Решения за инженерни симулации и моделиране

CAD/CAMСп. Инженеринг ревю - брой 1/2021 • 05.03.2021

Дигиталните технологии са незаменим инструмент за решаване на широк набор от задачи в съвременното инженерно проектиране. От ключова важност са инструментите за симулация и моделиране, които улесняват ежедневната работа на дизайнерите в редица индустрии, съкращават периода за разработване, тестване и производство на даден продукт и ускоряват достигането му до крайния потребител. Още от 60-те години на миналия век компютърно базирани средства се използват за симулиране и генериране на виртуални модели на разнообразни инженерни решения. Те постепенно изместват трудоемките ръчни чертежи, сложните изчисления, конструирането на физически модели и прототипи на дадено изделие, както и реалното изпитване на комплексни компоненти и системи. През последните десетилетия компютърното проектиране значително е разширило възможностите и функционалния си обхват, а използването на софтуерни решения за целите на инженерния анализ е неизменна част от създаването практически на всеки индустриален продукт. 

За постепенната и непрекъсната цифровизация на всички етапи от този процес спомагат технологичният прогрес в сферата на компютърния софтуер и хардуер, все по-голямата изчислителна мощ, идваща в устройства с все по-компактни размери, еволюцията в средствата за визуализация, развитието на триизмерното моделиране, както и навлизането на редица интелигентни иновации в компютърното инженерство като т. нар. генеративен дизайн, изкуствен интелект, машинно самообучение, облачни услуги, Big Data, интеграция с Internet of Things и т.н.

 

Развитие в сегмента

Усъвършенстваният софтуер за инженерно проектиране в модерната индустрия позволява на разработчиците да събират, обработват и интерпретират по-големи обеми и повече типове данни за физическите свойства на обектите и да ги използват в различни технологични формати на най-удобното за тях устройство – персонален компютър, таблет и дори смартфон. Комплексни решения за моделиране и симулация са част от инструментариума на всички популярни CAD платформи за компютърно асистирано проектиране, включително методи като динамика на флуидите (CFD) и анализ на крайните елементи (FEA). Индустриални фирми и предприятия от всякакъв мащаб днес използват CAD технологии в разработката и производството на своите продукти, а ползите, които те им носят, са многобройни.

С помощта на софтуер за компютърно проектиране, моделиране и симулация и най-малобройният проектантски екип може да се възползва от многократно по-големи възможности по отношение на капацитета и обема на работа, присъщи в миналото само на многочислените инженерни отдели на водещите компании на глобалния пазар. В допълнение компютърно генерираните дизайни са в пъти по-ефективни в разходен аспект, а последните технологични иновации достигат до проектантите с всеки следващ ъпдейт на съответния софтуерен продукт.

Основната роля на решенията за моделиране и симулация от въвеждането им в инженерното проектиране до днес остава непроменена. Те създават условия за проверка дали дадени спецификации в дизайна са постигнати посредством виртуални вместо реални, физически експерименти. Използването на виртуални прототипи значително съкращава етапа на проектиране и редуцира общите разходи по дизайна. В допълнение разработчиците получават незабавна обратна връзка за потенциалния ефект от всяко инженерно решение и дори от най-минималната промяна в първоначалните параметри. В резултат е налице много по-цялостно изследване на всички възможни алтернативи с цел постигане на оптималния дизайн съгласно поставената задача. Симулацията е от ключово значение при проектирането на т. нар. мултидисциплинарни системи, които включват разнообразни компоненти, базирани на различни физични и технологични принципи, например механични, електрически, микропроцесорни (embedded) средства за управление и др.

 

Функционален обхват

Моделирането и симулацията в инженерното проектиране се извършват посредством комбинации от вече достъпни софтуерни технологии и средства за визуализация. Част от функционалния арсенал на CAD платформите днес са иновации като виртуална и добавена реалност, изкуствен интелект, извличане на знания от данни (т. нар. data mining), бързо прототипиране и др. Тези решения се използват в редица приложни области, включително машиностроенето, строителния и космическия сектор, минното дело и дори фармацевтичната промишленост.

Сред базовите функции на решенията за инженерно моделиране и симулация е още интеграцията между процесите на проектиране и производство. Това се осъществява най-общо по три основни направления. Първото е свързано с генериране и презентиране на потенциални решения на различни инженерни задачи чрез задълбочено изследване на контекстуални фактори, които влияят върху процеса на проектиране, и свеждането им до вниманието на различни групи участници в проекта с цел откриване на оптималната конструкция. Второто включва интерпретиране на различни физически свойства на обектите на проектиране и разработката на ефективни решения на потенциални проблеми във фазата на производство. Третото обхваща свободно комбиниране на различни технологии и компоненти във виртуална среда с оглед изследване на възможните ограничения по отношение на приложимостта, прецизността и ефективността на разработвания продукт или система. На база тези ключови функции на инструментите за моделиране и симулация дизайнерите могат адекватно да осъществяват оценка и валидиране на инженерните проекти, да създават иновативни комбинации от компоненти и технологии и да реализират своеобразен “диалог” между технологични достижения в различни дисциплинарни области (т. нар. design conversations).

 

Съвременни тенденции

Водещите тенденции в развитието на компютърния дизайн непрекъснато са плод на задълбочено изследване от страна на пазарните анализатори в бранша. Някои от последните маркетингови проучвания в областта са фокусирани върху триизмерното моделиране, 2D чертежите, PDM платформите за управление на данни за продукта, симулацията и компютърния инженеринг, PLM (Product Lifecycle Management) инструментите и CAM софтуера като технологии от ключова значимост за съвременната индустрия. Сред иновациите, които маркетолозите изтъкват като фундаментални за по-нататъшното развитие на инженерното проектиране, са още: т. нар. едновременен инженеринг (concurrent engineering), сградното информационно моделиране, визуализирането в реално време (advanced real time rendering), мобилните и облачните CAD платформи, добавената и виртуалната реалност, триизмерното принтиране, CAD софтуерът с отворен код, “pay-as-you-go” бизнес моделите и др.

