إدخال حقبة جديدة من النمذجة والمحاكاة

هذا مقال برعاية قدمه لك كومسول.

نمذجة الكمبيوتر والمحاكاة لديه تم استخدامه في الهندسة لعدة عقود. في هذه المرحلة ، من المرجح أن يكون لدى أي شخص يعمل في البحث والتطوير برامج محاكاة مباشرة أو يستخدم بشكل غير مباشر النتائج التي تم إنشاؤها بواسطة نموذج شخص آخر. ولكن في العمل وفي الحياة ، “لا يزال بإمكان الخطط الموضحة للفئران والرجال أن تخطئوا”. يكون النموذج مفيدًا فقط بقدر ما هو واقعي ، وفي بعض الأحيان يتغير المواصفات بوتيرة يصعب مواكبة أو غير معروفة تمامًا حتى وقت لاحق من عملية التطوير.

النمذجة والمحاكاة رائعة ، ولكن …

أحد الأجزاء المفضلة لدي حول العمل في شركة برمجيات متعددة الفيزياء هو رؤية كل الطرق الذكية والمبتكرة لدينا عملاء استخدم المحاكاة لدفع العالم إلى الأمام. كان هناك مهندس مكبرات الصوت الذي تحدث عن تحويل فكرة في رأسهم إلى منتج قابل للحياة اجتاز كل من المواصفات التقنية وتبدو جيدًا ، ويردون محاكاة على الشحن التوربيني لعملية تكرار التصميم الخاصة بهم. مرة أخرى ، تحدثت مع شخص استخدم برنامجنا لأتمتة عملية تصميم هبوط القوارب لتوربينات الرياح الخارجية من خلال إنشاء مكتبة خاصة به ، والجمع بين تجربتهم المستفادة والتحليل الهيكلي. دعاني شخص آخر إلى مختبر الاختبار المثير للإعجاب حيث أظهروا كيفية إجراء تجارب لإنشاء بيانات المواد ، والتي استخدموها لاحقًا في نماذج الكمبيوتر الحقيقية.

فوائد الحصول على معاينة لنتائج العالم الحقيقي قبل الالتزام بخطة المشروع أو التصميم عبر الصناعة وعروض المنتجات. هناك أمثلة لا حصر لها عن كيفية قيام النمذجة والمحاكاة بتسريع الابتكار ويقلل من التكاليف الإجمالية. ومع ذلك ، فإن استخدام المحاكاة بالطريقة التي تم بها إلى حد كبير على مدار الثلاثين عامًا الماضية ، تطلب خبرة محددة وتدريبًا محددين على كيفية استخدام البرمجيات المفضلة. لذا ، على الرغم من أن الشركات التي تستخدمها لديها الكثير لتحقيقها ، إلا أن المكسب الكلي لا يزال محدودًا بعدد الموظفين الذين تعلموا المهارات اللازمة لبناء نماذج حسابية. لكن هذا لا يلزم أن يكون هو الحال.

جلب المحاكاة إلى ارتفاعات أكبر من خلال التطبيقات المخصصة

خذ شركة تقوم بتطوير معدات محول الطاقة ، على سبيل المثال. يتضمن تشغيل الشبكة نقل الكهرباء على مسافات طويلة ، مما يتطلب فولتية عالية بشكل خطير. لحماية الناس في المجتمع ، يتم وضع المحولات بالقرب من الأحياء والمباني لتقليل الجهد عند الوصول. المحولات صاخبة بطبيعتها ، ولكن يمكن تصميمها لتكون أقرب إلى الصمت قدر الإمكان. كما هو الحال مع معظم الأشياء في هذا العالم ، تتضمن المحولات العديد من الفيزياء المترابطة – علم الكهرومغناطيسي ، الصوتيات ، والميكانيكا الهيكلية ، في هذه الحالة – مما يعني أن برنامج المحاكاة متعددة الفيزياء هو أداة الوظيفة عند تحسين تصميماتها.

عندما تقوم المؤسسات ببناء وتوزيع تطبيقات المحاكاة المخصصة الخاصة بها ، سيتمكن كل شخص في القوى العاملة من اتخاذ القرارات بناءً على التوقعات التي تمثل تعقيدات العالم الحقيقي وقوانين الفيزياء الأساسية.

