Внедрение компьютерного моделирования (CAE) в жизненный цикл разработки продукта может дать большие преимущества с точки зрения снижения затрат и эффективности процесса. Однако очень важно, чтобы инженерные компании выполняли это внедрение организованно и со строгой отчетностью.
Важнейшей частью внедрение CAE является верификации и валидация расчетных моделей, которые сокращенно иногда называют «V&V». Верификация и валидация составляют основу любого хорошего плана обеспечения качества, связанного с моделированием.
Без должного внимания к верификации и валидации маловероятно, что план моделирования будет успешным. Игнорирование V&V может создать случаи, когда моделирование принесет больше вреда, чем пользы, поскольку уведет процесс проектирования в неверном направлении.
Да, компьютерное моделирование может на самом деле сбить вас с пути, если вы используете это неправильно. Давайте сначала проясним, что подразумевается под V&V, используя структурный анализ и процедуры FEA в качестве конкретного примера. Общие концепции легко распространяются на анализ CFD или другие типы CAE-анализа.
Верификация — это процесс, посредством которого мы проверяем правильность проведения анализа методом конечных элементов.
Валидация — это процесс проверки того, отражают ли результаты моделирования реальные результаты.
Давным-давно мы наткнулись на следующие определения, которое помогают прояснить разницу:
- Верификация — это когда мы правильно решаем задачу.
- Валидация — это когда мы решаем правильную задачу.
Описание этих важнейших процессов со ссылками на нормативные документы вы можете найти в нашей статье:
Верификация — почему это важно?
Две вещи, которые инженеры-расчетчики знают об анализе методом конечных элементов: он приблизительный и ненадежный, как и любые математические модели. Небольшие ошибки в моделировании, вводе данных и граничных условиях могут привести к очень большим ошибкам в результатах. Хуже того, эти ошибки могут быть относительно небольшими и их трудно идентифицировать, но они оказывают существенное влияние на производительность или срок службы изделий.
Например, использование неправильной эталонной температуры для анализа термических деформации в модели может повлиять на напряжения лишь на несколько процентов. Эта ошибка не будет достаточно большой, чтобы поднять флаг при сравнении результатов FEA с аналитическим расчетом. Однако ошибка может быть более чем неудовлетворительной, чтобы значительно изменить долговечность изделия. Эти типы ошибок трудно обнаружить, если кто-то не проверяет анализ очень тщательно.
Ошибки неизбежны в конечно-элементных моделях — чем сложнее модель, тем выше вероятность их возникновения. Важно внедрить процесс, чтобы поймать их, прежде чем они причинят какой-либо ущерб, — процесс верификации моделей.
Заповеди математического моделирования
Практика применения методов построения математических моделей к реальным объектам дала возможность выработать несколько простых полезных советов, которые можно назвать "заповедями" математического моделирования. Приведем их.
- Не решай сложную задачу, не решив простую (принцип простоты).
- Без ошибки нет модели, а потому негрубые модели - плохие (принцип А.А. Андронова).
- Можно пренебрегать чем угодно, нужно только точно знать, как это повлияет на результат (принцип Э. Хемингуэя).
- Чем проще модель, тем реже она обманет (принцип надежности).
- Точность результата не может быть выше точности исходных данных; точности результатов промежуточных вычислений должны быть согласованы (принцип А.Н. Крылова).
- Цель расчетов не числа, а понимание. Прежде чем решать задачу, подумай, что делать с ее решением (законы Р. Хемминга).
Верификация - этапы процесса
Процесс верификации может принимать различные формы в зависимости от:
- Типа анализа
- Типа конструкции
- Требуемой точности
- Уровня риска. Анализ должен начинаться с четко определенных целей, требований к точности и ключевых допущений.
Для простоты использования, воспроизводимости и конечного успеха полезно создать шаблон верификации. Проверка также должна быть закрытым процессом, который используется всеми кто, выполняет расчеты методом конечных элементов в организации.
Например, некоторые типичные приемы для проверки в рамках процесса верификации статического структурного анализа могут включать:
- Проверка геометрия — совпадают ли ключевые размеры модели с фактическими размерами изделия?
- Хорошо ли коррелируются масса и центр тяжести конечно-элементной модели КЭ с реальной геометрией?
- Верны ли свойства материала и правильно ли они назначены на отдельные детали модели?
- Корректны ли свойства элемента, такие как толщина оболочки или свойства балки, и насколько хорошо они коррелируются с реальной геометрией?
- Достаточно ли мелкая сетка для обеспечения требуемой точности? Исследовалась ли сеточная сходимость в местах максимальных напряжений?
- Является ли конечно-элементная сетка конформной? Есть ли несшитые между собой узлы в сетке?
- Соответствуют ли элементы критериям испытаний на искажение формы?
- Соответствуют ли формулировка элементов их назначению?
- Правильно ли применены нагрузки и ограничения — местоположение, величина и направление?
- Правильно ли соединены между собой детали в сборке?
- Проходит ли модель проверки на свободное тепловое расширение и движение абсолютно твердого тела?
- Создает ли статическая нагрузка 1G ожидаемые силы реакции?
- Были ли проверены и согласованы ошибки кода конечно-элементного анализа и предупреждающие сообщения?
- Уравновешивают ли силы реакции приложенные нагрузки в каждом направлении?
- Правдоподобны ли деформации и напряжения – величина и направление? Хорошо ли они соотносятся с аналитическими расчетами?
- Согласуются ли результаты с предположениями, т.е. небольшие перемещения или небольшая деформация?
- Непрерывны ли напряжения в элементах?
Приведенный выше список не является полным, но если в процессе моделирования у вас нет ответов хотя-бы на некоторые из них, это повод серьезно задуматься над внедрением процесса верификации в вашей компании.
Если верификация вызывает у вас затруднения, то в конце страницы техподдержки есть форма обратной связи на бесплатный аудит вашей расчетной модели - мы обязательно поможем и проконсультируем!