Les logiciels et le matériel modernes ont révolutionné le travail des ingénieurs et des concepteurs. La conception à l'aide de la modélisation présente de nombreux avantages, parmi lesquels:
- Gagnez du temps et de l'argent avec moins de tests physiques
- La capacité d'identifier rapidement les meilleures solutions au départ;
- la liberté d'expérimentation sur la base du "what if", en particulier lors de la création de produits pour de nouveaux marchés.
La poursuite de la mise en œuvre de la modélisation offrira encore plus d'avantages aux ingénieurs d'études. Mais les problèmes technologiques et de personnel, l'habitude d'agir "sur les moletés" ne permettent pas aux entreprises de révéler pleinement le potentiel de la méthodologie. Qu'est-ce qui peut faire la différence?
1. Avancées matérielles et logiciellesLa puissance de calcul devient de plus en plus abordable et les logiciels de modélisation ont été optimisés pour en tirer pleinement parti. Grâce à cela, les concepteurs peuvent tirer pleinement parti de la modélisation.
Il est intéressant, par exemple, de comparer le logiciel COMSOL Multiphysics sur un poste de travail Dell Precision il y a trois ans avec leurs homologues actuels (détails ci-dessous). Il s'est avéré que le matériel et les logiciels modernes expérimentent des modèles jusqu'à six fois plus vite!
COMSOL Multiphysics est optimisé pour prendre en charge le matériel le plus récent. La fonction de modélisation hybride et la licence Floating Network vous permettent de rendre de grands projets sur des postes de travail standard avec prise en charge du traitement de données parallèle ou sur des clusters multicœur multi-nœuds.
Progiciel multiphysique
Le progiciel COMSOL est conçu pour simuler tous les systèmes physiques. COMSOL Multiphysics comprend l'interface utilisateur graphique (GUI) COMSOL Desktop et un ensemble d'interfaces utilisateur et d'outils préconfigurés conçus pour les tâches de modélisation standard. Des modules supplémentaires étendent les capacités de la plate-forme, offrant une modélisation dans des domaines spécifiques et une intégration avec des progiciels tiers. Les modules complètent les interfaces physiques de base du package COMSOL Multiphysics, qui vous permet de simuler des phénomènes électriques, mécaniques, hydrodynamiques et chimiques complexes. Pour résoudre des problèmes multiphysiques complexes, vous pouvez combiner n'importe quel nombre de modules. Le package COMSOL Multiphysics comprend également un environnement de développement d'applications avec lequel vous pouvez créer des interfaces utilisateur pratiques qui mettent la modélisation mathématique à la disposition de tous les employés intéressés de l'organisation.
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2. Disponibilité de logiciels spécialisés non seulement pour les expertsPour éviter les goulots d'étranglement lors de l'utilisation de la modélisation, non seulement les derniers matériels et logiciels sont requis. Une connaissance approfondie est nécessaire pour créer des modèles, effectuer des calculs et analyser les résultats, ce que la plupart des entreprises manquent. Même avec les ordinateurs les plus rapides et les derniers logiciels, les entreprises ne peuvent pas travailler sans l'aide d'experts.
Une solution au problème consiste à distribuer les compétences nécessaires à un large éventail de spécialistes en utilisant des applications relativement faciles à apprendre. Ainsi, les technologies COMSOL Application Builder et COMSOL Server permettent la modélisation en COMSOL Multiphysics pour toute l'équipe de concepteurs.
Même les employés qui ne connaissent pas l'industrie peuvent résoudre des problèmes complexes sans l'aide d'experts - ajuster les variables, démarrer les processus de modélisation et obtenir les bonnes réponses.
Les applications peuvent être téléchargées sur COMSOL Server - un programme qui vous permet de les exécuter de n'importe où dans n'importe quel navigateur ou client de bureau spécialisé.
Ainsi, Application Builder et COMSOL Server démocratisent la simulation. Les organisations utilisent ces applications pour rationaliser la recherche et le développement, étendre les capacités de leurs ingénieurs et se libérer des tâches de routine en se concentrant sur des solutions de haut niveau.
3. La diffusion d'une "culture de modélisation"Au milieu de la complexité croissante des produits et de la réduction des délais de commercialisation, les ingénieurs et les entrepreneurs sont prêts à modifier le flux de travail pour leur objectif principal - l'innovation. Néanmoins, l'introduction de la conception basée sur la simulation est un grand événement qui nécessite les efforts conjoints de la direction et des employés ordinaires. Les gestionnaires doivent comprendre les avantages de la modélisation et évaluer correctement le retour sur investissement dans cette technologie.
