Вычислительная гидрогазодинамика (CFD) помогает проектировщикам и инженерам во многих отраслях лучше понять работу изделия, которое выводится на рынок.
К сожалению, многие не осознают, насколько просто использовать инструменты CFD. В этой статье мы расскажем о подводных камнях, которых следует избегать, и дадим советы по оптимальному использованию ПО для таких расчетов.
Многие компании используют инструменты Autodesk для инженерного анализа, но они могли бы получить гораздо больше пользы от своих инвестиций. Самое большое препятствие заключается в предположении, что программа для расчетов предназначена только для специалистов, и для работы с ней необходима научная степень. Такое заблуждение особенно характерно для CFD.
Ради справедливости следует отметить, что вычислительная гидрогазодинамика существует несколько десятилетий и вначале действительно была сложной дисциплиной, требующей глубоких научных знаний. Но ситуация меняется. CFD-инструменты становятся все проще в использовании. Многие из них интегрируются непосредственно с инструментами проектирования (CAD), поэтому инженеры могут использовать их уже на стадии проектирования. Тем не менее, когда дело доходит до CFD, многие компании все еще очень консервативны. А это значит, что они не получают от этих инструментов столько пользы, сколько могли бы.
Заблуждение №1. Синдром научного проекта
Цель использования CFD заключается в том, чтобы получить лучший вариант конструкции на раннем этапе проектирования. Это достигается путем расчетов с задаванием разных условий эксплуатации и разной формы изделия. Но часто специалисты совершают ошибку, превращая каждый расчет в научный проект. Почему это плохо, разве глубокое исследование может навредить? Дело в том, что инженер пытается учесть всю сложность изделия. Вместо того, чтобы использовать здравый смысл, опыт и сфокусировать внимание, он предполагает, что на результат влияет любая мелочь. Такой подход делает расчет очень долгим и в большинстве случаев не оправдан.
В качестве примера можно привести учет каждой отдельной гайки и болта. Были случаи, когда инженеры тратили время, вставляя очень маломощные светодиоды в модель теплопередачи. Это не будет иметь никакого влияния на результат. Так зачем это делать? Легко увлечься, пытаясь определить точную скорость потока или температуру. За это же время вы можете сделать анализ с несколькими вариантами формы и понять, какой из них ведет себя лучше. Как только вы получите лучшую конструкцию, например, по аэродинамике, сможете погрузится в более детальное исследование.
Заблуждение №2. Охота на золотого единорога
Часто специалисты уделяют слишком много внимания точным значениям результатов. Конечно, точность важна, но вы можете сэкономить уйму часов, если просто сравните результаты расчетов вместо того, чтобы пытаться получить определенное значение.
Это связано с тем, что инженерный анализ исторически рассматривался как процесс, окутанный тайной, который был доступен только специалистам. Конструктор передавал модель для расчета, а в результате получал заключение, выдержала конструкция нагрузки или нет. Теперь анализ доступен широкому кругу специалистов, но многие всё еще видят в CFD некую цифровую платформу для испытаний, а не инновационный инструмент.
Есть ещё одна причина, по которой инженеры не используют средства анализа на регулярной основе, – технологическая продвинутость CFD. Звучит парадоксально и иронично! Поясним. На раннем этапе инструменты CFD были довольно ограниченными, поэтому их использовали в основном для оценки концепций. Сейчас, когда ПО стало очень продвинутым, маятник качнулся в другую сторону. Проектировщики рассчитывают смоделировать все физические явления, поэтому отвлекаются, например, на фазовые превращения, поверхностное натяжение и другие сложные темы. В этом и заключается охота на золотого единорога. Но если допустить, что в вашем устройстве равномерный поток, для его исследования не имеет значения температура или давление. Ведь равномерность потока улучшает течение и производительность.
Специалисты постоянно находятся в поиске идеальных результатов анализа конструкции. Вместо того, чтобы рассчитать несколько конфигураций и увидеть, какая из них будет функционировать лучше всего, они учитывают все физические явления. В среднем, пользователи тратят на 300-500% больше времени, чтобы повысить точность результата анализа всего на 20%. Это того не стоит.
Время является самым ценным. Можно сравнить и оценить 10 проектов или за это же время выполнить одно «идеальное» моделирование. Что вы выберете? Основное внимание должно быть сосредоточено на улучшении конструкции и на поиске инноваций, а не на расчете.
Заблуждение №3. Расчетная модель – это вся конструкция
Теперь давайте поговорим о геометрии, а именно, о разнице между реальной конструкцией и расчётной моделью. Реальная конструкция используется для производства. Например, у вас есть сборка, где каждая отдельная деталь будет иметь скругление, фаску или другой задуманный конструктором элемент. У сборки будет спецификация, в которой указаны все компоненты для изготовления. Но расчетная модель отличается тем, что на её основе вы не сможете изготовить деталь. Если выполняется расчет реальной конструкции, это значит, что вы опаздываете с проведением анализа.
Цель расчета – понять, как будет вести себя конструкция. Если вы хотите провести термический анализ детали с помощью CFD, вам не нужны скругления, фаски или резьба. Эти особенности не влияют на поведение, и если исключить их, общее время выполнения расчета сократится.
Но расчетная модель не обязательно означает простую геометрию. Другими словами, у вас может быть много сложных деталей, если такова конструкция. Возможно, вам придется смоделировать сложные проточные каналы или узкие пластины радиатора. В этих случаях вам нужна геометрия реальной конструкции. К сожалению, программное обеспечение CFD не может сказать вам, какие детали нужно оставить, а какие нет. Это приходит только с опытом.
