У машинобудуванні підшипники є елементами машин, які забезпечують рух і зменшують тертя між рухомими частинами. Наприклад, підшипники можуть керувати поступальним рухом деталі або її обертанням навколо осі, а також запобігати руху, контролюючи зусилля, що діють на деталь.

В маленькому елементі передаються величезні зусилля. Тому не дивно, що  розрахунки підшипників є одними з найскладніших аспектів проектування машин: точність – це головне. Для успішного проектування необхідно моделювати підшипники з достатньою точністю, в той час як їх різноманітні характеристики та особливості форми важко врахувати.

Провідний виробник підшипників – компанія SKF – розробила програмне рішення у вигляді SKF Bearing, безкоштовного АСТ-розширення до Ansys Mechanical, яке спрощує процес вибору та моделювання підшипників, надаючи доступ до точних даних щодо жорсткості для понад 10 000 різновидів підшипників.

SKF Bearing спрощує та автоматизує процес вибору підшипників під час розрахунку напружено-деформованого стану методом скінченних елементів, що робить моделювання доступним будь-якому користувачу Ansys Mechanical, від початківця до експерта.

Автоматизація та точність розрахунку підшипників

Компанія SKF пропонує технічні рішення, які зменшують тертя у механізмах, одночасно збільшуючи час безвідмовної роботи та продуктивність машин. Компанія SKF зосереджується не тільки на розробці, але і сприяє розумному та екологічно чистому розвитку, вкладаючи значні зусилля у дослідження з великим акцентом на надійність та сталість.

Компанія SKF запропонувала додаток SKF Bearing на конференції з інженерного моделювання Level Up 3.0.

Основними розробками компанії є обертові вали, включно з підшипниками, ущільненнями, системами управління змащенням, системами штучного інтелекту (AI) та бездротового контролю стану. Крім механічних частин і апаратного забезпечення, компанія SKF розробляє програмне забезпечення для проектування підшипників, включаючи програмні додатки, які інтегруються з програмним забезпеченням сторонніх виробників, щоб допомогти клієнтам більш точно та легко моделювати підшипники.

Hedzer Tillema, менеджер з продукту відділу інженерного програмного забезпечення компанії SKF, запропонував один з найновіших додатків – SKF Bearing – на інженерній конференції з інженерного моделювання Level Up 3.0 від Ansys.

Додаток був розроблений з використанням Application Customization Tool Kit (ACT), який дозволяє користувачам автоматизувати робочі процеси, створюючи так звані Помічники (або Майстри –Wizards). Ці Помічники надають покроковий та зрозумілий для будь-якого користувача інтерфейс та налаштовані до виконання обраних завдань. Як зазначено вище, SKF Bearing призначений для прискорення моделювання підшипників та їх розрахунку методом скінченних елементів в Ansys Mechanical.

Як каже Hedzer Tillema, компанія SKF підтримує нову тенденцію у галузі проектування та виробництва, згідно до якої інженери та проектанти починають використовувати моделювання та віртуальне тестування на більш ранніх етапах розробки. Шляхом застосування моделювання на ранній стадії розробки, а не лише на стадії верифікації, фахівці отримують важливі дані, які допомагають запобігти помилкам проектування та скоротити час виходу розробки на ринок.

Завдяки інтегруванню моделювання та сумісним програмним засобам, компанія SKF надає можливість більшій кількості інженерів та проектантів отримати цифрову трансформацію.

За словами Hedzer Tillema, основними викликами в моделюванні підшипників є:

• Наявність високонелінійних компонентів, що мають значний вплив на всі системи, який складно передбачити без детального аналізу.
• Різноманітність типів підшипників.
• Значний вплив мікроскопічних особливостей поверхонь та властивостей матеріалів на всі системи. Доречи, такі дані є інтелектуальною власністю і, отже, зазвичай недоступні при проектуванні.

Отже, традиційний спосіб моделювання підшипників передбачає використання методу випробувань і помилок, що часто зумовлює великі витрати часу та коштів.

"Як подолати ці виклики? Що ми пропонуємо?" - запитав Hedzer Tillema учасників конференції Level Up 3.0. "Наша пропозиція – додаток SKF Bearing, який знімає тягар моделювання підшипників з рук інженерів з моделювання."

На даний момент, додаток не призначений для детального моделювання підшипників кочення або вивчення впливу його характеристик на продуктивність. Замість цього, SKF Bearing призначений допомоги точно врахувати жорсткість підшипника при його моделюванні.

Розрахунок підшипників у кілька кроків

Abhinand Pusuluri, розробник програмного забезпечення компанії SKF, продемонстрував додаток SKF Bearing на конференції Level Up 3.0 н прикладі однорядного циліндричного роликового підшипника SKF NU 315 ECP.

SKF Bearing обчислює необхідні параметри для вашої моделі всього за кілька кліків. Підшипник моделюється як жорстке кільце, жорсткість якого обчислюється відповідно до реального підшипника за рахунок взаємодії з хмарним сервером SKF. Розрахункова жорсткість враховує деталі контакту між рухомими елементами та канавками підшипника, а також мікроструктуру поверхонь.

В результаті, SKF Bearing надає кілька переваг, зокрема:

• Простота розрахунку та моделювання підшипників.
• Доступ до даних 10 000 найменувань підшипників, які включають всі типові конструкції.
• Хмарний онлайн-інструмент гарантує актуальність даних щодо розрахунку жорсткості підшипника.

