Компьютерные расчеты в образовательном процессе. AUru2014. Доклад

Доклад был сделан на Autodesk University Russia 2014.

Анонс доклада тут. Видео доклада тут. Если будут вопросы по теме - возможны дополнительные публикации.

Мне как выпускнику специальности «Динамика и прочность», и как расчетчику по профессии, очень больно видеть, что компьютерные расчеты практически не используются в техническом образовании. Поэтому не смотря на весь свой субъективизм постараюсь быть по возможности объективным, но использовать свой субъективный взгляд на вещи, чтобы заинтересовать и Вас в более широком использовании компьютерных расчетов.

• Ниже представлена структура доклада: 
• Постановка вопроса 
• Дисциплины связанные с расчетами 
• Сравнение подходов к проведению расчетов 
• Примеры использования CAE 
• Линейка Autodesk Simulation 
• Заключение 

Теперь начнем.
Главной фабулой данного доклада являются два на первый взгляд абсолютно противоречивых тезиса:

• Инструменты компьютерного анализа (CAE) такие как продукты линейки Autodesk Simulation нужны практически всем инженерным, конструкторским и техническим специальностям в ВУЗе 
• В условиях реального проектирования и производства CAE средства практически не используются в большинстве отраслей 

 С одной стороны и вендоры и диллеры и компании лидеры индустрии нас убеждают в том, что без компьютерных расчетов на текущий момент невозможно подготовить качественную продукцию, соответственно, вполне понятно, что раз так – то надо начинать внедрять CAE в учебный процесс практически на всех технических специальностях.
С другой стороны, если внимательно посмотреть вокруг то окажется, что эти самые компьютерные расчеты практически никто и не использует.

 Если посмотреть на условный график успешности компаний от используемых ими технологий, то в принципе понятно, что работать – работают многие, но далеко не так успешно, как хотелось бы. Согласно некоторым статистическим опросам, до сих пор, до 80% процесса проектирования до сих пор используется чистое 2D, без использования даже 3D. И раз даже 3D не используется, то говорить о каких-то компьютерных расчетах просто не имеет смысла.
Но, тем не менее, те кто действительно используют расчеты – те часто являются лидерами. Те кто убедились в том, что ряд проблем нельзя решить без расчетов, уже не нуждаются в убеждении относительно пользы компьютерных расчетов.

 Приблизительно 15 лет назад в таком же положении находилось само трехмерное моделирование. Тогда были споры относительно того «А нужно ли 3D, если 2D вполне хватает?». Сейчас у нас хватает 3D, и есть вопрос «А нужны ли компьютерные расчеты?». Соответственно, пройдет еще 10-15 лет (может меньше) к тому моменту, когда использование компьютерных расчетов станет общепринятым и не будет вызывать вопросов.

 Согласно статистике, которая собирается американским журналом IndustryWeek (она к сожалению платная, потому довольствуемся тем что было опубликовано в открытом доступе), в 2006 г. 96% компаний входящих в «ТОП», согласно их опросу, используют инженерные расчеты.
И это простой пример непротиворечивости тезисов из фабулы.

И вот тут может возникнуть вопрос – «Ну ладно, компьютерные расчеты полезны, но какое отношение они имеют к образовательному процессу? Ведь по сути у нас нет места где можно их использовать!»
Вот примеры тех технических фундаментальных дисциплин, которые преподаются в ВУЗе:

• Сопротивление Материалов 
• Теоретическая Механика 
• Детали Машин 
• Теория Машин и Механизмов 
• Строительная механика 
• Техническая/прикладная механика 
• Тепловые процессы и аппараты 
• Теория пластин и оболочек 
• Основы гидравлики/пневматики 
• Основы ГГД 
• Проектирование (%объект%) 

Это «сопромат», «теормех», «ДМ», «ТММ». Иногда они присутствуют в учебном процессе не в чистом виде, а в виде некоторых комбинаций, называемых по принципу «техническая механика», «строительная механика» , в которые они (сопромат, дм, тмм) объединяются для решения технических вопросов по какой-тоспециальности.
Кроме того, на каждой специальности, есть огромное количество других «своих» дисциплин, и «своих» вопросов, которые дополнительно проходят студенты. У кого-то это «оболочки», у кого-то «гидравлика», у кого-то «тепловые процессы».
И практически на любой специальности есть предмет под названием «Проектирование …» а дальше, собственно, идет название специальности: «проектирование летательных аппаратов», «проектирование двигателей внутреннего сгорания».

 И в рамках абсолютно всех этих предметов идут расчеты. Большое количество расчетов. Очень большое количество расчетов.

