Будущее инженерного анализа

Санта-Фе — город науки и искусства

Санта-Фе – столица штата Нью-Мехико и старейший город-столица в США (более 400 лет). Кроме выполнения функций административного и научного центра, город является одним из мировых центров изобразительного искусства. Во множестве галерей и магазинчиков можно увидеть и купить картины всех художественных течений. Оригинальная архитектура времен Новой Испании в сочетании с природой полупустыни придает городу неповторимое очарование. При этом подкупает уважение и бережное отношение, с которым тут относятся ко всему, что связано с культурой и искусством коренного населения Америки.

Вот, например, гостиница в Санта-Фе

Научный и учебный институт Санта Фе – очень интересный (и на мой взгляд, незаслуженно малоизвестный у нас) коллектив, ведущий исследования и разработки в самых разнообразных областях науки, в особенности по междисциплинарным проблемам.

Институт основан в 1984 году

Удачный выбор места проведения поспособствовал созданию творческой атмосферы Саммита.

Участники: гранды, инноваторы и просто эксперты

Ведущие CAD/CAE компании были представлены такими «грандами», как Autodesk, Bentley Systems, Dassault Systemes (направления SolidWorks и SIMULIA), Siemens PLM Software. CAE разработчики в области конечно-элементного анализа и вычислительной гидродинамики (FEA и CFD) включали таких лидеров рынка, как ANSYS, CD-Adapco Group, Flow Science, MSC Software, а также компании MathWorks и Modelon – разработчиков платформ моделирования MATLAB, Simulink и Modelica. Разработчики системного инженерного ПО, новых компьютерных платформ и средств коммуникации были представлены компаниями IBM Software Group и Nokia Networks. Большую роль в работе Саммита сыграл Джо Уэлш, руководитель компании IntrinSIM – одного из ведущих системных интеграторов, разработчиков и дистрибьюторов программных компонентов в области CAE.

Наряду с перечисленными выше «грандами» присутствовали (и активно участвовали в дискуссии на Саммите!) молодые инновационные компании-разработчики, развивающие новые подходы и направления. Расскажу об этих интересных участниках чуть подробнее.

Akselos создал ориентированную на быстрый расчет сложных конструкций FEA-систему с использованием сочетания так называемой Reduced Basis component технологии, разработанной в Массачусетском технологическом институте, с компонентным подходом, позволяющих собирать модели из ранее уже рассчитанных параметрических компонентов.

Компания Comet Solutions, представленная руководителем Малькомом Пантаки (Malcolm Panthaki), развивает направление программных продуктов SimApp, позволяющее оперировать с составными расчетными моделями, абстрагируясь от конкретных деталей моделирования. При этом SimApp позволяет вкладывать и сохранять в модели знания и опыт экспертов в области проектирования и расчета для последующего использования. Совместно с Comet Solutions работает и команда TimeLike Systems во главе со Стивом Коем (Steve Coy), разрабатывающая новое поколение программных средств моделирования оптических систем – преемника системы WaveTrain/tempus, созданного в том числе по заказу NASA и Министерства обороны США в рамках работ по созданию лазерного оружия.

Next Limit Technology, также представленная главой компании Виктором Гонзалезом (Victor Gonzalez), разработала эффективную систему вычислительной термодинамики XFlow, основанную на набирающем популярность методе решеточных уравнений Больцмана, не требующих построения сетки (о сути метода см., например, здесь). При этом используется адаптивный шаг решетки и специальная модель турбулентности.

Наконец, присутствовал и знаменитый Джон Хирштик (Jon Hirschtick) – основатель SolidWorks, а ныне лидер проекта OnShape в области разработки «облачного» САПР.

Ваш покорный слуга также занял свою нишу в сбалансированном составе разработчиков, представляя фирму «НТП Трубопровод» — разработчика специализированных систем прочностного, гидравлического и теплового расчета трубопроводов и оборудования. НТП Трубопровод выступил также и одним из спонсоров Саммита.

