SW nástroje pro výpočtové modelování

Prvým a zároveň nejjednodušším programem je ForceEffect. Jedná se o program pro mobilní technologie, který poněkud předběhl dobu. Jeho úspěšnost mezi uživateli se projevuje tím, že „všichni“ jej chtějí mít na stolním PC, ať už na platformě PC či MAC. Avšak v tuto chvíli je program dostupný pouze pro iOS a Android. Program slouží pro řešení zejména prutových úloh v rozsahu klasické statiky. Je určen pro zjišťování reakcí na základě působení silových účinků struktur sestávajících z dokonale tuhých těles a nelze jej použít pro posuzování napětí a napjatosti poddajných těles. Spřízněným programem je letošní novinka ForceEffect Motion. Jak název napovídá, je určen pro řešení kinematiky mechanismů.

Staronovým simulačním nástrojem je modul pevnostních analýz integrovaný do Autodesk Inventoru Professional. Za roky, co je v programu integrován, prodělal několik zásadních změn. V současnosti je stav výpočtového modulu stabilizovaný a v každé nové verzi programu Autodesk Inventor Professional je modul doplněn o několik zajímavých novinek. Historicky, z hlediska strategie firmy a zaměření na cílovou skupinu – konstruktéry – a v neposlední řadě kvůli principům numerických metod pružnosti a pevnosti se dlouhodobě zaměřuje na simulace osamocených (uvolněných) těles v lineární oblasti. Ve verzi 2011 přibyly nástroje pro řešení soustav těles, k čemuž jsou nezbytné mimo jiné kontaktní elementy (a nebo vazební rovnice).

Simulace tenkostěnných dílců objemovými elementy není „ideální“. Vedle toho příprava geometrie – automatické či manuální vytváření střednice plechového dílce a na ni vytváření skořepinové sítě je poměrně zdlouhavé, i když přináší ty nejlepší výsledky. V programu Inventor však toto nelze. V nové verzi Inventor Professional obsahuje zásadní novinku, kterou je vytváření skořepinových sítí přímo na objemové geometrii, u které je jeden rozměr o dost menší než rozměry zbývající. Tento způsob generování elementů je určen zejména pro modely plechových (tenkostěnných) součástí, které se tímto nemusejí předělávat, a proto se významně zvyšuje efektivita práce i kvalita výsledků simulací. Pozn.: Program Autodesk Simulation (Algor) měl tento typ elementu implementován již před více než deseti lety.

V souvislosti s programem Inventor spustil Autodesk optimalizační projekt – službu nazvanou Autodesk Simulation 360. Projekt je založen na myšlence, že lokální počítač pro nejen MKP výpočty nikdy nebude mít dostatečný výpočetní výkon. Natož pro úlohy multifyzikální, optimalizační a další zejména při současném trendu neustálého zvyšování počtů elementů. Numerické simulace jsou součástí většího celku cloudových služeb Autodesk 360, které zahrnují renderování, konstrukční a energetické analýzy, je s nimi spojeno napojení na datové úložiště, komunikace mezi uživateli a přístup k datům prostřednictvím aplikací pro mobilní zařízení. Služba je v tuto chvíli určena pro obory strojírenství a architekturu.

Optimalizační úloha je vytvořena na lokálním počítači v programu Autodesk Inventor, ale výpočet je proveden ve výpočetním středisku firmy Autodesk. Pro formulaci úlohy se předpokládá známá geometrie (nejedná se o topologickou optimalizaci), rozměry modelu slouží jako parametry a je nezbytné zadat jejich mezní rozměry, kterých mohou vzhledem k souvisejícím součástkám v sestavě nabýt. Zatížení a okrajové podmínky se volí obdobně jako v Inventoru Professional. Spuštěná optimalizace v lineární oblasti probíhá za účelem získání co největší pevnosti součásti (hledá se bezpečnost vůči mezi pevnosti nebo pružnosti) a co nejnižší hmotnosti – jak jinak snižovat náklady či nejjednodušeji vyhovět standardům pro ECO design strojů a zařízení.

Čím více geometrických parametrů je zadáno při formulaci úlohy, tím více geometrických kombinací je nutné propočítat. Výpočty běží na pozadí na vzdálených serverech, zde se také generují sítě, tudíž počítač neblokují a nezdržují v další práci. Protože jsou výpočty určeny pro osamocená tělesa, uživateli se vrací vizualizované výsledky a ani zatížení datové sítě není nikterak velké. Výstupem optimalizace je tabulka nejideálnějších kombinací (obvykle více než jedna) při požadované bezpečnosti a minimální hmotnosti. Zobrazit lze samozřejmě všechny spočítané varianty, ale při velkém množství parametrů jsou tabulky výsledků nepřehledné. Tato služba nese spoustu pozitiv pro uživatele, ale zároveň jedno riziko – uživatelé budou (bezhlavě) optimalizovat naprosto vše. Mnoho psů, zajícova smrt, říká se. Úvaha, zda tímto bude postižen konstruktérský cit a další konstruktérské vlastnosti, patří spíše do filozofické roviny.

