¿Cómo usan realmente los ingenieros la simulación numérica?

Descargo de responsabilidad Soy un matemático aplicado por capacitación, no un ingeniero. Mi trabajo de investigación se centra principalmente en crear nuevos "métodos" para resolver diferentes PDE relacionados con la deformación sólida (elasticidad) y la mecánica de fluidos. En este sentido, sé cómo resolver un problema de pde computacionalmente. Desde mi perspectiva, los ingenieros usan mi trabajo como "herramientas" para realizar su trabajo.

Sin embargo, debido a mi falta de educación / experiencia en ingeniería, admito que en realidad no tengo ni idea de cómo las soluciones numéricas a los pde se usan realmente en la práctica real de un ingeniero. La fuente principal de mi confusión es la siguiente:

Me han dicho que los ingenieros nunca (o nunca deberían) realizar simulaciones numéricas (por ejemplo, análisis de elementos finitos, CFD, etc.) sin saber o tener una buena idea de antemano sobre cómo debería ser la simulación. Esto ayuda a los ingenieros a discriminar resultados realistas de resultados cuestionables.

Sin embargo, sostengo que si el ingeniero ya sabe lo que debe suceder en la simulación, ¿cuál es el punto de la simulación en primer lugar? Siempre he asumido que se necesitan simulaciones con fines predictivos, lo que supone ignorar lo que está por venir. Es decir, pienso en una simulación como una herramienta independiente para predecir el futuro cuando no sabes qué esperar .

Lo que estoy buscando es una perspectiva más amplia de cómo / cuándo / por qué los ingenieros usan simulaciones numéricas como CFD y análisis de elementos finitos, especialmente si la buena práctica de ingeniería dicta que ya debe saber qué esperar cuando está simulando.

He escrito principalmente sobre CFD en esta respuesta, sin embargo, los mismos puntos también deberían funcionar para FEA u otras técnicas de simulación.

CFD se utiliza principalmente para la optimización del diseño y el estudio paramétrico del diseño. Los siguientes son algunos ejemplos que muestran cómo los ingenieros usan simulaciones.

1. Selección de un diseño : Leer: Un estudio conceptual sobre la mejora del rendimiento de la superficie de sustentación utilizando CFD. Esta tesis muestra el uso de CFD para seleccionar el mejor diseño de una serie de diseños candidatos. Los ingenieros a menudo realizan simulaciones para seleccionar 'uno' de muchos .

2. Optimización de la forma con CFD : este documento ofrece un ejemplo de optimización de la forma del ala con CFD. Y este increíble video de YouTube es un excelente ejemplo de la forma en que un ingeniero usaría un software CFD ( OpenFOAM ) y un algoritmo genético. CFD hace posible llegar a un mejor diseño sin realmente construir una serie de prototipos y pruebas (que es un proceso costoso y largo). En realidad, la optimización del diseño es la forma más común de utilizar el CFD. Según esta encuesta , los ingenieros de diseño mecánico aprovechan al máximo el uso de CFD (nota: no sé la autenticidad del informe).

3. Uso de simulaciones donde los experimentos son difíciles de realizar / pueden costar muchos recursos (o vida) : aplicaciones donde los experimentos no son posibles de realizar, como la transferencia de calor en vehículos de reentrada hipersónicos ( ejemplos aquí ) o el flujo sanguíneo en el cuerpo humano , se puede simular con una computadora y se puede probar el diseño final. Otro ejemplo; CFD se utiliza para colocar sondas en un modelo de túnel de viento. CFD proporciona, por ejemplo, la posición del punto de estancamiento en una superficie del modelo, y allí podemos colocar la sonda de presión y luego probar el modelo en el túnel de viento real. Esta presentación explica cómo CFD y el túnel de viento son complementarios entre sí. También se usa CFD para predecir los resultados donde los resultados experimentales no están disponibles (no se pueden tener sondas en todas partes del modelo).

4. Diseño y optimización de la instalación de experimentación en sí : las simulaciones se utilizan comúnmente para el diseño de la instalación en sí. Por ejemplo, este informe describe cómo se utiliza CFD para el diseño del túnel de viento.

