النمذجة - للجماهير

أحدثت البرمجيات والأجهزة الحديثة ثورة في عمل مهندسي ومصممي التصميم. يجلب التصميم باستخدام النمذجة العديد من المزايا ، من بينها:

• وفر الوقت والمال مع اختبارات جسدية أقل
  
• القدرة على تحديد أفضل الحلول بسرعة في البداية ؛
  
• حرية التجربة على أساس "ماذا لو" ، خاصة عند إنشاء منتجات لأسواق جديدة.
  

مزيد من تنفيذ النمذجة سيعطي مهندسي التصميم المزيد من الفوائد. لكن المشاكل التكنولوجية والعاملين ، عادة التصرف "على مخرش" لا تسمح للشركات بالكشف الكامل عن إمكانات المنهجية. ما الذي يمكن أن يحدث فرقا؟

1. التقدم في الأجهزة والبرمجيات

أصبحت القوة الحاسوبية أكثر بأسعار معقولة ، وتم تحسين برامج النمذجة للاستفادة الكاملة منها. بفضل هذا ، يمكن للمصممين الاستفادة الكاملة من النمذجة.

من المثير للاهتمام ، على سبيل المثال ، مقارنة برنامج COMSOL Multiphysics على محطة عمل Dell Precision منذ ثلاث سنوات مع نظرائهم الحاليين (التفاصيل أدناه). كما اتضح ، تجارب الأجهزة والبرامج الحديثة مع نماذج تصل إلى ست مرات أسرع!



تم تحسين COMSOL Multiphysics لدعم أحدث الأجهزة. تتيح لك وظيفة النمذجة الهجينة وترخيص الشبكة العائمة تقديم المشاريع الكبيرة على محطات العمل القياسية مع دعم معالجة البيانات المتوازية أو على مجموعات متعددة العقدة متعددة النوى.

حزمة برامج Multiphysics تم تصميم حزمة البرامج COMSOL لمحاكاة أي أنظمة مادية. يشمل COMSOL Multiphysics واجهة مستخدم رسومية (COMI) لسطح المكتب COMSOL ومجموعة من واجهات وأدوات المستخدم التي تم تكوينها مسبقًا والمصممة لمهام النمذجة القياسية. تعمل الوحدات الإضافية على توسيع قدرات النظام الأساسي ، وتوفير النمذجة في مجالات محددة والتكامل مع حزم برامج الطرف الثالث. تكمل الوحدات الواجهات الفيزيائية الأساسية لمجموعة COMSOL Multiphysics ، والتي تسمح لك بمحاكاة الظواهر الكهربائية والميكانيكية والهيدروديناميكية والكيميائية المعقدة. لحل المشاكل المعقدة للفيزياء ، يمكنك دمج أي عدد من الوحدات. تتضمن حزمة COMSOL Multiphysics أيضًا بيئة تطوير التطبيقات التي يمكنك من خلالها إنشاء واجهات مستخدم ملائمة تجعل النمذجة الرياضية متاحة لجميع الموظفين المهتمين في المؤسسة.

2. توفر برمجيات متخصصة ليس فقط للخبراء

لتجنب الاختناقات عند العمل مع النمذجة ، ليس فقط مطلوب أحدث الأجهزة والبرامج. هناك حاجة إلى معرفة واسعة النطاق لإنشاء النماذج وإجراء الحسابات وتحليل النتائج ، والتي تفتقر إليها معظم الشركات. حتى مع أسرع أجهزة الكمبيوتر وأحدث البرامج ، لا يمكن للمؤسسات العمل بدون مساعدة الخبراء.

أحد حلول المشكلة هو توزيع المهارات اللازمة على مجموعة واسعة من المتخصصين باستخدام تطبيقات سهلة التعلم نسبيًا. وبالتالي ، فإن تقنيات COMSOL Application Builder وخادم COMSOL تسمح بالنمذجة في COMSOL Multiphysics لجميع فريق المصممين.



حتى الموظفين غير المطلعين على الصناعة يمكنهم حل المشكلات المعقدة دون مساعدة الخبراء - ضبط المتغيرات وبدء عمليات النمذجة والحصول على الإجابات الصحيحة.

يمكن تنزيل التطبيقات إلى خادم COMSOL - وهو برنامج يتيح لك تشغيلها من أي مكان في أي متصفح أو عميل سطح مكتب متخصص.