عرف مهندسو البحث والتطوير المسؤولين عن الخروج بتصميمات المحولات الجديدة للشركة المصنعة جميعها كيفية استخدام برنامج تحليل العناصر المحدودة (FEA) ، لكنهم عملوا عن كثب مع الفرق والإدارات الأخرى دون هذه الخبرة. على سبيل المثال ، لم يكن لدى المصممين المكلفين ببناء المحولات النهائية أي معرفة بـ FEA. بدلاً من ذلك ، فضلوا استخدام جداول البيانات وغيرها من الأدوات القائمة على الإحصاءات والنماذج التجريبية ، والتي عملت بشكل جيد للمحولات التي تبنيها بشكل متكرر ، ولكن ليس للتصميمات أو السيناريوهات الجديدة حيث يتم تقديم أبعاد مختلفة. في هذه الحالة ، تعد محاكاة Multiphysics ضرورية للغاية للحصول على تنبؤات دقيقة لكيفية صخب المحول النهائي. بالإضافة إلى ذلك ، إذا كان التصميم النهائي صاخبًا جدًا ، يتعين على الشركة إجراء تعديلات مكلفة بعد الحقيقة. كانوا بحاجة إلى شيء أفضل.

ماذا فعلوا؟ قاموا ببناء تطبيقات المحاكاة المخصصة الخاصة بهم بناءً على نماذج العناصر المحدودة. وبهذه الطريقة ، يمكن لفريق التصميم الخاص بهم إدخال المعلمات في حقول الإدخال في واجهة مستخدم مباشرة-تم تصميمها من قبل المهندسين داخل الشركة ، المخصصة لتناسب احتياجات الشركة. نظرًا لأن التطبيقات مدعومة من خلال نماذجها المتعددة الفيزياء الأساسية ، يمكن للمصممين بعد ذلك بتحليلها بسرعة ودقة كيف يمكن أن يهمهم محولاتهم نتيجة لمجموعات مختلفة من المعلمات الهندسية والمواد وغيرها من معلمات التصميم.

مثال على تطبيق مخصص لتطوير مفاتيح مفاتيح عالية الجهد ، حيث يقوم المستخدم بإدخال الجهد والنتائج توزيع الإمكانات الكهربائية وتوزيع المجال الكهربائي استنادًا إلى نموذج حسابي أساسي.كومسول

الآن ، في هذه الحالة ، تم بناء التطبيقات بواسطة فرق البحث والتطوير لتحسين عملها. في حين أن هذا استفاد من الشركة والفريق ، إلا أنه لا يزال “مجرد” مثال آخر على استخدام النمذجة والمحاكاة للبحث والتطوير. التطبيقات لديك القدرة على الخروج إلى ما هو أبعد من مجموعات مستخدمي برامج المحاكاة التقليدية وبدأنا بالفعل في رؤية أمثلة حقيقية لذلك.

اتخاذ القرارات في هذا المجال والمصنع والمختبر

حتى مع تحسين التصميم الصحيح من قبل الشركات المصنعة للمعدات ، لا تزال شبكة الطاقة تحتاج إلى مراقبة وصيانتها لمنع وحل الانقطاعات وغيرها من المشكلات. عندما يتعلق الأمر بكابلات الطاقة ، على سبيل المثال ، يتم إجراء الفحوصات الصحية المنتظمة عادةً من قبل فنيي الميدان باستخدام معدات اختبار خاصة. في حالة فشل الكابل ، يتم تكليف الفنيين باستكشاف الأخطاء وإصلاحها وتوسيع نطاق الفشل. هناك الكثير من العوامل في العمل: البيئة التي يوجد فيها الكابل ، هيكل الكابلات والمواد ، الشوائب في الكابل ، تقلبات الجهد ، وظروف التشغيل. الهيكل معقد بشكل خاص ، ويتضمن طبقات متعددة ونواة سلكية من الأسلاك المعزولة بشكل متبادل. يتضمن الحصول على فهم مفصل لفشل الكابل القدرة على تحليل داخل الكابلات ، والتي يمكنك القيام بها باستخدام برنامج المحاكاة.

ومع ذلك ، ليس من العملي أو الواقعية إرسال مهندس محاكاة إلى الخارج مع الفنيين ، وليس من الواقع تعليم الفنيين كيفية استخدام برنامج المحاكاة. لكن ذلك يكون من الممكن أن يكون هناك مهندس محاكاة يقوم بإنشاء تطبيق مخصص لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها لاستخدامه في الحقل. ستسمح لهم تطبيقات المحاكاة بتقييم فشل الكابلات بناءً على كل من الفيزياء وظروفها المحلية في الموقع وحل المشكلة في الوقت الحقيقي. هذا ليس مثالًا خياليًا ، بالمناسبة: قامت شركة شبكة الطاقة بتقديم تطبيق لهذا الاستخدام قبل عدة سنوات.

