Simulace v reálném čase – Revoluce v navrhování nových konstrukcí

Tags: ANSYS | Konstrukce | Navrhování | Reálný čas | Simulace | SVS FEM

Je tomu již  přes třicet let, co John A. Swanson (zakladatel  firmy ANSYS) na jednom setkání vývojářů načrtl svou vizi  vývoje v oblasti náročných numerických výpočtů. V této vizi naznačil několik fází přerodu simulací  a přidělil jim i časovou posloupnost s výhledem až do roku 2020. Období přelomu století bylo plné futuristických vizí, leckdy i bláznivých nápadů, a tak není divu, že tehdejší plénum matematiků, fyziků, inženýrů a softwarových vývojářů přijalo jeho představu o době, kdy počítač zvládne převážnou část práce při vývoji nové konstrukce samostatně, s pobaveným úsměvem.

Role, kterou přisoudil člověku do budoucna, se přesouvala z původní pozice výpočtářů (tehdy osob s rozsáhlými znalostmi z numerické analýzy, materiálového inženýrství a inženýrských dovedností z oborů  strojírenství a informačních technologií) do pozice volnomyšlenkářského designéra/konstruktéra.
Tato myšlenka se zdá i dnes velmi odvážná. A to i přes fakt, že výpočtářů, kteří dnes nepovažují Hilbertův prostor za nic exotického, je jako šafránu, že diskretizace domény již neprobíhá na rýsovacím prknu a že počítače se z kapacity 64 kB RAM, 3MHz a úžasných 10 MB volného místa na disku  transformovaly do výpočetních clusterů a cloudů s téměř bezlimitními možnostmi.
Rok 2020 je za dveřmi a tato neuvěřitelná představa, podle níž se úžasná lidská invence a mezioborové znalosti transformují do funkčního automatu, se stává realitou. Samozřejmě budou stále potřeba tvůrčí lidé s hlubokými znalostmi, ale tato potřeba bude stále nižší, protože i v oblasti tak výsostně tvořivé a náročné, jakou výpočtařina a konstruování bezesporu jsou, se automatizace, algoritmické rozhodování a optimalizace podílejí nejen na zkrácení vývoje nových produktů, ale leckdy zcela nahrazují znalosti a dovednosti, bez kterých si žádný uchazeč o tuto doménu lidské činnosti nemohl svou existenci dříve ani představit. To, čeho jsme v poslední době svědky, je ohromná polarizace a zároveň relativizace specializací.  Nároky kladené na současné výpočtáře již dávno překračují jednotlivé dílčí obory.  Lapidárně řečeno, dnes je obtížné najít uplatnění např. jako výpočtář v oblasti harmonické analýzy pevných těles, ale o to větší je poptávka po multioborovém přesahu, po schopnostech řešit komplexní úlohy mechaniky pevných těles i tekutin, elektromagnetického pole vysokých i nízkých frekvencí, parametrické i topologické optimalizace,... Představou zaměstnavatelů  je pak výpočtář, který je schopen řešit cokoliv v co nejkratším čase a za co nejméně vynaložených prostředků (a kupodivu se tato představa ujala nejen v ČR). Ačkoliv se tato představa může zdát utopická, začínají se skutečně objevovat výpočtáři s úžasným mezioborovým nadhledem. Ovšem, čím více se znalosti výpočtářů rozlévají do šíře, tím mělčí jsou pochopitelně ve srovnání se specialisty v jednotlivých oborech (i když existuje řada výjimek).   Pokud navíc přihlédneme k obecné devalvaci technického vzdělávání, klesající populační křivce a neustále rostoucím požadavkům ze strany průmyslové praxe, vypadá to nejen v této oblasti na zajímavou výzvu alespoň v intencích budoucího přechodu na Průmysl 4.0, politiky zaměstnanosti vysoce specializovaných odborníků či transformace stávající exportně orientované ekonomiky na ekonomiku s vyšší tvorbou přidané hodnoty.

