Software e hardware modernos revolucionaram o trabalho de engenheiros e designers de design. O design usando modelagem traz muitas vantagens, entre as quais:
- Economize tempo e dinheiro com menos testes físicos
- A capacidade de identificar rapidamente as melhores soluções no início;
- liberdade de experimentação com base no "e se", especialmente na criação de produtos para novos mercados.
A implementação adicional da modelagem proporcionará ainda mais benefícios aos engenheiros de design. Porém, problemas tecnológicos e de pessoal, o hábito de agir "em excesso" não permitem que as empresas revelem completamente o potencial da metodologia. O que pode fazer a diferença?
1. Avanços em hardware e softwareO poder da computação está se tornando mais acessível e o software de modelagem foi otimizado para tirar o máximo proveito dele. Graças a isso, os designers podem tirar o máximo proveito da modelagem.
É interessante, por exemplo, comparar o software COMSOL Multiphysics em uma estação de trabalho Dell Precision há três anos com suas contrapartes atuais (detalhes abaixo). Como se viu, experimentos modernos de hardware e software com modelos até seis vezes mais rápidos!
O COMSOL Multiphysics é otimizado para suportar o hardware mais recente. A função de modelagem híbrida e a licença de Rede flutuante permitem a renderização de grandes projetos em estações de trabalho padrão com suporte para processamento de dados paralelo ou em clusters de vários nós com vários núcleos.
Pacote de software multifísico
O pacote de software COMSOL foi projetado para simular qualquer sistema físico. O COMSOL Multiphysics inclui a interface gráfica de usuário (GUI) do COMSOL Desktop e um conjunto de interfaces e ferramentas de usuário pré-configuradas, projetadas para tarefas de modelagem padrão. Módulos adicionais expandem os recursos da plataforma, fornecendo modelagem em áreas específicas e integração com pacotes de software de terceiros. Os módulos complementam as interfaces físicas básicas do pacote COMSOL Multiphysics, que permitem simular fenômenos elétricos, mecânicos, hidrodinâmicos e químicos complexos. Para resolver problemas multifísicos complexos, você pode combinar qualquer número de módulos. O pacote COMSOL Multiphysics também inclui um ambiente de desenvolvimento de aplicativos com o qual você pode criar interfaces de usuário convenientes que tornam a modelagem matemática disponível para todos os funcionários interessados da organização.
|
2. Disponibilidade de software especializado, não apenas para especialistasPara evitar gargalos ao trabalhar com modelagem, não são necessários apenas o hardware e o software mais recentes. É necessário um amplo conhecimento para criar modelos, realizar cálculos e analisar resultados que faltam à maioria das empresas. Mesmo com os computadores mais rápidos e o software mais recente, as empresas não podem trabalhar sem a ajuda de especialistas.
Uma solução para o problema é distribuir as habilidades necessárias para uma ampla gama de especialistas usando aplicativos que são relativamente fáceis de aprender. Assim, as tecnologias COMSOL Application Builder e COMSOL Server permitem a modelagem no COMSOL Multiphysics para toda a equipe de designers.
Mesmo os funcionários que não conhecem o setor podem resolver problemas complexos sem a ajuda de especialistas - ajustar variáveis, iniciar processos de modelagem e obter as respostas certas.
Os aplicativos podem ser baixados no COMSOL Server - um programa que permite executá-los de qualquer lugar em qualquer navegador ou cliente de desktop especializado.
Assim, o Application Builder e o COMSOL Server democratizam a simulação. As organizações usam esses aplicativos para otimizar a pesquisa e o desenvolvimento, expandir os recursos de seus engenheiros e se libertar de tarefas rotineiras, concentrando-se em soluções de alto nível.
3. A disseminação de uma "cultura de modelagem"Em meio à crescente complexidade dos produtos e à redução do tempo de colocação no mercado, engenheiros e empreendedores estão prontos para alterar o fluxo de trabalho para seu principal objetivo - a inovação. No entanto, a introdução do design baseado em simulação é um grande evento que requer os esforços conjuntos da gerência e dos funcionários comuns. Os gerentes precisam entender os benefícios da modelagem e avaliar corretamente o retorno do investimento nessa tecnologia.
