Comment les ingénieurs utilisent-ils vraiment la simulation numérique?

Disclaimer Je suis un mathématicien appliqué de formation, pas un ingénieur. Ma recherche de travail se concentre principalement sur la création de nouvelles "méthodes" pour résoudre différents PDE liés à la déformation solide (élasticité) et à la mécanique des fluides. En ce sens, je sais résoudre un problème de pde par calcul. De mon point de vue, les ingénieurs utilisent mon travail comme «outils» pour accomplir leur travail.

Cependant, en raison de mon manque de formation / d'expérience en ingénierie, j'avoue que je suis en fait assez désemparé sur la façon dont les solutions numériques aux PDE sont réellement utilisées dans la pratique réelle d'un ingénieur. La principale source de ma confusion est la suivante:

On m'a dit que les ingénieurs ne réalisent jamais (ou ne devraient jamais) effectuer de simulations numériques (par exemple analyse par éléments finis, CFD, etc ...) sans savoir ou avoir une bonne idée à l'avance à quoi la simulation "devrait" ressembler. Cela aide les ingénieurs à distinguer les résultats réalistes des résultats douteux.

Cependant, je soutiens que si l'ingénieur sait déjà ce qui est censé se passer dans la simulation, quel est l'intérêt de la simulation en premier lieu ??? J'ai toujours supposé que des simulations sont nécessaires à des fins prédictives, ce qui suppose une ignorance de ce qui va arriver. Autrement dit, je pense à une simulation comme un outil autonome pour prédire l'avenir lorsque vous ne savez pas à quoi vous attendre .

Ce que je recherche, c'est une perspective plus large sur comment / quand / pourquoi les ingénieurs utilisent des simulations numériques comme CFD et analyse par éléments finis, surtout si les bonnes pratiques d'ingénierie exigent que vous sachiez déjà à quoi vous attendre lorsque vous simulez?

J'ai écrit principalement sur CFD dans cette réponse, mais les mêmes points devraient également fonctionner pour FEA ou d'autres techniques de simulation.

Le CFD est principalement utilisé pour l'optimisation de la conception et l'étude paramétrique de la conception. Voici quelques exemples montrant comment les ingénieurs utilisent les simulations

1. Sélection d'une conception : Lire: Une étude conceptuelle de l'amélioration des performances de profil aérodynamique à l'aide de CFD. Cette thèse montre l'utilisation de CFD pour sélectionner la meilleure conception parmi un certain nombre de conceptions candidates. Les ingénieurs optent souvent pour des simulations afin de sélectionner «l'un» parmi tant d'autres .

2. Optimisation de forme à l'aide de CFD : Cet article donne un exemple d'optimisation de forme d'aile à l'aide de CFD. Et cette incroyable vidéo YouTube est un excellent exemple de la façon dont un ingénieur utiliserait un logiciel CFD ( OpenFOAM ) et un algorithme génétique. CFD permet d'arriver à une meilleure conception sans réellement construire un certain nombre de prototypes et de tests (ce qui est un processus long et coûteux). En fait, l'optimisation de la conception est la façon la plus courante d'utiliser le CFD. Selon cette enquête , les ingénieurs en conception mécanique utilisent le plus le CFD (note: je ne connais pas l'authenticité du rapport).

3. Utilisation de simulations où les expériences sont difficiles à réaliser / peuvent coûter beaucoup de ressources (ou de vie) : applications où les expériences ne sont pas possibles, comme le transfert de chaleur dans les véhicules de rentrée hypersoniques ( exemples ici ), ou la circulation sanguine dans le corps humain , peut être simulé avec un ordinateur et la conception finale peut être testée. Un autre exemple; CFD est utilisé pour le placement des sondes sur un modèle de soufflerie. CFD donne, par exemple, la position du point de stagnation sur une surface du modèle, et là, nous pouvons placer la sonde de pression, puis tester le modèle en soufflerie réelle. Cette présentation explique comment CFD et soufflerie sont complémentaires. CFD est également utilisé pour prédire les résultats lorsque les résultats expérimentaux ne sont pas disponibles (on ne peut pas avoir de sondes partout sur le modèle).

4. Conception et optimisation de l'installation d'expérimentation elle - même : les simulations sont couramment utilisées pour la conception de l'installation elle-même. Par exemple, ce rapport décrit comment le CFD est utilisé pour la conception de la soufflerie.

