Имитационное моделирование и Autodesk Simulation 360

Доклад был сделан на Autodesk University Russia 2013. Москва, Holiday Inn Сокольники.
Докладчик: Эрвин Бурс (Erwin Burth)

[00:13] Доброе утро всем, я рад присутствовать здесь сегодня, и рад поговорить с Вами о имитационном моделировании и Simulation 360.

Simulation 360 это новая технология которую мы выводим на рынок ПО для имитационного моделирования. Прежде чем мы углубимся в детали Simulation 360 давайте некоторое время уделим рассуждению о том почему вообще имеет смысл использовать имитационное моделирование. И прежде чем переходить к подробному обсуждению имитационного моделирования я хотел бы привести небольшой пример который проиллюстрирует его важность.

Многим из Вас наверняка знаком такой продукт как Microsoft Xbox который был выпущен в 2005 году. Согласно некоторым источникам к настоящему моменту это один из самых успешных продуктов для потребительского рынка.

[1:08] Microsoft продали около 60 млн. этих устройств, но поначалу они не достигли большого успеха, поскольку ранняя версия устройств примерно в 42% случаев имела недостатки которые вызывали отказы и Microsoft заменяли их. Microsoft хорошо справились с этой ситуацией, расширили гарантию, но это обошлось им примерно в $1 млрд.

[1:37] После того как инженеры разобрались подробнее с этой проблемой, они обнаружили что возникал перегрев, который вызывал остановку системы. Изначально они не очень хорошо обеспечили отведение тепла от нагревающихся деталей этого устройства, поэтому система просто переставала работать и Microsoft пришлось заменить большое количество этих устройств.

[2:00] Имитационное моделирование того что происходит с устройством, моделирование его работы, позволяет легко идентифицировать проблему. Конечно же после того как моделирование было проведено, были обнаружены нагревающиеся участки где возникает риск перегрева. Задумались о том где необходимо расположить дополнительные вентиляторы или где поставить дополнительные радиаторы для того что бы этот продукт работал оптимально. Я думаю это очень хорошая история которая наглядно показывает насколько важно имитационное моделирование.

[2:36] Но кроме этого имитационное моделирование помогает не только обнаружить источники проблем и сами проблемы, это так же очень хороший способ для улучшения дизайна, улучшения проекта. Просто задумайтесь, если использовать имитационное моделирование на самых ранних стадиях проекта, то можно обдумать разные варианты проекта, разные варианты конструкции, промоделировать работу и выбрать самый лучший вариант. Использование имитационного моделирования, основанного на САПР позволяет очень быстро добиться улучшения продукции. То есть Вы используете ту модель которая у Вас уже есть и запускаете различные процессы имитационного моделирования которое позволяет сымитировать различные ситуации. Это позволяет разрабатывать продукт таким образом, чтобы с самого начала добиваться хорошего результата, а не запускать несколько циклов улучшения, когда продукт уже выпущен на рынок. Именно такой подход мы рекомендуем.

Итак, подведу краткий итог. Для чего люди используют имитационное моделирование? Во-первых, для того что бы подтвердить функциональность дизайна, конструкции. Многие компании используют такой подход, они используют стадии концептуального дизайна, затем детальное проектирование, а затем используют имитационное моделирование для того что бы подтвердить делает ли продукт то что должен делать. Это подход которые многие используют, но я готов утверждать, что это не самый лучший процесс, вот второй процесс — это оптимизация дизайна, оптимизация проекта, это гораздо более целесообразное способ. В чем это заключается? Вы обдумываете несколько вариантов продукта. В самом начале проектирования используйте имитационное моделирование и используйте его результаты для нахождения самого лучшего варианта. Безусловно Вы валидируете свой окончательный результат проектирования, но уже на самых ранних стадиях используйте анализ и расчеты.

