El software y el hardware modernos revolucionaron el trabajo de los ingenieros y diseñadores de diseño. Diseñar usando modelado trae consigo muchas ventajas, entre las cuales:
- Ahorre tiempo y dinero con menos pruebas físicas.
- La capacidad de identificar rápidamente las mejores soluciones al principio;
- libertad de experimentación sobre la base de "qué pasaría si", especialmente al crear productos para nuevos mercados.
Una mayor implementación del modelado brindará a los ingenieros de diseño aún más beneficios. Pero los problemas tecnológicos y de personal, el hábito de actuar "sobre el nudo" no permiten a las empresas revelar completamente el potencial de la metodología. ¿Qué puede hacer la diferencia?
1. Avances en hardware y software.El poder de cómputo se está volviendo más asequible, y el software de modelado se ha optimizado para aprovecharlo al máximo. Gracias a esto, los diseñadores pueden aprovechar al máximo el modelado.
Es interesante, por ejemplo, comparar el software COMSOL Multiphysics en una estación de trabajo Dell Precision hace tres años con sus homólogos actuales (detalles a continuación). ¡Resultó que el hardware y el software modernos experimentan con modelos hasta seis veces más rápidos!
COMSOL Multiphysics está optimizado para admitir el hardware más reciente. La función de modelado híbrido y la licencia de red flotante le permiten renderizar grandes proyectos en estaciones de trabajo estándar con soporte para procesamiento de datos en paralelo o en clústeres de múltiples nodos y múltiples núcleos.
Paquete de software multifísica
El paquete de software COMSOL está diseñado para simular cualquier sistema físico. COMSOL Multiphysics incluye la interfaz gráfica de usuario (GUI) de COMSOL Desktop y un conjunto de interfaces y herramientas de usuario preconfiguradas que están diseñadas para tareas de modelado estándar. Los módulos adicionales amplían las capacidades de la plataforma, proporcionando modelado en áreas específicas e integración con paquetes de software de terceros. Los módulos complementan las interfaces físicas básicas del paquete COMSOL Multiphysics, que le permite simular fenómenos eléctricos, mecánicos, hidrodinámicos y químicos complejos. Para resolver problemas multifísicos complejos, puede combinar cualquier número de módulos. El paquete COMSOL Multiphysics también incluye un entorno de desarrollo de aplicaciones con el que puede crear interfaces de usuario convenientes que hacen que el modelado matemático esté disponible para todos los empleados interesados de la organización.
|
2. Disponibilidad de software especializado no solo para expertosPara evitar cuellos de botella al trabajar con el modelado, no solo se requieren el hardware y el software más recientes. Se necesita un amplio conocimiento para crear modelos, realizar cálculos y analizar resultados, que la mayoría de las empresas carecen. Incluso con las computadoras más rápidas y el último software, las empresas no pueden trabajar sin la ayuda de expertos.
Una solución al problema es distribuir las habilidades necesarias a una amplia gama de especialistas que utilizan aplicaciones que son relativamente fáciles de aprender. Por lo tanto, las tecnologías COMSOL Application Builder y COMSOL Server permiten modelar en COMSOL Multiphysics a todo el equipo de diseñadores.
Incluso los empleados que no tienen conocimientos en la industria pueden resolver problemas complejos sin la ayuda de expertos: ajustar variables, iniciar procesos de modelado y obtener las respuestas correctas.
Las aplicaciones se pueden descargar al servidor COMSOL, un programa que le permite ejecutarlas desde cualquier lugar en cualquier navegador o cliente de escritorio especializado.
Por lo tanto, Application Builder y COMSOL Server democratizan la simulación. Las organizaciones usan estas aplicaciones para racionalizar la investigación y el desarrollo, ampliar las capacidades de sus ingenieros y liberarse de las tareas de rutina al enfocarse en soluciones de alto nivel.
3. La difusión de una "cultura de modelado"En medio de la creciente complejidad de los productos y la reducción del tiempo de comercialización, los ingenieros y empresarios están listos para cambiar el flujo de trabajo para su objetivo principal: la innovación. Sin embargo, la introducción del diseño basado en simulación es un gran evento que requiere los esfuerzos conjuntos de la gerencia y los empleados comunes. Los gerentes deben comprender los beneficios del modelado y evaluar correctamente el retorno de la inversión en esta tecnología.