Підвищенню точності розрахунків з SKF Bearing сприяє наявність двох моделей:

• Нелінійна модель жорсткості для статичного розрахунку для визначення величин навантажень на підшипник.
• Модель сталої жорсткості для динамічного розрахунку, наприклад, розрахунку власних частот коливань.

Додатково, є можливість вибору властивостей контактних поверхонь підшипників та його системи координат. Щоб зробити це ще простіше, є можливість скористатися онлайн-інструментом розрахунку SKF Bearing Select від компанії SKF для визначення підшипників, які найбільше підходять для конкретної розробки.

Результати моделювання підшипників генеруються миттєво за допомогою додатку SKF Bearing у Ansys Mechanical

Почніть працювати з SKF Bearing у Ansys Mechanical

Жорсткість підшипників суттєво впливає на динаміку машин та механізмів. SKF Bearing дозволяє легко створювати моделі підшипників для точного врахування його жорсткості за допомогою зручного Помічника і безпосереднього доступу до даних понад 10 000 найменувань підшипників у каталозі SKF.

Бажаєте отримати консультацію щодо отримання, встановлення програмного забезпечення Ansys, або технічної та методичної підтримки розрахунків – звертайтесь до спеціалістів компанії Софт Інжинірінг Груп. Спеціалісти компанії також допоможуть створити власні додатки до програмного забезпечення Ansys для автоматизації та кастомізації процесу розрахунку.

Ми хочемо «мати все і одразу», проте реальність полягає в тому, що життя повне компромісів. Один з компромісів, який клієнти Ansys роблять щодня, це компроміс між швидкістю моделювання та точністю результатів. Усвідомлюючи, що у кожної команди розробників продукту свої пріоритети, Ansys працює над спрощенням пошуку компромісу, а також пропонує ряд рішень, які надають специфічні переваги користувачам.

З одного боку, флагманські фізичні вирішувачі Ansys, такі як Ansys Mechanical та Ansys Fluent, розроблені для вирішення надзвичайно складних проблем, таких як турбулентність і вібрації, з надзвичайною точністю. Інженери можуть застосовувати кілька фізичних законів, розглядати перехідні процеси, виконувати розрахунки на рівні системи та майже повністю копіювати реальний процес. Зрозуміло, що повномасштабне моделювання є складним с точки зору використання апаратних ресурсів завданням, яке, незважаючи на стрибок у вдосконаленні апаратних засобів і програмного забезпечення, вимагає значного часу на розв'язання.

З іншого боку, Ansys пропонує рішення для початкових етапів моделювання, такі як Ansys Discovery, які розв’язують фізичні задачі з меншою точністю, але набагато швидше. На початку циклу проектування, команда розробників може швидко оцінити наближені показники якості розробки і прийняти попередні рішення щодо загального напрямку проектування. Вони можуть тестувати різні сценарії та вільно привносити інновації, знаючи, що розробка буде піддана більш ретельному аналізу на наступних етапах.

Кожен користувач Ansys підтвердить, що і результати високої точності, і результати меншої точності, але отримані швидше, є цінними. Кожен підхід отримав своє місце у процесі розробки і довів свою ефективність з точки зору виходу на інвестиції. Однак, сьогодні клієнти Ansys мають зробити загальний вибір між швидкою моделлю з меншою точністю і повільною, більш точною.

Моделювання зовнішнього потоку навколо корпусу автомобіля: поле швидкостей, поле тиску та лінії току

Наступний крок: прискорення точних розрахунків

Щоб надавати клієнтам найкращі можливості без жодних компромісів, Ansys постійно працює над інноваціями. Ми вважаємо, що майбутнє покоління програмного забезпечення Ansys буде здатне забезпечити одночасно як надзвичайну швидкість, так і надзвичайну точність в рамках одного рішення. І ми вважаємо, що досягнення цього потужного поєднання переваг полягає в застосуванні глибинного навчання (deep learning) у поєднанні зі флагманськими вирішувачами Ansys.

Інженерне моделювання базується на використанні рівнянь у часткових похідних. Значну частину часу при моделюванні вирішувачі Ansys витрачають на формулювання умов задачі, включаючи визначення геометричних особливостей, граничних умов та обмежень. Прискорити цей процес складно через значний обсяг обчислень, необхідний у випадках щільних розрахункових сіток та складних геометричних форм. Кожен розрахунок потрібно здійснювати «з нуля».

В той же час, методологія глибинного навчання може все змінити. R&D-команда Ansys вивчає можливості використання методів глибинного навчання для вирішення задач високої розмірності, які подібні задачам розпізнавання образів. Вони намагаються зменшити розмірність чисельно складних 3D- та 4D-моделей за допомогою технології глибинного навчання, та поєднати їх з вирішувачем у циклі, щоб зробити точні узагальнення на довільні умови задачі. Нещодавно вони опублікували статтю про новаторський підхід на основі технології глибинного навчання, відомий як Composable AutoEncoder Machine Learning Simulation (CoAE-MLSim).

Поля температур та швидкостей потоку навколо циліндру, отримані вирішувачем Fluent та за допомогою машинного навчання (ML)

Глобальний розв’язок на базі локальних даних

Які переваги надає CoAE-MLSim користувачам Ansys? Ця інноваційна технологія допоможе поєднати швидкість та легкість використання методів отримання результатів з меншим ступенем достовірності, таких як Discovery, з надійністю та достовірністю флагманських вирішувачів.