5. Para desarrollar un modelo teórico : esto se ve a menudo en cosmología. Los científicos realizan simulaciones basadas en un modelo y validan con los datos experimentales. Este proceso iterativo resulta en una mejor comprensión de la física y el funcionamiento del universo. El grupo de astrofísica de la NASA ha hecho una simulación de agujeros negros supermasivos, este video habla más al respecto .

6. En películas, arte y animaciones : esta pregunta y las siguientes respuestas en Scicomp.SE muestran cuánto papel juega el CFD en películas y animaciones ... (descargo de responsabilidad: he hecho la pregunta).

7. Algunas otras aplicaciones: aerodinámica del vuelo de insectos , cálculo de ruido con CAA , diseño de antenas y tecnología de sigilo con CEM , aplicaciones de CFD en la industria alimentaria, etc.

La lista continuará ... Al final del día, CFD es un túnel de viento virtual, es un banco de trabajo donde un ingeniero puede probar su idea sin fabricar / construir nada. Entonces, si los resultados se validan contra un modelo / experimento conocido, entonces uno puede confiar en la metodología CFD para un ligero cambio en la geometría o la forma. También debido a los resultados de CFD, un ingeniero puede confiar en sus resultados experimentales. Es por eso que el término validación. Un buen recurso para casos de prueba de validación aquí .

¡Salud!

Para resumir las otras respuestas: un ingeniero necesita saber cualitativamente cómo será la simulación, pero aún necesita ejecutar la simulación para obtener la respuesta cuantitativa.

Además, la simulación permite al ingeniero variar ligeramente los parámetros ( simulación Monte Carlo ) para evaluar la estabilidad o el margen de error de la solución. Esto se hace con frecuencia en la simulación de circuitos eléctricos, por ejemplo, para evaluar la sensibilidad de un diseño a las tolerancias de los valores de los componentes.

Los ingenieros deben tener una idea general del resultado esperado (valores de Balpark, comportamiento esperado) al usar un modelo informático complicado. La mayoría de las veces estas conclusiones se basan en un modelo (mucho) más simple, que preferiblemente puede verificarse a mano.

La razón principal de esto es eliminar la posibilidad de error humano en la construcción del modelo en sí. El uso del software de modelado como una caja negra está muy mal visto y se considera muy poco profesional y arriesgado. Cuando los resultados son muy diferentes a los esperados, la primera pregunta que uno debe hacer es '¿está bien construido el modelo ?, ¿no cometí un error (estúpido)?'

Una segunda razón es obtener el control del modelo comprendiéndolo. El modelo más simple actúa como un trampolín en el proceso de comprensión. Cuando se entiende un modelo, es más fácil saber qué cambiar para encontrar la solución al problema de ingeniería. Como tal, el modelo es una herramienta en el proceso de diseño.

Como dijo mi profesor de Fluidos hace muchos años, "si las matemáticas no están de acuerdo con la realidad, las matemáticas están equivocadas". Puede sustituir fácilmente las palabras modelo, teoría o simulación por la palabra matemáticas.

Los ingenieros que usan simulaciones deben tener una muy buena idea de qué esperar para una solución, no necesariamente saber cuál será la respuesta para una simulación. Hay una diferencia. Ahí es donde la experiencia del ingeniero es crítica y por qué los ingenieros sin experiencia siempre deben estar bien supervisados ​​al hacer simulaciones.

Los ingenieros usan simulaciones por una variedad de razones, dependiendo del campo de ingeniería en el que trabajan y de lo que están haciendo. Algunos ingenieros usan simulaciones para confirmar sus diseños, mientras que otros usan simulaciones para buscar posibles debilidades en los diseños o materiales.

El otro aspecto de las simulaciones es que permiten a los ingenieros considerar una serie de "escenarios hipotéticos" para determinar qué podría suceder cuando se cambian los parámetros. Esto se puede usar para observar los límites de rendimiento de límite superior e inferior o puede conducir a cambios de diseño y, en algunos casos, a un rediseño total.