La introducción masiva de modelos permitirá a las empresas desarrollar productos cada vez mejores, reducir su tiempo de comercialización y, por lo tanto, superar a sus competidores. Ahora, la mayoría de las organizaciones de ingeniería ya no pueden imaginar cómo crear productos por encima de la base sin modelar. Pero hasta hace poco, la complejidad de la tecnología limitaba su uso y no permitía revelar todo el potencial de su potencial.
El software para modelar con sus ecuaciones matemáticas, un procedimiento de instalación complicado y una interfaz de usuario compleja ha permanecido durante mucho tiempo "al margen" de la ingeniería. Estaba destinado a un pequeño grupo de investigadores y desarrolladores capacitados que tenían una buena comprensión de cómo ajustar ciertos parámetros. El software también tenía una funcionalidad limitada, por lo que estaba mal adaptado para resolver tareas multifacéticas al crear productos innovadores complejos.
Limitaciones de hardware
El alcance del modelado se redujo aún más en lo que respecta a los requisitos técnicos para el análisis de elementos finitos (FEA) y la dinámica de fluidos computacional (CFD). Las estaciones de trabajo antiguas carecían del poder para gestionar adecuadamente modelos complejos y procesos informáticos intensivos.
Por lo tanto, la falta de especialistas calificados y la capacidad insuficiente de las estaciones de trabajo durante mucho tiempo impidieron a las organizaciones utilizar todo el potencial del modelado. Pero hoy se eliminan los obstáculos. La técnica puede ser utilizada por casi todos los diseñadores, especialmente en las primeras etapas, cuando afecta más el resultado. La participación en el modelado de todo el equipo en todas las etapas del trabajo le permite aprovecharlo al máximo.
El uso generalizado de modelos (especialmente para diseño y desarrollo) estimula un enfoque iterativo para el trabajo y permite a las organizaciones considerar más alternativas. Además, se reduce la dependencia de prototipos físicos caros y se hace posible determinar rápidamente los diseños óptimos.
¿Simulación por computadora o pruebas físicas?
El modelado por computadora de varios procesos físicos acelera significativamente el proceso de desarrollo de productos, puede ahorrar significativamente en el ensamblaje de modelos de prueba. Con la ayuda de la potencia y el software informáticos modernos, los ingenieros pueden simular el funcionamiento de componentes individuales y nodos de sistemas complejos y, como resultado, reducir la cantidad de pruebas físicas requeridas antes de lanzar un nuevo producto. La industria enfrenta desafíos como el tiempo para desarrollar un nuevo producto y los costos de desarrollo. Y en la industria automotriz y la industria aeroespacial, es casi imposible prescindir del modelado. Ayuda a acelerar significativamente el desarrollo y reducir los costos.
La aparición de sistemas informáticos modernos que son capaces de simular las propiedades dinámicas de los objetos bajo diversas influencias ha dejado en segundo plano la modernización de los soportes para las pruebas físicas, así como el desarrollo de métodos de prueba. Muchas organizaciones intentan elegir el modelado, ya que minimiza el costo y el tiempo de desarrollo. Sin embargo, en algunos estudios, solo el proceso de prueba física del producto puede dar una respuesta exacta.
|
Evolución: dura y blanda
Los fabricantes y expertos hicieron un gran esfuerzo para que los beneficios del modelado al crear proyectos estuvieran disponibles para una amplia gama de especialistas. Sin embargo, ahora las organizaciones apenas comienzan a beneficiarse de la implementación masiva de la metodología. Esto se ve facilitado por los avances en muchos campos tecnológicos y su aplicación generalizada en la práctica. Los potentes procesadores, las unidades de estado sólido (SSD) de alto rendimiento y la gran capacidad de memoria permiten a las estaciones de trabajo modernas resolver con éxito problemas con modelos grandes. Aquí, en un nuevo nivel, se utilizan las posibilidades de procesamiento de datos en paralelo.
Los precios más bajos para las estaciones de trabajo las pusieron a disposición de una amplia gama de usuarios. Ahora las empresas pueden aumentar significativamente su potencia informática con la misma inversión.
Para resolver tareas de modelado que son demasiado complejas para una estación de trabajo promedio, los logros en el campo de la informática de alto rendimiento (HPC) lo permiten. Hoy, la tecnología de clúster está disponible para las empresas. El software de simulación líder está certificado para clústeres HPC, y una nueva generación de software hace que sea fácil de administrar.
El software de simulación también ha cambiado significativamente en los últimos años. Las nuevas interfaces de usuario intuitivas suavizan la complejidad de la tecnología, y las aplicaciones mismas se han vuelto mucho más potentes y al mismo tiempo más fáciles de configurar.