CoAE-MLSim розглядає локальні піддомени в межах розрахункової сітки моделі. Ці піддомени складаються з групи пікселів у випадку 2D-моделі, або вокселів у випадку 3D-моделі (наприклад, восьми або 16 комірок у кожному просторовому напрямку). За допомогою високорозвинених алгоритмів глибинного навчання CoAE-MLSim "вчиться" вирішувати фізичні задачі в локальних піддоменах, а потім "вчиться" правилам зв'язку між різними піддоменами. Це дає набір локально пов’язаних розв’язків по всій області сітки. Таким чином, ітеративні алгоритми глибинного навчання дозволяють CoAE-MLSim встановити локальну збалансованість для всіх груп піддоменів у всій області моделювання.

Використання підходу CoAE-MLSim означає, що програмне забезпечення Ansys "навчається", коли розглядає невеликі локалізовані області розрахункової сітки та отримують результати для всієї сітки на дуже високому рівні достовірності. При цьому алгоритми будуть сполучені з вирішувачами, що працюють на основі традиційних моделей на базі рівнянь у часткових похідних, які завжди були в основі програмного забезпечення Ansys, таких як Mechanical і Fluent.

Програмне забезпечення наступного покоління прискорить розрахунки, підвищить точність і універсальність розрахунків на базі рівнянь у часткових похідних. Воно усуває необхідність робити вибір між швидкістю та достовірністю, дозволяючи користувачам Ansys насолоджуватися обома якостями одночасно. Окрім цього, використання глибинного навчання означає, що, кожен раз, коли користувачі Ansys застосовують програмне забезпечення для моделювання у своїх власних та унікальних задачах, вирішувачі на базі глибинного навчання продовжують навчатися, надаючи з часом все більш точні та швидкі результати розрахунків.

Погляд у більш розумне майбутнє

Ми вже бачимо з вами, як штучний інтелект та машинне навчання трансформують багато аспектів нашого особистого та професійного життя. У Ansys захоплюються потенціалом нових технологій у створенні революційно нових можливостей програмного забезпечення, особливо в області розв’язання рівнянь у часткових похідних.

Хоча мета ще не досягнута, ми щодня досліджуємо можливості штучного інтелекту та машинного навчання для наших користувачів. Якщо ви теж поділяєте такий погляд у майбутнє – звертайтесь до спеціалістів компанії Софт Інжинірінг Груп за технічною та методичною підтримкою програмного забезпечення Ansys.

Глобальний ринок безпілотних повітряних апаратів (БПЛА) стрімко зростає. З продажами у розмірі 26,2 мільярда доларів у 2021 році, очікується зростання до 38,3 мільярда доларів до 2027 року¹. Дрони використовуються по всьому світу в різних сферах, включаючи оборону, пожежогасіння, пошуково-рятувальні операції, нагляд, метеорологію, зйомки новин та спортивних подій, сільське господарство та доставку всього від критичних медичних засобів до пошти. БПЛА можуть перетинати небезпечні ділянки або діставатись віддалених локацій, не ризикуючи людським життям.

Компанія Airbus, учасник недавньої конференції Ansys Digital Safety Conference (DSC), є глобальним лідером у цій галузі, відомим своїми інноваціями у виробництві як військових, так і комерційних дронів.

Нещодавно Airbus успішно продемонстрував, як безпілотні та пілотовані літаки можуть працювати разом під час оборонних місій², відкриваючи шлях до майбутньої системи повітряного бойового комплексу Європи. У літній період 2022 року сонячний дрон Zephyr компанії побив усі світові рекорди, перебуваючи у повітрі протягом 64 днів³.

При тому, що Airbus при створенні нових розробок чітко фокусується на інноваціях, безпеку ніколи не можна ставити під загрозу. Команда з розробки продуктів компанії покладається на комплекс рішень Ansys SCADE для забезпечення безпеки вбудованого програмного коду, який лежить в основі багатьох її систем БПЛА. За допомогою середовища розробки на основі моделей SCADE, Airbus може зробити процес проектування та верифікації програмного забезпечення максимально швидким і продуктивним, забезпечуючи надійність у критичних для місій застосуваннях.

Наземні контрольні станції – важлива складова БПЛА

У своїй презентації на DSC, Крістіна Расілья Реймундо, інженер систем контрольних станцій в Airbus Defense and Space, розповіла, як Airbus використовує SCADE для розробки наземних контрольних станцій для БПЛА. Наземні контрольні станції – це поєднання апаратного та програмного забезпечення, яке функціонує як "наземна кабіна" для БПЛА.

З можливостями як моніторингу, так і керування, наземні станції можуть збирати, передавати та отримувати інформацію від БПЛА в критичні моменти, такі як запуск, забезпечуючи також безпечну роботу під час тривалих польотів. Наскільки це важливо? Прогнозується, що глобальний ринок наземних контрольних станцій досягне 850,5 мільйонів доларів до 2027 року.

У своїй презентації на DSC, Расілья описала три типи систем керування БПЛА:

• Переносні наземні контрольні станції (це може бути ноутбук або планшет), які забезпечують швидке розгортання.
• Мобільні наземні контрольні станції, які забезпечують комунікацію дистанційно під час польоту БПЛА у полі зору.
• Розподілені наземні контрольні станції, які складаються з двох частин: мобільної частини для запуску та посадки, яка використовується для комунікації дистанційно під час польоту БПЛА у полі зору під час злету та посадки, та станції фіксованого типу, яка підтримує зв’язок з БПЛА під час його польоту.