 Что обычно рассчитывается? 
Рассчитываются отдельные узлы и элементы на прочность.

 Рассчитывается кинематика или динамика механизмов

 Рассчитываются рамные и ферменные конструкции

 Идут расчеты на прочность различных тонкостенных конструкций

 Определяется ветровая нагрузка, с тем чтобы более более точно рассчитать поведение наших объектов.

 Гидравлические потери

 Контактные напряжения.

 Задачи теплопереноса и распределение температур.

Что объединяет все эти расчеты? То что они выполняются по принятым стандартам:

•  ГОСТ 
• СНиП 
• ОСТ 
• Нормативные документы 
• Принятые методики 

 Вот тут имеет смысл объяснить почему у нас до сих пор используются расчеты по ГОСТу, но не по МКЭ. Потому что с точки зрения наших реалий нередко оказывается, что ГОСТовские методы расчета обладают большим количеством плюсов по сравнению с численными расчетами, в то время как компьютерные расчеты имеют существенные недостатки.
Итак, плюсы стандартных методик:

+ Наличие стандартов
+ Простота проведения расчетов и контроля
+ Отсутствие необходимости ПО и ЭВМ для расчета
+ Простота алгоритмизации, скорость вычислений на ЭВМ
 + Независимость от исполнителя
+ Отчеты
+ Привычка 

 Само наличие стандарта – это уже хорошо. Оно гарантирует работоспособность конструкции (если она была спроектирована четко по стандарту). Кроме того, они достаточно простые. Какими бы сложными не были эти методики, но, в принципе, любой человек который обладает минимальными навыками чтения и математики может разобраться процессе описанном в стандарте. Хотя конечно лучше получить высшее образование (особенно по данной специальности). Его (расчет по стандарту) можно выполнить без применения вычислительной техники, без дорого ПО. Если надо, его можно самостоятельно реализовать на компьютере. Даже без программирования, а например, используя обычный табличный редактор типа MS Excel.
 Т.е. как не посмотри, везде одни плюсы. Вплоть до того, что по результатам выполнения данного расчета мы сразу получаем готовый отчет. И главное – все это привычно и не зависит от исполнителя. Если мы дадим двум разным людям, и они будут выполнять одни и те же пункты, выбирать одни и те же варианты из стандарта они получат одинаковый результат (если конечно считают правильно).

 Почему не используются CAE? Потому что они обладают огромным количеством минусов. И это я говорю как расчетчик :)
Итого:

- Отсутствие стандартов и утвержденных методик
- Не работают без ЭВМ и ПО, обладающего высокой стоимостью
- Сложность алгоритмизации, ресурсоемкость
- Зависимость от исполнителей:

- Проблема выбора постановки
 - Зависимость от реализации 

- Отчеты
- Отсутствие привычки 

 Стандартов у нас нет (на численные расчеты с помощью МКЭ, МКО и пр. для большинства отраслей). У нас нет возможности их использовать, если у нас нет дорогостоящей техники, и мы не можем купить эти дорогие программы.

Если мы попытаемся самостоятельно написать программу расчета методом конечных элементов…. То проще, наверное, застрелиться, чем это делать. Нет, конечно, есть люди которые в состоянии это сделать, это очень серьезные люди. Но это не всем под силу и это не один человеко-час. В общем, не каждому дано.

Кроме того, в зависимости от того, кто будет считать, в зависимости от его опыта, знаний и приближенности к специфике тех задач, которые он считает мы получим принципиально разные результаты. И в зависимости от метода, и в зависимости от выбранной постановки…

Хуже того! Выполняя по пунктам одно и то же в разных программах, мы получим разные цифры. Они могут не сильно отличаться, но это будут разные цифры.

Отчеты выглядят совсем по другому и привычки к этому – нет.



Итак, у нас огромное количество минусов! Так зачем их (компьютерные расчеты) использовать?

Есть главная особенность стандартных методик, из которой «вытекает» причина, почему надо использовать компьютерные CAE программы:
Полностью все стандартные методики основаны на эмпирических методах расчета. Да в их основе лежит серьезная теория: сопромат, теория упругости. Но кроме этого в их основе лежит огромное количество поправочных коэффициентов, которые берутся, по сути, из опыта. Но этот опыт «брался» 30-40 лет назад.