ستسمح تطبيقات المحاكاة المخصصة لمهندسي الميدان بتقييم الفشل بناءً على كل من الفيزياء وظروفهم المحلية في الموقع وحل المشكلة في الوقت الفعلي.

بعد ذلك ، دعونا نفكر في شركة تركز على التصنيع. يمكن التحكم في البيئة الداخلية بإحكام ، ولكن لا يزال هناك العديد من أوجه عدم اليقين التي يمكن أن تؤثر على نتائج الإنتاج. إذا تمكنت من التنبؤ بها مقدمًا ، فسيكون العمل أفضل حالًا. دعنا نأخذ أجزاء مصنع للتصنيع الإضافية المنتجة عبر اندماج سرير مسحوق المعادن كمثال. بالعودة إلى المكتب ، يمكن لمهندسي المحاكاة تحسين التصميمات قبل الإنتاج ، ولكن قد لا تزال النتيجة النهائية لا تتطابق مع النموذج إذا لم تكن ظروف المنشأة مثالية في وقت الإنتاج. يمكن أن تؤدي الحرارة والرطوبة داخل المنشأة إلى تأكسد مسحوق المعادن والتقاط الرطوبة أثناء التخزين ، وهذا سيغير كيفية تدفقه ويذوبه ويلتقط الشحنات الكهربائية والتصلب. علاوة على ذلك ، فإن المسحوق قابل للاشتعال وسام ، حتى أكثر من ذلك عندما يجف. بمعنى آخر ، يؤثر قياس وإدارة مستويات الرطوبة في المصنع على جودة المنتج وسلامة العمال.

قامت إحدى هذه الشركات بتصنيع مصنعها الخاص ومحاكاة محاكاة حولها لمراقبة شروط المصنع والتنبؤ بها بناءً على متغيرات مثل المناخ الخارجي ، وعدد الآلات التي يتم تشغيلها ، وكيفية وضع الآلات. يمكن لموظفيهم بعد ذلك استخدام التطبيقات على الفور لمعرفة كيفية ضبط جداول التهوية والإنتاج لإنشاء الظروف التي يحتاجون إليها للحصول على أفضل نتائج الإنتاج.

تطبيق محاكاة للتنبؤ بظروف منشأة التصنيع.كومسول

الآن ، إذا كنت تقوم بإجراء تجارب مباشرة في مختبر أو باستخدام منصات الاختبار ، فيمكنك ، بالطبع ، معرفة بالضبط النتيجة الحقيقية التي تعتمد على المدخلات المحددة بعناية وإعداد محكم. من خلال اقتران الاختبار التجريبي مع المحاكاة ، يمكنك تحسين الفهم وصنع تنبؤات أسرع باستخدام نتائجك التي تم إنشاؤها في المختبر. على سبيل المثال ، إذا كنت تبحث عن تزييت إيلاستوهيدروديناميكي حراري لاتصالات الترس ، فقد تتعلم من خلال الملاحظة أن طلاء الكربون الذي يشبه الماس على سطح التروس يحسن كفاءته ، لكن هذا يوضح لك فقط ماذا يحدث ، لا لماذا.

في هذه الحالة ، يتيح لك وجود تطبيق محاكاة في المختبر إدخال تفاصيل الإعداد الفعلي بسهولة والحصول على محاكاة متعددة الفيزياء حول كيفية تدفق الحرارة داخل النظام. فريق بحث قام بذلك بالضبط ، مفهوما من النموذج أن تحسين الكفاءة ينبع من حقيقة أن الطلاء يرخّف الحرارة في التلامس ، مما يقلل من لزوجة زيوت التشحيم وبالتالي يقلل الاحتكاك. لم يكونوا يعرفون هذا باستخدام العين المجردة فقط.

يمكن استخدام المحاكاة كأداة فعالة لاتخاذ القرارات في المكتب والمجال والمصنع والمختبر. عندما تقوم المؤسسات ببناء وتوزيع تطبيقاتها المخصصة الخاصة بها ، سيتمكن كل شخص في القوى العاملة من اتخاذ القرارات بناءً على توقعات تمثل التعقيدات في العالم الحقيقي وقوانين الفيزياء الأساسية-دون الحاجة إلى تعلم أولاً كيفية استخدام برنامج المحاكاة أو تناول الكثير من وقت شخص آخر. العالم يتغير باستمرار وتساعد تطبيقات المحاكاة الشركات والفرق من جميع الأنواع على مواكبة.

تعرف على المزيد حول تطبيقات المحاكاة في هذا المورد المقترح: https://www.comsol.com/benefits/simulation-apps