وبالتالي ، منشئ التطبيق وخادم COMSOL دمقرطة المحاكاة. تستخدم المؤسسات هذه التطبيقات لتبسيط البحث والتطوير ، وتوسيع قدرات مهندسيها ، وتحرير نفسها من المهام الروتينية من خلال التركيز على الحلول عالية المستوى.

3. انتشار "ثقافة النمذجة"

وسط تزايد تعقيد المنتجات وتقليل الوقت للسوق ، المهندسون ورجال الأعمال على استعداد لتغيير سير العمل لهدفهم الرئيسي - الابتكار. ومع ذلك ، فإن إدخال التصميم القائم على المحاكاة هو حدث كبير يتطلب جهودًا مشتركة من الإدارة والموظفين العاديين. يحتاج المديرون إلى فهم فوائد النمذجة وتقييم العائد على الاستثمار في هذه التكنولوجيا بشكل صحيح.

سيسمح الإدخال الجماعي للنمذجة للشركات بتطوير منتجات أفضل وأفضل ، وتقليل وقتها في السوق ، وبالتالي تفوقها على المنافسين. الآن ، لم تعد معظم المنظمات الهندسية تتخيل كيفية إنشاء منتجات فوق القاعدة دون إنشاء نماذج. ولكن حتى وقت قريب ، كان تعقيد التكنولوجيا يحد من استخدامها ولم يسمح بالكشف عن الإمكانات الكاملة لإمكاناتها.



برمجيات النمذجة مع معادلاتها الرياضية ، وإجراءات التثبيت المعقدة وواجهة المستخدم المعقدة ظلت لفترة طويلة "على هامش" الهندسة. كان مخصصًا لمجموعة صغيرة من الباحثين والمطورين المدربين الذين لديهم فهم جيد لكيفية ضبط معلمات معينة. كان للبرنامج أيضًا وظائف محدودة ، لذلك تم تكييفه بشكل سيئ لحل المهام متعددة الأوجه عند إنشاء منتجات مبتكرة معقدة.

قيود الأجهزة

تضيق نطاق النمذجة أكثر عندما يتعلق الأمر بالمتطلبات التقنية لتحليل العناصر المحدودة (FEA) وديناميكا الموائع الحسابية (CFD). تفتقر محطات العمل القديمة إلى القدرة على إدارة النماذج المعقدة وعمليات الحوسبة المكثفة بشكل مناسب.

لذا ، فإن الافتقار إلى متخصصين مؤهلين والقدرة غير الكافية لمحطات العمل لفترة طويلة منعت المنظمات من استخدام الإمكانات الكاملة للنمذجة. ولكن اليوم تمت إزالة العقبات. يمكن لجميع المصممين استخدام التقنية تقريبًا - خاصةً في المراحل المبكرة ، عندما يكون لها أكبر تأثير على النتيجة. المشاركة في نمذجة الفريق بأكمله في جميع مراحل العمل تسمح لك بالاستفادة القصوى منه.

يحفز الاستخدام الواسع للنمذجة (خاصة للتصميم والتطوير) نهجًا تكراريًا للعمل ويسمح للمؤسسات بالنظر في المزيد من البدائل. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تقليل الاعتماد على النماذج المادية باهظة الثمن ويصبح من الممكن تحديد التصاميم المثالية بسرعة.

محاكاة الكمبيوتر أو الاختبار البدني؟ النمذجة الحاسوبية لمختلف العمليات الفيزيائية تسرع بشكل كبير عملية تطوير المنتج ، يمكن أن توفر بشكل كبير على تجميع نماذج الاختبار. بمساعدة قدرة وبرمجيات الحوسبة الحديثة ، يمكن للمهندسين محاكاة تشغيل المكونات والعقد الفردية للأنظمة المعقدة ، ونتيجة لذلك ، تقليل عدد الاختبارات المادية المطلوبة قبل إطلاق منتج جديد. تواجه الصناعة تحديات مثل الوقت لتطوير منتج جديد وتكاليف التطوير. وفي صناعة السيارات وصناعة الطيران ، يكاد يكون من المستحيل الاستغناء عن النمذجة. يساعد على تسريع التنمية بشكل كبير وخفض التكاليف. أدى ظهور أنظمة الحوسبة الحديثة القادرة على محاكاة الخصائص الديناميكية للأشياء تحت التأثيرات المختلفة إلى دفع تحديث المواقف للاختبارات الفيزيائية ، بالإضافة إلى تطوير طرق الاختبار. تحاول العديد من المنظمات اختيار النمذجة ، لأنها تقلل من التكلفة ووقت التطوير. ومع ذلك ، في بعض الدراسات ، فقط عملية الاختبار المادي للمنتج يمكن أن تعطي إجابة دقيقة.

