MIDAS Nastran FX - jak wybrać program do symulacji MES

Metoda elementów skończonych (MES) jest obecnie podstawowym sposobem walidacji konstrukcji inżynierskich na całym świecie. Jej historia sięga lat 40. XX wieku. Dynamiczny rozwój metodologii oraz algorytmów będących podstawą współczesnych procesów obliczeniowych przypada jednak dopiero na okres lat 60. oraz 70. za sprawą takich osób. jak R. W. Clough, O. C. Zienkiewicz czy J. Argyris.

Rozwój był także przyspieszony zainteresowaniem ze strony branży kosmicznej (NASA), co zaowocowało premierą jednego z pierwszych systemów obliczeniowych - NASTRAN - który z powodzeniem jest wciąż rozwijany i stosowany. Sukcesy w tak wymagających zadaniach jak wysłanie obiektów na orbitę, spowodowały dalszy rozwój oprogramowania i powstawanie konkurencyjnych, interdyscyplinarnych odpowiedników, jak np. ANSYS (1970, wcześniej Swanson Analysis Systems), ABAQUS (1978) czy też mniejszych, zorientowanych na wyspecjalizowane obszary: LS-Dyna, Pro-Cast, RADIOSS.

Obecnie rynek obliczeń strukturalnych zdominowany jest przez oprogramowania bazujące na trzech pierwszych wspominanych kodach źródłowych, tj. ANSYS, ABAQUS oraz NASTRAN. Należy tu jednak zaznaczyć, iż NASTRAN został zaimplementowany w szerokim spektrum innych pakietów (MIDAS NFX, Siemens NX Nastran, Siemens FEMAP, Autodesk Nastran etc.).

Oprogramowania te pozwalają na rozwiązanie niemal pełnego spektrum zagadnień inżynierskich. Każdy z wyżej wymienionych pakietów musi przejść procedurę weryfikacji poprawności obliczeń jak np. procedury opracowane przez międzynarodowe stowarzyszenie NAFEMS. Pozwala to na stwierdzenie, iż w przypadku użycia jakiegokolwiek oprogramowania, przy postępowaniu zgodnie ze sztuką inżynierską, otrzymane wyniki są merytoryczne i mogą zostać zastosowane przy ocenie konstrukcji. Różnica wyników pomiędzy rozwiązaniem analitycznym i numerycznym musi się mieścić w granicy określonego błędu wynikającego z dyskretyzacji.

Skoro wszystkie oprogramowania CAE oferują poprawne wyniki pojawia się pytanie - jakie oprogramowanie wybrać? Obecnie najrozsądniejszymi kwestiami, na które należy odpowiedzieć przy zakupie oprogramowania, są:

• Jak zróżnicowany będzie zakres realizowany na jednym stanowisku?

• Jaka jest relacja kosztów zakupu do rocznego budżetu oraz przychodu firmy? Jakie zyski przyniesie zakup pakietu obliczeniowego?

• Które oprogramowanie jest najwygodniejsze dla inżyniera?

• Czy możemy liczyć na profesjonalne wsparcie techniczne w języku polskim? Czy będziemy współpracowali z handlowcem, czy z doświadczonym inżynierem?

• Jaka jest jakość obsługi technicznej?

Odpowiedź nie jest jednoznaczna, podobnie jak świat nie jest czarno-biały. Systemy są sprzedawane w pakietach, które umożliwiają rozwiązywanie konkretnych zagadnień. W szeroko-zakresowych pakietach kupując program otrzymujemy ograniczony zakres funkcjonalności, np. jedynie analizę statyczną liniową, wyboczenie oraz modalną. Kolejne pakiety obejmują analizy typu transient, analizy termiczne, dynamikę typu explicit aż do pakietu pełnego.

Różnice kosztowe pomiędzy wersją podstawową, a pełną potrafią sięgać dziesiątek tysięcy Euro. Na poniższych rysunkach przedstawiono zestawienie analiz takiej samej belki wykonane w dwóch różnych oprogramowaniach. Jak widać, różnica wynosi poniżej 1%. Pozwala to wnioskować, iż cena nie przekłada się bezpośrednio na precyzję obliczeń. Ta zawsze musi spełniać rygorystyczne wymogi klasyfikacyjne stowarzyszeń niezależnych.