Los proveedores de software de simulación están trabajando activamente en la certificación. Optimizan los programas para utilizar todas las funciones de una estación de trabajo moderna: multinúcleo, un conjunto actualizado de instrucciones, SSD más rápidos. El procesamiento de datos en paralelo y el trabajo multiproceso le permiten resolver problemas complejos mucho más rápido y con mayor precisión.
Time Machine: de 2012 a 2015
En el contexto de cambios tan radicales, examinamos qué resultados traen un aumento en el rendimiento del hardware y la actualización del software a la última versión. Por ejemplo, comparamos la configuración actual de una estación de trabajo Dell y la última versión de COMSOL Multiphysics con los mismos productos hace tres años.
Cada tres años, una empresa promedio evalúa su capacidad para actualizar hardware y software. Para hacer esto, su gerencia analiza el retorno formal de la inversión (ROI).
Comparemos la última versión del software COMSOL Multiphysics en una estación de trabajo moderna con el hardware y el software que era estándar hace tres años. En particular, considere cuánto tiempo lleva crear varios modelos en la estación de trabajo Dell Precision T3500 y la estación de trabajo de la generación actual: Dell Precision Tower 7810.
El Dell Precision T3500 está equipado con un único procesador Intel Xeon W3505 con una velocidad de reloj de 2.53 GHz, dos núcleos, 12 GB de RAM y un disco duro de 300 GB. Se ejecuta en Windows 7 Pro y utiliza COMSOL Multiphysics 4.2.0.288.
La moderna estación de trabajo Dell Precision Tower 7810 está equipada con dos procesadores Intel Xeon E5-2687W v3 que funcionan a una frecuencia de 3.1 GHz y usan 20 núcleos. El sistema está equipado con 64 GB de RAM, una unidad SCSI de 500 GB y un Samsung SS85 SSGB de 512 GB. La interfaz MPI proporciona soporte para el procesamiento paralelo híbrido del tipo de clúster. El software sigue siendo Windows 7 Pro (por lo que nuestra comparación será objetiva), pero la última versión de COMSOL está instalada: 5.0.1.276.
Hemos elegido varios tipos de modelos para ver cómo COMSOL aprovecha al máximo el nuevo equipo.
- Interacción fluida-estructura 3D, que utiliza flujo laminar y mecánica estructural.
- Transductor piezoeléctrico Tonpilz (modelo de transductor piezoeléctrico Tonpilz) que requiere investigación paramétrica.
- Extrusión de aluminio (Modelo de extrusión de aluminio), que combina mecánica estructural, flujo laminar y transferencia de calor.
- Interruptor eléctrico (modelo del interruptor eléctrico), que involucra mecánica estructural, corriente eléctrica y transferencia de calor.
La clave para una gestión de simulación efectiva es un nuevo equipo con el último software. Para nuestra prueba utilizamos:
Plataforma de hardware
| Estación de trabajo Dell Precision T3500 (lanzada hace 3 años)
| Estación de trabajo moderna Dell Precision Tower 7810
|
CPU
| CPU Intel Xeon W3505, 2.53 GHz
| Dos procesadores Intel Xeon E5-2687W v3, cada uno a 3.1 GHz
|
Número de núcleos
| 2
| 20
|
RAM
| 3x4 GB
| 4x16 GB
|
Almacenamiento
| HDD SATA de 300 GB
| HDD SCSI de 500 GB, unidad de estado sólido (SSD) Samsung SM841N
|
Software
| SO Windows 7 Pro; COMSOL Multiphysics 4.2.0.288
| SO Windows 7 Pro; COMSOL Multiphysics 5.0.1.276
|
MPI
| -
| Utilizado para el procesamiento híbrido de datos paralelos
|
Resultados de la simulación
El modelado de procesos físicos en estaciones de trabajo durante tres años ha logrado un progreso significativo, tanto en términos de tamaño de los modelos, como en su complejidad y, por supuesto, en la velocidad del trabajo. Gracias a la gran cantidad de núcleos y capacidad de memoria, procesamiento de datos en paralelo y capacidades de modelado híbrido, la Dell Precision Tower 7810 mostró un rendimiento hasta seis veces mayor (dependiendo del tipo de modelo y área de física). Por ejemplo, trabajar con el modelo de extrusión de aluminio con 4,23 millones de grados de libertad hace tres años tomó 920 segundos, y ahora solo 153 segundos: seis veces menos.