Nyní si představte, že provádíte návrh nové konstrukce a ptáte se, jaká bude odezva konstrukce při silovém, teplotním zatížení a jaká v elektromagnetickém poli. Jak se bude chovat v podmínkách zástavby? Jak ovlivní konstrukci okolní klima? Pokud řeším ventil, výměník,  spalovací motor, jaderný reaktor,... jak bude konstrukce reagovat při změně podmínek, při drobné změně geometrie?  Obvykle tyto otázky vedou k tradičnímu kolečku výkres, geometrie, model, simulace a zpátky. Toto kolečko je náročné na HW, netriviální SW, čas, peníze a spolupráci zpravidla několika inženýrů.
Revolucí, která jak se zdá jde ruku v ruce s předpovědí p. Swansona, je kombinace unikátního SW a současných výkonných GPU karet s podporou robustních CPU pro rychlý výpočet a vizualizaci v reálném čase. ANSYS uvádí v těchto dnech skutečně průlomovou aplikaci, která je snem asi každého konstruktéra. V novém prostředí ANSYS Discovery nejen že můžete vytvářet CAD geometrii na profesionální úrovni, ale zároveň můžete okamžitě sledovat, jak se taková geometrie bude chovat v prostředí, do kterého ji umístíte, příp. deformovat v závislosti na silovém či teplotním zatížení.  Stejně rychle, jako se vykreslují plochy geometrie, se vykresluje i pole rychlosti, tlaků, teplot a dalších sledovaných veličin přímo v režimu úprav CAD geometrie. To znamená kompletní změnu filozofie jednotlivých  fází preprocessingu, řešení a postprocessingu, které se tak stávají v tomto kontextu zbytečnými. Model opracováváte  téměř jako v reálném světě jen s tím rozdílem, že místo povrchového renderingu se  uživateli okamžitě zobrazují veličiny fyzikálních polí, které potřebuje pro hodnocení své konstrukce. Práce v prostředí je velmi intuitivní a díky analýze v reálném čas je velmi dynamická.  Uživatel také může zvolit řadu různých bodových  pozic, které názorně v grafu zobrazí aktuální hodnoty i jejich dynamickou odezvu při změně geometrie. Samozřejmostí je vizualizace proudnic (včetně vývoje v čase), trasování částic, isoplochy atd. Díky okamžité změně výsledků je práce při návrhu nové konstrukce vysoce interaktivní a uživatel má téměř fyzický pocit z každé změny, kterou provádí ve svém modelu.

Nejen že tak dostává lepší představu, jaké důsledky má každá změna, ale může tak výrazně zkrátit celý proces inovace produktů, protože na výpočtáře pak zbývají již “pouze” úlohy s vysokou mírou nelinearit, vázanými fyzikálními ději či citlivostního a optimalizačního charakteru. Výhodou příslušnosti produktu Discovery do celé rodiny výkonných výpočetních aplikací ANSYS je pak možnost automatizovaného předávání výsledků mezi jednotlivými moduly. Konstruktér, který potřebuje řešit složitější typy úloh a potřebuje provést detailní analýzu lokálního charakteru, může předat model do multifyzikálního prostředí ANSYS AIM, nebo může model přebrat pokročilý výpočtář, který využije specializované prostředí Mechanical, CFD, Electro či STR s tím, že je neustále zachována návaznost mezi jednotlivými kroky konstruktéra a pokročilejší numerickou analýzou.

Tato aplikace, jak je zřejmé, cílí především na CAD specialisty či konstruktéry, a nikoliv na výpočtáře. Ačkoliv i výpočtář ocení možnost rychlé predikce navrhovaných změn, je to především konstruktér, kterému dosud chyběl nástroj, který je schopen v reálném čase simulovat navrhovanou konstrukci, tak aby jeho finální konstrukce byla co nejrobustnější vůči okolním podmínkám a přitom zároveň splňovala základní požadavky efektivní výroby a minimálních nákladů na výrobu. Tam, kde se dříve neobešel bez spolupráce se specialistou na numerické simulace, se nyní stává nezávislým a soběstačným.

Jistě, můžete namítnout, že řada CAD aplikací nabízí svoje nadstavby pro realizaci numerických simulací, ale základní problém těchto nadstavbových modulů je na jednu stranu menší přesnost, robustnost i komplexnost ve srovnání se specializovanými nástroji pro numerické simulace a na druhou stranu nenabízejí okamžitou odezvu jako Discovery. Jinými slovy, tyto moduly přebírají nectnosti simulačních nástrojů s horšími možnostmi i přesností, ale nenabízejí to, co konstruktér skutečně vyžaduje a je schopen využít. ANSYSu se díky Discovery podařilo najít velmi zajímavý prostor na trhu skutečnou demokratizací numerických nástrojů pro ne-výpočtáře a osoby bez specializace v oboru variačních metod. Díky tomu má dnes i středoškolák možnost ve velmi krátké době ověřit chování svého nápadu, tak aby měl reálnou podstatu  a mohl se stát skutečnou inovací.
Nezáleží tedy na tom, jestli máte několik vysokoškolských titulů, jste nadšenec v oblasti „udělej si sám“ nebo profesionální CAD/CAE/CAM konstruktér. Díky ANSYS Discovery se otevírá prostor všem tvořivým lidem, kteří mají nápady, aby je mohli převést ve skutečnost.

To nejlepší na závěr ANSYS Discovery je možné vyzkoušet zcela zdarma.
Odkaz pro stažení ANSYS Discovery zdarma, tutoriály a další informace zde.
ANSYS Discovery je nové prostředí určené pro konstruktéry, které nabízí možnosti profesionálního CAD prostředí odvozeného z prostředí SpaceClaim s možností okamžité simulace zatížení konstrukce v oblasti lineární mechaniky pevných těles a mechaniky tekutin.
ANSYS je firma, která vyvíjí a distribuje stejnojmenný software pro náročné inženýrské simulace. V současnosti dominuje na poli aplikací tohoto typu. Vyniká zejména v oblastech multifyzikálních analýz, automatizace a optimalizace konstrukcí.
SVS FEM, s. r. o., je ANSYS Channel Partner pro Českou a Slovenskou republiku, zajišťující prodej softwaru ANSYS, hardwaru, služeb, řešení projektů a vývoj v oblasti numerických simulací.