L'introduction massive de la modélisation permettra aux entreprises de développer de meilleurs produits, de réduire leurs délais de commercialisation et, par conséquent, de surpasser les concurrents. Maintenant, la plupart des organisations d'ingénierie ne peuvent plus imaginer comment créer des produits au-dessus de la base sans modélisation. Mais jusqu'à récemment, la complexité de la technologie limitait son utilisation et ne permettait pas de révéler tout le potentiel de son potentiel.
Un logiciel de modélisation avec ses équations mathématiques, une procédure d'installation compliquée et une interface utilisateur complexe est resté longtemps «en marge» de l'ingénierie. Il était destiné à un petit groupe de chercheurs et de développeurs formés qui avaient une bonne compréhension de la façon de régler certains paramètres. Le logiciel avait également des fonctionnalités limitées, il était donc mal adapté pour résoudre des tâches à multiples facettes lors de la création de produits innovants complexes.
Limitations matérielles
La portée de la modélisation s'est encore rétrécie en ce qui concerne les exigences techniques pour l'analyse par éléments finis (FEA) et la dynamique des fluides numérique (CFD). Les anciens postes de travail n'avaient pas la capacité de gérer adéquatement les modèles complexes et les processus informatiques intensifs.
Ainsi, le manque de spécialistes qualifiés et la capacité insuffisante des postes de travail ont longtemps empêché les organisations d'utiliser tout le potentiel de la modélisation. Mais aujourd'hui, les obstacles sont levés. La technique peut être utilisée par presque tous les concepteurs - en particulier dans les premiers stades, quand elle affecte le plus le résultat. La participation à la modélisation de toute l'équipe à toutes les étapes du travail vous permet d'en tirer le meilleur parti.
L'utilisation généralisée de la modélisation (en particulier pour la conception et le développement) stimule une approche itérative du travail et permet aux organisations d'envisager davantage d'alternatives. De plus, la dépendance à l'égard de prototypes physiques coûteux est réduite et il devient possible de déterminer rapidement les conceptions optimales.
Simulation informatique ou tests physiques?
La modélisation informatique de divers processus physiques accélère considérablement le processus de développement de produits et peut considérablement économiser sur l'assemblage des modèles de test. À l'aide de la puissance de calcul et des logiciels modernes, les ingénieurs peuvent simuler le fonctionnement de composants individuels et de nœuds de systèmes complexes et, par conséquent, réduire le nombre de tests physiques requis avant de lancer un nouveau produit. L'industrie est confrontée à des défis tels que le temps pour développer un nouveau produit et les coûts de développement. Et dans l'industrie automobile et l'industrie aérospatiale, la modélisation est presque impossible de s'en passer. Il permet d'accélérer considérablement le développement et de réduire les coûts.
L'émergence de systèmes informatiques modernes capables de simuler les propriétés dynamiques d'objets sous diverses influences a poussé à l'arrière-plan la modernisation des stands pour les tests physiques, ainsi que le développement de méthodes de test. De nombreuses organisations essaient de choisir la modélisation, car elle minimise le coût et le temps de développement. Cependant, dans certaines études, seul le processus de test physique du produit peut donner une réponse exacte.
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Evolution: dur et doux
Les fabricants et les experts ont fait beaucoup d'efforts pour que les avantages de la modélisation lors de la création de projets soient disponibles pour un large éventail de spécialistes. Cependant, les organisations commencent à peine à bénéficier de l'implémentation massive de la méthodologie. Ceci est facilité par les avancées dans de nombreux domaines technologiques et leur application répandue dans la pratique. Des processeurs puissants, des disques SSD haute performance et une grande capacité de mémoire permettent aux postes de travail modernes de résoudre avec succès les problèmes avec les grands modèles. Ici, à un nouveau niveau, les possibilités de traitement parallèle des données sont utilisées.
La baisse des prix des postes de travail les a rendus accessibles à un large éventail d'utilisateurs. Désormais, les entreprises peuvent augmenter considérablement leur puissance de calcul avec le même investissement.
Pour résoudre des tâches de modélisation trop complexes pour un poste de travail moyen, les réalisations dans le domaine du calcul haute performance (HPC) le permettent. Aujourd'hui, la technologie des clusters est à la disposition des entreprises. Les principaux logiciels de simulation sont certifiés pour les clusters HPC et une nouvelle génération de logiciels facilite la gestion.
Le logiciel de simulation a également considérablement évolué ces dernières années. De nouvelles interfaces utilisateur intuitives atténuent la complexité de la technologie et les applications elles-mêmes sont devenues beaucoup plus puissantes et en même temps plus faciles à configurer.