Еще один вариант применения. Многие компании используют физические прототипы для испытания будущего продукта. Физически прототипы их испытания важны, но использование имитационного моделирования позволяет сократить физическое количество прототипов, которые необходимы. Если сейчас Вы используете 5-6 таких прототипов, то с помощью цифрового имитационного моделирования Вы можете сократить их количество до 1-2, и это очень большая разница в расходах, Вы сэкономите деньги и время. Вот это основные причины которые побуждают людей применять имитационное моделирование или расчетное моделирование как его еще называют.

Самая главная причина связана с бизнес факторами. Все мы живем в среде которая пронизана жесткой конкуренцией. Вы производите какой-то продукт, конкурируете с компанией, которая находится где-то в Америке или в Китае, или в любом другом конце света, и затраты являются важным фактором, время вывода на рынок, тоже является фактором. Безопасность продукта еще один важный фактор. Конкурентоспособность — это очень важные нюансы которые необходимо учитывать в современном мире. И это те движущие силы которые побуждают компании использовать имитационное моделирование.

А это очень интересный график. Он показывает время которое проходит от концептуального дизайна до момента производства продукта. Со временем уменьшается возможность внедрять изменения в проект, но также есть еще и другой аспект. Чем дальше мы находимся на стадиях проектирования, тем дороже обходится внесение изменений в проект, то есть чем дальше, тем сложнее и тем дороже обходится внесение изменений. Традиционный подход заключается в том, что именно на этой стадии проводится больше всего технической проработки. В частности, люди изготавливают физические прототипы, опытные образцы, испытывают и смотрят как будет работать этот продукт. Но анализ показывает, что компании, обнаруживающие самые лучшие результаты переносят этот этап технической проработки конструирования на более ранние стадии работы. То есть именно на этих этапах они осуществляют больше технической проработки чем другие компании и те, кто использует такую раннюю техническую проработку используют цифровое имитационное моделирование. За счет этого добиваются более впечатляющих результатов. Если не вносить затраты на этом этапе, то затраты будут выше. Во многих случаях вопрос стоит не в том, использовать или не использовать имитационное моделирование. Надо задуматься о том во что обойдется не использование имитационного моделирования.

[8:16] Своим примером Microsoft показывает, что они потратили миллиард на устранение не использование имитационного моделирования, на слайде Вы можете видеть несколько примеров, многие из которых взяты из реальной жизни. Так что цена ошибки здесь очевидна и во многих случаях чтобы избежать риска отказов, возвратных акций и серьезных аварий, необходимо использовать расчетное моделирование.

Теперь давайте посмотрим в каких отраслях находит применение имитационное моделирование. По сути во всех отраслях, где инженеры разрабатывают продукт или проект. Пример, автомобильная промышленность – светодиодные фары. Можно сымитировать тепло отведение или также можно сымитировать и работу станков, и прочность конструкции зданий, и термодинамику, также можно смоделировать работу ветровых турбин, то есть во всех ситуациях, когда используется физическое прототипирование.

[9:48] Autodesk инвестировали очень много времени и средств в создание широкого пакета решений для расчетного моделирования, потому что очень многие из наших клиентов используют САПР, но расчеты тоже важная часть этого процесса. На слайде Вы можете видеть продукты для архитектуры строительства, для анализа пластмассовых деталей, для имитационного моделирования механических процессов и вычислительной гидродинамики так называемой CDF. Недавно мы приобрели компанию которая разработала продукт, предназначенный для моделирование поведения композиционных материалов, в частности в автомобильной промышленности очень многие материалы заменяются на композитные материалы и это инструмент как раз помогает в такой работе. Этот программный инструмент используют в Booling для проектирования своего Dreamlining, который имеет корпус из композитных материалов.

[10:59] Несколько примеров из сферы отливки пластмасс. Продукт Moldflow помогает проанализировать и оптимизировать с одной стороны сами пластмассовые детали, с другой стороны позволяет оптимизировать процесс производства, процесс литья пластмасс под давлением. Это очень сложный технологический процесс, где необходимо отслеживать целый ряд различных параметров таких как температура, время, давление и все это можно смоделировать используя Autodesk Moldflow. Далее моделирование механических процессов и явлений, которые позволяют определить пределы прочности, сколько циклов использования выдержит продукт, это еще одна сфера применения.

