, .

CAD / CAM / CAE - софтуерни решения и технологии.

.

АБОНИРАЙТЕ СЕ

Бюлетин

Абонамент за е-бюлетин




Анкета

Как да изглежда форума в частта, касаеща софтуера?
1. Да се раздели по категории - CAD, CAM, CAE
2. Да не се променя
3. Друго - отправете предложения

Аналитичната визуализация разкрива повече детайли

Аналитичната визуализация разкрива повече детайли

 


Mark Clarkson
|

 


Фигура: Тази PowerFLOW космическа симулация визуализирана в Exa PowerVIZ, идентифицира източниците на шум около автомобил чрез завихряне на ядрата. Симулации като тези помагат на производителите на превозни средства да изолират източниците на шум още в началото на цикъла на проектиране. Снимка от Exa Corporation


Все повече хора правят повече повторения на повече симулации, използвайки повече възли и повече видове на физични величини, отколкото някога преди. И всичко това се извършва с процесори с повече ядра на повече компютри.

 

По-добра графика


Може би сте забелязали, че финалната визуализация става все по-добра. Наблюдава се прозрачност
- дори при разполагане на текста, за да се позиционира снимката съобразно реалния дизайн на симулационния модел.
"Ако аз трябва да визуализирам въздушния поток вътре в шаситата на компютрите - казва
Derrek Cooper от
Blue Ridge Numerics - бих искал също да мога да видя самите шасита. Можем да представим графиките, осветлението и устройството по начин, който никога преди не е постиган в света на симулацията. Може да видите много повече от това."
Но какъв е смисълът? Защо да се стараете да правите хубави картинки и анимации?

Нека да разгледаме CFD (computational fluid dynamics) инструментите за анализ. На изхода има числа - много на брой. Как инженерите могат да осмислят на всички тези данни? Чрез визуализация.
"Визуализацията – както казва Mike Peery от Tecplot - е за идентифициране на виртуален тигър в джунглата от данни. Знаем, че нещо става там, но как да определим къде точно? Как да го предадем?"

Със снимки, разбира се. И тънкости като устройствено картографиране например, въпреки че всички стандарти за визуализация - контури, вектори, повърхности, аеродинамични форми - остават в основата си едни и същи.

 

 

Фигура: Пример на волтови изоповърхнини в Интегрирания софтуер COULOMB, който показва в 3D електрическото поле.

 

 

Мащабност & Мултифизика

Това, което също се промени е абсолютната скала на данните в днешните симулации, които обикновено съдържат милиони (или десетки милиони) възли и елементи. "Повечето хора, установяват проблема за една нощ - казва Scott Imlay от Tecplot - Колкото по-мощни компютри имате, толкова и проблемите са по-големи.”

Симулацията в реално време се среща все по-често. "В действителност - казва Ric Leeds от Exa Corporation - всичко се движи. Всичко е в реално време. За да се получи точен анализ, трябва да се направят корекции в дизайна, в контекста на промените, които са настъпили."
Инженерите се нуждаят от симулации, които се променят,  не само във времето, но и в различни области на физиката.

                             
 
Фигура: Флуид, пренасящ няколко потока от химични компоненти, който се загрява с цел откриване на промените в плътността чрез последващото му охлаждане (чрез конвекция). Въпреки това, температурата на нишките предизвиква екзотермична химична реакция, което дори повече повишава температурата. Това изображение на COMSOL показва разпределението на температурата в детекторното отделение, докато стрелката посочва потока. Снимка COMSOL

 
”В зората на компютърната симулация - казва David Kan от COMSOL - е било необходимо да се разпределят различни задачи в съответните раздели на физиката – динамика на флуидите, структурна механика, електромагнитни вълни. И е имало пълното основание да се прави. Не е възможно всичко да се изчисли на компютър.”


Но в реалния живот, всичко
е „мултифизично”.
Нека да разгледаме един прекъсвач: напрежението генерира топлинна енергия, топлината причинява преместване, а то придвижва прекъсвача. Едно просто устройството - три вида физични явления. "Тъй като в индустрията се правят все по-реалистични симулации - казва Kan - те трябва да включват и мултифизиката."


Визуализацията трябва да се поддържа на ниво. Ако симулирам температурата на повърхността и въздушния поток, бих искал да ги видя анимирани в реално време.
Как програмистите се справят с нарастващия брой на все по-големи симулации? С малко помощ от страна на приложния хардуер.

Помощта на хардуера


Един пример е миграцията на програмистите и клиентите към 64-битова архитектура, позволяваща достъп до много повече RAM. "Вие обикновено ползвате 32GB RAM - казва
Bruce Klimpke от Integrated Engineering Software - това всъщност отваря врата за симулациите, които преди са били в света на работните станции."
Исторически погледнато, ние също може да разчитаме на все по-бързи процесори, които да ни помогнат, но скоростта на CPU Clock напоследък не се увеличава. Вместо това, вече се наблюдава появата на няколкото ядра. Дори и настолните компютри от среден клас вече имат двуядрени процесори. Такива с четири и осем ядра също се срещат често.

 
"Това е също води до разрастване на проблема, с който можем да се справим - казва Klimpke. - 2D задачата, която изисква 100 различни повторения, за да се достигне до оптималната стойност, може да отнеме час на едноядрен процесор CPU. Ако обаче опитате да направите това в 3D, трябва да се говори за дни или месеци. Така че възможността да се решат тези проблеми в 3D, вече е голяма промяна." 