 И вот теперь, оказывается, что из-за этого (из-за эмпирики с поправочными коэффициентами) есть преимущества CAE, которые могут «сыграть»:

+ Точность 
+ Наглядность
+ Универсальность 
+ Независимость от типа и сложности геометрии
+ Скорость внесения изменений
+ Связь с CAD геометрией
+ Возможность учесть новые материалы, условия работы … 

 Это численные расчеты. Но первым пунктом я поставил точность. Потому что не смотря на те погрешности, которые выдают компьютерные расчеты, за счет того что мы можем управлять степенью детализации и степенью упрощений, мы можем получить гораздо более точные результаты, чем по стандартным методикам. В которой полностью все приводится к балке. Обычно – консольно защемленной балке. (условно говоря)

Наглядность. Такие результаты гораздо более понятны людям, особенно современным студентам, чем пара-тройка графиков.

 Универсальность. Им (CAE программам) все равно что считать – хоть самолеты, хоть суда… А наши стандартные методики ориентированы на расчеты четко определенных вещей. Если мы возьмем методику для расчета болтов для самолетов, и попытаемся применить к, допустим, тому же самому, обычному стоящему на фундаменте редуктору , то все будет работать. А вот если наоборот… То болты у нас получатся в четыре раза больше чем может выдержать самолет.

Отсюда же идет то, что компьютерные расчеты не зависят от сложности геометрии (в теории все упирается только в вычислительные возможности компьютера). Также можно быстро внести изменения в расчеты, в геометрию и эти расчеты имеют связь с CAD геометрией. В отличие от обычных стандартов, которые не имеют никакой связи с тем, что есть у конструктора на экране.

Кроме того, есть последний пункт, о котором мы сейчас поговорим более подробно и на примерах.

Примеры 

В качестве примера возьмем классический технический предмет "Детали Машин", а именно вопросы связанный с проектированием зубчатых передач. Через этот предмет, и эти типы расчетов проходят в принципе все.

Что можно учесть в CAE, из того что нельзя рассчитать с помощью ГОСТа?

• Новые материалы 
• Зарубежные материалы 
• Новые сплавы 
• Пластики 
• Композитные материалы 
• Новые технологии изготовления 
• Порошковая металлургия 
• 3D печать 
• Высокоскоростная мех. обработка 
• Композитные конструкции 
• Новые типы профиля: 
• Эволютные зацепления 
• Зацепление Новикова 
• Циклоидальные 
• Бочкообразные зубья 
• Новые типы передач: 
• Двухпараметрические 
• Составные 
• Новые условия и требования: 
• Масса 
• Габариты 
• Запас 
• Учет температур 
• Учет дефектов и разрушений 
• Изменение эксплуатационных условий 
• Учет истории работы, реконструкция, модернизация, модификация 

 Итак, новые материалы. У нас в ГОСТе есть стали, и есть список соответствия наших сталей и западных. Но этот список касается только исходных физико-механических характеристик (плотность, предел упругости, пределы прочности). Как только мы начинаем делать термообработку, азотирование и вообще любое упрочнение, оказывается, что за счет разной технологии изготовления, эти металлы работают по разному. Если же мы говорим о таких вещах, как алюминий, титан, магний, т.е. тех материалах, которые сейчас начинают активно использоваться, пластик, который сейчас практически везде заменил другие материалы, в том числе и стали. То мы получим большие проблемы, потому что ГОСТ это не считает – в ГОСТе заложена только сталь и чугун. И то, относительно чугуна – даже не все типы.

Если мы говорим о новых вариантах изготовления.. Учесть особенности производства на том же самом 3D принтере, за счет того что мы получаем расслоенную геометрию – мягко скажем проблематично (в ГОСТе). В CAE и это можно сделать.

 Новые типы профиля. Из всего вышеперечисленного (эволютные зацепления, зацепление Новикова, циклоидальные, Бочкообразные зубья) можно учесть только передачи Новикова. И то это процентов 20 от того, что предложил сам Новиков.

 В общем, есть варианты (и их много) когда ГОСТ не работает (как класс).

Кроме того, когда нам необходимо выдержать существенно более жесткие требования по массе, габаритам или запасу. Когда нам для уменьшения массы приходится высверливать отверстия в зубчатых колесах (в корне зуба), делать их облегченными то оказывается, что и в этом случае ГОСТ снова перестает работать.

 Если мы хотим учесть дефекты, и проверить, как оно будет работать при наличии дефектов – ГОСТом мы опять же не проверим.

 Если мы хотим проверить, сколько оно (зацепление, конструкция) будет работать от той ситуации, которая есть сейчас, с учетом всей истории эксплуатации, мы опять же вынуждены обратиться к CAE расчетам. В ГОСТе мы можем только заложить изначальный запас, не более.

