Математическое моделирование на службе эффективного проектирования новых устройств и систем. Часть 1

Картинки по запросу mathematical modeling aerodynamicЧтобы реализовать потенциал проектирования на основе математического моделирования  нужно быть готовым к серьезным переменам. Современные рабочие станции, оснащенные новейшими аппаратными средствами, могут быстрее просчитывать сложные модели. Однако реальное преимущество заключается не только в простом ускорении, но и в качественно новом уровне моделирования. Его можно с выгодой применять в процессах проектирования, получив важное преимущество, ведь продукция становится все сложнее, а конкуренция растет. С помощью моделирования компании могут идентифицировать и решать более сложные, многоэтапные задачи, а также анализировать больше идей.


Моделирование станет отличным инструментом исследования для любых проектов: оно позволит изучать и перебирать множество разных вариантов и в результате создавать более инновационные продукты. Благодаря мощности современных рабочих станций и вычислительных кластеров инженеры смогут также применять высокоточное моделирование всех аспектов и деталей дизайна в жизненном цикле продукта.

Ранее такой подход поддерживался только средами HPC. Теперь же инженеры способны быстро выполнить очередную итерацию проекта и определить, как изменения влияют на достижение ключевых целей. Посмотрим, как это происходит на практике. Значительную часть необходимой для подготовки этого материала информации предоставили наши партнеры из компании COMSOL – производителя программных решений для численного моделирования.

Пример 1: Cypress Semiconductor

В компании Cypress Semiconductor, ведущем производителе сенсорных и встраиваемых систем, инженеры традиционно использовали ПО COMSOL Multiphysics для различных исследовательских и проектных инициатив/ Моделированием при этом занимался исключительно отдел R&D, а другие группы сотрудников, участвующие в разработке продукта, в том числе отдел поддержки клиентов, не пользовались преимуществами виртуального прототипирования.

Тем не менее, именно этот отдел служит ключевым каналом коммуникаций с клиентами Cypress Semiconductor – компании, чьи сенсорные экраны широко применяются в смартфонах, бытовой и автомобильной технике. После внедрения современных рабочих станций и новой версии ПО в организации стали использовать Среду разработки приложений (Application Builder) от COMSOL, которая позволилаоптимизировать процесс проектирования сенсорных экранов.


Cypress Semiconductor стала использовать приложение, сделанное с помощью COMSOL Application Builder для оптимизации процессов создания сенсорных экранов. 

Используя Среду разработки приложений и COMSOL Server (продукт для их запуска через интернет), инженеры разных подразделений разрабатывают конечный дизайн устройств в приложениях, специально созданных отделом R&D. Это позволяет службе поддержки тоже принимать участие в моделировании, но с теми настройками, которые показывают лишь необходимые параметры модели.

Одно из таких приложений было разработано для проектирования сенсорных емкостных датчиков. Пользователи могут изменять в нем параметры – от места расположения пальца до толщины различных слоев в датчике, но у них нет доступа ко всей модели. Приложение рассчитывает матрицы ёмкости, являющиеся важной характеристикой конструкции сенсора, а также отображает распределение напряжения. В пользовательском интерфейсе есть выпадающий список, в котором можно легко выбрать решение, соответствующее различным настройкам датчиков.

Что получается в итоге? Cypress Semiconductor не только формирует общую модель сенсорного экрана для потребительских товаров, но и создает приложения для широкого спектра продуктов, чтобы пользователи сами могли настраивать нужные параметры. Благодаря новому ПО для моделирования сотрудники отдела поддержки могут легко обновлять параметры модели, не вдаваясь в сложности моделирования и не ожидая помощи от инженеров отдела R&D. Теперь проекты фактически можно реализовывать на индивидуальной основе, а это позволяет разработчикам более гибко реагировать на потребности клиентов.

Компания создает множество различных приложений для разных типов сенсорных экранов. Таким образом, ее отдел поддержки легко и быстро решает сложные вопросы и предоставляет отличный сервис.

Пример 2: Arkansas Power Electronics International

Производитель электроники, компания Arkansas Power Electronics International (APEI), использует ПО Среду разработки приложений от COMSOL, чтобы расширить доступ пользователей к возможностям моделирования и ускорить процесс проектирования. Раньше инженерная группа была «узким местом» в моделировании, поскольку в первую очередь отвечала за создание и запуск моделей – причем даже тех, которые запрашивали другие коллеги.

Сегодня инженеры компании разрабатывают приложения, позволяющие коллегам самостоятельно, без длительного обучения, проводить исследования с помощью моделирования. Одно из приложений, созданных с помощью Application Builder, помогает в расчетах тока плавкого предохранителя и допустимой токовой нагрузки для соединений полупроводниковых устройств.


В приложении APEI любой пользователь может выбрать соответствующие значения для диаметра проводника, геометрии дуги и количества проводников, чтобы определить максимальный ток до начала перегрева.

Ранее специалист по моделированию должен был создать модель, чтобы проанализировать повышение температуры в различных условиях. Теперь приложение использует параметрический метод: пользователь видит, как количество проводников влияет на пиковую температуру при заданном токе. Если прежде эксперты вынуждены были искать значения в таблицах, то теперь эти таблицы встроены в ПО COMSOL Multiphysics.

