среда, 18 декабря 2013 г.

AUru2013: Сравнение облачных и desktop-версий CAE решений Autodesk для машиностроения

Данная публикация сделана по мотивам доклада на Autodesk University 2013 "Сравнение облачных и desktop-версий CAE решений Autodesk для машиностроения". О самом мероприятии будет отдельно, с публикациями по другим нашим докладами можно будет ознакомиться позже. Стенограммы докладов будут доступны когда будет опубликовано видео с мероприятия.

Читать далее..
Еще несколько лет назад у компании Autodesk в плане CAE инструментария был практически вакуум, т.е. не было ничего. За последнее время Autodesk скупила несколько различных компаний с их решениями и даже создала принципиально новые. С учетом того, что одни и те же продукты время от времени переименовываются, получается некоторая путаница. С появлением облачных инструментов путаница только усугубилась. Не всегда ясно за каким названием что стоит, и какими возможностями оно обладает.

Структура доклада следующая:

  • Рекламная пауза
  • Общие вопросы
    • Классификация CAE
    • Возможности расчетных программ Autodesk
  • Примеры (Сравнение результатов работы Autodesk Simulation Mechanical и Sim 360 [Simulus])
  • Заключение (общий вывод)



Рекламная пауза состояла в информации о конференции "Autodesk Simulation - инновационные технологии инженерного анализа"? которая должна была пройти через две недели после AUru (а именно 17 октября). Ну и в частности нашего доклада на ней

Теперь перейдем к общим вопросам.
И начнем с такой вещи, как классификация CAE систем.
Классифицировать, что либо можно абсолютно по разному, по этому нами были выделены два комплекта признаков, важных для данного доклада. Речь идет о функциональности и о типе вычислительных мощностей. В соответствии с данными признаками получаются следующие варианты классификаций:

По функционалу:
  • Экспресс
  • Конструкторско-технологические
  • Инженерные
  • Научные
По типу вычислительных мощностей:
  • Настольные/персональные
  • Кластерные
  • Облачные

Рассмотрим их подробнее, но прежде скажем, что данные классификации не являются официальными и признанными компанией Autodesk. Это наше видение текущего состояния.

Итак. Экспресс-CAE
Это программные продукты, в которых главной целью является максимально быстрое получение результата  для какой-то из задач. Их интерфейс обычно максимально прост и "дружелюбен". Он ориентирован не на профессионалов расчетной области, а на тех кто впервые или крайне редко сталкивается с подобными задачами. Именно поэтому он не только должен выглядеть "привлекательно" а не "пугающе", но и настроен таким образом чтобы и процесс автоматического решения осуществлялся практически мгновенно, после задания необходимых условий. "Экспресс" не значит простой. Бывают пакеты экспресс-анализа, с крайне сложной внутренней математикой, но вся она остается за пределами взора конечно го пользователя. В большинстве случаев пользователь даже не всегда представляет, что именно нужно для данного расчета - максимум информации берется из встроенных баз. Так например при выполнении прочностного расчета, пользователь экспресс-CAE не интересуется механическими характеристиками материала (Модуль Юнга (упругости), к-т Пуассона, плотность, предел прочности, предел текучести) он просто выбирает материал из базы по названию, все остальное за него осуществляет программа. Такой подход значительно упрощает интерфейс и количество шагов до получения результатов. Тем не менее, не смотря на возможность существования подводной части айсберга - серьезной внутренней математики, у всех экспресс-инструментов есть одно общее свойство, которое кроме преимуществ (простота, удобство, скорость) приводит и к недостатку. Экспресс инструменты предназначены для "мгновенного" решения очень узкого списка задач и обладают минимальным набором по варьированию необходимых параметров.

Это не всегда проблема, ибо в качестве функционала экспресс пакетов реализуют тот функционал, с которым чаще всего приходится сталкиваться большинству пользователей. Т.е. в 80% случаев для большинства пользователей, для решения повседневных задач возможностей экспресс-CAE - хватает.