التطور: صلب وناعم

بذل المصنعون والخبراء الكثير من الجهود بحيث تكون فوائد النمذجة عند إنشاء المشاريع متاحة لمجموعة واسعة من المتخصصين. ومع ذلك ، بدأت المنظمات الآن تستفيد للتو من التنفيذ المكثف للمنهجية. وقد سهل ذلك التقدم في العديد من المجالات التكنولوجية وتطبيقها على نطاق واسع في الممارسة. تسمح المعالجات القوية ومحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSD) عالية الأداء وسعة الذاكرة الكبيرة لمحطات العمل الحديثة بحل المشكلات المتعلقة بالنماذج الكبيرة بنجاح. هنا ، على مستوى جديد ، يتم استخدام إمكانيات معالجة البيانات الموازية.

جعلتها الأسعار المنخفضة لمحطات العمل متاحة لمجموعة واسعة من المستخدمين. الآن يمكن للشركات زيادة قدرتها الحاسوبية بشكل كبير بنفس الاستثمار.

لحل مهام النمذجة المعقدة جدًا بالنسبة لمحطة عمل متوسطة ، تسمح الإنجازات في مجال الحوسبة عالية الأداء (HPC). اليوم ، تكنولوجيا العنقود متاحة للشركات. برنامج المحاكاة الرائد معتمد لمجموعات HPC ، وجيل جديد من البرامج يجعل من السهل إدارته.

كما تغيرت برامج المحاكاة بشكل كبير في السنوات الأخيرة. تعمل واجهات المستخدم البديهية الجديدة على تخفيف تعقيد التكنولوجيا ، وأصبحت التطبيقات نفسها أكثر قوة وأسهل تكوينها في نفس الوقت.



يعمل بائعو برامج المحاكاة بنشاط على إصدار الشهادات. إنها تعمل على تحسين البرامج لاستخدام جميع وظائف محطة العمل الحديثة: multicore ومجموعة محدثة من التعليمات وأقراص SSD أسرع. تتيح لك المعالجة المتوازية للبيانات والعمل متعدد الخيوط حل المشكلات المعقدة بشكل أسرع وأكثر دقة.

آلة الزمن: من 2012 إلى 2015

على خلفية هذه التغييرات الجذرية ، قمنا بفحص النتائج التي تحقق زيادة في أداء الأجهزة وتحديث البرنامج إلى أحدث إصدار. على سبيل المثال ، قمنا بمقارنة التكوين الحالي لمحطة عمل Dell وأحدث إصدار من COMSOL Multiphysics مع نفس المنتجات قبل ثلاث سنوات.

كل ثلاث سنوات ، تقوم شركة متوسطة بتقييم قدرتها على تحديث الأجهزة والبرامج. للقيام بذلك ، تقوم إدارتها بتحليل العائد الرسمي على الاستثمار (ROI).

دعنا نقارن أحدث إصدار من برنامج COMSOL Multiphysics على محطة عمل حديثة مع الأجهزة والبرامج التي كانت قياسية منذ ثلاث سنوات. على وجه الخصوص ، ضع في اعتبارك الوقت المستغرق لإنشاء نماذج مختلفة على محطة العمل Dell Precision T3500 ومحطة العمل للجيل الحالي - Dell Precision Tower 7810.

تم تجهيز Dell Precision T3500 بمعالج Intel Xeon W3505 واحد بسرعة ساعة تبلغ 2.53 جيجاهرتز ، ونواة ، و 12 غيغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي ومحرك أقراص ثابت سعة 300 غيغابايت. يعمل على Windows 7 Pro ويستخدم COMSOL Multiphysics 4.2.0.288.

تم تجهيز محطة العمل الحديثة Dell Precision Tower 7810 بمعالجي Intel Xeon E5-2687W v3 اللذين يعملان بتردد 3.1 جيجاهرتز ويستخدمان 20 نواة. تم تجهيز النظام بذاكرة وصول عشوائي (RAM) بسعة 64 جيجابايت ومحرك أقراص SCSI بسعة 500 جيجابايت ومحرك SS85 SSGB بسعة 512 جيجابايت. توفر واجهة MPI دعمًا للمعالجة الموازية المختلطة لنوع العنقود. لا يزال البرنامج هو Windows 7 Pro (لذا ستكون مقارنتنا موضوعية) ، ولكن أحدث إصدار من COMSOL مثبت - 5.0.1.276.