Коммерческих пользователей программного обеспечения представляли крупнейшие международные корпорации: Boeing, General Motors, Procter & Gamble, Deere & Company, Parker Hannifin. Инновационные инженерные компании были представлены Advanced Engineering Solutions. Научные организации – пользователи, наряду с Институтом Санта Фе, в котором проходил Саммит, были представлены технологическим институтом Джорджии, Ливерморской национальной лабораторией им. Э. Лоуренса и Сандийскими национальными лабораториями — тут, как говорится, комментарии излишни. Кроме того, была представлена и Ассоциация пользователей NAFEMS.

На встрече также присутствовали представители компаний, специализирующиеся на исследовании рынка CAD и CAE – Cyon Research, CIMdata и Gartner, а также заинтересованных инвестиционных и финансовых компаний: Borealis Ventures и Griffin Securities.

Кликните для увеличения

Несмотря на «звездный» состав участников, среди которых были представители компаний – прямых конкурентов, на Саммите с самого начала возникла атмосфера встречи старых друзей-соратников по борьбе за лучшее будущее CAE. Что не удивительно, так как многие из участников давно знали друг друга (тесен мир САПР!), или были рады завязать новые знакомства и обнаружить при этом общих друзей. Уже накануне, во время приема, плавно перешедшего в товарищеский ужин, возникли группы по интересам, оживленно обсуждавшие волнующие их темы. Ваш покорный слуга, «замученный» борьбой с проблемами расчета одномерных околозвуковых течений реальных газов в трубопроводах систем аварийного сброса, например, с огромным интересом слушал рассказы коллеги из Boeing, занимающегося расчетами гиперзвуковых двигателей. Несмотря на сложнейшие решаемые проблемы, его оптимизм вдохновлял, и хотелось верить, что наше поколение еще станет свидетелем возрождения сверхзвуковой гражданской авиации и появления эффективных наследников «Space Shuttle» и «Бурана».

Основная проблема области CAE и 104 идеи её решения

Основную проблему, которая стала предметом последующих обсуждений, можно сформулировать как неадекватность текущей роли и практики использования ПО инженерных расчетов и моделирования требованиям современного развития. Развитие индустрии подошло к рубежу, когда никакие значительные прорывы в качестве и возможностях проектируемых объектов и выпускаемой продукции просто не могут быть достигнуты без широкого использования систем CAE. Во многих случаях сложность проектируемых систем такова, что необходимый объем натурных испытаний не может быть выполнен – это просто невозможно сделать за разумное время – и единственным выходом остается компьютерное моделирование. Но не секрет, что использование FEA, CFD и других CAE-систем до сих пор остается в основном прерогативой узкого круга специалистов-экспертов, в то время как широкие ряды проектировщиков в основном используют для работы графические CAD – системы с минимальными (если вообще имеющимися) возможностями расчета и моделирования. Как же изменить сложившееся положение, и (как неполиткорректно выразился один из участников Саммита) вернуть в сферу CAE проектировщиков, украденных CAD-разработчиками?

Все 104 идеи, высказанные участниками и тщательно зафиксированные Брэдом Хольцем, были сгруппированы в 5 основных тем, и участники распределились по следующим секциям по интересам:

• Новое поколение пользователей;
• Научная основа моделирования;
• Архитектура и взаимодействие ПО;
• Новые платформы и компьютерная архитектура;
• Коммерческие проблемы.

В итоге на пленарном заседании нас ждала приятная неожиданность – оказалось, что выработанные независимо друг от друга 24 рекомендации секций по целому ряду предложений совпадают или очень близки! Пользующиеся наибольшей поддержкой предложения были определены кумулятивным голосованием. Каждый из 41 участника Саммита получил 7 голосов, которые по своему усмотрению мог распределить между идеями, выдвинутыми различными группами.

Две из пяти групп идей и поданные голоса

Получившие в итоге наибольшее число голосов 8 идей образуют, на мой взгляд, целостную концепцию дальнейшего направления развития CAE. По основным предложенным направлениям развития были определены 7 добровольцев, которые вместе с Брэдом Хольцем и Джо Уэлшем подготовят соответствующие детальные презентации для специального пленарного заседания COFES 2015.