Конструкторско-технологические
Расчетные программы ориентированные на использование конструкторами и/или технологами. Они обычно обладают существенно бОльшими возможностями по сравнению с экспресс программами, но за счет ориентации на конструкторов и технологов в первую очередь они должны обладать "юзабельныйм фейсом", т.е. нередко функционал идет в жертву удобству использования. Применительно к возможностям расчета, тут уже можно не только выбирать материалы из базы, и считать с преднастроенными параметрами, но и вручную вводить данные и управлять некоторыми свойствами расчета отвечающими за точность и адекватность результатов. Данный инструмент должен быть удобным в повседневной работе и достаточно быстрым. Конструктор или технолог не готов ждать сутками результата, но и понимает, что результаты полученные за считанные секунды могут быть неадекватными. Пользователь подобных программ должен понимать что он считает, хотя и не всегда обязательно понимать всю внутреннюю сущность.

Инженерные
Речь идет о программах ориентированных именно на инженеров-расчетчиков. Не на проектировщиков "инженерных систем", а именно на расчетчиков - прочность, газодинамика, электромагнетизм, кинематика-динамика, термодинамика - вот их стезя. Это люди которым важнее модуль упругости, предел прочности, вязкость, электропроводность, чем название материала. Это люди, которые знают что один и тот же материал может работать настолько по разному, что его необходимо описывать различными подходами и математикой. Для этих людей более важным является точность постановки и расчета, возможность посчитать именно то, что они хотят, а не что им предлагает программа. Если в прошлых случаях программы определяли может быть то, что хочет посчитать пользователь, или нет. И если с их точки зрения это не правильно - то просто не считали. То теперь уже пользователь считает именно то, что считает нужным, так как меньше полагается на ПО. В этом случае, вопрос удобства пользования (как и в других), конечно является важным, но нередко отходит на второй план перед функциональностью. Именно за счет существенно большей функциональности и универсальности (которая нужна далеко не всем), и получается невозможность сделать подобное ПО "легким". Функционал переотяжеляет систему. В последнее время наметилась тенденция, когда инженерные CAE программы пытаются сделать максимально упрощенными по основному видимому для пользователя интерфейсу, все дополнительные опции и возможности задавая по максимуму на усмотрение ПО, как и в экспресс системах или ПО конструкторского анализа... Но при этом, в отличии от последних, в инженерных программах есть возможность вызвать расширенные настройки и произвести глубинную настройку всех необходимых параметров.

В то же время, для инженера-расчетчика выбор между простым, но не функциональным ПО и функциональным, но тяжелым, чаще всего будет в сторону последнего. Ибо для его задач это нужно так как он привлекается в тех случаях, когда не могут справиться конструктора и технологи вместе со своим ПО.

Научные.
Многие инженерные программы, с точки зрения конструктора являются чересчур сложными и неудобными. В то же время, если говорить о программах ориентированых на исследовательские и научные задачи, то их интерфейс часто бывает неудобоваримым, даже с точки зрения инженеров расчетчиков. Более того, нередко пользовательский интерфейс вообще может отсутствовать как класс, а работа с данными программами больше всего напоминает программирование (которым нередко и является). В то же время подобные программы позволяют рассчитать все что может представить пользователь. Пользователь обладающий должной квалификацией.

Условно можно провести аналогию с миром фотоаппаратов:

  • Экспресс-анализ - смартфон с камерой
  • Конструкторские пакеты - цифровая мыльница
  • Инженерное ПО - профессиональные фотоаппараты
  • Научные системы - художник


Естественно, что выбирать систему нужно исходя из опыта, знаний и перечня решаемых задач, балансируя между функциональностью и "юзабилити". Для тех кто хочет понять чем отличаются подходы к расчетам в разных типах CAE систем можно заглянуть сюда.

Список ПО Autodesk:
  • Autodesk Inventor Simulation
  • Autodesk Simulation Mechznical
  • Autodesk Simulation CFD
  • Autodesk Robot Structural Analysis
  • Autodesk Moldflow

  • Autodesk Sim 360 (Simulus)

  • Autodesk Sim 360 Pro
  • Autodesk Sim 360 Moldflow 


С точки зрения того, как позиционирует Autodesk свои программные продукты, в соответствии с нашей классификацией, мы бы расположили продукты следующим образом:

Autodesk Inventor Simulation - экспресс; Autodesk Sim 360 (Simulus) - нечто среднее между экспресс и конструкторским анализом; Autodesk Simaulation (Mechanical, CFD, Moldflow), RSA (Robot Structural Analysis) - ориентированы преимущественно на конструкторов,  с некоторым уклоном в сторону функциональности т.е. инженерии.

