Верификация и валидация лежат в основе качественного инженерного расчета. Без этих процедур высока вероятность неудачи при компьютерном моделировании или ошибки проектирования, что в конечном итоге принесет больше вреда, чем пользы.
Инженерные расчеты могут оказаться бесполезными при отсутствии надлежащей практики проверки и согласования результатов. Сначала разберем, что такое верификация и валидация. В качестве примера возьмем расчет конструкций методом конечных элементов, но изложенные идеи также применимы к CFD-анализу и другим видам расчетов.
Верификация – это процедура проверки правильности выполнения расчета МКЭ, а валидация – это процедура проверки достоверности результатов расчета (в идеале, после его верификации). Верификация показывает, правильно ли мы решили задачу, а валидация – правильно ли мы поставили задачу.
Решение задач методом конечных элементов носит приближенный и неустойчивый характер. Незначительные ошибки в расчетах, входных данных и граничных условиях могут привести к серьезным погрешностям результата. Однако гораздо хуже то, что могут возникнуть незначительные, но трудновыявляемые ошибки, которые существенно влияют на характеристики и срок эксплуатации конструкции. Например, если не задать температуру в узлах КЭ-модели, напряжения изменятся на 10% - это значение некритично при расхождении результатов расчета МКЭ и ручного расчета, но более чем достаточно для изменения усталостной долговечности в два раза.
Ошибки неизбежны при расчетах методом конечных элементов – чем сложнее модель, тем выше вероятность ошибок. Суть верификации в том, чтобы предотвратить вред, который такие ошибки могут причинить конструкции. Существуют различные способы верификации в зависимости от типа расчета, расчетных деталей, заданной точности и уровня риска. Расчет необходимо начинать с четкого определения целей, ожидаемых результатов и их точности, а также основных расчетных требований.
В контексте вышеизложенного, приведем некоторые стандартные верификационные вопросы для статического расчета конструкций методом конечных элементов:
- Геометрия: соотносятся ли основные размеры КЭ-модели с физическими размерами детали?
- Соответствует ли масса и центр тяжести КЭ-модели соответствующим параметрам реальной детали?
- Правильны ли заданы свойства материала и подходят ли эти материалы для расчета конкретных областей?
- Правильно ли заданы главные оси анизотропии?
- Отвечают ли используемые типы элементов основным расчетным требованиям (например, удлиненные, продолговатые формы деталей для оболочки и балок)?
- Правильно ли подобраны для расчета конкретных областей такие свойства элементов, как толщина оболочки или момент инерции сечения балки?
- Обеспечивает ли измельчение сетки необходимую точность?
- Есть ли разрывы в сетке?
- Отвечают ли элементы критериям проверки формы?
- Правильно ли указана температура в узлах?
- Правильно ли приложены нагрузки с точки зрения места, направления и величины?
- Правильно ли применены закрепления с точки зрения места, направления и величины? Могут ли они предотвратить движение твердого тела?
- Правильно ли заданы уравнения ограничений?
- Правильно ли соединены элементы сборки?
- Испытывается ли КЭ-модель на свободное температурное расширение и движение твердого тела?
- Вызывает ли статическая нагрузка собственным весом ожидаемые силы реакции?
- Проанализированы и устранены ли ошибки и предупреждающие сообщения?
- Уравновешивают ли силы реакции приложенные нагрузки в каждом из направлений?
- Соответствуют ли величина и направление деформаций и напряжений КЭ-модели реальным свойствам физической конструкции? Согласуются ли они с данными ручного расчета?
- Согласуются ли результаты моделирования с расчетными требованиями (например, малая деформация)?
- Неразрывно ли напряжение во всех элементах?
- Высоки ли градиенты напряжений в области одного элемента?
- Выполняются ли естественные граничные условия для напряжений (например, напряжение по нормали к свободной поверхности близко к нулю)?
Это далеко не полный, но полезный список основных верификационных вопросов. Список может быть расширен в зависимости от особенностей проводимого расчета.