Зусилля з розробки у компанії Airbus напрямлені на створення як мобільних, так і розподілених наземних станцій керування.

Забезпечення надійності за допомогою Ansys SCADE

Інтерфейси людина-машина (HMI), що підтримуються тисячами рядків програмного коду, є ключовими для забезпечення ефективності роботи компонентів та зручного використання операторами. Airbus інвестував значні кошти у розробку спільної платформи HMI, яка є основою для всіх його рішень з наземного контролю. З початку 2015 року Airbus почав використовувати SCADE для розробки вбудованого програмного коду для своєї платформи HMI.

"У попередніх проектах розробка HMI повністю здійснювалась за допомогою коду, написаного вручну. Однак, в певний момент ми вирішили розвинути процес розробки HMI і почати використовувати Ansys SCADE для системного інжинірингу на основі моделей", - каже Расілья. SCADE дозволяє Airbus генерувати код автоматично, забезпечуючи при цьому відповідність до критичних вимог промисловості.

"Нам було потрібно, щоб HMI та його вбудований код відповідали низці комерційних та військових стандартів з сертифікації", - каже Расілья. "Ми застосовуємо стандарт ARINC 661, який визначає загальну архітектуру програмного забезпечення для інтерактивних дисплеїв. Він визначає як систему дисплеїв кабіни, так і програму користувача, включаючи його основне програмне забезпечення та логіку".

Чому Airbus покладається на SCADE у питаннях безпеки? "По-перше, набір рішень SCADE використовується в Airbus для комерційних та військових програм вже довгий час і дав дуже добрі результати. Це перевірене рішення", - каже Расілья. "По-друге, SCADE гарантує відповідність до ARINC 661 та інших стандартів, оскільки ці вимоги вже вбудовані. По-третє, SCADE розроблено з урахуванням взаємодії з іншими інструментами, які ми використовуємо, тому, переходячи від однієї програми до іншої, ми отримуємо більш повне та повторне використання даних."

"Нарешті, SCADE був спеціально розроблений для вирішення завдань розробки програмного забезпечення для критичних систем", - підкреслює Расілья. "Це інструмент, який налаштовується, тому нам не потрібно використовувати ручну розробку та програмне забезпечення масового ринку для виконання дуже спеціалізованих та важливих завдань розробки наших продуктів."

У Airbus інструменти SCADE допоможуть значно скоротити час та витрати на сертифікацію на відповідність нормам безпеки шляхом спрощення проектування критичних керуючих програм, автоматизації верифікації та генерації коду, а також створення документації. Рішення SCADE безперешкодно інтегруються в процес розробки Airbus завдяки дотриманню стандартам взаємодії та можливостям налаштування на основі Python.

Підтримка найвищого рівня інновацій у розробках

SCADE також спрощує повторне використання попередніх моделей та даних Airbus, замість того, щоб кожен раз починати з нуля при налаштуванні та оновленні архітектури програмного забезпечення. Зміни, що вносяться в одну частину створеної моделі SCADE, автоматично відображаються в усій архітектурі. Це не лише заощаджує час, але й дає інженерам більше простору для інновацій.

Маючи мету утримання лідерства Airbus на глобальному ринку безпілотних повітряних апаратів завдяки новаторським розробкам, компанія не може обмежуватись написанням коду та підтримкою відповідності стандартам за допомогою програмного забезпечення масового ринку. Рішення сімейства SCADE спеціально розроблені для ефективного та автоматичного забезпечення відповідності, одночасно забезпечуючи інновації шляхом модельного та логічного підходу.

"Від моніторингу та управління БПЛА до керування HMI та дисплеями наша мета – забезпечення безпечної та надійної роботи наших розробок в реальних умовах експлуатації", - каже Расілья. "Це надає Airbus, а також нашим клієнтам, високий рівень впевненості."

Бажаєте дізнатися більше про те, як Airbus використовує можливості Ansys SCADE? Дивіться виступ Крістіни Расілья Реймундо тут.

Бажаєте придбати програмне забезпечення Ansys SCADE, або консультацію фахівців – звертайтесь до компанії Софт Інжинірінг Груп.

Посилання:

1. “Global UAV Market Report 2022: Use of UAVs for Cargo Delivery in Military Operations Presents Opportunities.”PR Newswire, November 17, 2022.  
2. “Airbus Leads Large-Scale Manned-Unmanned Teaming Flight Demo.”Avionics International, December 13, 2022.
3. “Up, up and away: Airbus’ Zephyr drone breaks flight record high above Arizona.”Defense News, July 22, 2022.
4. “Global UAV Ground Control Station Market to Reach $850.5 Million by 2027.”Yahoo Finance, October 13, 2022.

Уявіть собі, що ви покращуєте конструкцію вентилятора та збільшуєте його довговічність за рахунок керування механічними властивостями матеріалу на різних ділянках лопатки! Або уявіть собі, що для визначення працездатності ви тестуєте віртуальні прототипи матеріалів замість реальних зразків, економлячи час і ресурси!

