительной мощности современных компьютеров, и инженерной мысли ключевым образом описывает суть подхода CAE. Ни одно современное устройство не обходится без предварительных расчетов и проведения инженерного анализа. Масштаб охватываемых задач колоссален. От расчета тепловыделения и последующего охлаждения микрочипов и электронных компонентов, до создания расчетных моделей высотных зданий и сооружений, например, мостов.
Для разных изделий и конструкций применяются различные типы расчетов: прочностные расчеты, решение задач газодинамики или тепломассопереноса — вычисляемые характеристики и величины всегда отличаются, однако подход остается неизменным. Любая геометрическая модель соответствует сеточной модели, которая как раз представляет из себя структуру, состоящую из конечного числа элементов или объемов. Применяя инструменты различных решателей, дополняя модель граничными условиями, мы можем переходить к расчету, а затем и к анализу полученных данных.
Располагая столь мощными и точными инструментами инженеру под силу решать гораздо более сложные и емкие задачи в сравнение с аналитическим подходом, который обычно дополняется некой долей эмперики. Основная трудность заключается в том, что с течением времени устройства и конструкции становятся лишь сложнее. Требования к изделиям ужесточаются, зачастую применяются новые, более легкие и прочные материалы. Меняется масштаб моделирования в целом. И чтобы вывести изделие на конкурентноспособный уровень, нужно повысить его рабочие характеристики, при этом постараться еще и снизить затраты на производство.
Возвращаясь к подходу CAE. Теперь это не просто удобный инструмент, с помощью которого можно быстро и точно смоделировать тот или иной процесс. Теперь CAE просто необходим, как на ранних этапах проработки концепта, так и на более поздних этапах проектирования для эффективной оценки последствий принятия тех или иных инженерных решений. Благодаря выявлению и устранению потенциальных проблем существенно снижается вероятность брака. Аналогичным образом и любые внесения изменений в виртуальную модель вместо создания новых физических прототипов значительно экономят время и деньги.
Поделиться в соц.сетях
Подписаться на рассылку
Раз в месяц мы рассылаем электронный журнал, где в удобном структурированном виде публикуем свежие видео-стримы, статьи и анонсы событий