5. Développer un modèle théorique : Cela se voit souvent en cosmologie. Les scientifiques réalisent des simulations basées sur un modèle et valident avec les données expérimentales. Ce processus itératif se traduit par une meilleure compréhension de la physique et du fonctionnement de l'univers. Le groupe d'astrophysique de la NASA a fait une simulation de trous noirs supermassifs, cette vidéo en parle plus .

6. Dans les films, l'art et les animations : Cette question et les réponses suivantes sur Scicomp.SE montrent, combien un rôle CFD a à jouer dans les films et les animations ... (avertissement: j'ai posé la question).

7. Quelques autres applications: aérodynamique du vol des insectes , calcul du bruit en utilisant CAA , conception d'antennes et technologie furtive en utilisant CEM , applications de CFD dans l'industrie alimentaire etc.

La liste continuera ... Fin de journée, CFD est une soufflerie virtuelle, c'est un établi où un ingénieur peut tester son idée sans rien fabriquer / construire. Donc, si les résultats sont validés par rapport à un modèle / expérience connu, alors on peut s'appuyer sur la méthodologie CFD pour un léger changement de géométrie ou de forme. De plus, en raison des résultats CFD, un ingénieur peut avoir confiance en ses résultats expérimentaux. C'est pourquoi le terme validation. Une bonne ressource pour les cas de test de validation ici .

À votre santé!

Pour résumer les autres réponses: Un ingénieur doit savoir qualitativement comment se déroulera la simulation, mais il doit quand même exécuter la simulation pour obtenir la réponse quantitative.

De plus, la simulation permet à l'ingénieur de varier légèrement les paramètres ( simulation Monte Carlo ) afin d'évaluer la stabilité ou la marge d'erreur de la solution. Cela se fait fréquemment dans la simulation de circuits électriques, par exemple, afin d'évaluer la sensibilité d'une conception aux tolérances de valeur des composants.

Les ingénieurs devraient avoir une idée générale du résultat attendu (valeurs Balpark, comportement attendu) lorsqu'ils utilisent un modèle informatique compliqué. La plupart du temps, ces conclusions sont basées sur un modèle (beaucoup) plus simple, qui peut de préférence être vérifié à la main.

La principale raison en est d'éliminer la possibilité d' erreur humaine dans la construction du modèle lui-même. Utiliser un logiciel de modélisation comme une boîte noire est sérieusement mal vu et considéré comme très peu professionnel et risqué. Lorsque les résultats sont très différents de ceux attendus, la première question à se poser est: «le modèle est-il bien construit?, N'ai-je pas fait une erreur (stupide)?

Une deuxième raison est de prendre le contrôle du modèle en le comprenant. Le modèle plus simple agit comme un tremplin dans le processus de compréhension. Lorsqu'un modèle est compris, il est plus facile de savoir quoi changer pour trouver la solution au problème d'ingénierie. En tant que tel, le modèle est un outil dans les processus de conception.

Comme mon professeur de fluides l'a dit il y a de nombreuses années, «si les mathématiques ne sont pas en accord avec la réalité, les mathématiques sont mauvaises». Vous pouvez facilement remplacer le mot modèle, théorie ou simulation par le mot mathématiques.

Les ingénieurs qui utilisent des simulations devraient avoir une très bonne idée de ce à quoi s'attendre pour une solution, pas nécessairement savoir quelle sera la réponse pour une simulation. Il y a une différence. C'est là que l'expérience de l'ingénieur est critique et pourquoi les ingénieurs inexpérimentés doivent toujours être bien supervisés lors des simulations.

Les ingénieurs utilisent des simulations pour diverses raisons, selon le domaine de l'ingénierie dans lequel ils travaillent et ce qu'ils font. Certains ingénieurs utilisent des simulations pour confirmer leurs conceptions tandis que d'autres utilisent des simulations pour rechercher des faiblesses potentielles dans les conceptions ou les matériaux.

L'autre aspect des simulations est qu'elles permettent aux ingénieurs d'envisager un certain nombre de «scénarios de simulation» pour déterminer ce qui pourrait se produire lorsque les paramètres sont modifiés. Cela peut être utilisé pour examiner les limites de performances supérieures et inférieures ou cela peut entraîner des modifications de conception et, dans certains cas, une refonte totale.