Nuevamente, dependiendo del campo de la ingeniería, las simulaciones también son útiles cuando se considera cuándo se debe agregar o aumentar algo en la escala, como el efecto en un sistema de distribución de agua al agregar un nuevo desarrollo o los cambios que se deben realizar en el Sistema de ventilación de una mina subterránea.

También se pueden hacer simulaciones para observar: - el impacto en el flujo de materiales y recursos: petróleo o agua en sus respectivas redes de tuberías, aire en redes de ventilación, mineral de una mina o varias minas a una planta de procesamiento o una serie de procesos plantas - mezcla de productos minerales que se extienden al público - infraestructura de transporte como ferrocarriles, carreteras, electricidad y redes de comunicación - movimiento de tráfico cuando se realizan cambios en un sistema de tráfico: carretera bloqueada o ensanchada, reorganizada para el tráfico de un solo sentido, la introducción de autopistas y la prohíbe estacionar a los lados de las carreteras: el diseño de espacios subterráneos para aplicaciones civiles como
áreas de estacionamiento subterráneas, estaciones de trenes o túneles y escapes en una mina subterránea. - evaluaciones financieras de VPN para proyectos de economía e inversión

Siempre es más barato y prudente ejecutar una serie de simulaciones que construir algo y hacer que falle de forma catastrófica.

Como también dijo otro de los profesores de mi universidad, cuando, "el médico entierra sus errores, los arquitectos planean enredaderas alrededor de sus errores, los ingenieros son asesinados por sus errores".

En mi campo particular (diseño de alcantarilla enterrada), realizamos análisis de elementos finitos constantemente. Casi nunca cambiamos un diseño basado en los resultados; sabemos entrar (a partir de una variedad de factores, principalmente experiencia previa y suposiciones conservadoras) si el diseño es bueno o no. Realizamos los análisis para demostrar a los demás que nuestro diseño es bueno. Podemos modificar algo, pero nunca cambia sustancialmente.

Muy a menudo, los códigos de construcción y las agencias reguladoras especifican ciertos requisitos para demostrar la aceptabilidad del diseño. A veces, ejecutar el modelo es más o menos saltar a través de estos aros, de modo que una persona con menos conocimiento y tiempo puede determinar rápidamente los hechos relevantes sin atascarse en las minucias.

Para resumir, y no es mi intención ser simplista, pero:

Los ingenieros usan FEA / simulación numérica para que podamos tener algo que presentar en una sala de audiencias que no sea el contenido de nuestra materia cerebral.

APÉNDICE:

En nuestros informes, también nos gusta (ya nuestras compañías de seguros REALMENTE REALMENTE les gusta nuestra) poder decir "El modelo dice ..." .

Diseño motores eléctricos y uso FEA electromagnética como parte de ese proceso de diseño. Los diseñadores de motores tienen muchas buenas técnicas analíticas que nos acercan mucho al rendimiento real de los motores para ciertos parámetros clave (par, consumo de corriente, velocidad, etc.). Sin embargo, esto requiere que hagamos ciertas suposiciones que pueden o no ser válidas. Por ejemplo, podría suponer que el flujo a través de un cierto camino de acero está distribuido uniformemente o podría suponer una cierta cantidad de fuga de flujo a través de una ranura. Ese tipo de suposiciones a menudo son totalmente válidas. Una razón por la que uso FEA es para confirmar que las suposiciones que hice fueron válidas. Si son válidos, los resultados de FEA me darán más o menos lo que esperaba. Si no son válidos, los resultados de FEA me ayudarán a descubrir cuáles fueron mis malas suposiciones.

Otra razón por la que lo uso es que hay algunos parámetros motores que no se pueden determinar muy bien utilizando técnicas analíticas. Por ejemplo, la ondulación del par (la cantidad de variación en el par a medida que el rotor gira) es difícil de hacer con las técnicas analíticas. Sé que ciertos tipos de motores tienen una ondulación peor y sé que ciertas combinaciones de polos a ranuras tienen una mejor ondulación que otras combinaciones y otras reglas generales, pero FEA puede ayudarlo a cuantificar eso.