Rys. 1 Proste zginanie belki w programie MIDAS NFX

Rys. 2 Analogiczny model w innym oprogramowaniu – różnica rzędu 0,23%

Podobnie sprawa wygląda w przypadku pytania drugiego. Dla firmy kupującej dwie licencje, zakup oprogramowania z "wyższej półki" może nie przynieść oczekiwanego zwrotu kosztów inwestycji w planowanym okresie czasu. W przypadku rozwiązania mniej popularnego, oferującego rozwiązania o takiej samej precyzji jednak o mniej popularnej marce, relacja ta może ulec odwróceniu i w planowanym okresie eksploatacji osiągnięta zostanie wielokrotna stopa zwrotu.

Kolejne zagadnienie jest najbardziej subiektywne. Podstawowe zasady ergonomii wskazują jednak jasno, iż zlokalizowanie najczęściej używanych funkcji w łatwo dostępnym miejscu (patrz rysunek 3 i 4) pozwala zaoszczędzić niewielkie ilości czasu. Przekłada się to na zwiększenie wydajności pracy, a co za tym idzie zysków. Co więcej, inżynier nie jest zmuszony do przeskakiwania pomiędzy modułami (obciążeń, kontaktów, złożeń etc.).

Rys. 3 Jedno z rozpowszechnionych oprogramowań komercyjnych, małe, nieintuicyjne ikony mogące prowadzić do szukania odpowiedniej funkcji

Rys. 4 Dostęp do opcji w MIDAS NFX – użytkownik ma dostęp do wszystkich opcji pod tzw. wstążkami, nie trzeba zmieniać modułów przy zmianie geometrii czy obciążeń

Rysunek 3 oraz 4 pokazują wyraźną różnicę - najczęściej używane warunki brzegowe i obciążenia w MIDAS NFX są łatwo dostępne, podczas gdy w innych programach przyciski często są znacznie mniejsze i oznaczone mniej intuicyjnie. Funkcje są mniejsze i mylące (np. oznaczone warunki brzegowe, obciążenia oraz warunki load case sugerujące możliwość nadania 2 wcześniej wspomnianych parametrów – są to 3 łudząco podobne ikony w oznaczonym obszarze na rys. 3). W niektórych oprogramowaniach utrudnione jest wybieranie ręczne węzłów w podstawowym module do przygotowywania modelu (rys. 5 oraz 6). Inżynier w efekcie zmuszony jest do określania węzłów za pomocą koordynatów, co znacząco spowalnia, lub nawet uniemożliwia, pracę na nich bezpośrednio z poziomu modułu do modelowania CAE.

Rys. 5 Ręczne wybieranie węzłów w jednym z popularnych komercyjnych oprogramowań

Rys. 6 Wybieranie węzłów na bazie GUI w MIDAS NFX

Kolejnym pytaniem, które zostało wcześniej wyszczególnione jako jedna z istotnych kwestii, to jakość obsługi technicznej. Istotnym jest tutaj, aby po przysłowiowej drugiej stronie telefonu był inżynier. Obecność osoby borykającej się z takimi samymi problemami ułatwia klientowi przedstawienie nurtującego go zagadnienia i znalezienie rozwiązania, które będzie najbardziej pomocne. Istotnym jest tu także fakt posiadania przez osobę wspierającą doświadczenia na wielu płaszczyznach, zarówno analiz jak i oprogramowania. Pozwala to znaleźć wspólny język i przedstawić rozwiązanie poprzez analogię do innego problemu czy rozwiązania.