Ідея інтеграції розрахункових моделей та експериментів для проектування та оптимізації матеріалів не нова, але була обмежена ступенем розвитку технологій у галузі управління даними, взаємодії програмного забезпечення та автоматизації робочих процесів [NASA Vision 2040: A Roadmap for Integrated Modeling of Materials and Systems]. Такий підхід отримав назву інтегрований цифровий Інжинірінг матеріалів (integrated computational materials engineering – ICME). Він поєднує методики з матеріалознавства, хімії, фізики, інженерії та програмного забезпечення для створення інтегрованих робочих процесів моделювання матеріалів з метою розуміння їх поведінки у різних просторових та часових масштабах.

Цифровий Інжинірінг матеріалів у Ansys

Як лідер у сфері інженерного моделювання, Ansys відіграє ключову роль у розробці програмних засобів для підтримки ICME. Ansys надає інженерам можливість моделювати структуру матеріалів для прогнозування властивостей, наприклад, термомеханічних властивостей за різних умов експлуатації, що дуже важливо для точного моделювання поведінки таких матеріалів, як сплави або композити.

Ось кілька прикладів такого функціоналу в Ansys:

• проектування матеріалів зі складними особливостями мікроструктури, композитів, метаматеріалів та інше;
• автоматизація та керування масштабних робочих процесів;
• управління інформацією про матеріали та процеси;
• автоматизована оптимізація, аналіз чутливості та надійності.

Інструменти Ansys, пов'язані з ICME, виходять за межі наведених вище прикладів. Поєднання з міждисциплінарними вирішувачами Ansys, які описують мікро- та макрофізичні явища, а також з моделями сторонніх розробників, значно розширює межі застосування фреймворку.

Використання deep learning для підвищення якості прогнозування властивостей матеріалів

Програмне поєднання міждисциплінарних досліджень

ICME, за своєю суттю, є широким і багатодисциплінарним напрямом, в центрі якого знаходиться матеріалознавець. Однак, звичайний дослідник або інженер з розрахунків може і не бути експертом з ICME. Тому найбільшим викликом на шляху впровадження ICME в інжиніринговій компанії є побудова програмного «мосту», який дозволив би саме експертам:

• створювати власні робочі процеси з прогнозованим ступенем невизначеності;
• впроваджувати розроблені процеси для використання менш кваліфікованими користувачами.

Ansys активно шукає існуючі та розробляє нові ефективні способи вирішення цієї задачі. На сьогодні компанія Ansys розробила прототип програмного фреймворку для забезпечення необхідного для ефективного ІСМЕ міждисциплінарного співробітництва. Поточна конфігурація програмного забезпечення використовується для перевірки та тестування розробок на реальних даних на ранніх стадіях дослідницьких проектів, а також для подальшого уточнення.

Прототип програмного фреймворку Ansys ICME

Фреймворк майбутнього

Що фреймворк може дати нам у майбутньому? Прототип програмного забезпечення вже був застосований для вивчення впливу фреймворку ICME на успішність розробки та виробництва матеріалів. На цей час часу було реалізовано різноманітні робочі процеси, серед яких:

• проектування та оптимізація гібридних та композитних матеріалів з використанням інструменту Ansys Material Designer у програмі Ansys Mechanical;
• прогнозування властивостей матеріалу на основі репрезентативних елементів об'єму (representative volume elements – RVE) та властивостей зерен методом кристалічної пластичності у Ansys Mechanical;
• прогнозування та калібрування показників міцності піноматеріалів у Ansys LS-DYNA;
• прогнозування та калібрування кінетичних параметрів процесу у моделі каталітичного реактора з використанням Ansys Fluent;
• прогнозування молекулярної структури органічних електронних пристроїв шляхом моделювання молекулярної динаміки з використанням вирішувачів сторонніх розробників.
• оцінка властивостей ламінату, залишкових напружень та деформацій інструментами загальної теорії ламінатів на публічній платформі nanoHUB.

І це лише кілька прикладів робочих процесів, реалізованих для перевірки та тестування розробок на реальних даних.

Шаблони моделювання, доступні у Ansys Granta MI

Ansys і далі продовжуватиме вдосконалення інструментів програмного фреймворку ICME з баченням, що цей підхід допоможе в значній мірі знизити кількість експериментів методом проб та помилок при розробці матеріалів. Ansys активно займається пошуком та розробкою ефективних способів вирішення цієї задачі. Вже розроблено прототип програмного фреймворку для забезпечення міждисциплінарного співробітництва у ICME. Поточна конфігурація програмного забезпечення використовується для перевірки та тестування розробок на реальних даних на ранніх стадіях дослідницьких проектів, а також для подальшого уточнення. Результати досліджень будуть представлені на Всесвітньому конгресі NAFEMS 2023 наприкінці травня.

За отриманням компонентів програмного фреймворку, методичної та технічної підтримки звертайтесь до фахівців компанії Софт Інжинірінг Груп.

При проектуванні нового продукту чи процесу інженерам потрібно враховувати багато параметрів, щоб прийти до оптимальної конструкції. Залежно від продукту, до них можуть відноситися матеріали, механічна міцність, аеродинаміка, теплове випромінювання, електромагнітна сумісність та перешкоджання, оптичні властивості, кібербезпека та багато інших факторів. Відносно простий продукт може потребувати оптимізації лише одного-двох з цих параметрів, але більшість нових продуктів стають все складнішими, потребуючи компромісу між кількома властивостями для отримання оптимальної продуктивності.