Нужно отметить, что результаты стали более точными, поскольку информация, представленная в приложении, генерируется для каждого конкретного случая. Теперь компания планирует расширить число приложений для моделирования, созданных в Среде разработки приложений – в том числе для расчета тепловых характеристик сборки, конструкции индуктора и трансформатора, а также для анализа макета.

Пример 3: Manufacturing Technology Centre

Производственный технологический центр (Manufacturing Technology Centre, MTC) специализируется на инновациях и продвижении передовых методов проектирования изделий. Его задача состоит в том, чтобы преодолеть разрыв между концепциями и коммерческой версией продукта.

Один из последних проектов MTC оценивает потенциал технологии производства присадок под названием Shaped Metal Deposition (SMD). Эта технология обещает преимущества по сравнению с производством присадок на основе порошков и с использованием нескольких материалов в одной и той же детали.


GUI ПО COMSOL для построения расчетных моделей.

Во время разработки стало ясно, что тепловое расширение, возникающее в результате этого метода, иногда приводит к незапланированным результатам. С помощью Application Builder сотрудники MTC создали приложение для моделирования, которое применяет термомеханический анализ. Оно позволяет прогнозировать остаточные термические напряжения и деформацию в результате термических циклов SMD.


Приложение Shaped Metal Deposition (SMD) создано с помощью Среды разработки приложений в COMSOL Multiphysics. Оно позволяет вычислять остаточные напряжения, создаваемые во время производственного процесса, и прогнозировать отклонения в параметрах детали. 

Это приложение помогает определять, позволят ли процессы осаждения создавать детали, соответствующие установленным допускам. Пользователи без опыта моделирования могут легко экспериментировать с геометрией, источниками тепла, траекториями осаждения и материалами, не разбираясь в сложностях построения модели.

Как внедрить моделирование в компании, которая занимается проектированием?

Программное обеспечение для «массового моделирования» не только появилось на рынке, но и стало вполне доступным. Это означает, что теперь высокопроизводительные рабочие процессы проектирования может реализовывать самый широкий круг организаций. Осталось направить работу в нужное русло – внедрить технологический процесс проектирования, основанный на моделировании.

Моделирование – мощный инструмент. Оно может быть преобразующим, если лишено узких мест и доступно всем пользователями, участвующим в проектировании. С помощью обновленного программного обеспечения и более мощных рабочих станций компании «демократизируют» моделирование и вносят в свои проектные рабочие процессы дух коллективной деятельности. Но на этом пути потребуются важные шаги:

Шаг 1. Просветите руководство и пользователей. Объясните преимущества нового рабочего процесса, основанного на моделировании, покажите, каких результатов можно достичь при коллективной работе. В качестве примера приведите кейс, демонстрирующий, как новый рабочий процесс будет способствовать инновациям и гибкости проектирования.

Шаг 2. Представьте результаты. Демонстрируя простоту использования ПО для моделирования и противопоставляя его традиционным рабочим процессам, вы можете заручиться поддержкой пользователей. Это поможет внести необходимые изменения в текущий стиль совместной работы.

Шаг 3. Рассчитайте окупаемость инвестиций. Для принятия решения руководству нужны конкретные цифры. Чтобы убедить его, необходимо оценить эффект от использования современного оборудования и внедрения специализированных приложений для моделирования.

Помимо стоимости аппаратного и программного обеспечения, в расчет стоит добавить предполагаемую экономию времени сотрудников отдела R&D. Согласно нашим исследованиям, моделирование способно ускорить работу пользователей в шесть раз, соответственно, вам нужно умножить среднюю зарплату каждого участника рабочего процесса на 6: так вы легко просчитаете будущую экономию.

Между тем, увеличение скорости моделирования не учитывает экономии за счет внедрения распределенных управляемых рабочих процессов. Можно подсчитать экономию времени, устраняя повторяющиеся задачи анализа в нескольких подразделениях. А поскольку большее число сотрудников будет параллельно выполнять больше задач моделирования, ускорится возврат инвестиций и сократится время выхода на рынок. Компания получит конкурентное преимущество в бизнесе.

Шаг 4. Заручитесь поддержкой руководства. Пусть оно возглавит усилия по управлению изменениями. С помощью руководства можно оценить, готова ли компания к оптимизации рабочих процессов на основе моделирования, и пора ли внедрять моделирование «в массы».


Это приложение создано с COMSOL Application Builder. Оно позволяет определить характеристики излучения круговой рупорной антенны, чтобы улучшить их за счет изменения геометрии.

И в заключение – конфигурации компьютера и сравнение производительности вычислений на примере моделей акустических систем различной сложности для салона автомобиля:

Сегодня создано более 800 примеров моделей и приложений COMSOL Multiphysics, которые применяются в самых различных областях, включая электрические, механические, гидродинамические и химические дисциплины. А современные рабочие станции подойдут для самых сложных сред многопоточных/многозадачных приложений, требующих высокопроизводительных вычислений – в том числе приложений для проектирования, создания цифрового содержимого 3D и научных расчетов.

Картинки по запросу математическое моделирование инжиниринг

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!