La otra razón por la que uso FEA es para ajustar realmente un diseño. Si tengo un diseño que hace más o menos lo que quiero, puedo intentar aumentar un poco la eficiencia o reducir el grosor del imán o lo que sea.

Entonces, lo uso para 1) verificar mis suposiciones, 2) resolver problemas que no se pueden hacer fácilmente con técnicas analíticas y 3) ajustar mis diseños para aumentar el rendimiento o disminuir el costo o simplemente mejorarlo. Los 3 requieren que tenga un buen manejo del diseño antes de comenzar el proceso de FEA. Eso no significa que nunca me sorprendan los resultados o no aprenda cosas, pero cuando ocurran esas sorpresas, puede estar seguro de que volveré e intentaré averiguar qué salió mal.

Para darle un ejemplo práctico: mi papá era un ingeniero estructural que trabajaba para una gran empresa nacional; su especialidad era tomar los dibujos para construcciones (principalmente fachadas de edificios), que generalmente eran razonables "OK", y calcular cosas específicas como el tamaño de los tornillos / pernos, el espacio, la dimensión necesaria de los puntales, etc. Trabajaron en estructuras muy grandes, como aeropuertos, edificios de ópera, rascacielos. Un pequeño cambio en el cálculo (por ejemplo, tornillos que son un poco más pequeños o un poco menos) puede significar cientos de miles de € ahorrados. Demasiado pequeño y suceden cosas malas.

En su última década antes de su pensión, utilizó principalmente GWBasic (!) Con pequeños programas escritos para su trabajo. Esto significa que trabajó directamente los métodos que conocía y que había utilizado mucho antes de la llegada de las computadoras en su campo a los programas GWBasic. Se podría llamar a esto algún tipo de simulación numérica trivial, pero de hecho era solo una calculadora de bolsillo glorificada (en realidad, había hecho lo mismo en calculadoras de bolsillo con bandas magnéticas programables, antes).

Al final de sus días de trabajo, el software profesional Finite Element comenzó a aparecer, y los usaba para proyectos muy complicados de vez en cuando. En realidad, nunca se trató de obtener nuevos resultados, sino siempre de averiguar si un cierto enfoque era factible. Es decir, en su línea de trabajo, se trata de cargas en barras de acero y tal; y los cálculos manuales, por razones obvias, se reducen principalmente a casos lineales (y luego con un margen de seguridad del 100-200% agregado a eso). Finite Elements abre mundos completamente nuevos para edificios arquitectónicamente interesantes.

Con los Elementos finitos, podría acercarse mucho más a las necesidades reales (o eso cree la gente), pero obviamente ahora es difícil (o, para personas como él) absolutamente imposible verificar los resultados. Y créanme, el "riesgo" es algo muy importante a ese respecto; Si la fachada de un gran edificio en una ciudad se cae, la gente muere y los ingenieros terminan en la cárcel.

TL; DR: Los ingenieros usan simulaciones numéricas de manera similar a los médicos / científicos, para verificar suposiciones o encontrar puntos dulces y demás de forma iterativa. Pero es muy necesario que necesiten saber qué esperar en general. Es lo mismo que en la ciencia, donde un experimento para el cual no razonó de antemano sobre los resultados esperados, es solo basura.

No queda mucho por decir, pero ese resultado conocido antes de ejecutar la simulación no es conocer el valor numérico exacto, sino tener ciertas expectativas con respecto a la solución basada en la comprensión de la física del problema. Por lo general, los ingenieros establecen el problema y eligen el método general y cuando finalmente formulamos el problema como un conjunto de ecuaciones y límites, buscamos ayuda de los matemáticos para ayudarnos a resolverlo de la manera más efectiva. Por lo general, los ingenieros son los que definen las ecuaciones, los matemáticos las resuelven. Si no tiene conocimiento de la flexión que, aunque puede resolver la ecuación biharmonic, su solución probablemente no tendrá deflexiones correctas. Cuando el matemático aprende a usar herramientas para resolver pde, puede resolver la mayoría de los problemas de pde pero, por ejemplo.