Линейка Autodesk Simulation 

•  Autodesk Simulation Mechanical 
• Autodesk Simulation CFD Autodesk 
• Nastran 
• Autodesk Simulation Moldflow 
• Autodesk Simulation Composite 
• Autodesk ForceEffect (линейка мобильных приложений) 
• Autodesk Inventor Simulation 
• Autodesk Nastran In-CAD 
• Autodesk Revit Autodesk RSA 

Что здесь (с точки зрения программ для компьютерных расчетов) нам дает линейка Autodesk Simulation (AS)?
Autodesk Simulation на текущий момент это огромное количество различных программных продуктов. Лучше всего, для большинства специальностей подходят: Autodesk Simulation Mechanical, Autodesk Simulation CFD и недавно к ним примкнувший Autodesk Nastran.

 На кого они рассчитаны?

 До появления Autodesk Nastran, программные продукты Autodesk (CAE) были ориентированы либо на экспресс методы расчета, либо на среднего инженера-конструктора. Серьезные инженерные задачи, как и научные задачи – также можно было решать, но далеко не все. Nastran это имя, которое, в принципе, не нуждается для людей которые хоть как-то связаны с проектированием и расчетами, и соответственно его возможности покрывают, практически все!

Где можно использовать?

• Mechanical: 
• Сопромат: расчет балок, рамных и ферменных конструкций 3D и 2D 
• Детали машин: Контактные напряжения, прочность ЗК, расчет валов, расчет шпоночных, шлицевых и болтовых соединений, расчет рам, расчет других элементов 
• ТММ: расчет механизмов, с учетом податливости отдельных элементов 
• CFD: 
• Механика сплошной среды 
• Гидравлические потери 
• Ветровая нагрузка 
• Аэродинамическое сопротивление 
• Тепломассоперенос 

 Расчеты балок, рамных и ферменных конструкций, контактные напряжения… в общем, в принципе, оценке в любых вопросов, которые есть во многих технических дисциплинах.

 С газодинамикой чуть хуже, она нужна далеко не всем, но тем не менее, есть большое количество вопросов где она все-таки нужна.

Заключение: 

• CAE позволяют решить больший спектр задач проектирования и с большей точностью CAE средства позволяют студентам лучше понять работу проектируемых объектов 
• Продукты линейки Autodesk Simulation перекрывают большую часть расчетных потребностей технических специальностей 
• Разработка новых стандартов требует времени, ресурсов и специалистов 
• Нет времени ждать пока стандарты и специалисты появятся сами 

 И вот теперь вопрос: «Так все-таки надо ли внедрять или подождать? И если внедрять, то как – заменить стандартные методы и использовать только новые? Или как-то дополнять?»

Я могу сказать только одно – если мы будем ждать, когда компьютерные расчеты станут такими же распространенными, как и трехмерное моделирование, то нам придется ждать 10-15 лет, и только тогда начинать учить. За это время уйдет возможность подтянуть и нашу промышленность и наше образование. Соответственно, не смотря на отсутствие специалистов (в должном количестве) и стандартов (хоть каких-то) надо начинать их (специалистов и стандарты) готовить уже сейчас. С тем, чтобы через 5-10 лет мы и получили те самые стандарты и нужное количество специалистов. Это первое.
 Второе. Продукты Autodesk Simulation могут решать большое количество различных задач. Но на текущий момент нет смысла выкидывать проверенные временем методики расчета, которые применяются всеми (и в промышленности и в образовании) с тем, чтобы впихивать вместо них то, что не привычно. Но, потихоньку, в начале, как чистое дополнение для отдельных студентов в виде ряда задач, в которых мы даем расчеты и смотрим, как кто пытается разобраться. Набираемся опыта сами (преподаватели). Потому что мы тоже должны как-то оценивать то, что делают студенты.
 Даем задачу сравнить результаты и выводы стандартных методик и результаты расчета с помощью ПО и получаем некоторое «соответствие».

 Смотрим – вот у нас есть работоспособная конструкция, причем по ГОСТам она не работоспособна, а в жизни – вполне рабочая. Что скажет на эту тему МКЭ (Autodesk Simulation)?
 Наоборот. Есть работоспособная конструкция и по ГОСТам и по жизни, а AS почему-то выдает результаты, которые сильно отличаются от стандартов. Вот это все, с постепенным увеличением компетенции и количества использования, даст нам возможность избавиться от той ямы (в направлении использования современных методик расчета), которая у нас сейчас есть в образовании.

Видео доклада:

Васильев Антон, для adsk.tmm-sapr.org