Моделювання рідко здійснюється по одинці. Інженер може здійснювати розрахунки для оцінки міцності кріплення трансмісії автомобіля нової конструкції, але ці розрахунки, ймовірно, відбуваються в більш широкому контексті. Він може також враховувати напруження у кріпленні двигуна, жорсткість каркасу автомобіля і так далі. Справа не лише у кількості компонентів конструкції, а й у тому, що кожен компонент складається з матеріалів, які можливо замінити, якщо результати розрахунку не задовольняють стандартам. Дуже багато змінних! Дуже багато розрахунків! Як ефективно визначити оптимальну конструкцію? Відповідь на це питання може дати Ansys optiSLang.

КЛЮЧ ДО ОПТИМІЗАЦІЇ МІЦНОСТІ Конструкцій

Ansys optiSLang - це рішення для інтеграції процесів та оптимізації конструкцій (process integration and design optimization – PIDO), яке надає сучасні алгоритми оптимізації міцності конструкції (robust design optimization – RDO). Програмне забезпечення враховує вірогідність та довірчий інтервал у автоматичному та ефективному визначенні оптимальної конфігурації конструкції. Програмне забезпечення optiSLang вбудовано в Ansys Workbench та Ansys Electronics Desktop (AEDT) і полегшує всі аспекти RDO, включаючи дослідження конструкції, оптимізацію, міцність та аналіз надійності. Воно не обмежене лише інструментами моделювання Ansys. Компанії використовують optiSLang в автоматизованих робочих процесах, які можуть включати програмне забезпечення інших компаній. Робочий процес optiSLang опрацьовує та передає дані від ітерації до ітерації, доки не будуть досягнуті критерії оптимізації.

Одинадцять параметрів, п’ятдесят комбінацій. Які з них важливі?

Як правило кожна компанія вже має свої робочі процеси оптимізації на базі інженерного моделювання, але в багатьох випадках вони потребують значних зусиль з боку людини. Інженери з досвідом використання Ansys Mechanical, наприклад, проводять розрахунки та вручну передають результати іншому інженеру, який спеціалізується на розрахунках з використанням Ansys Fluent. Якщо наступний інженер у робочому процесі використовує інструмент моделювання стороннього виробника або власної розробки, то дані, отримані Fluent або Mechanical, необхідно обробити для подальшого використання. Кожен з цих кроків займає час, і кожен з них створює можливість для появи помилок. Хоча компанія, яка підходить до RDO таким чином, може досягти певної ефективності у використанні програмного забезпечення на кожному кроці, загальний робочий процес можна охарактеризувати як недосконалий і неефективний. Ansys optiSLang змінює цю тенденцію. Його простий у використанні інтерфейс користувача спрощує створення робочих процесів, які автоматизують міждисциплінарні розрахунки та обробку даних. Він полегшує поєднання власного коду та додатків сторонніх виробників, інструментів пре- та постпроцесингу, а також складних робочих циклів. Ansys optiSLang спрощує управління задачами обробки даних у середовищі обчислювальних систем високої продуктивності (HPC). Він також взаємодіє з додатком управління базою наукових даних Ansys Minerva, який забезпечує безпеку даних моделювання та кооперацію співробітників різних географічних зонах та відділах компанії.

КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРІВ

Можливість посилити зв'язок між різноманітними інструментами параметричних розрахунків забезпечує небачене раніше розуміння параметрів, які можуть бути корисними для складної конструкції. Але така інформація може бути надто складною. Якщо можливо керувати всім, від матеріалу до розміру, форми і міцності окремого компонента, то які параметри є найбільш корисними для досягнення визначених цілей? Ідентифікація параметрів є ще однією областю, в якій Ansys optiSLang дуже ефективний. Ansys optiSLang використовує кілька алгоритмів планування експериментів (DOE), включно з мета-моделлю оптимального прогнозування (MOP), які аналізують і ідентифікують найважливіші для оптимізації конструкції параметри. За допомогою інсайтів, що надаються алгоритмами DOE, інженерна команда може швидко відкинути велику кількість зайвих розрахунків і сконцентрувати зусилля на дослідженні лише значущих параметрів, що значно прискорює удосконалення конструкції та знижує витрати.

Ansys optiSLang має простий інтерфейс користувача, який спрощує створення робочих процесів, автоматизує міждисциплінарні розрахунки та кооперує інженерів

Одній з компаній, які використовують Ansys optiSLang при створенні безперервного робочого процесу з використанням кількох інструментів моделювання, вдалося скоротити час завершення етапу розробки на 56% і знизити витрати на 84%. За допомогою optiSLang компанії вдалося значно зменшити кількість ітерацій розробки, фокусуючись на тих параметрах, які optiSLang визначив як найбільш впливові на цілі розробки. Оптимізована конструкція дозволили збільшити маржинальність та знизити витрати на виробництво.