Как дальше развивать САЕ: рекомендации Саммита

Прежде всего, речь идет о необходимости радикального изменения взаимоотношений между CAE и CAD. Инженерный анализ и моделирование должны стать неотъемлемой и органической частью обычного процесса проектирования (Design centered workflow). Это предполагает тесную и возможности «бесшовную» интеграцию между программным обеспечением для графического проектирования и ПО инженерных расчетов, с тем, чтобы выполнение соответствующих расчетов и моделирования стало для рядового проектировщика таким же обычным и рутинным делом, как создание трехмерной модели или выпуск чертежей. Мы видим, что отрасль уже движется в этом направлении – как путем прямого включения возможностей расчета и моделирования в CAD-системы, так и за счет разработки качественно новых возможностей межпрограммной интеграции.

В качестве примера первого пути можно привести все большее «встраивание» расчетного анализа в продукты машиностроительного проектирования, например Autodesk Inventor Professional, Solidworks Premium, или в системы строительного проектирования, как такие Autodesk Revit, Nemetschek Allplan Engineering, Progman Oy MagiCAD.

Межпрограммная интеграция в последнее время также бурно развивается, в том числе за счет разработки и широкой поддержки специализированных стандартов обмена данными и межпрограммного взаимодействия в различных предметных областях. Тут нельзя не упомянуть такие стандарты, как CAPE Open в области моделирования технологических процессов, и IFC в области строительного проектирования. Еще одним крайне интересным примером открытого и «живого» проекта в области межпрограммного взаимодействия является развиваемая Bentley Systems технология Integrated Structural Modeling (ISM) в области проектирования и расчета строительных конструкций.

Во взаимоотношениях между CAE и CAD необходимо стремится не только к тесной интеграции, но и к изменению роли расчетного анализа и моделирования при принятии проектных решений. На смену текущей практике, когда CAE в лучшем случае используется лишь для проверки уже детально разработанного проекта (с проработанной геометрией и трехмерной моделью), должны прийти системы, в которых именно предварительный расчетный анализ и моделирование подсказывают оптимальные проектные (в том числе геометрические) решения (концепция Pre-CAD Simulation). Конечно, это потребует значительной переработки инструментов расчета и моделирования, которые должны позволять выполнять анализ и получать осмысленные и достоверные результаты еще на предварительных стадиях проектирования.

Новые требования к ПО для инженерных расчетов

Описанная выше концепция совместной работы CAE и CAD систем диктует целый ряд требований к ПО для инженерных расчетов.

Прежде всего, это требование обеспечить простоту использования (Usability) такого ПО для рядовых инженеров-проектировщиков. Работа с расчетной моделью должна происходить в доступных и понятных проектировщику терминах. Специализированные процедуры (генерация и настройка сетки, настройка параметров решателя и т. п.) должны быть максимально автоматизированы и выполняться с оптимальными параметрами с автоматическим учетом специфики рассчитываемой модели. Результаты расчета должны быть представлены в наглядном и удобном для принятия проектных решений виде. В частности, следует практиковать настраиваемый интерфейс пользователя и многоуровневое представление (level of complexity and detailing) модели и результатов, адаптированное для успешной работы пользователей с различной степенью опыта и подготовки. Надо сказать, что именно такой подход стараются реализовать разработчики НТП Трубопровод.

Другое требование – это обеспечение разумного баланса между скоростью и точностью расчета, при автоматической проверке исходных данных и оценке возможной погрешности и достоверности результатов расчета (Speed & model fidelity). Очевидно, что если мы хотим активного использования проектировщиком расчетов и моделирования на протяжении всего процесса проектирования, такие расчеты должны выполняться очень быстро и практически незаметно, чтобы не задерживать работу проектировщика. При этом совершенно нет нужды во всех случаях стремиться к большой точности результатов – если сами исходные данные (в том числе геометрия) еще не определены с достаточной точностью. Пользователю на ранних стадиях проектирования важно как можно скорее получить хотя бы качественную оценку (проходит – не проходит) и определиться, куда и как дальше двигаться. Аналогией тут может служить ситуация с визуализацией модели, когда удобно использовать упрощенную (но наглядную) визуализацию для работы с моделью «в реальном времени», а затем включить фотореалистическую визуализацию, но рассчитывающую модель не сразу, а постепенно – пошагово со все большей степенью детализации, чтобы можно было сразу обнаружить проблемы и не ждать завершения всего процесса расчета. Разумеется, при таком подходе огромное значение приобретает автоматический анализ правильности построения расчетной модели, а также оценка достоверности результатов расчета (включая анализ чувствительности к тем или иным параметрам модели, чему зачастую уделяется мало внимания). Идея подобного подхода получила самую большую поддержку участников Саммита (в сумме 46 голосов от 41 участника!)