Как же избежать этих трудностей и заблуждений? Мы дадим вам несколько рекомендаций, которые помогут вам выполнять расчет за более короткое время без ущерба для точности.
Совет №1. Определитесь с задачей
Очень важно понять, что действительно важно в модели. Да, вы должны это записать. Спросите себя: что я знаю об этой модели, что пытаюсь получить, какова моя цель? Если вы сможете ответить на эти вопросы, то поймете, какую задачу пытаетесь решить. И это подскажет вам, что можно убрать из модели, чтобы соблюсти правильный баланс точности и эффективности.
Прежде всего, выясните, что вы хотите оптимизировать. Это может быть минимальный перепад давления, более равномерный поток или лучшее распределение температуры. Решите, можете ли вы начать с упрощенной модели, а затем перейти к более детальной конструкции.
Это может показаться простым подходом, но вопросы действительно помогают. Всякий раз, когда мы общаемся с клиентом, который хочет добавить в анализ какой-то физический процесс, мы спрашиваем: «Какова ваша цель?». Ответ помогает им понять, что для получения определенного результата не нужно усложнять расчет.
Горение – отличный пример. Если клиент действительно хочет смоделировать горение, то мы спрашиваем, что он хочет получить от этого. Обычно ему требуется исследовать распределение дыма и температуры, а значит моделировать само пламя не обязательно.
Совет №2. Готовьте геометрию
Предположим, что мы задали нужный вопрос, и знаем, что есть некоторые детали, которые нужно сохранить, и те, которые оставлять не стоит. Каков следующий шаг?
Допустим, деталь не влияет на анализ – тогда просто исключите её из модели. Но если нужно сохранить определенную деталь, начните с общих подходов и добавляйте подробности. К примеру, без радиатора не обойтись. Начните с размещения. Какое его расположение обеспечивает наилучшую теплопередачу? После того, как вы определили оптимальное размещение, вы можете упростить его форму. Программное обеспечение Autodesk Fusion 360, например, имеет инструмент, который превращает сложную геометрию в плавную. В результате вы получаете более простую модель, которую легко разбить на конечные элементы.
Совет №3. Будьте внимательны с сеткой элементов
Дадим рекомендации новым пользователям. Сетка – это разбиение CAD-модели на маленькие пирамидки или параллелепипеды, которые представляют собой простейшие математические уравнения.
Сетка конечных элементов необходима для проведения инженерных расчетов. Кстати, если вы услышите термин «безсетчатый», просто знайте, что на самом деле так не бывает. В этом случае сетка всего лишь не отображается, но присутствует.
Воспринимайте элемент сетки как датчик, сенсор, который дает информацию. Чем больше у вас информации, тем точнее будет моделирование. Однако есть и другая сторона медали. Чем больше у вас датчиков, тем больше вычислений необходимо выполнить, и тем дольше вы будете ждать результатов. Когда речь идет о размере сетки, нужно найти золотую середину. Удаление ненужных элементов геометрии поможет вам получить оптимальный результат.
Совет №4. Изучите инструменты Autodesk CFD
Допустим, у вас есть труба с потоком, который теряет тепло в окружающую среду. Как вы должны это моделировать? Один из способов – моделирование окружающего воздуха. Но это приводит к более высокому количеству элементов. Вычислений станет больше, расчет займет много времени. Вероятно, ваш продукт отстанет от плана производства.
Моделирование окружающего воздуха, безусловно, является наиболее точным подходом, но так ли он необходим? Можно посоветовать использовать пленочный коэффициент с предположением, что тепло теряется с определенной скоростью. Это хороший пример того, как получить точную информацию быстрее за счет грамотного упрощения и владения инструментами CFD.
Совет №5. Лучшее – враг хорошего
Пользователи пытаются получить идеальное значение, которое может и не существовать. Довольно часто сетка является одной из ключевых переменных для изменения результата, но её мелкий размер может привести к высоким временным затратам. Если вы сравниваете различные конструкции, не гонитесь за совершенством – начните с грубой сетки. Пока вы используете одинаковую плотность сетки для аналогичных конструкций, вы должны получить тенденции, которые приведут к оптимальному дизайну. Тенденция – ваш верный помощник.
Еще один способ работы в этом направлении – сравнение результатов. На начальном этапе вам может потребоваться выполнить точный анализ с плотной сеткой, но с минимальными деталями геометрии. Таким образом вы выберете основное направление проектирования путем сравнения графиков. Но как только проектирование конструкции продвинется дальше, вы определенно сможете найти время, чтобы покопаться в фактических значениях и добавить больше деталей.
ИТОГИ
Когда дело доходит до инструментов CFD, у вас появляется широкий выбор действий. И вы получите от них больше пользы, если будете использовать их для поиска инноваций, а не для проверки. Рекомендуем убедиться, что ваше программное обеспечение CFD может интегрироваться с инструментами проектирования, что оно легко в использовании, обладает мощными возможностями визуализации и позволяет легко сравнивать различные проекты.
Всем этим критериям соответствует Autodesk CFD в сочетании с Fusion 360, Inventor Professional или Autodesk Revit.
Помните, что цель анализа CFD – получить наилучшие результаты на более ранней стадии проектирования. Анализ, в конечном счете, является инструментом оптимизации.