S jakýmikoli pevnostními výpočty bude ještě po dlouhou dobu spojeno zjednodušování tvaru součástí – její geometrické složitosti odpovídá počet elementů konečnoprvkové sítě. Autodesk Inventor má v několika verzích implementovanou funkci shrinkwrap. Firma letos přichází s novým „prázdninovým“ doplňkem pro Inventor nazvaným Inventor Simplification (Techology Preview). Doplněk programu je možné stáhnout na Autodesk Labs. Po jeho nainstalování v programu Inventor přibude nová záložka s několika nástroji pro zjednodušení součástí a sestav. Funkce jsou vhodné pro přípravu dat, která mají byt sdílena (veřejně), a pro MKP nemusí zcela vyhovovat (pro jednotlivé součásti). Pro tyto případy má Autodesk výkonné profesionální nástroje pro automatickou i manuální přípravu modelů (jejich zjednodušení) a volné modelování, jež jsou vhodné nejen pro aplikaci v souvislosti s konečnoprvkovými výpočty. Tyto nástroje obsahuje program Inventor Fusion.

Simulus je velkým počinem právě končícího léta a jsou na něm podepsáni rovněž vývojáři z děčínské softwarové dílny Autodesku. Ti se postarali například o rozhraní, netradiční ovládání, ale i o další části programu. Program ve verzi Technology Preview 2 je zdarma dostupný rovněž z Autodesk Labs. Jeho forma a způsob představení technické veřejnosti se nápadně podobají tomu, co bylo u programu Inventor Fusion chvíli před tím, než se stal plnohodnotným doplňkem řady programů Autodesku. Pravděpodobně se do konce roku dočkáme další verze a o budoucnosti programu Simulus se mnohé dozvíme ke konci roku na Autodesk University 2012.

Úvodní okno Projektu Simulus obsahuje odkazy na Autodesk Exchange, Autodesk 360, dokáže v programu fungovat jako webový prohlížeč a nápověda k programu. Numerické výpočty již nyní probíhají na vzdáleném serveru, vše nasvědčuje tomu, že web a cloud budou pro fungování programu stále významnějšími „spojenci“. V druhé verzi Technology Preview lze řešit uvolněná tělesa i soustavy těles v lineární oblasti. Konkrétně jde o statickou analýzu, modální analýzu, úlohy stability, teplotní a teplotně-napjatostní úlohy. A vypadá to, že těchto pět typů úloh nebude konečný počet. U každé úlohy lze měnit základní nastavení sítě, konvergenci úlohy a například lze vybírat se sedmi typů kontaktů.

Simulus má v sobě implementovány obdobné nástroje pro volné modelování, jako jsou v programu Fusion, navíc obsahuje pracovní režim simplifikace a idealizace a v nich dostupné patřičné funkce. V režimu Setup se zadávají okrajové podmínky, zatížení, kontakty. O průběhu výpočtu, komunikaci programu se serverem a dění na serveru je uživatel průběžně informován. Postprocesor stejně jako zbytek programu má v oblasti konečnoprvkvých programů nekonformní vzhled i způsob interaktivního ovládání. Líbivost je druhotnou stránkou vedle chronologického a logického uspořádání. Uživatel je při formulaci úlohy intuitivně veden, a dospěje rychle ke spuštění úlohy. Zadání simulace nevyžaduje nikterak hluboké studium metody konečných prvků.

Program Autodesk Simulation je velkým konečnoprvkovým systémem firmy Autodesk s dlouhou historií. Vedle lineární a nelineární mechaniky pevných látek umí řešit proudění, magnetismus a například sdružené multifyzikální úlohy. Seznam změn ve verzi 2013 je poměrně dlouhý a není lehké poutavě vyzdvihnout novinky a vylepšení v jednotlivých funkcích pro nezasvěceného čtenáře nebo bez zacházení do teorie MKP. Ve zkratce: Nově lze nastavit počet jader procesoru, která budou užívána pro generování sítí, v preprocesoru přibyly další možnosti definice zatížení modelů (momentové zatížení na plochu, dosud možné jen do uzlů a další), byly provedeny změny v materiálových modelech. Importovat lze datové formáty předních CAD firem, lomové chování součástí je možné simulovat i na čtyřstěnech. Autodesk dále například vyřadil z nabídky zastaralé řešiče a pro nelineární úlohy přibyly řešiče nové, byly zrychleny výpočty postprocesoru, výsledky je možné exportovat do renderingového programu Showcase a používat je pro vytváření obzvláště reprezentativních produktových prezentací.

V tomto textu jsme se věnovali zejména aplikacím pro výpočtové modelování technických objektů zejména v oblasti klasické „strojařské“ mechaniky těles. Stavařské aplikace byly okrajově vzpomenuty a pro programy, jež jsou žhavými novinkami nebo staronovými programy s novými funkcemi v oblasti obecné simulace proudění kapalin či specializované pro posuzování aerodynamiky těles pro program Alias, procesu vstřikování plastů (Moldflow) a dalších, zbyla pouze tato zmínka v závěru textu. Pohledem do minulosti a zároveň na několik zde uvedených programů je vidět, jak programová základna firmy Autodesk prodělala obrovskou proměnu. Z firmy ryze „cadovské“ se přerodila ve firmu polytechnickou. A je sympatické sledovat, že čeští programátoři jsou jedněmi z tvůrců výpočetního know-how firmy už více než 15 let.

Lubomír W. Novotný

Lubomír.novotny@toshulin.cz