A introdução em massa da modelagem permitirá que as empresas desenvolvam produtos cada vez melhores, reduzam o tempo de colocação no mercado e, portanto, superem os concorrentes. Agora, a maioria das organizações de engenharia não consegue mais imaginar como criar produtos acima da base sem modelagem. Mas até recentemente, a complexidade da tecnologia limitava seu uso e não permitia revelar todo o potencial de seu potencial.
Software para modelagem com suas equações matemáticas, um procedimento de instalação complicado e uma interface de usuário complexa há muito permanecem "à margem" da engenharia. Destina-se a um pequeno grupo de pesquisadores e desenvolvedores treinados que tenham um bom entendimento de como ajustar determinados parâmetros. O software também tinha funcionalidade limitada, por isso foi pouco adaptado para resolver tarefas multifacetadas ao criar produtos inovadores complexos.
Limitações de hardware
O escopo da modelagem se estreitou ainda mais quando se tratava de requisitos técnicos para análise de elementos finitos (FEA) e dinâmica de fluidos computacional (CFD). As estações de trabalho antigas não tinham o poder de gerenciar adequadamente modelos complexos e processos de computação intensivos.
Portanto, a falta de especialistas qualificados e a capacidade insuficiente das estações de trabalho por um longo tempo impediram as organizações de usar todo o potencial da modelagem. Mas hoje os obstáculos foram removidos. A técnica pode ser usada por quase todos os designers - especialmente nos estágios iniciais, quando mais afeta o resultado. O envolvimento na modelagem de toda a equipe em todas as etapas do trabalho permite que você aproveite ao máximo.
O amplo uso da modelagem (especialmente para design e desenvolvimento) estimula uma abordagem iterativa do trabalho e permite que as organizações considerem mais alternativas. Além disso, a dependência de protótipos físicos caros é reduzida e torna-se possível determinar rapidamente os projetos ideais.
Simulação por computador ou testes físicos?
A modelagem por computador de vários processos físicos acelera significativamente o processo de desenvolvimento do produto, pode economizar significativamente na montagem de modelos de teste. Com a ajuda da potência e do software modernos de computação, os engenheiros podem simular a operação de componentes e nós individuais de sistemas complexos e, como resultado, reduzir o número de testes físicos necessários antes do lançamento de um novo produto. O setor enfrenta desafios como tempo para desenvolver um novo produto e custos de desenvolvimento. E na indústria automotiva e aeroespacial, a modelagem é quase impossível de prescindir. Ajuda a acelerar significativamente o desenvolvimento e reduzir custos.
O surgimento de sistemas de computação modernos, capazes de simular as propriedades dinâmicas de objetos sob várias influências, colocou em segundo plano a modernização dos stands para testes físicos, bem como o desenvolvimento de métodos de teste. Muitas organizações tentam escolher a modelagem, pois isso minimiza o custo e o tempo de desenvolvimento. No entanto, em alguns estudos, apenas o processo de teste físico do produto pode dar uma resposta exata.
|
Evolução: Duro e Mole
Fabricantes e especialistas fizeram muitos esforços para que os benefícios da modelagem ao criar projetos estivessem disponíveis para uma ampla gama de especialistas. No entanto, agora as organizações estão apenas começando a se beneficiar da implementação maciça da metodologia. Isso é facilitado pelos avanços em muitos campos tecnológicos e sua ampla aplicação na prática. Processadores poderosos, unidades de estado sólido (SSDs) de alto desempenho e grande capacidade de memória permitem que as estações de trabalho modernas resolvam com sucesso problemas com modelos grandes. Aqui, em um novo nível, são utilizadas as possibilidades de processamento de dados paralelos.
Os preços mais baixos das estações de trabalho os disponibilizaram para uma ampla variedade de usuários. Agora, as empresas podem aumentar significativamente seu poder de computação com o mesmo investimento.
Para resolver tarefas de modelagem muito complexas para uma estação de trabalho comum, são permitidas conquistas no campo da computação de alto desempenho (HPC). Hoje, a tecnologia de cluster está disponível para as empresas. O software de simulação líder é certificado para clusters de HPC, e uma nova geração de software facilita o gerenciamento.
O software de simulação também mudou significativamente nos últimos anos. Novas interfaces de usuário intuitivas suavizam a complexidade da tecnologia, e os próprios aplicativos se tornaram muito mais poderosos e ao mesmo tempo mais fáceis de configurar.
