Autodesk Simulation

Autodesk Simulation je počítačový program pro výpočtové modelování chování reálných objektů založený na metodě konečných prvků (MKP). V principu jde o nelineární program pokrývající několik oblastí fyziky, který obsahuje simulační nástroje pro řešení řady strukturálních a termodynamických problémů, analýzu proudění kontinua a další. Fyzikální simulace lze primárně provádět odděleně a díky propojení jednotlivých oblastí programu je lze spojit do společné, tzv. multifyzikální analýzy. Vedle strukturální analýzy lze řešit přenosy tepla, proudění, Autodesk Simulation umožňuje kontrolní a návrhové výpočty, citlivostní a optimalizační analýzy, výpočty spolehlivosti a další.

Už v roce 2009, kdy Autodesk převzal firmu Algor, byla připravena verze 2010, která obsahovala velké množství nových možností programu. Avšak v následující verzi došlo na malá vylepšení. Vedle nepodstatné změny v označování verzí v souvislosti s novým majitelem a jeho produktovými řadami je možné ve verzi 2011 vyzdvihnout nový nástroj, který uživateli názorně poukáže na geometrii, která zapříčinila, že automatický generátor sítě při své činnosti nemohl síť vytvořit (zobrazí chybnou část modelu). K významnějším zásahům do programu již pod hlavičkou Autodesku došlo během posledního roku, tedy s příchodem verze 2012.

3D podpora Autodesk Simulation

Velká část letošních vylepšení programu Autodesk Simulation je směrována na integraci konečnoprvkového programu s existujícími CAD programy. Autodesk Simulation byl již v minulých verzích schopen poloautomaticky upravovat geometrii importovaných dat na základě uživatelem stanovených vstupů, což je běžně nezbytné učinit pro úspěšnou realizaci výpočtové simulace. V současnosti tuto roli přejímá program Autodesk Inventor Fusion. Vedle vlastního softwaru jde o celou stejnojmennou skupinu nástrojů a postupů tzv. Fusion Technology. Autodesk Inventor Fusion je součástí instalace Autodesk Simulation, programy jsou oboustranně provázány, a tak se Fusion v podstatě stal primárním nástrojem pro přípravu geometrie pro výpočtové modelování. Obdobná provázanost až na úroveň geometrických parametrů funguje nově i s programem Autodesk Inventor.

Autodesk Inventor Fusion má ve spolupráci s programem Autodesk Simulation uplatnění při mnoha výpočtářových pracích, zejména ve fázi přípravy výpočtového modelu. Obsahuje celou řadu funkcí vhodných pro modelování „od základu" a zároveň pro úpravu importovaných dat (jak univerzálních formátů, tak programů třetích stran) i modelů vycházejících z dalších programů firmy Autodesk. Proto je Fusion stejně tak dobrým pomocníkem programů Autodesk Inventor a AutoCAD. Ve všech třech zmíněných programech je nově zapracována přímá provázanost s programem Fusion (pod nenápadnou ikonou Start Simulation či Autodesk Simulation).

Po analýze řešeného problému, nashromáždění vstupních konstant a proměnných, s přihlédnutím na řešený problém a na základě výpočtářovy praxe jsou obvykle prováděny úpravy importované geometrie. Zjednodušující úpravy modelu úlohu zmenší a zároveň zrychlí (z hlediska počtu elementů a výpočetního času), potlačí geometrické entity, které jsou pro danou úlohu nepodstatné (rovněž vede na zmenšení počtu elementů a zrychlení výpočetního času zejména u nelineárních úloh), a mnohdy zajistí, že na CAD model půjde vůbec vytvořit síť elementů (přes kvality současných generátorů sítí si s každou geometrií nemusí jakýkoli MKP program poradit a generování sítě kolabuje).

Autodesk Simulation mimo jiné umí libovolnou plochu modelu (s historií i bez historie) posunout prvky smazat nebo přemístit, čímž je možné úpravy modelu elegantně realizovat. Navíc obsahuje tři „nadstandardní" nástroje. Funkce „rozdělit geometrii" umí na plochách vytvářet uzavřené regiony, na kterých mohou být následně aplikována zatížení, kontakty či provedeno zhuštění sítě elementů.

Druhou funkcí je Find Features. Příkaz na základě naprogramovaných algoritmů nalezne na objemových datech entity, které pravděpodobně vznikly (je identifikuje) jako zaoblení, sražení hran anebo otvor, načež je zobrazí ve stromové struktuře modelu. To zvládá u „mrtvých dat", kdy strom modelu je povětšinu prázdný. U dat s historií (i v nativním formátu) dokáže navíc nalézt zrcadlení. Prvky pak lze výběrem ve stromu elegantně odstranit - typický úkon pro editaci nebo záměnu typu geometrické entity -, tedy např. otvor prohlásit za prvek vzniklý rotací profilu.