Если говорить о функционале Autodesk Sim 360 Pro - то он полностью совпадает с функционалом десктопных версий, т.е. такой же как у Autodesk Simulation Mechanical (ASM) и пр., так как основан на данных продуктах путем переноса "солвера" (решателя) в облако. По этому имеет смысл рассмотреть функционал систем Autodesk Simulation Mechanical (ASM) и Simulus. На приведенном ниже списке перечислен функционал ASM, жирным шрифтом выделен тот функционал, который кроме ASM присутствует и в продукте Simulus. 


  • Линейный анализ (с линейными моделями материалов)
    • Статический прочностной расчет
    • Расчет собственных частот и форм (СЧиФ)
    • Расчет СЧиФ нагруженной конструкции
    • Спектральный анализ
    • Анализ случайных вибраций
    • Анализ частотных характеристик
    • Анализ переходных процессов
      • Метод разложения по СЧиФ колебаний
      • Метод численного интегрирования
    • Расчет конструкции на потерю устойчивости
    • Длительная прочность

  • Нелинейный анализ (с нелинейными моделями материалов)
    • Статический прочностной анализ с нелинейными материалами
    • Анализ механических событий (прочностной и кинематический анализ или MES)
    • Анализ собственных частот с нелинейными материалами
    • Нелинейная потеря устойчивости (Riks - анализ)
  • Температурный анализ
    • Статическая теплопередача
    • Неустановившаяся теплопередача
  • Электростатика
    • Сила тока и напряжение
    • Напряженность электростатического поля

Таким образом можно заметить, что возможности Simulus существенно меньше, чем у ASM:
  • Линейный анализ (с линейными моделями материалов)
    • Статический прочностной расчет
    • Расчет собственных частот и форм (СЧиФ)
    • Расчет конструкции на потерю устойчивости
    • Длительная прочность
  • Температурный анализ
    • Статическая теплопередача
В то же время следует отметить два момента. Первый состоит в том, что данного функционала хватает для решения большинства задач стоящих перед конструкторами. Второй заключается в том, что даже за время бетта-тестирования Simulus значительно прирос в функциональности и при наличии потребностей у пользователей, функционал Simulus будет со временем только расширяться.
Если затронуть вторую часть классификации - по типу вычислительных мощностей, то там все в целом просто и понятно. Единственное, что следует отметить, что в современном ПО разный функционал может быть различного типа. Так desktop версия  Autodesk Simulation может одновременно быть и кластерной, а у продуктов серии Autodesk Sim 360 Pro  только "солвер" вынесен в облако, остальное осуществляется локально, что и показано на слайде ниже.
Выше была приведено чисто теоретическое сравнение продуктов, ну а ниже будет представлено сравнение работы ASM и Simulus на реальных задачах. Сравнение возможностей ASM и Autodesk Simulation 360 Pro не представляется целесообразны, ведь, как уже говорилось, их возможности идентичны. Имеет смысл сравнить скорость решения различных задач локально и с помощью облака, но это во многом зависит от характеристик интернета и требует отдельного исследования.

Дабы не портить бочку меда ложкой дегтя, начнем с последнего. Ну и напомним, что после официального первого релиза Project Simulus не прошло еще и полугода. При этом если судить по скорости изменений, которые вносились на этапе тестирования и после старта, то многие из проблем в скором времени перестанут быть актуальными. Но все же стремясь быть честными начнем именно с них.

Первое что следует заметить тем кто собирается использовать Simulus, это то, что на текущий момент у него есть проблемы с русским языком и кириллицей. Дело не в англоязычности интерфейса, при наличии спроса компания Autodesk без проблем выпустит руссификацию, дело в названиях файлов. При попытке создать расчет на базе файла с названием буквами отличным от латиницы (в том числе и русскими) Simulus не может создать расчет.
При этом русскоязычные названия внутри детали для него не являются проблемой. Подобная проблема должна в ближайшее время устраниться за счет разработчиков, но в принципе с ней можно бороться и самостоятельно. Для того чтобы стартовать расчет достаточно просто переименовать файл латинскими буквами перед "заливкой" на сервер.