Les éditeurs de logiciels de simulation travaillent activement sur la certification. Ils optimisent les programmes pour utiliser toutes les fonctions d'une station de travail moderne: multicœur, un ensemble d'instructions mis à jour, des SSD plus rapides. Le traitement parallèle des données et le travail multithread vous permettent de résoudre des problèmes complexes beaucoup plus rapidement et plus précisément.
Time Machine: de 2012 à 2015
Dans le contexte de ces changements radicaux, nous avons examiné quels résultats apportent une augmentation des performances matérielles et la mise à jour du logiciel vers la dernière version. Par exemple, nous avons comparé il y a trois ans la configuration actuelle d'une station de travail Dell et la dernière version de COMSOL Multiphysics avec les mêmes produits.
Tous les trois ans, une entreprise moyenne évalue sa capacité à mettre à jour le matériel et les logiciels. Pour ce faire, sa direction analyse le retour sur investissement formel (ROI).
Comparons la dernière version du logiciel COMSOL Multiphysics sur un poste de travail moderne avec le matériel et les logiciels qui étaient standard il y a trois ans. En particulier, considérez le temps qu'il faut pour créer différents modèles sur la station de travail Dell Precision T3500 et la station de travail de génération actuelle - Dell Precision Tower 7810.
Le Dell Precision T3500 est équipé d'un seul processeur Intel Xeon W3505 avec une vitesse d'horloge de 2,53 GHz, deux cœurs, 12 Go de RAM et un disque dur de 300 Go. Il fonctionne sur Windows 7 Pro et utilise COMSOL Multiphysics 4.2.0.288.
La station de travail moderne Dell Precision Tower 7810 est équipée de deux processeurs Intel Xeon E5-2687W v3 qui fonctionnent à une fréquence de 3,1 GHz et utilisent 20 cœurs. Le système est équipé de 64 Go de RAM, d'un disque SCSI de 500 Go et d'un SSGB Samsung SS85 de 512 Go. L'interface MPI prend en charge le traitement parallèle hybride de type cluster. Le logiciel est toujours Windows 7 Pro (donc notre comparaison sera objective), mais la dernière version de COMSOL est installée - 5.0.1.276.
Nous avons choisi différents types de modèles pour voir comment COMSOL tire pleinement parti du nouvel équipement.
- Interaction fluide-structure 3D, qui utilise l'écoulement laminaire et la mécanique des structures.
- Tonpilz piézo-transducteur (modèle de transducteur piézoélectrique Tonpilz) nécessitant une recherche paramétrique.
- Extrusion d'aluminium (modèle d'extrusion d'aluminium), qui combine la mécanique des structures, l'écoulement laminaire et le transfert de chaleur.
- Interrupteur électrique (modèle de l'interrupteur électrique), qui implique la mécanique des structures, le courant électrique et le transfert de chaleur.
La clé d'une gestion efficace de la simulation réside dans de nouveaux équipements dotés des derniers logiciels. Pour notre test, nous avons utilisé:
Plateforme matérielle
| Station de travail Dell Precision T3500 (sortie il y a 3 ans)
| Station de travail moderne Dell Precision Tower 7810
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CPU
| Processeur Intel Xeon W3505, 2,53 GHz
| Deux processeurs Intel Xeon E5-2687W v3, chacun 3,1 GHz
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Nombre de coeurs
| 2
| 20
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RAM
| 3x4 Go
| 4x16 Go
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Stockage
| Disque dur SATA 300 Go
| Disque dur SCSI 500 Go, SSD Samsung SM841N
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Logiciels
| OS Windows 7 Pro; COMSOL Multiphysics 4.2.0.288
| OS Windows 7 Pro; COMSOL Multiphysics 5.0.1.276
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MPI
| -
| Utilisé pour le traitement de données hybride parallèle
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Résultats de la simulation
La modélisation des processus physiques sur les postes de travail sur trois ans a fait des progrès significatifs - à la fois en termes de taille des modèles, de complexité et bien sûr de vitesse de travail. Grâce au nombre beaucoup plus important de cœurs et de capacité de mémoire, au traitement parallèle des données et aux capacités de modélisation hybride, le Dell Precision Tower 7810 a montré des performances jusqu'à six fois supérieures (selon le type de modèle et le domaine de la physique). Par exemple, travailler avec le modèle Aluminium Extrusion avec 4,23 millions de degrés de liberté il y a trois ans a pris 920 secondes, et maintenant seulement 153 secondes: six fois moins.