[11:47] Затем мы так же можем перейти к расчету прочности конструкций в сфере архитектуры и строительства, ну и так же моделирование потоков, жидкостей и газов.

[12:01] Вычислительная гидродинамика, которая находит очень широкое применение в автомобильной промышленности, в строительстве зданий, так что сфер применения очень много. Можно смоделировать испытание в аэродинамической трубе или смоделировать микроклимат в здании, определить где необходимо расставить вентиляторы и где разместить вентиляционные отверстия для того что бы в помещении было комфортно.

[12:39] Мы видим, что имитационное моделирование очень важно, но почему сейчас не все его используют? Почему лишь некоторые специалисты используют имитационное моделирование? Я думаю на это есть много причин, но три из них главные. Причина первая – программные средства для имитационного моделирования сложны в использовании, нужно быть очень образованным человеком, знать все нюансы. Вторая причина – высокая стоимость. Третья причина заключается в том, что не у всех людей есть достаточно вычислительных мощностей для того что бы это ПО работало. Итак, неудобство в использовании, затраты и так же вычислительные мощности.

[13:34] Мы задумались над тем что мы можем сделать со своей стороны, чтобы сделать имитационное моделирование более доступным для большинства людей, при этом необходимо рассмотреть какие люди могут использовать имитационное моделирование. Это те люди, аналитики, инженеры, расчетчики, которые знают все физические, математические нюансы и умеют их применять. Иногда эти средства для имитационного моделирования дают людям других специальностей и им оказывается сложно с этим работать, так что нужно найти правильный продукт для правильных специалистов.

Сейчас я покажу несколько примеров того как мы делаем имитационное моделирование более доступным для людей, которые работают на более ранних стадиях проекта. Для того что бы использовать преимущества имитационного моделирования уже с самого начала проекта. Вот концептуальные инструменты которые можно использовать даже на iPad-ах, а именно мы быстро создаем небольшую конструкцию, прикладываем нагрузки и получаем реактивные силы. Это то что обычно люди рисуют на листочках бумаги, вычерчивают расчетную схему и проводят быстрый анализ. Справа вверху Вы видите цифровую имитацию испытаний в аэродинамической трубе, и такие средства будут встроены в некоторые из наших средств автоматизированного проектирования. Вы здесь определяете скорость и направление ветра и видите, как это влияет на поведение продукта, на силы лобового сопротивления. Это средство позволяет проанализировать технологичность данного компонента, и программа средства просто работает в фоне, и Вы получаете информацию о том можно ли производить его цельным или нужно разбить его на несколько частей. Это примеры того как можно использовать имитационное моделирование на самих ранних процессах проектирования.

[15:59] Теперь давайте поговорим о Simulation 360. Сразу хочу оговориться, что мы по-прежнему продолжаем продавать наши средства расчета и имитационного моделирования которые работают на десктопах и которым не нужно облако. Но, в прошлом году мы выпустили продукт который называется Simulation 360, использующий облако, для выполнения расчетов. Simulation 360 – это не продукт который Вы приобретаете, это скорее услуга которую Вы приобретаете. Как это работает? Когда Вы используете Simulation 360, Вы настраиваете все на своем десктопе, у Вас есть модель, Вы прикладываете нагрузки, определяете граничные условия, а затем отправляете на растет в облако, и именно в облаке производятся вычисления, а Вы получаете обратно результат. И если задуматься о том, что мы упоминали буквально несколько слайдов назад, а именно проблемой для людей является высокая стоимость ПО, и отсутствие вычислительных мощностей, то Simulation 360 как раз подходящее решение для них, потому что не нужно покупать ни ПО, ни мощное железо. Можно использовать эту услугу по мере необходимости.

Итак, примерно год назад мы запустили такой проект, и он нашел довольно широкое применение. Конечно же Вам нужен хороший доступ в интернет и в некоторых местах земного шара нам известно, что нет скоростного интернета, и там соответственно практическое применение будет меньше. Но для большинства людей это очень хорошее решение. Кроме того, все вычисления можно производить и местных машинах. Иногда люди боятся отправлять свои данные в облако, поэтому здесь всегда можно принимать решения где будут выполнятся вычисления. Будут ли вычисления выполнятся в облаке или на локальных компьютерах.