Эксперты – расчетчики, читающие этот текст, наверняка уже скептически усмехаются, представляя себе, что насчитает неопытный проектировщик при таком подходе. Ведь не секрет, что геометрическая и расчетная модели – это, как говорится, «две большие разницы». Создание корректной и эффективной расчетной модели требует опыта и понимания, как правильно моделировать те или иные факторы и особенности конструкции, что важно, а чем можно пренебречь для упрощения модели и ускорения расчетов. Опытный специалист - расчетчик знает, как анализировать результаты и какие решения можно предложить для снятия возникающих проблем. Конечно, знания и опыт (в том числе накопленные экспертами – расчетчиками) являются огромной ценностью. Плохо то, что эти знания и опыт при нынешнем подходе не используются в полном объеме, и если их не передать молодому поколению проектировщиков, могут уйти безвозвратно. Уважаемые эксперты-расчетчики, сделайте благородное дело, поделитесь вашими опытом и знаниями, помогите разработчикам и пользователям зафиксировать, описать и сделать их доступными в CAD/CAE – системах! Развитие инструментов сохранения, описания и использования знаний и опыта (knowledge capture and reuse) – еще одна ключевая идея Саммита, получившая широкую поддержку его участников (44 голоса!). Арсенал возможных инструментов для этого достаточно богатый – от простых методик и учебных материалов, детальных онлайн справок по программам, специализированных википедий – до встроенных в программы баз знаний и экспертных систем. Различные разработчики уже пробуют такой подход, как создание библиотек уже настроенных типовых расчетных моделей, из которых можно собрать пользовательскую модель. Еще одной хорошей возможностью является разработка специализированных расчетных программ для решения определенных (но часто встречающихся) задач, для которых знания и опыт легче поддаются формализации и встраиванию в программы. Наконец, разработчики и ассоциации пользователей должны приложить организационные усилия и создать соответствующие каналы (онлайн-форумы и т.п.) для того, чтобы у пользователей всегда была возможность быстро связаться с подходящим экспертом и получить оперативную консультацию.

Сложность решаемых современных индустрией задач зачастую требует проведения комплексного инженерного анализа, включающего взаимодействие различных физических явлений и областей (механики твердого тела, механики жидкости и газа, электромагнетизма и т.д.). Кроме того, различные части расчетной модели бывает выгодно моделировать с использованием различного ПО с разной степенью детализации (например, большую часть модели с использованием модули одномерного течения в трубопроводах – а отдельные наиболее сложные элементы – с расчетом трехмерного течения с использованием CFD-систем). Инструменты для создания и расчета такого рода гетерогенных моделей (heterogenous models), с интеграцией различного ПО различных разработчиков – еще один приоритет развития, отмеченный Саммитом. В качестве примеров подобных инструментов можно указать такие системы, как Simulink (MathWorks), Modelica (Modelon), SystemModeler (Wolfram).

Конечно, не осталась без внимания тема облачных вычислений и мобильных устройств (Web Cloud Mobile). Участники форума высоко оценивают возможности, которые новые платформы открывают для CAD/CAE систем. Использование облачных вычислений может значительно повысить доступность данных систем, упростить их развертывание и использование, и в конечном счете заметно уменьшить стоимость владения. Однако на этом пути еще предстоит решить проблемы обеспечения безопасности и выполнить большой объема работы по переносу старых программных разработок на новые платформы.

Наконец, о презренном металле… Значительная часть участников Саммита высказалась за пересмотр лицензионной политики для систем САЕ. Разработчикам стоит подумать, как сделать условия лицензирования своих программ более гибкими, а сами программы – более доступными для широкого круга пользователей.

Очевидно, что для реализации описанных идей необходимо самое широкое сотрудничество между заинтересованными разработчиками и пользователями. Будем надеяться, что предстоящее более детальное обсуждение результатов Саммита на COFES 2015 даст новый импульс движению в этом направлении.