Популярно решение за инженерния анализ в различни сфери на индустрията са т. нар. live платформи за симулация, чрез които проектантите могат да започнат оценка на ефикасността на даден проект още в най-ранната му фаза, без да е необходимо да са завършени фазите на анализ и прототипиране. Виртуалните среди за моделиране и симулация “на живо” сега позволяват много по-голяма свобода още при най-базовата концепция на дизайна, например при избора на материали.

През последните няколко години все по-популярно става и т. нар. модел базирано дефиниране на инженерните проекти, при което периодът от фаза проектиране през реално производство до инспекция на готовите изделия може да бъде съкратен с над 70%.

Свободата, която компютърното проектиране осигурява, вече се простира отвъд сложните хардуерни архитектури и “тежките” софтуерни платформи. С помощта на облачни и мобилни услуги инженерите могат сами да правят свои приложения за моделиране и симулация, които на модулен принцип да насочват към различните роли в екипа си – анализатори, тестови специалисти, специалисти по качеството и т. н. Мобилният интерфейс позволява лесна и бърза промяна на параметрите от членовете на екипа със съответната оторизация, като на базата на вътрешна йерархия различните експерти могат да работят независимо по отделни модули от проекта. Приложенията за симулация от този тип разчитат на детайлно моделиране на конструкцията, като комплексните изчисления се извършват автоматично извън полезрението на потребителя. Това означава, че не е необходимо всеки проектант, който работи с подобен продукт, да бъде специалист по всички обхванати в проекта дисциплини, за да може пълноценно да се възползва от инструментите за симулация и моделиране.

 

Роля на симулацията в продуктовия дизайн

Експертите са единодушни, че на колкото по ранен етап от компютърното проектиране се внедрят технологии за цифрова симулация, толкова по-оптимизирани са цялостният процес и крайният резултат, необходими са по-малък брой физически прототипи, което значително съкращава периода за достигане на продукта до пазара. Съвременните средства за симулация са в състояние да пресъздадат даден дизайн толкова реалистично, колкото е необходимо за целите на проекта.

Поведението на виртуалния модел в рамките на симулационната среда може да се счита за напълно правдоподобна прогноза за реалното му функциониране.

Симулацията отчита всички необходими физични феномени и физически характеристики, релевантни спрямо даден аспект на дизайна, и може напълно реалистично и превантивно да дефинира и възпроизведе взаимовръзките между проектирания обект и останалите елементи на реалния свят. Степента на прецизност, осигурена от детайлния мултидисциплинарен анализ, на който бива подложен обектът във фазата на моделиране и симулация, кореспондира с броя и дълбочината на изследваните фактори и променливи. Основно предимство на виртуалната симулация е, че тя е способна да извлече информация дори от тестови сценарии, които в реална среда биха били твърде скъпи, опасни и дори невъзможни за провеждане. Пример са космическите симулации, инженерните решения, предназначени за тежки индустриални условия, както и моделите в умален или уголемен мащаб. С помощта на инструменти за симулация съвременните проектанти могат смело да експериментират с възможностите за олекотяване на изделията, внедряването на иновативни технологии, генеративния дизайн и др.

 

Предимства на 3D CAD моделирането

Триизмерното CAD моделиране е сред водещите тенденции в модерното машиностроене през последните няколко години, отчитат специалистите. За все по-масовото популяризиране на тази иновация има редица причини, сред които са усъвършенстваното качество на дизайна и широкообхватната платформа – един стандартен 3D CAD софтуерен пакет включва над 700 хил. шаблона за моделиране на различни механични компоненти.

Друго предимство на триизмерното моделиране е улесненото документиране на процеса по проектиране на дадено изделие. Тук отпада необходимостта от време- и трудоемко ръчно чертане и описване на разнородните технически спецификации с отделните аспекти на изделието. Автоматизираното софтуерно проектиране елиминира и риска от човешка грешка при изчисленията, пропуски и недоглеждане на критични за конструкцията параметри. От огромна полза за проектантите са предварително дефинираните модули за документиране и шаблони за попълване с необходимата информация – размери, геометрични особености, материални спецификации, прогнозни разходи и др.

Сред ползите за компаниите, които инвестират в CAD платформи за 3D моделиране, е и фактът, че компютърно генерираните дизайни са съвместими с всички приложими международни стандарти – BSI, ANSI, DIN, CSN, GB, ISO, GOST и т.н. 3D CAD софтуерът осигурява и подобрена визуализация за потребителите в сравнение с по-ранните поколения продукти за компютърно моделиране. Проектираните механични компоненти могат да бъдат виртуално пресъздадени във всички три измерения и дори анимирани с цел демонстрация на работата или поведението им в реална среда. Триизмерната графика може да визуализира още на фаза дизайн и най-сложните свойства и характеристики на изделието. Така за разработката на даден продукт например може да бъде осигурено финансиране много преди проектът да достигне етапа на прототипиране и производството на физически мостри, тъй като виртуалното моделиране напълно реалистично може да покаже функционалността и предимствата му. Не на последно място, 3D CAD моделирането позволява и запазване на проекти в различни етапи, които да бъдат подновявани или използвани за референция в бъдеще, без да е необходимо да се започва от нулата.

 

 

 

Top