Encore une fois, selon le domaine de l'ingénierie, les simulations sont également utiles lorsque l'on considère quand quelque chose doit être ajouté ou augmenté en échelle, comme l'effet sur un système de distribution d'eau en ajoutant un nouveau développement, ou des changements qui doivent être apportés au système de ventilation d'une mine souterraine.

Des simulations peuvent également être faites pour examiner: - l'impact sur le flux de matières et de ressources: pétrole ou eau dans leurs réseaux de tuyauterie respectifs, air dans les réseaux de ventilation, minerai d'une mine ou de plusieurs mines vers une usine de traitement ou un certain nombre de procédés de traitement usines - mélange de produits minéraux étendus au public - infrastructures de transport comme les chemins de fer, les routes, les réseaux électriques et de communication - circulation du trafic lorsque des modifications sont apportées au système de circulation: route bloquée ou élargie, réorganisée pour le trafic à sens unique, l'introduction de voies dégagées et la interdisant le stationnement sur les côtés des routes - la conception d'espaces souterrains pour des applications civiles telles que
parkings souterrains, gares ou tunnels et chantiers dans une mine souterraine. - évaluations financières de la VAN à des fins économiques et d'investissement du projet

Il est toujours moins coûteux et prudent d'exécuter un certain nombre de simulations que de construire quelque chose et de le faire échouer de manière catastrophique.

Comme un autre professeur de mon université l'a également dit, il y a bien longtemps: «Les docteurs enterrent leurs erreurs, les architectes planifient les vignes autour de leurs erreurs, les ingénieurs sont tués par leurs erreurs».

Dans mon domaine particulier (conception de ponceaux enterrés), nous effectuons constamment des analyses par éléments finis . Nous ne changeons presque jamais une conception basée sur les résultats; nous savons (selon divers facteurs, principalement des expériences antérieures et des hypothèses prudentes) si la conception est bonne ou non. Nous effectuons les analyses pour démontrer aux autres que notre conception est bonne. Nous pouvons modifier quelque chose, mais cela ne change jamais de façon substantielle.

Très souvent, les codes du bâtiment et les organismes de réglementation spécifient certaines exigences pour la démonstration de l'acceptabilité de la conception. Parfois, exécuter le modèle revient plus ou moins à traverser ces cerceaux, de sorte qu'une personne avec moins de connaissances et de temps peut rapidement vérifier les faits pertinents sans s'enliser dans la minutie.

Pour résumer - et ce n'est pas mon intention d'être glib, mais:

Les ingénieurs utilisent FEA / simulation numérique afin que nous puissions avoir quelque chose à présenter dans une salle d'audience autre que le contenu de notre matière cérébrale.

ADDENDA:

Dans nos rapports, nous aimons aussi (et nos assureurs VRAIMENT VRAIMENT comme nos) pouvoir dire "Le modèle dit ..." .

Je conçois des moteurs électriques et j'utilise FEA électromagnétique dans le cadre de ce processus de conception. Les concepteurs de moteurs ont beaucoup de bonnes techniques analytiques qui nous rapprochent des performances réelles des moteurs pour certains paramètres clés (couple, consommation de courant, vitesse, etc.). Cependant, cela nécessite que nous fassions certaines hypothèses qui peuvent être valides ou non. Par exemple, je pourrais supposer que le flux à travers un certain chemin d'acier est uniformément réparti ou je pourrais supposer une certaine quantité de fuite de flux à travers une fente. Ces types d'hypothèses sont souvent totalement valables. L'une des raisons pour lesquelles j'utilise FEA est de confirmer que les hypothèses que j'ai faites étaient valides. S'ils sont valides, les résultats de la FEA me donneront à peu près ce que j'attendais. S'ils ne sont pas valides, les résultats de la FEA m'aideront à comprendre quelles étaient mes mauvaises hypothèses.

Une autre raison pour laquelle je l'utilise est qu'il existe certains paramètres moteurs qui ne peuvent pas être très bien déterminés à l'aide de techniques analytiques. Par exemple, l'ondulation de couple (la quantité de variation de couple lorsque le rotor tourne) est difficile à faire avec les techniques analytiques. Je sais que certains types de moteurs ont une ondulation pire et je sais que certaines combinaisons de pôles à fentes ont une meilleure ondulation que d'autres combinaisons et d'autres règles de base, mais la FEA peut vous aider à quantifier cela.

L'autre raison pour laquelle j'utilise FEA est de vraiment affiner un design. Si j'ai une conception qui fait à peu près ce que je veux, je peux alors essayer d'augmenter un peu l'efficacité ou de réduire l'épaisseur de l'aimant ou autre chose.