Třetí, výrazně více automatizovanou funkcí je Simplify. Funkce vyhledá v modelu entity typu otvor, sražení či zaoblení hrany a rovnou je v modelu vypne. Alternativně lze nastavit mezní rozměry prvků, na základě nichž Fusion odstraní ty nepřípustně malé.

Praxe a některé novinky

Volba simulace, definice okrajových podmínek a přiřazení materiálu modelům jsou první kroky výpočtářovy praxe. Autodesk Algor disponuje knihovnou materiálů, která funguje odděleně od dalších programů. Díky blízké integraci s objemovými modeláři samozřejmě umí využívat materiálová data načtených CAD modelů. Sledováním vývoje produktů Autodesk naznačuje, že by postupně mohla vzniknout jednotná materiálová databáze pro všechny CAD programy a nejen je. Není pochyb o přínosech takovéhoto počinu. Vytvoření uživatelské knihovny je samozřejmostí. Autodesk Simulation disponuje například materiály závislými na teplotě, fluidními elementy a dalším.

Autodesk Simulation má více než desítku elementů (z hlediska pojmenování), přičemž elementy mohou mít vícero podob vlivem odchýlení od základního geometrického tvaru, může být zvolen počet uzlových bodů (např. izoparametrické lineární nebo kvadratické), lze rovněž ovlivnit stupeň integrace. Elementy jsou typicky, podle nástrojů numerické matematiky, jedno-, dvou- a třídimenzionální, určené pro dvourozměrné a třírozměrné úlohy Elementy a jejich matematická formulace, jsou standardně svázány s materiálovými modely a typy fyzikálních úloh. U izotropních materiálů aplikovaných na izoparametrické elementy je výsledek definice vstupních dat úlohy jednoznačný, u elementů určených pro simulace skořepinových objektů z kompozitních objektů je nutné materiál definovat „ruku v ruce" s parametry elementů, s ohledem na souřadný systém atd. Autodesk Simulation se navíc chlubí historickým prvenstvím při generování skořepinových sítí objemové geometrie (elementy typu Midplane Mesh).

Oblastí, na kterou se vývojáři obzvláště soustřeďují, jsou úlohy ve zkratce nazývané MES (Mechanical Event Simulation). Jedná se o souhrnné pojmenování skupiny nelineárních úloh, které zahrnují tuhá a poddajná tělesa, kontakty, dynamické efekty, nelineární materiálové vlastnosti a další. Pro tuto oblast přibyly a byly vylepšeny typy kontaktů a jejich chování, bylo vylepšeno zadávání odstředivých silových účinků, přidána speciální „čepová" okrajová podmínka a mnoho dalšího. I pro ostatní úlohy je samozřejmě možné aplikovat posuvy a natočení (jakožto okrajovou nebo deformační podmínku), stejně tak silové a momentové zatížení, zatížení teplotní, tlakové a hydrostatické a řadu dalších zatížení s možností aplikování na plošnou a objemovou geometrii.

Před spuštěním výpočtu je dobré provést kontrolu modelu, tzv. Check Model. Ta dokáže odhalit řadu nesrovnalostí, ale chyby v zadání samozřejmě odhalit nemůže. Pro vypočítání rovnice MKP slouží několik řešičů (pro řešení soustav rovnic). Jejich přítomnost i názvy odrážejí historický vývoj numerických metod i samotného programu, přičemž volbou nenovějšího interaktivního řešiče (u strukturálních úloh) výpočtář v zásadě nemůže udělat chybu. Pro uživatelův komfort Autodesk Simulation podporuje výpočet předem připravených úloh v dávkách, které se spouštějí ve zvolený čas. Mezi další novinky programu patří podpora a možnost nastavení, kolik jader (vláken) bude řešič po spuštění výpočtu využívat.

Vytvoření konečnoprvkové sítě na základě plošné nebo objemové geometrie je nezbytným předpokladem pro realizaci výpočtu. Nástroje pro úpravu a vytvoření geometrie byly popsány výše. Síť elementů může uživatel vytvořit (od základu) i ručně, využití automatických generátorů delší dobu převládá (spojeno především s nárůstem výpočetního výkonu počítačů a masivním nasazením 3D technologií). U programu Autodesk Simulation lze ocenit kvalitu generátoru sítí zejména v tom, že je schopen i na složité geometrii vytvářet elementy převážně ze šestistěnů. V místech, kde nenalezl možnost pokračovat v tvorbě mapované sítě, tj. v místě detailů, pod povrchem uvnitř středu tělesa atd., vkládá čtyřstěny nebo pětistěny.