Le modèle d'interaction fluide-structure 3D à 290 000 degrés sur Dell Precision T7810 et COMSOL 5.0.1.276 a été traité en 906 secondes, contre 4617 secondes sur Dell Precision T3500 et COMSOL 4.2.0.288. Il s'agit d'une multiplication par cinq de la vitesse. Le modèle d'un interrupteur électrique est maintenant traité quatre fois plus rapidement - en 255 secondes au lieu de 1028. Le modèle Tonpilz avec 56 000 degrés de liberté a montré des résultats plus modestes en raison de sa petite taille. Cependant, sur les nouveaux équipements utilisant la dernière version de COMSOL, la vitesse a plus que doublé: 209 secondes contre 481 secondes sur le matériel et les logiciels il y a trois ans.
L'utilisation de postes de travail ou de versions de logiciels plus anciens est courante pour les entreprises à budget limité. Mais en réalité, ils perdent plus en essayant de simuler des ressources obsolètes qui ne correspondent pas à la taille et à la complexité croissantes des projets.
Les progrès du matériel au cours des trois dernières années ont contribué à augmenter considérablement la vitesse de simulation et de traitement des données. Les postes de travail modernes sont équipés de processeurs avec un grand nombre de cœurs, ce qui leur permet d'être utilisés pour le traitement parallèle - une option qui n'était disponible que dans les clusters il y a trois ans.
Les logiciels modernes de modélisation prennent en charge automatiquement plusieurs cœurs et la fonction de traitement parallèle des données. Auparavant, un professionnel spécialement formé devait apporter manuellement des modifications pour configurer le logiciel pour le traitement parallèle sur une plate-forme particulière.
Tâche: Extrusion d'aluminium
Nombre de degrés de liberté: 4 235 000
Domaine de la physique: l' interaction de la mécanique des structures, l'écoulement laminaire et le transfert de chaleur
Heure de décision
Station de travail et logiciel il y a trois ans: 920 sec
Station de travail moderne et version actuelle du logiciel : 153 s
Augmentation de la vitesse: 6,01 fois
Tâche: Interaction fluide-structure 3D
Nombre de degrés de liberté: 290 000
Domaine de la physique: interaction étroite de l'écoulement laminaire et de la mécanique des structures
Heure de décision
Station de travail et logiciel il y a trois ans: 4617 sec
Station de travail moderne et version actuelle du logiciel: 906 s
Augmentation de la vitesse: 5,1 fois
Tâche: commutateur électrique multiphysique
Nombre de degrés de liberté: 115 000
Domaine de la physique: interaction étroite de la mécanique des structures, du courant électrique et du transfert de chaleur
Heure de décision
Station de travail et logiciel il y a trois ans: 1028 sec
Station de travail moderne et version actuelle du logiciel: 255 s
Augmentation de la vitesse: 4,03 fois
Tâche: transducteur piézoélectrique Tonpilz
Nombre de degrés de liberté: 56 000
Domaine de la physique: étude paramétrique de l'interaction d'une structure acoustique avec un transducteur piézoélectrique
Heure de décision
Station de travail et logiciel il y a trois ans: 481 secondes
Station de travail moderne et version actuelle du logiciel: 209 s
Augmentation de la vitesse: 2,3 fois
Station de travail Dell Precision Tower 7810
La génération actuelle de stations de travail Dell Precision comprend le modèle Dell Precision Tower 7810 avec deux processeurs Intel Xeon E5-2600 v3 (jusqu'à 18 cœurs chacun), les dernières cartes graphiques NVIDIA Quadro et AMD FirePro, ainsi que jusqu'à 256 Go de mémoire système avec la technologie innovante DDR4 RDIMM . La conception spéciale du châssis facilite l'accès aux composants du système et simplifie les mises à niveau du système.
Parmi les options du Dell Tower 7810, il y a un SSD PCIe avec refroidissement actif, qui est jusqu'à 180% plus rapide qu'un SSD SATA traditionnel. Des options de disque dur traditionnelles sont également disponibles. Cette configuration n'a presque aucun effet sur les performances: les solutions logicielles Intel CAS-W offrent une vitesse d'E / S comparable à celle d'un disque SSD au prix d'un disque dur standard.
Les stations Dell Precision sont certifiées par des fournisseurs de logiciels tiers pour garantir le bon fonctionnement de toutes les applications de conception courantes. Le logiciel Dell Precision Optimizer améliore les performances du système en le réglant automatiquement pour exécuter n'importe quel programme à la vitesse maximale.
Dell Precision 7810 propose également des solutions de sécurité: chiffrement, authentification avancée et protection contre les logiciels malveillants.
Dans le prochain article, nous décrirons en détail les tâches de conception que les entreprises résolvent sur les postes de travail Dell, comment elles utilisent la simulation et quels résultats elles obtiennent avec.