На больших сборках (в данном случае более 400 деталей в металлоконструкции), особенно если они были созданы не в Inventor, несколько раз были обнаружены "потерянные компоненты". Для нескольких компонентов были обнаружены дубликаты, которые мешали расчету. А в одном случае даже после удаления всех дубликатов, который согласно внутреней статистике был склеен контактами с остальной конструкцией, но в результате расчета данная деталь оказалась "висящей в воздухе" и не прикрепленной ни к чему. В ходе расчета она просто "падала" под действием сил гравитации. Даже исключение ее из расчета помогло только когда данная деталь была удалена из исходной сборки в CAD системе перед импортом в Simulus.

Тем не менее, не смотря на данную проблему, хотелось бы отметить, что с данной задачей Simulus справился лучше, чем ASM. Последний даже не смог за длительное время (больше суток) создать адекватную КЭ сетку, ну и естественно не смог выполнить расчет. Simulus справился с задачей построения КЭ сетки (в 297 тыс. КЭ) и расчетом за 10 минут. Речь идет не о конструкции подготовленной к расчету расчетчиком, а о конструкции, которая была создана конструктором без каких либо оптимизаций.

Одной из наиболее сложных задач в вычислительной механике является задача контакта. В случае "склеенного" контакта и ASM и Simulus - работают одинаково хорошо. Для многих задач Simulus дает более быстрое решение. Это происходит не только благодаря "облаку", но и благодаря другому алгоритму расчета контакта. Так  Simulus не делает совместную сетку в области контакта, что значительно уменьшает ее размерность. Если же говорить о сложных контактах, особенно о контактах с близкой геометрией, и с двояко выпукло-вогнутым контактом, как например в цепях различных конвейеров, то тут Simulus существенно уступает ASM. Возможностей настроек у Simulus существует существенно меньше чем у ASM (что в принципе не удивительно, ведь продукты ориентированы на разные задачи и уровень пользователей), и это не всегда позволяет получить адекватный результат в области контакта даже при мелкой сетке. На слайде ниже показаны напряжения полученные для случая "склейки" и контакта с трением. При этом была включена опция автоматического измельчения сетки в ходе расчета. Разница на лицо. И хотя Simulus показывает результаты существенно быстрее ASM, к ним стоит относиться с долей осторожности. В то же время сам факт наличия возможности создания не только склеенного контакта уже говорит о многом. На более простых задачах результаты могут быть более адекватными
В презентации "Autodesk Simulation. Проблема переделки конструкторской модели в расчетную" была рассмотрена задача, которая является непростой (с точки зрения создания КЭ сетки) для большинства CAE систем. А именно задача о густоперфорированных объектах.

Как видно из слайдов выше, Несмотря на то. что Simulus создал сетку, с числом КЭ почти в два раза больше, чем ASM. Simulus потратил на это в 20 раз меньше времени - 3 минуты против часа. Честно говоря такой результат был крайне неожиданным, как и в случае с металлоконструкцией описанной выше. Причем в обоих случаях неожиданность была приятной.

Проект "Емкость".
О данном проекте и ASM написано тут. Как видно из слайда ниже в случае когда происходит работа с поверхностной геометрией построенной вручную, результат работы обоих CAE схож. Размер элемента в обоих случаях вполне сопоставим, разве что у Simulus он немного меньше. Тип элемента (четырех и треугольный) в данном случае разницы не играет.

А вот при создании оболочечной сетки на базе твердотельной сборки можно заметить, что ASM построил существенно более мелкую сетку. Настолько малый размер элемента является даже избыточным. Simulus же, построил сетку близкую по характеристикам к прошлому результату, что вполне неплохо. Также тут хорошо видно, что при контакте "склейке" контактом сетка между разными деталями не всегда сопадает.
Ниже показаны результаты для расчета твердотельной и поверхностной модели. Видно некоторое несоответствие между областями максимума. Причина такого несоответствия кроется в том, что при задании давления на поверхностной модели в Simulus пока что тяжелее определить ориентацию нормали и можно промахнуться задав давление в другую сторону. В данном случае на поверхностной модели давление было не распирающим, т.е. изнутри, а сдавливающим, т.е. снаружи. При корректном задании давления результаты идентичны.
Для Simulus также как и для ASM была поставлена тестовая задача на создание сетки для поверхностей. Разница в результатах работы алгоритмов генерации сетки хорошо видна на рисунке ниже. Также следует отметить, что у ASM центральная пластина двумя узлами совпадает с горизонтальной, а у Simulus она ни с кем не соединяется. Это не проблема, это особенность, которую просто нужно учесть в работе.
При создании КЭ сетки для сложной криволинейной геометрии в ASM были показаны некоторые проблемы, на примере задачи о "цистерне".