Uživatelské prostředí postprocesoru programu Autodesk Simulation bylo rovněž přepracováno, ostatně jako celý program. Samozřejmostí je vykreslení posuvů, deformací, napětí a napjatosti podle všech základních analytických formulací. Navíc na prutových konstrukcích lze vykreslovat průběhy posouvajících sil a momentů. Rovněž je samozřejmostí vyčíslení reakčních sil ve vazbách, animace výsledků a další funkce nezbytné pro popsání a pochopení chování řešených objektů.

Závěr

Autodesk Inventor Fusion je výkonný a užitečný program pro přípravu modelových dat určených pro následné výpočtové modelování technických objektů. Autodesk Vault nově může sloužit jako správce či databáze dat a podkladů vstupujících a vzešlých ze simulací. A samotný konečnoprvkový program Autodesk Simulation se stal plnohodnotnou součástí portfolia firmy Autodesk. Letití uživatelé MKP programů mají příchodem nováčka legitimní potřebu prověřit, zda z technického hlediska umí minimálně to, co v dané oblasti dlouhodobě zavedené programy. Díky třicetileté historii má program tyto zkoušky dospělosti již za sebou a nejen v oblastech klasického strojírenství se projevuje jako poctivý pracant. Například ve Spojených státech pomáhal řešit biomechanické problémy už v minulém století.

Lubomír W. Novotný

 Digitální prototypování je hojně skloňovaným tématem. Firmy, manažeři, konstruktéři a uživatelé CAD a jiných programů se stále více pohybují v „uměle" vytvořeném obecném povědomí, které jim nadneseně říká, „kdo digitálně neprototypuje, jako by nebyl", přitom na druhou stranu tiše říkají, kdo nadále experimentuje (ve významu technický experiment), „stojí a bude stát opodál". V poutavých prezentacích je tato část životního cyklu obvykle vypouštěna, přitom stejně tak je vypouštěna podstata digitálního prototypování, tedy, že základem je (výpočtové, podobnostní atd.) modelování. A tedy skutečnost, že realita, reálný objekt a jeho interakce s okolím mohou být vzdáleny od modelu, zůstává rovněž nevyřčena.

Pak je jen otázkou, zda posluchač, který takovouto prezentaci sleduje, je uživatelem CAD programu, softwaru pro statistické zpracování měřených dat či FFT, podnikového informačního systému, nebo spouští pouze PowerPoint, co si z prezentace zapamatuje - technické pozadí, výhody konečnoprvkové technologie pro uživatele programu i spotřebitele konečného výrobku, nebo zaznamená pouze slovo (nikoli pojem v souvislostech) náklady.

Jednoznačně současným simulačním nástrojům založených nejen na metodě konečných prvků nelze upřít, že industrializací zasažený svět kolem nás by bez nich nevypadal tak, jak vypadá. Samozřejmě je to především díky jejich tvůrcům a uživatelům, kteří je umějí vytvořit a využívat. Simulační nástroje pomáhají nalézt a odstranit nežádoucí odezvu objektu na provozní, výrobní a další stavy, které by experiment zajisté rovněž odhalil. Modelování s výhodou zkoumá strukturu a stavy objektu, jejichž pravděpodobnost vzniku je velmi velká nebo naopak velmi malá, nebo například stavy, jež by při realizaci experimentu byly pro zkoušený objekt zkouškami posledními, byly by zdlouhavé, neúčelné z důvodu žádného informačního přínosu. Ve finančním vyjádření by byly nákladné. V každém případě je vždy počet uvažovaných provozních stavů (zatěžování) jakožto součást návrhového procesu, procesu modelování i experimentu z mnoha důvodů více či méně omezen.

Z vícera důvodů je tedy dobré, vedle vyzdvihování výhod digitálního prototypování, nebát se přiznat (posluchači jsou obvykle mistry ve svém oboru a pro prodejce završený obchod nemusí být vždy přínosem), že digitální prototypování není „všelékem" na snižování nákladů při vývoji nového výrobku. Že existují oblasti uplatnění výrobků, kde mohou být do života (na trh) uvedeny pouze na základě digitálního prototypu anebo digitální návrhy vyžadují experimentální ověření. V obou případech praktický provoz obvykle zcela odkryje všechny vlastnosti výrobku (auta, domu, kloubního implantátu). Rozhodně není dílem pouze soudobé lidské psychiky to, že do letadla, které nikdy neprošlo provozními zkouškami, by si nikdo v komerčním provozu nesedl, zato v případě kbelíku na vodu, jehož zatěžování a výrobu - vstřikování plastu - navrhl a prověřil „pouze" software, s jeho užíváním nemá kdokoli problém.

Lubomír W. Novotný

Lubomir.Novotny@toshulin.cz

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete zakoupit v digitální trafice PUBLERO.COM