Ostatnim aspektem, który nie został poruszony do tej pory, jest szybkość obliczeń. Analiza sprowadza się do iteracyjnego rozwiązania szeregu równań - liniowych bądź nieliniowych. Obecnie złota era obliczeń MES jest związana z niewiarygodnie szybkim rozwojem w dziedzinie elektroniki - obecnością wielordzeniowych procesorów, super-wydajnych procesorów graficznych (mających po 1000 i więcej równoległych jednostek obliczeniowych) oraz coraz większą ilością dostępnej pamięci. Producenci w celu nadążenia za rozwojem i stawianymi przed nimi wymaganiami aplikują wielowątkowość czy też 64-bitową (obecnie już standard) strukturę aplikacji w celu lepszego wykorzystania zasobów. Jednakże często wiąże się to z ceną oprogramowania. Jest ono zakupywane na tokeny, które umożliwiają prowadzenie obliczeń na określonej ilości rdzeniu CPU (1, 2 itd.) lub też na użycie GPU (karta graficzna). Generuje to dodatkowe koszty przy zakupie, które zwykle nie są przewidziane na etapie planowania budżetu projektu. Co więcej, brak rozszerzenia możliwości programu do wykorzystania pełnej mocy komputera powoduje drastyczne obniżenie wydajności obliczeń. W efekcie powiedzenie "Czas to pieniądz" znajduje tutaj zastosowanie dla obu stron. Zwiększenie ilości rdzeni wykorzystywanych w symulacjach może powodować nawet ponad dwukrotny wzrost wydajności (rys. 7)!

Rys. 7 Wpływ ilości rdzeni (numer of cores) procesora na czas symulacji (elapsed time)¹⁾

Po raz kolejny niszowe oprogramowania pokazują swoją wyższość na popularnymi rozwiązaniami dzięki umożliwieniu wykorzystania pełnej mocy komputera przy raz zakupionej licencji. Pazur pokazuje tutaj oprogramowanie MIDAS NFX stosowane masowo przez koreański przemysł. Wysoki stosunek jakości do ceny oprogramowania przełożył się na wzrost zamówień także od przemysłu europejskiego, m.in. od grupy Volvo.

Podsumowując, metoda elementów skończonych jest wciąż dynamicznie rozwijającą się dziedziną nauki. Będzie ona podstawą pracy inżynierskiej i naukowej w najbliższych dziesięcioleciach. Skutkuje to koniecznością wykorzystania metod obliczeniowych do cyklu życia każdego produktu poczynając do samolotu na strukturze schodów na podest kończąc. Implikuje to konieczność wdrożenia oprogramowania do firm małych i średnich, do których oferta dużych koncernów jest nieprzystosowana. Najlepszymi rozwiązaniami dla takich przedsiębiorstw są rozwiązania mniej popularne, jak np. MIDAS NFX, oferujące taką samą precyzję wyników. Nie wymagają one dodatkowych zakupów do obsługi kolejnych wątków obliczeniowych czy kart graficznych. Również pozwalają przeprowadzać pełne spektrum analiz wytrzymałościowych oraz symulacji zjawisk fizycznych zachodzących w strukturach. Co więcej, pakiety obejmujące niemal wszystkie funkcjonalności w takich przypadkach pozwalają jednemu inżynierowi na pokrycie szerszego spektrum zagadnień. Taka interdyscyplinarność przynosi firmie oszczędności kadrowe, jak i związane z hardwarem oraz softwarem dla danego pracownika.

W przypadku dużych firm oprogramowanie takie jak MIDAS NFX pozwala też na wprowadzenie istotnych oszczędności (warto sprawdzać promocje u polskiego resellera Komes i odnieść do cen konkurencyjnych) przy wdrażaniu programu dzięki uproszczonemu interfejsowi, bez wcześniej wyszczególnionych negatywnych cech. Oprogramowanie wspiera import na podstawie wielu formatów CAD, m.in. STEP, Parasolid czy SolidWorks, dzięki czemu nie wymaga przystosowania reszty działów, np. konstrukcyjnych, do działalności sekcji obliczeniowych. Wszystkie te zagadnienia prowadzą do jeszcze jednego istotnego wniosku – osobą w pełni decyzyjną przy zakupie oprogramowania nie może być tylko handlowiec, równorzędną opinię powinien mieć końcowy użytkownik, tj. inżynier. Cena bazowa nie powinna być bazowym kryterium doboru, a długoterminowa stopa zwrotu oprogramowania osiągana poprzez wyniki pracy inżyniera odpowiedzialnego za obliczenia.

Autor: mgr inż. Tobiasz Ziątkowski