На рисунках наглядно видна разница по результатам для одной и той же геометрии. Однако, не смотря на некоторое преимущество в текущем вопросе у Simulus есть ряд других проблем, о которых стоит знать при использовании.

Первая заключается в том, что значки закреплений и нагрузок достаточно большие, и при наличии в модели рядом нескольких мелких поверхностей, могут возникнуть пролемы с их выбором для создания закрепления. В принципе эта "проблема" решается в ходе работы. Нужно просто привыкнуть к тому, чтобы подобные мелкие поверхности выбирать не во время работы инструмента по созданию закреплений, а до того.

Вторая проблема существенно хуже. На рисунках ниже показаны два варианта импорта геометрии цистерны в Sim 360. В первом случае Simulus просто "потерял" ряд геометрических поверхностей. Во втором он их импортировал, но при попытке создания сетки и расчета выдал проблемы связанные с тем, что он не может "побить" ( создать ЭК сетку) некоторые поверхности в модели. При этом он не смог корректно открыть некоторые модели, которые были нормально восприняты ASM.
Следовательно при сложной криволинейной геометрии, особенно состоящей из множества поверхностей следует быть осторожным и готовым к тому, что модель придется подготавливать для расчета.

На закуску проект "Ящик".
В ходе работы с данной моделью в ASM, для возможности ее расчета пришлось значительно упростить убрав все листы обшивки, все крепежные элементы многие "несущественные" внутренние компоненты. Эти же модели были "загнаны" в Simulus и для варианта со 184 телами, который ASM смог разбить на КЭ, но не смог посчитать. Причем на открытие и разбивку потратил пол часа.

Так вот Simulus создал большую в полтора раза по размерности сетку (что для облачного решателя не критично), зато уже через 8 минут выдал результат расчета. Характер результатов и значения - достаточно похожи.

На базе приведенной теории и конкретных примеров можно сделать следующие заключения:


  • Sim 360 Simulus - средство конструкторского или экспресс анализа (пока с большим упором на экспресс)
  • Sim 360 Simulus - позволяет решать достаточно широкий круг задач (которого хватит очень большому числу людей заинтересованных в использовании расчетов в процессе проектирования)
  • Sim 360 Simulus - ориентирован на людей. Людей, которые редко занимаются расчетами и для которых это не основной вид деятельности.
  • При нехватке функционала Sim 360 Simulus можно обратиться к Autodesk Simulation Mechanical или Autodesk Sim 360 Pro
  • Autodesk Simulation Mechanical, Sim 360 Pro - предпочтительны для выбора при наличии достаточно сложных задач (например когда необходимо исследовать нелинейное поведение материала в конструкции или контактное взаимодействие и пр.)
  • Выбор между Autodesk Simulation Mechanical и Autodesk Sim 360 Pro - лежит не в области функционала, а в области финансов, безопасности (готовы ли вы отдавать свои модели кому-то в облако) и пр. моментов

По итогам сравнения можно сказать, что Autodesk Simulation Mechanical ориентирован на более продвинутых пользователей и более требователен не только к людям и компьютерам, но и к моделям, на базе которых выполняется расчет. Чувствительность ASM к ресурсам можно немного устранить если использовать Autodesk Sim 360 Pro. А Autodesk Sim 360 Simulus в свою очередь существенно более дружелюбен к людям, нечувствителен к ресурсам локальных компьютеров, и нередко позволяет работать с той же геометрией с которой  привык работать конструктор.

Удачного выбора и приятного пользования.

Васильев Антон для adsk.tmm-sapr.org