  Фигура: Симулационните резултати от функционалността на Quick Natural Convection в CFdesign V10 са от голяма полза за конструкторите, желаещи да се интегрират LED индикатор към техния продукт. Снимка Blue Ridge Numerics


Докато „по-бързи процесори” автоматично означава „по-бързи приложения”, при мултипроцесорите не е така - казва Klimpke. - Не може да вземете своя стар сериен код, да го сложите на многопроцесорна машина и да очаквате да работи бързо. Трябва да изхвърлите старите методи за разработка на софтуер. Това не е еволюция, това е революция."
Революция, към която програмистите нямат друг избор, освен да се присъединят. - казва Sumit Gupta от NVIDIA - Няма друга възможност за научните изчисления и високопроизводителните компютри. Те трябва да започнат паралелно програмиране. Трябва да се промени приложението им, да се вземат ключовите изчислителни ядра и да се потърси  паралелизъм в тях."
За да увеличи тази потенциална мощ, NVIDIA разработи Tesla. В Tesla се използва GPU (graphics processing units) - на практика 240 от тях - но не излизат графични резултати. Това е чисто цифрова машина с характеристики като „shared memory” и „double precision floating-point math”, които не се използват за графики, но са съществени при научните изчисления. Tesla показва потенциала на инженерните работни станции със стотици или хиляди ядра. Всеки продукт за симулация и визуализация, който си струва, използва всяко от наличните ядра.
 


Фигура: Това аналитично изображение на стоманена рамка на автомобилна седалка, моделирано чрез Inventor, показва връзките между целия комплект на седалката при нормални условия на работа. Прозрачността, даваща ясна представа за връзките, е една от ползите на цифровия модел. Снимка Autodesk


Разпределени изчисления


Когато кодът е паралелизиран и мащабиран, вече няма причина да се ограничавате до работа на един единствен компютър.
"Много от клиентите - казва
Bob Williams от ALGOR - използват Windows за настолни компютри, за да направят нещата, които са им нужни, като определяне на геометрията и търсене на визуализация. Но в дъното на това е желанието да увеличите изчислителната мощност, колкото е възможно. Ние ви позволяваме да представите реален анализ от компютъра на бюрото в ъгъла. По този начин можете да прекарате цялото си време по-продуктивно."
SIMULIA се наричат подобната функция за дистанционна визуализация. "Можете да видите резултатите още докато анализът е в ход. - казва
Asif Khan
от SIMULIA - Не трябва да се чака процесът да завърши, за да се уверите, че моделът е коректен, да се видят деформациите или движенията, да се нанесат отклоненията и т.н.”
"Имате пълен достъп, но само до данните, които са ви необходими. Само представянето и манипулациите се извършват на локалния компютър. "
Има много различни задачи, които могат да се реализират с този тип клъстерирани компютри. ALGOR наскоро добави и поддръжка за хардуера в мрежата. Визуализация е друг очевиден кандидат.


Направи го по-лесно


Получаването и използването на добра визуализация може да бъде ... предизвикателство. Най-лошият сценарий е нещо от този род: Можете да създадете модел в CAD, след което да го експортирате към „preprocessing” приложението, което създава подходяща мрежа за вашата симулация. След това да заредите мрежата в solver-а (т.нар. инструмент за анализ), който решава милиони диференциални уравнения и изпраща гигабайти от данни. Тогава тези резултати се въвеждат в постпроцесора, което пък ви позволява да разделяте, нанасяте, отпечатвате и анимирате. Тогава се връщате обратно в CAD приложението и започвате проектирането отначало. 
 


Фигура: ë2 изоповърхнината показана на това изображение от Tecplot е пример за това как данните могат да бъдат изолирани.


Ако прави мултифизична симулация, става по-лошо, тъй като може да се наложи да се свързвате многократно с два или повече solver-а. А има толкова различни видове анализи, колкото са инженерните дисциплини - структурни, електромеханични, химически, флуидни, температурни.
Това е лабиринт, в който е по-добре да не се влиза. Ето защо лекотата на използване и увеличаването на автоматизацията, са от ключово значение.


"Опитваме се да помогнем на огромен брой инженери. - казва
Cooper от Blue Ridge  - Ето защо, не можем да им дадем прекалено много опции. Те искат да натиснат само няколко бутона и да получат резултатите.”
"Това е тенденцията, която забелязваме. Хората не искат да мислят за неща като постпроцесори, инструменти за анализ или постпроцесорни перспективи. Повечето от нашите клиенти искат рационализация на взаимодействията до колкото е възможно. Те казват: "Разбира се, че трябва всички тези неща да се правят автоматично, защото аз не искам да ги правя."

 

Свещения Граал
"В крайна сметка - казва Williams от
ALGOR - не трябва да се притеснявате (или дори да знаете) как работят „зад кулисите” индивидуалните анализи. Вие проектирате продукт. Познавате средата, в която ще работи. Трябва да можете да вземете цифровия прототип от вашия проект и да дефинирате средата, в която ще работи. Софтуерът трябва да бъде достатъчно умен, за да изпълнява правилно симулации, на базата на зададената среда. А вие просто да наблюдавате."
Впоследствие е всичко се ориентира към основната цел: Да се направи истинско представяне на даден продукт, в реално време, поставен при реални условия.