[18:11] Еще одно большое преимущество такого подхода заключается в том, что можно выполнять параллельные вычисления. Предположим у Вас есть 5 разных вариантов проекта в самом начале, и Вы хотите проанализировать все эти пять вариантов и выбрать лучший. Если делать это на своих рабочих компьютерах, то Вам придется запускать один за другим и это займет целую неделю, а Вы сейчас задали все параметры, отправили в облако, сервера быстро все посчитали, и через несколько часов Вы получаете результаты по всем пяти вариантам проекта, это огромное преимущество для оптимизации проекта и дизайна.

[18:59] Конечно же всегда возникает вопрос о безопасности. Честно говоря, сервера которые мы используем, они не наши, это Amazon-овские сервера. Для передачи данных мы используем протоколы IP, которые используются для интернет банкинга. То есть довольно безопасная технология, до сих пор проблем у нас не возникало. Еще один аспект, мы не храним данные у себя. Все данные направляются в облако, производятся расчеты и результаты возвращаются. Когда Вы используете Simulation 360, то Вы получаете доступ к различным продуктам которые входят в этот пакет, которые пригодны для разных отраслей, Вам не нужно выбирать какой-то один. Если Вам нужно, например, Simulation 360 Moldflow, то Вы можете использовать его, если же Вам нужен другой продукт, Вы получаете доступ к нему, то есть Вы не покупаете все продукты, Вы покупаете доступ и используете то что Вам необходимо.

[20:24] Вот еще несколько примеров того как люди используют Simulation 360. Это компания которая выпускает разного рода погрузочные устройства, которые используются при сборке воздушных судов. Они используют Simulation 360 для анализа работы конструкций и нахождения решений. Делается это для того что бы конструкции были более легкими и легко транспортируемые.

[20:56] Еще один пример имитационного моделирования с применением вычислительной гидромеханики. Речь идет о насосах высокого давления, которые традиционно разрабатывались без использования имитационного моделирования. После того как они применили вычислительную гидродинамику, они обнаружили довольно высокую степень избыточности в конструкции и смогли ее модернизировать, оптимизировать что сэкономило средства и метал.

[21:30] И еще один пример того насколько полезно бывает использовать расчетное моделирование для визуализации потоков и просчета различных сценариев использования.

[21:54] Пример из сферы медицины. Для Вас это будет наверно не стандартный подход, потому что Вы в основном занимаетесь архитектурой, строительством, но статистика такова 1,7 млн. пациентов США заражаются инфекционными заболеваниями каждый год и примерно 99 тыс. людей ежегодно умирают от болезней, приобретенных в больницах. После того как был проведет анализ с целью установить причину такой высокой степени заражения людей в больнице, было обнаружено что системы кондиционирования воздуха установлены таким образом, что частицы пыли с возбудителями заболеваний воздушным потоком подхватываются и переносятся в зону операционного стола. После таких случаев люди задумались как же организовать систему кондиционирования что бы не происходило такого заражения.

[23:07] Вот примеры системы вентиляции. Здесь Вы видите различные хаотичные потоки, пыль и возбудители заболеваний, подхватываются отовсюду, переносятся повсюду. После нахождения решений был найден оптимальный подход, который позволяет расположить вентиляционные отверстия таким образом, чтобы воздух циркулировал не разнося возбудителей по помещению.

[23:51] Ну что же, это были несколько примеров которые я хотел Вам показать и проиллюстрировать важность имитационного моделирования. Я хочу, чтобы Вы запомнили из этой презентации, что в Autodesk есть целый спектр продуктов, которые работают на десктопах, и кроме того мы запустили Simulation 360, услуга которая работает в облаке, которая позволяет использовать облачные вычислительные мощности и многим людям это может пригодится.

Видео доклада:

Борисенко Сергей для adsk.tmm-sapr.org