Donc, je l'utilise pour 1) vérifier mes hypothèses, 2) résoudre des problèmes qui ne peuvent pas être résolus facilement avec des techniques analytiques et 3) affiner mes conceptions pour augmenter les performances ou réduire les coûts ou simplement les améliorer. Tous les 3 nécessitent que je maîtrise assez bien la conception avant de commencer le processus FEA. Cela ne signifie pas que je ne suis jamais surpris par les résultats ou que je n'apprends rien, mais lorsque ces surprises se produisent, vous pouvez être sûr que je vais y retourner et essayer de comprendre ce qui n'a pas fonctionné.

Pour vous donner un exemple pratique: mon père était un ingénieur en structure travaillant pour une grande entreprise nationale; sa spécialité était de prendre les dessins pour les constructions (principalement les façades des bâtiments), qui étaient généralement raisonnables "OK", et de calculer des choses spécifiques comme la taille des vis / boulons, l'espacement, la dimension nécessaire des entretoises, etc. Ils ont travaillé sur de très grandes structures, comme des aéroports, des bâtiments d'opéra, des gratte-ciel. Un petit changement de calcul (disons des vis un peu plus petites ou un peu moins) peut signifier des centaines de milliers d'euros d'économies. Trop petites et de mauvaises choses se produisent.

Au cours de sa dernière décennie avant sa retraite, il a principalement utilisé GWBasic (!) Avec de petits programmes auto-écrits pour son travail. Cela signifie qu'il a directement travaillé les méthodes qu'il connaissait et avait utilisées bien avant l'avènement des ordinateurs dans son domaine dans les programmes GWBasic. On pourrait appeler cela une sorte de simulation numérique triviale, mais en fait, c'était juste une calculatrice de poche glorifiée (en fait, il avait fait la même chose sur des calculatrices de poche avec des bandes magnétiques programmables, auparavant).

À la fin de ses jours de travail, des logiciels professionnels pour les éléments finis ont commencé à apparaître, et il les utilisait de temps en temps pour des projets très compliqués. Il ne s'agissait pas de trouver réellement de nouveaux résultats, mais toujours de savoir si une certaine approche était faisable. C'est-à-dire, dans sa ligne de travail, il s'agit de charges sur des barres d'acier et autres; et les calculs manuels sont, pour des raisons évidentes, principalement réduits à des cas linéaires (puis avec des marges de sécurité de 100 à 200% ajoutées à cela). Finite Elements ouvre de nouveaux mondes entiers pour des bâtiments architecturaux intéressants.

Avec les éléments finis, il pourrait se rapprocher beaucoup plus des nécessités réelles (du moins les gens le croient), mais de toute évidence, il est maintenant difficile (ou, pour des gens comme lui), impossible de vérifier les résultats. Et croyez-moi, le "risque" est une chose très importante à cet égard; si la façade d'un grand immeuble dans une ville tombe, les gens meurent et les ingénieurs finissent en prison.

TL; DR: les ingénieurs utilisent des simulations numériques de la même manière que les médecins / scientifiques, pour vérifier les hypothèses, ou trouver de manière itérative des zones sensibles. Mais il est indispensable qu'ils aient besoin de savoir à quoi s'attendre en général. C'est la même chose qu'en science, où une expérience pour laquelle vous n'aviez pas raisonné au préalable sur les résultats attendus, est juste de la camelote.

Il n'y a pas grand-chose à dire, mais ce résultat connu avant d'exécuter la simulation n'est pas de connaître la valeur numérique exacte mais d'avoir certaines attentes concernant la solution basée sur la compréhension de la physique du problème. Habituellement, les ingénieurs définissent le problème et choisissent une méthode générale et lorsque nous formulons finalement le problème sous la forme d'un ensemble d'équations et de limites, nous demandons l'aide de mathématiciens pour nous aider à le résoudre de la manière la plus efficace. Les ingénieurs sont généralement ceux qui définissent les équations, les mathématiciens les résolvent. Si vous n'avez aucune compréhension de la flexion, bien que vous puissiez résoudre l'équation biharmonique, votre solution ne sera probablement pas un ensemble de bonnes déviations. Lorsque le mathématicien apprend à utiliser des outils pour résoudre le pde, il peut résoudre la plupart des problèmes de pde, mais par exemple.