Os fornecedores de software de simulação estão trabalhando ativamente na certificação. Eles otimizam os programas para usar todas as funções de uma estação de trabalho moderna: multicore, um conjunto atualizado de instruções, SSDs mais rápidos. O processamento de dados paralelo e o trabalho multiencadeado permitem resolver problemas complexos com muito mais rapidez e precisão.
Time Machine: de 2012 a 2015
No contexto de mudanças tão radicais, examinamos quais resultados trazem um aumento no desempenho do hardware e atualizamos o software para a versão mais recente. Por exemplo, comparamos a configuração atual de uma estação de trabalho Dell e a versão mais recente do COMSOL Multiphysics com os mesmos produtos três anos atrás.
A cada três anos, uma empresa média avalia sua capacidade de atualizar hardware e software. Para fazer isso, sua gerência analisa o retorno formal do investimento (ROI).
Vamos comparar a versão mais recente do software COMSOL Multiphysics em uma estação de trabalho moderna com o hardware e o software padrão três anos atrás. Em particular, considere quanto tempo leva para criar vários modelos na estação de trabalho Dell Precision T3500 e na estação de trabalho da geração atual - Dell Precision Tower 7810.
O Dell Precision T3500 está equipado com um único processador Intel Xeon W3505 com uma velocidade de clock de 2,53 GHz, dois núcleos, 12 GB de RAM e um disco rígido de 300 GB. É executado no Windows 7 Pro e usa o COMSOL Multiphysics 4.2.0.288.
A moderna estação de trabalho Dell Precision Tower 7810 está equipada com dois processadores Intel Xeon E5-2687W v3 que operam a uma frequência de 3,1 GHz e usam 20 núcleos. O sistema está equipado com 64 GB de RAM, uma unidade SCSI de 500 GB e um Samsung SS85 SSGB de 512 GB. A interface MPI fornece suporte para processamento paralelo híbrido do tipo cluster. O software ainda é o Windows 7 Pro (portanto, nossa comparação será objetiva), mas a versão mais recente do COMSOL está instalada - 5.0.1.276.
Escolhemos vários tipos de modelos para ver como o COMSOL tira o máximo proveito do novo equipamento.
- Interação Fluido-Estrutura 3D, que utiliza fluxo laminar e mecânica estrutural.
- Piezo-transdutor de Tonpilz (modelo de transdutor piezoelétrico Tonpilz) que requer pesquisa paramétrica.
- Extrusão de alumínio (modelo de extrusão de alumínio), que combina mecânica estrutural, fluxo laminar e transferência de calor.
- Interruptor elétrico (modelo do interruptor elétrico), que envolve mecânica estrutural, corrente elétrica e transferência de calor.
A chave para o gerenciamento eficaz da simulação é o novo equipamento com o software mais recente. Para o nosso teste, usamos:
Plataforma de hardware
| Estação de trabalho Dell Precision T3500 (lançada há 3 anos)
| Estação de trabalho moderna Dell Precision Tower 7810
|
CPU
| CPU Intel Xeon W3505, 2,53 GHz
| Dois processadores Intel Xeon E5-2687W v3, cada um com 3,1 GHz
|
Número de núcleos
| 2
| 20
|
RAM
| 3x4 GB
| 4x16 GB
|
Armazenamento
| HDD SATA de 300 GB
| Disco rígido SCSI de 500 GB, unidade de estado sólido (SMD) Samsung SM841N
|
De software
| Sistema operacional Windows 7 Pro; COMSOL Multiphysics 4.2.0.288
| Sistema operacional Windows 7 Pro; COMSOL Multiphysics 5.0.1.276
|
MPI
| -
| Usado para processamento de dados paralelo híbrido
|
Resultados da simulação
A modelagem de processos físicos nas estações de trabalho durante três anos fez um progresso significativo - tanto em termos de tamanho dos modelos, quanto em sua complexidade e, é claro, na velocidade do trabalho. Graças ao número muito maior de núcleos e capacidade de memória, processamento paralelo de dados e recursos de modelagem híbrida, o Dell Precision Tower 7810 apresentou desempenho seis vezes maior (dependendo do tipo de modelo e área da física). Por exemplo, trabalhar com o modelo de extrusão de alumínio com 4,23 milhões de graus de liberdade há três anos levou 920 segundos e agora apenas 153 segundos: seis vezes menos.