El modelo de interacción fluido-estructura 3D de 290,000 grados en Dell Precision T7810 y COMSOL 5.0.1.276 se procesó en 906 segundos, en comparación con 4617 segundos en Dell Precision T3500 y COMSOL 4.2.0.288. Este es un aumento de cinco veces en la velocidad. El modelo de un interruptor eléctrico ahora se procesa cuatro veces más rápido, en 255 segundos en lugar de 1028. El modelo Tonpilz con 56,000 grados de libertad mostró resultados más modestos debido a su pequeño tamaño. Sin embargo, en equipos nuevos que utilizan la última versión de COMSOL, la velocidad se ha más que duplicado: 209 segundos en comparación con 481 segundos en hardware y software hace tres años.
El funcionamiento de estaciones de trabajo antiguas o versiones de software es común para las empresas con un presupuesto limitado. Pero en realidad, pierden más al tratar de simular recursos obsoletos que no corresponden al tamaño y la complejidad crecientes de los proyectos.
Los avances en hardware en los últimos tres años han ayudado a aumentar drásticamente la velocidad de procesamiento de datos y simulación. Las estaciones de trabajo modernas están equipadas con procesadores con una gran cantidad de núcleos, lo que les permite ser utilizados para el procesamiento en paralelo, una opción que solo estaba disponible en clústeres hace tres años.
El software moderno para modelado tiene soporte automático para múltiples núcleos y la función de procesamiento de datos en paralelo. Anteriormente, un profesional especialmente capacitado tenía que hacer cambios manualmente para configurar el software para el procesamiento paralelo en una plataforma en particular.
Tarea: extrusión de aluminio
Número de grados de libertad: 4,235,000
Campo de la física: la interacción de la mecánica estructural, el flujo laminar y la transferencia de calor.
Tiempo de decisión
Estación de trabajo y software hace tres años: 920 segundos
Estación de trabajo moderna y versión de software actual : 153 segundos
Incremento de velocidad: 6.01 veces
Tarea: interacción fluido-estructura 3D
Número de grados de libertad: 290,000
Campo de la física: estrecha interacción del flujo laminar y la mecánica estructural.
Tiempo de decisión
Estación de trabajo y software hace tres años: 4617 segundos
Estación de trabajo moderna y versión de software actual: 906 segundos
Incremento de velocidad: 5.1 veces
Tarea: Interruptor eléctrico multifísico
Número de grados de libertad: 115,000
Campo de la física: estrecha interacción de la mecánica estructural, la corriente eléctrica y la transferencia de calor.
Tiempo de decisión
Estación de trabajo y software hace tres años: 1028 segundos
Estación de trabajo moderna y versión de software actual: 255 segundos
Incremento de velocidad: 4.03 veces
Tarea: Transductor piezoeléctrico Tonpilz
Número de grados de libertad: 56,000
Campo de la física: estudio paramétrico de la interacción de una estructura acústica con un transductor piezoeléctrico.
Tiempo de decisión
Estación de trabajo y software hace tres años: 481 segundos
Estación de trabajo moderna y versión de software actual: 209 segundos
Incremento de velocidad: 2.3 veces
Estación de trabajo Dell Precision Tower 7810
La generación actual de estaciones de trabajo Dell Precision incluye el modelo Dell Precision Tower 7810 con dos procesadores Intel Xeon E5-2600 v3 (hasta 18 núcleos cada uno), las últimas tarjetas gráficas NVIDIA Quadro y AMD FirePro, así como hasta 256 GB de memoria del sistema con la innovadora tecnología DDR4 RDIMM . El diseño especial del chasis facilita el acceso a los componentes del sistema y simplifica las actualizaciones del sistema.
Entre las opciones para la Dell Tower 7810 se encuentra una SSD PCIe con refrigeración activa, que es hasta un 180% más rápida que una SSD SATA tradicional. Las opciones tradicionales de disco duro también están disponibles. Esta configuración casi no tiene efecto sobre el rendimiento: las soluciones de software Intel CAS-W proporcionan una velocidad de E / S comparable a una unidad de estado sólido al precio de un HDD normal.
Las estaciones Dell Precision están certificadas por proveedores de software de terceros para garantizar el buen funcionamiento de todas las aplicaciones de diseño populares. El software Dell Precision Optimizer mejora el rendimiento del sistema al ajustarlo automáticamente para ejecutar cualquier programa a la máxima velocidad.
Dell Precision 7810 también ofrece soluciones de seguridad: cifrado, autenticación avanzada y protección contra malware.
En el próximo artículo, describiremos en detalle qué tareas de diseño resuelven las empresas en las estaciones de trabajo de Dell, cómo usan la simulación y qué resultados logran con ella.