РЕАЛЬНІ ПРИКЛАДИ ЗАСТОСУВАННЯ

Так само, як optiSLang може допомогти інженерній команді визначити найбільш впливові параметри оптимізації конструкцій, він також може допомогти визначити, чи є сам дизайн оптимальним з точки зору надійності. Оптимізувати дизайн так, щоб він відповідав заданому набору специфікацій - одна річ. Чи є самі ці специфікації оптимальними - це зовсім інше питання. Якщо специфікації забезпечують рівень міцності або якості більшим, ніж необхідно, то що робити? В будь-якому інженерному процесі можуть бути невизначеності у допусках, навантаженнях, матеріалах та іншому. Може бути значна варіація умов, в яких пристрій або конструкція може працювати. Ansys optiSLang включає серію аналізаторів надійності, які враховують всі ці варіації у визначенні оптимальних допусків, навантажень, матеріалів та інше. Якщо заданий рівень якості може бути досягнутий лише за допомогою особливо вартісного матеріалу, а інший, трохи нижчий рівень, за допомогою менш вартісного матеріалу, то компанія може піти по шляху зменшення надійності, але, при цьому, значно зменшити вартість. Зворотний приклад: якщо аналіз варіацій свідчить про те, що початкові технічні вимоги були недостатньо жорсткими, optiSLang може допомогти визначити, де внести зміни, щоб розробка більш ймовірно відповідала загальним вимогам продуктивності та надійності.

БАЖАЄТЕ СПРОБУВАТИ?

Програмне забезпечення optiSLang вбудоване і доступне користувачам Workbench або AEDT. Ті, хто досі не є користувачем, можуть завантажити пробну версію optiSLang, яку можна використовувати безкоштовно протягом 30 днів. За допомогою у отриманні програмного забезпечення та повною підтримкою звертайтесь до фахівців компанії Софт Інжинірінг Груп – офіційного дистриб’ютора продуктів компанії Ansys Inc.

Python є найпопулярнішою мовою програмування у світі, а екосистема Python містить безліч відкритих бібліотек коду, які розробники можуть вільно використовувати для створення нових рішень. Бібліотека коду PyAnsys прокладає новий шлях, дозволяючи розробникам інтегрувати розрахунки Ansys у власні Python-проекти.

Інженерне моделювання надає досвід без необхідності використання реального обладнання. Наприклад, напруження можуть бути обчислені без будівництва та дорогих прототипів. Характеристики нової конструкції – будь то теплові, електричні, механічні та інше – можуть бути досліджені без прикладання реальних температур, тиску, та інших впливів. Ми можемо отримати інсайти, які інакше виникали б з досвіду, не створюючи сам досвід - це має особливе значення, коли отримання цих інсайтів може зайняти 50 або 100 років або потребувати руйнування багатомільйонних прототипів. Єдині реальні завдання, які потрібно постійно виконувати у світі, де панує моделювання - це рутинні операції, пов'язані з налаштуванням, запуском та обміном результатами самих розрахунків. Але зараз, завдяки PyAnsys та іншим рішенням Ansys, все змінюється.

Спільнота GitHub активно завантажує проекти, засновані на PyAnsys, для використання іншими користувачами, а Ansys слідкує за цими проектами та співпрацює з розробниками для включення їх ідей до нових пакетів PyAnsys.

PyAnsys - це бібліотека модулів для мови програмування Python, які дозволяють користувачам взаємодіяти з програмними компонентами Ansys, включаючи MAPDL, AEDT та інші, на безпрецедентному рівні. Модулі PyAnsys забезпечують користувачам сучасний програмований інтерфейс, через який вони можуть не тільки налаштовувати розрахунки, але і автоматизувати цілі робочі процеси, що включають розрахунки до інших автоматизованих операцій.

ЧОМУ PYTHON?

Мова програмування Ansys Parametric Design Language (APDL) достатньо давно забезпечує взаємодією з програмними компонентами Ansys. Скрипти на APDL полегшують налаштування, виконання та постпроцесинг розрахунків, як і Ansys Customization Toolkit (ACT). Але можливості цих інструментів були обмежені – не було жодного механізму для програмної взаємодії з програмними компонентами Ansys ззовні APDL або ACT. Все змінилося в 2016 році, коли розробник на Python і користувач Ansys MAPDL на ім'я Alex Kaszynski створив бібліотеку, яка дозволила йому взаємодіяти з MAPDL за допомогою Python. Він розмістив свою бібліотеку з назвою PyMAPDL на GitHub, відкритому онлайн-репозиторії, де зацікавлені користувачі могли завантажити її та використовувати її функціонал у власних проектах, які включають MAPDL. І завантажили її вони. PyMAPDL було надано безкоштовно, хоча для взаємодії з Ansys MAPDL, користувачі повинні були придбати ліцензію на цей програмний компонент. PyMAPDL швидко набирав популярність і Ansys найняли Alex Kaszynski для розширення можливостей програмної взаємодії на увесь портфоліо програмних компонентів Ansys.

ІНТЕГРАЦІЯ З PYTHON

Робота в цьому напрямку продовжується і сьогодні. На момент написання цього тексту сторінка PyAnsys на GitHub містить вже цілий ряд бібліотек для взаємодії Python з Ansys:

• PyAEDT – електромагнетизм;
• PyMAPDL – механіка деформованого твердого тіла;
• PyFluent, PyFluent-Parametric, PyFluent-Visualization – гідрогазодинаміка;
• PyDPF-Core, PyDPF-Post – постпроцесинг;
• Granta MI BoM Analytics: керування матеріалами.

Крім того, сторінка PyAnsys на GitHub пропонує доступ до ряду спільних компонентів, які полегшують взаємодію бібліотек та мінімізують затрати на обслуговування. Python допомагає створювати веб-додатки PyAnsys з налаштованим користувацьким інтерфейсом (UI). Це забезпечує дуже простоту використання проектів на основі PyAnsys, бо користувачам не потрібно бути знайомими з інтерфейсами окремих програмних компонентів Ansys. Скрипт на Python, який має доступ до кількох різних програмних компонентів Ansys, може запропонувати користувачам користувацький інтерфейс, в якому будуть доступні тільки ті опції та вхідні параметри, які стосуються конкретного робочого процесу.