لقد اخترنا أنواعًا مختلفة من النماذج لنرى كيف تستفيد COMSOL بشكل كامل من المعدات الجديدة.

• تفاعل بنية السوائل ثلاثية الأبعاد ، والذي يستخدم التدفق الرقائقي والميكانيكا الهيكلية.
  
• Tonpilz Piezo-Transducer (نموذج محول الطاقة الكهروإجهادية Tonpilz) يتطلب بحثًا معياريًا.
  
• بثق الألمنيوم (نموذج بثق الألمنيوم) ، الذي يجمع بين الميكانيكا الهيكلية وتدفق الصفائح ونقل الحرارة.
  
• المفتاح الكهربائي (نموذج المفتاح الكهربائي) ، والذي يتضمن الميكانيكا الهيكلية والتيار الكهربائي ونقل الحرارة.
  

مفتاح إدارة المحاكاة الفعالة هو المعدات الجديدة بأحدث البرامج. استخدمنا في اختبارنا:

منصة الأجهزة	محطة العمل طراز Precision T3500 من Dell (تم إصدارها منذ 3 أعوام)	محطة العمل الحديثة طراز Precision Tower 7810 من Dell
وحدة المعالجة المركزية	معالج Intel Xeon CPU W3505 بسرعة 2.53 جيجاهرتز	معالجان Intel Xeon E5-2687W v3 ، كل منهما 3.1 جيجاهرتز
عدد النوى	2	20
ذاكرة الوصول العشوائي	3x4 جيجابايت	4 × 16 جيجابايت
التخزين	300 جيجا بايت ساتا HDD	محرك أقراص مزود بذاكرة مصنوعة من مكونات صلبة (SSSI) سعة 500 جيجابايت ومحرك أقراص مزود بذاكرة مصنوعة من مكونات صلبة (SMD41) من سامسونج (SSD)
البرمجيات	نظام التشغيل Windows 7 Pro ؛ COMSOL Multiphysics 4.2.0.288	نظام التشغيل Windows 7 Pro ؛ COMSOL Multiphysics 5.0.1.276
MPI	-	تستخدم لمعالجة البيانات المتوازية المختلطة

نتائج المحاكاة

حققت نمذجة العمليات الفيزيائية في محطات العمل على مدى ثلاث سنوات تقدمًا كبيرًا - من حيث حجم النماذج وتعقيدها ، وبطبيعة الحال ، في سرعة العمل. بفضل العدد الأكبر بكثير من النوى وسعة الذاكرة ومعالجة البيانات المتوازية وإمكانيات النمذجة الهجينة ، أظهر Dell Precision Tower 7810 أداءً أعلى بما يصل إلى ستة أضعاف (اعتمادًا على نوع الطراز ومنطقة الفيزياء). على سبيل المثال ، استغرق العمل مع نموذج الألمنيوم بالبثق مع 4.23 مليون درجة من الحرية قبل ثلاث سنوات 920 ثانية ، والآن 153 ثانية فقط: ست مرات أقل.

تمت معالجة نموذج تفاعل بنية السوائل ثلاثي الأبعاد بزاوية 290.000 درجة على الطراز Precision T7810 و COMSOL 5.0.1.276 من Dell في 906 ثانية ، مقارنة بـ 4617 ثانية على الطراز Precision T3500 و COMSOL من Dell 4.2.0.288. هذه زيادة خمسة أضعاف في السرعة. تتم معالجة نموذج المفتاح الكهربائي الآن أربع مرات أسرع - في 255 ثانية بدلاً من 1028. أظهر نموذج Tonpilz مع 56000 درجة من الحرية نتائج أكثر تواضعا بسبب صغر حجمه. ومع ذلك ، في المعدات الجديدة التي تستخدم أحدث إصدار من COMSOL ، تضاعفت السرعة أكثر من الضعف: 209 ثانية مقارنة بـ 481 ثانية على الأجهزة والبرامج قبل ثلاث سنوات.

يعد تشغيل محطات العمل القديمة أو إصدارات البرامج أمرًا شائعًا للشركات ذات الميزانية المحدودة. لكن في الواقع ، يخسرون أكثر بمحاولة محاكاة الموارد المتقادمة التي لا تتوافق مع الحجم المتزايد وتعقيد المشاريع.