O modelo de interação de estrutura de fluido 3D de 290.000 graus no Dell Precision T7810 e COMSOL 5.0.1.276 foi processado em 906 segundos, comparado a 4617 segundos no Dell Precision T3500 e COMSOL 4.2.0.288. Este é um aumento de cinco vezes na velocidade. O modelo de um interruptor elétrico agora é processado quatro vezes mais rápido - em 255 segundos, em vez de 1028. O modelo Tonpilz, com 56.000 graus de liberdade, apresentou resultados mais modestos, devido ao seu tamanho pequeno. No entanto, em novos equipamentos que utilizam a versão mais recente do COMSOL, a velocidade mais que dobrou: 209 segundos, em comparação com 481 segundos em hardware e software, três anos atrás.
A operação de estações de trabalho ou versões de software mais antigas é comum para empresas com orçamento limitado. Mas, na realidade, eles perdem mais ao tentar simular recursos obsoletos que não correspondem ao tamanho e complexidade crescentes dos projetos.
Os avanços no hardware nos últimos três anos ajudaram a aumentar drasticamente a velocidade de simulação e processamento de dados. As estações de trabalho modernas são equipadas com processadores com um grande número de núcleos, o que permite que sejam usados para processamento paralelo - uma opção que estava disponível apenas em clusters há três anos.
O software moderno para modelagem tem suporte automático para múltiplos núcleos e a função de processamento de dados paralelo. Anteriormente, um profissional especialmente treinado precisava fazer alterações manualmente para configurar o software para processamento paralelo em uma plataforma específica.
Tarefa: Extrusão de alumínio
Número de graus de liberdade: 4.235.000
Campo da física: a interação da mecânica estrutural, fluxo laminar e transferência de calor
Tempo de decisão
Estação de trabalho e software há três anos: 920 seg
Estação de trabalho moderna e versão atual do software : 153 seg
Aumento de velocidade: 6.01 vezes
Tarefa: Interação Fluido-Estrutura 3D
Número de graus de liberdade: 290.000
Campo da física: interação estreita do fluxo laminar e mecânica estrutural
Tempo de decisão
Estação de trabalho e software há três anos: 4617 seg
Estação de trabalho moderna e versão atual do software: 906 seg
Aumento de velocidade: 5,1 vezes
Tarefa: Chave Elétrica Multifísica
Número de graus de liberdade: 115.000
Campo da física: interação estreita da mecânica estrutural, corrente elétrica e transferência de calor
Tempo de decisão
Estação de trabalho e software há três anos: 1028 seg
Estação de trabalho moderna e versão atual do software: 255 seg
Aumento de velocidade: 4,03 vezes
Tarefa: Piezo-transdutor de Tonpilz
Número de graus de liberdade: 56.000
Campo da física: estudo paramétrico da interação de uma estrutura acústica com um transdutor piezoelétrico
Tempo de decisão
Estação de trabalho e software há três anos: 481 segundos
Estação de trabalho moderna e versão atual do software: 209 seg
Aumento de velocidade: 2,3 vezes
Estação de trabalho Dell Precision Tower 7810
A geração atual de estações de trabalho Dell Precision inclui o modelo Dell Precision Tower 7810 com dois processadores Intel Xeon E5-2600 v3 (até 18 núcleos cada), as mais recentes placas gráficas NVIDIA Quadro e AMD FirePro, além de até 256 GB de memória do sistema com a inovadora tecnologia DDR4 RDIMM . O design especial do chassi facilita o acesso aos componentes do sistema e simplifica as atualizações do sistema.
Entre as opções do Dell Tower 7810 está um SSD PCIe com refrigeração ativa, que é até 180% mais rápido que um SSD SATA tradicional. Opções tradicionais de disco rígido também estão disponíveis. Essa configuração quase não afeta o desempenho: as soluções de software Intel CAS-W fornecem velocidade de E / S comparável a uma unidade de estado sólido ao preço de um HDD comum.
As estações de precisão Dell são certificadas por fornecedores de software de terceiros para garantir o bom funcionamento de todos os aplicativos de design populares. O software Dell Precision Optimizer melhora o desempenho do sistema, ajustando-o automaticamente para executar qualquer programa na velocidade máxima.
O Dell Precision 7810 também oferece soluções de segurança: criptografia, autenticação avançada e proteção contra malware.
No próximo artigo, descreveremos em detalhes quais tarefas de design as empresas resolvem nas estações de trabalho da Dell, como usam a simulação e quais resultados alcançam com ela.