Графічне зображення результатів розрахунків, отриманих з використанням PyMAPDL: а – різець токарного станка; б – еквівалентні напруження у різці.

Спільнота GitHub активно завантажує проекти, засновані на PyAnsys, для використання іншими користувачами, а Ansys переглядає ці проекти та співпрацює з 

розробниками, щоб включати їх ідеї в нові бібліотеки PyAnsys. Бібліотеки (разом з повною документацією та прикладами коду) і надалі пропонуються на GitHub як відкриті бібліотеки з ліцензією MIT. Крім того, був створений проект Ansys Developer Experience як цифрова платформа, призначена для сприяння та підтримки взаємодії більш широкої екосистеми розробників з Ansys.

Ansys Developer Experience сприяє зростанню та розвитку екосистеми розробників, поліпшення взаємодії користувачів з відповідними ресурсами та забезпечення технічної підтримки.

Платформа містить портал розробників, форуми та доступ до документації. Досвід учасників спрямовується на підтримку, зростання та розвиток екосистеми розробників, покращуючи при цьому досвід користувачів шляхом полегшення доступу до потрібних ресурсів та технічної підтримки.

ПЕРЕВАГИ PYTHON

PyAnsys надає значні переваги користувачам з усього світу. Наприклад, інженерна команда німецької компанії Bewind GmbH з системного дизайну та інженерії, використовує PyAnsys для створення налаштованого автоматизованого робочого процесу оцінки втомної довговічності лопатей вітроустановок. Такий підхід значно економить час та кошти, за рахунок прогнозованої точність вирішувача Ansys для перевірки структурної цілісності та операційної ефективності виробу. Інші компанії використовують PyAnsys для автоматизації складних розрахунків, що повторюються, наприклад для тренування систем штучного інтелекту (AI) або машинного навчання (ML). Тренування таких систем може потребувати тисяч розрахунків, а керування виконанням та аналізом результатів стає значно простішим, якщо виконання може бути кероване програмно за допомогою скриптів Python. Інші компанії використовують PyAnsys для забезпечення єдиного формату однотипних розрахунків для зменшення можливості людської помилки.

Контроль процесів за допомогою Python також створює дає інженерам переосмислити спосіб виконання дій. Наприклад, розбивши складний робочий процес на завдання, які можуть виконуватися паралельно за допомогою окремих ресурсів, скрипт Python може значно зменшити час, необхідний для завершення робочого процесу. Дії, які раніше вимагали постійної координації та передачі даних між командами дослідників з механіки деформованого твердого тіла, гідрогазодинаміки та тепломасопереносу, кожна з яких традиційно виконувала послідовні розрахунки на різних інструментах, тепер можуть бути охоплені скриптом, який можна використовувати разом з іншими рішеннями у загальному потоці.

Наявність бібліотек PyAnsys та можливість включення розрахунків Ansys до більш широкої екосистеми відкриває нові можливості і для кінцевих користувачів. Багато організацій використовують PyAnsys для автоматизації існуючих процесів, що є логічним, оскільки ці процеси тривіальні і потребують виконання з конкретними вимогами. Але PyAnsys також створює можливості з інтеграції стеку розрахунків Ansys до робочих процесів, які раніше не створювались. PyAnsys - це технологія Ansys, яка надає безмежні можливості з інновацій та цифрової трансформації.

При выполнении расчётов методом конечных элементов очень важно понимать, как именно вычисляются результаты, и как они выводятся при отображении пространственных распределений по модели. Во многих случаях грамотный анализ результатов позволяет обнаружить проблемы с расчётной моделью, особенно те, которые связаны с недостаточным качеством сетки конечных элементов.

Подробнее...

Рады сообщить об успешном завершении конкурса «Art of Simulation», в рамках которого участники со всего мира присылали изображения, полученные в программных продуктах Ansys для компьютерного моделирования физических процессов. Приятно, что на организованный впервые конкурс было подано более 200 работ. За 50 лет истории Ansys мы неоднократно становились свидетелями того, как технологии компьютерного моделирования обеспечивают прогресс и оказывают сильное влияние на развитие человечества. Проводя новый конкурс, мы преследовали две цели: достойно отметить 50-летнюю историю инноваций, создаваемых нашими клиентами из коммерческой и академической сферы, и посмотреть на перспективные идеи, которые будут определять наше развитие в ближайшие 50 лет.

Подробнее...

В современном мире инженеры и архитекторы всё чаще используют компьютерное моделирование, чтобы в сжатые сроки создавать проекты общественных мест в соответствии с требованиями безопасности, энергоэффективности и экологичности.

Подробнее...

Что ж, сегодня уже пятница, а большая сложная и подробная статья о скрытых возможностях Ansys, которую я планировал опубликовать, всё ещё не написана. Перейдём тогда к плану Б – для него у меня есть список не столь сложных и не столь скрытых возможностей, на которые, тем не менее, мы хотели бы обратить внимание на страницах нашего журнала «Focus». Первым пунктом в этом списке сейчас стоит вопрос «Как отредактировать результаты расчёта в программном продукте Ansys Mechanical APDL (MAPDL)?».

Подробнее...