ساعد التقدم في الأجهزة على مدى السنوات الثلاث الماضية على زيادة المحاكاة وسرعة معالجة البيانات بشكل كبير. محطات العمل الحديثة مجهزة بمعالجات تحتوي على عدد كبير من النوى ، مما يسمح باستخدامها للمعالجة المتوازية - وهو خيار كان متاحًا فقط في مجموعات قبل ثلاث سنوات.

البرامج الحديثة للنمذجة لديها دعم تلقائي للعديد من النوى ووظيفة معالجة البيانات المتوازية. في السابق ، كان على محترف محترف تدريبًا خاصًا إجراء تغييرات يدويًا لتكوين البرنامج للمعالجة المتوازية على نظام أساسي معين.



المهمة: سحب الألمنيوم
عدد درجات الحرية: 4.235.000
مجال الفيزياء: تفاعل الميكانيكا الإنشائية ، التدفق الصفحي ونقل الحرارة
وقت القرار
محطة العمل والبرمجيات قبل ثلاث سنوات: 920 ثانية
محطة العمل الحديثة وإصدار البرنامج الحالي : 153 ثانية
زيادة السرعة: 6.01 مرة



المهمة: تفاعل بنية السوائل ثلاثية الأبعاد
عدد درجات الحرية: 290.000
مجال الفيزياء: التفاعل الوثيق بين التدفق الرقائقي والميكانيكا الهيكلية
وقت القرار
محطة العمل والبرمجيات قبل ثلاث سنوات: 4617 ثانية
محطة العمل الحديثة وإصدار البرنامج الحالي: 906 ثانية
زيادة السرعة: 5.1 مرة



المهمة: مفتاح كهربائي متعدد الفيزياء
عدد درجات الحرية: 115.000
مجال الفيزياء: التفاعل الوثيق بين الميكانيكا الإنشائية والتيار الكهربائي ونقل الحرارة
وقت القرار
محطة العمل والبرمجيات قبل ثلاث سنوات: 1028 ثانية
محطة العمل الحديثة وإصدار البرنامج الحالي: 255 ثانية
زيادة السرعة: 4.03 مرة



المهمة: Tonpilz Piezo-Transducer
عدد درجات الحرية: 56000
مجال الفيزياء: دراسة معلمية لتفاعل البنية الصوتية مع محول طاقة كهرضغطية
وقت القرار
محطة العمل والبرمجيات قبل ثلاث سنوات: 481 ثانية
محطة العمل الحديثة وإصدار البرنامج الحالي: 209 ثانية
زيادة السرعة: 2.3 مرة

محطة العمل طراز Precision Tower 7810 من Dell

يتضمن الجيل الحالي من محطات عمل Dell Precision طراز Dell Precision Tower 7810 مع معالجي Intel Xeon E5-2600 v3 (حتى 18 مركزًا لكل منهما) ، وأحدث بطاقات NVIDIA Quadro و AMD FirePro ، بالإضافة إلى 256 جيجابايت من ذاكرة النظام مع تقنية DDR4 RDIMM المبتكرة . يسهل تصميم الهيكل الخاص الوصول إلى مكونات النظام ويبسط ترقيات النظام.

من بين خيارات Dell Tower 7810 محرك PCIe SSD المزود بتبريد نشط ، وهو أسرع بنسبة 180٪ من محرك SATA SSD التقليدي. تتوفر أيضًا خيارات محركات الأقراص الثابتة التقليدية. لا يؤثر هذا التكوين تقريبًا على الأداء: توفر حلول برامج Intel CAS-W سرعة إدخال / إخراج مماثلة لمحرك الأقراص ذي الحالة الصلبة بسعر قرص ثابت عادي.

تم اعتماد محطات Dell Precision من قبل موردي برامج الجهات الخارجية لضمان التشغيل السلس لجميع تطبيقات التصميم الشائعة. يعمل برنامج Dell Precision Optimizer على تحسين أداء النظام من خلال ضبطه تلقائيًا لتشغيل أي برنامج بأقصى سرعة.



توفر Dell Precision 7810 أيضًا حلولاً أمنية: التشفير والمصادقة المتقدمة وحماية البرامج الضارة.

في المقالة التالية ، سنصف بالتفصيل مهام التصميم التي تحلها الشركات في محطات عمل Dell ، وكيف تستخدم المحاكاة والنتائج التي تحققها معها.