Моделирование в технике. Компьютерное моделирование

1. Моделирование в технике

Выполнил: Кяльгин Владимир
Николаевич, студент 5 курса

2.

Моделирование зарождается в античную эпоху одновременно с
возникновением научного познания. Прежде всего, развивается
материальное моделирование проектируемых сооружений и изделий. В
работах средневековых ученых, например, Галилео Галилея и Леонардо да
Винчи, уже достаточно широко используются теоретические модели, хотя и
не называются таковыми. Исаак Ньютон пользуется методом моделирования
уже вполне осознанно, а с XIX века трудно назвать область науки или её
приложений, где терминология и методы моделирования.
Еще в 1870 году английское Адмиралтейство спустило на воду новый
броненосец «Кэптен». Корабль вышел в море и перевернулся. Погиб
корабль, погибли более 500 человек. Это было неожиданно для всех. Для
всех, кроме одного человека. Им был английский ученый-кораблестроитель
Эдвард Рид, который предварительно провел исследования на модели
броненосца и установил, что корабль опрокинется даже при небольшом
волнении. Но ученому, проделавшему какие-то «несерьезные» опыты и
«игрушкой», не поверили, и случилось непоправимое.

3. Моделирование в технике

Моделирование - исследование реальных объектов
познания на их моделях; построение и изучение
моделей предметов и явлений (живых и неживых
систем, инженерных конструкций, разнообразных
процессов — физических, химических, биологических,
социальных) и конструируемых объектов (для
определения, уточнения их характеристик,
рационализации способов их построения и т.п.) //БЭС
Моделирование можно трактовать не только как один
из основных методов познания реального мира, но и
процесс созидания новых материальных и абстрактных
объектов этого мира, а значит, и его изменения,
создания новой искусственной среды существования
человека.

4. Компьютерное моделирование

Компьютерная модель - являющаяся одновременно
и средством, и объектом экспериментального
исследования, заменяющим изучаемый объект.
Компьютерное моделирование позволяет изучать
такие объекты, прямой эксперимент над которыми
затруднён, экономически невыгоден либо вообще
невозможен в силу тех или иных причин.

5. Компьютерное моделирование

Под компьютерной моделью технического
объекта понимается любая из перечисленных
выше видов абстрактных моделей, созданную и
используемую при помощи компьютерных
технологий.
Компьютерное моделирование на цифровых
вычислительных машинах является знаковым по
форме, и может быть самым разнообразным по
своему содержанию в зависимости от типа
реализуемой модели.

6. Моделирование и оптимизация в технике

Компьютерные модели допускают не только
фиксацию технических решений, но и
исследование зависимости характеристик от
параметров модели, позволяющие
оптимизировать проектные решения.

7. Задачи компьютерного моделирования

создание (синтез) моделей объектов и систем для
дальнейшей их практической реализации или
подготовки производства изделий в
промышленности;
анализ свойств объектов и систем на основе
исследования их моделей, которые используются
для выявления значений параметров
проектируемых объектов систем и поддержки
процессов принятия инженерных решений.

8. Подзадачи синтеза

отыскание оптимальной структуры
проектируемых систем (структурный синтез, или
структурная оптимизация);
выбор наилучших значений параметров элементов
систем (параметрический синтез, или
параметрическая оптимизация)

9. Этапы компьютерного моделирования

1. Постановка задачи.
2. Построение концептуальной модели
3. Формализация
4. Планирование и проведение компьютерных
экспериментов
5. Анализ и интерпретация результатов
6. Уточнение модели и (или) оптимизация

10. Постановка задачи

Компьютерное
моделирование
требует
абстрагирования от конкретной природы объектов
и
явлений,
выделения
существенных
и
несущественных сторон моделируемого объекта.
Абстрагирование обязательно ведется с учетом
цели моделирования.
Например, при разработке геометрических
моделей в машиностроении часто пренебрегают
фактурой поверхности и некоторыми деталями.
Так, резьба на крепежных нормалях не
моделируется, а показывается условно.

11. Построение концептуальной модели

Сначала качественной, а затем и количественной.
Например,
для
создания
адекватной
математической модели инженеру совершенно
необходимо сначала тщательно изучить и описать
принципы
действия
машины
или
технологического процесса, выделить важнейшие
входные и выходные параметры.

12. Формализация, то есть переход к математической модели

На первых шагах развития компьютерных технологий
неизбежным этапом моделирования было создание
алгоритма и написание программы. В те времена любой
инженер, работающий с ЭВМ, автоматически считался
программистом.
В настоящее время уникальные программы пишутся
индивидуально только для научных исследований, а в
инженерном деле преобладают готовые пакеты программ
или универсальные интерактивные автоматизированные
системы.
Чтобы правильно выбрать готовую компьютерную
программу и правильно работать с ней, надо хорошо
понимать используемый математический аппарат и
представлять алгоритмы действия программ.

13. Планирование и проведение компьютерных экспериментов

Планирование и проведение компьютерных
экспериментов или последовательное создание и
отладка структурной модели в интерактивной
автоматизированной системе.
Вычисления и визуализация, даже на современных
скоростных
компьютерах,
могут
длиться
продолжительное время. Например, в методе конечных
элементов или при моделировании технологических
процессов сначала составляется план расчета
(командный файл), а затем производится запуск
вычислений в пакетном режиме.

14. Анализ и интерпретация результатов

Анализ и интерпретация результатов самый
ответственный этап моделирования. Не столь сложно
создать модель, сколько правильно интерпретировать
результаты и доказать их точность и адекватность.
Часто в ответ на вопросы о точности, адекватности и
качественной оценке результатов моделирования можно
слышать
ответ:
«Так
посчитала
машина»,
что
свидетельствует о крайне низкой квалификации такого
«специалиста» и неумении самостоятельно выполнить этот
важнейший этап моделирования.
Адекватность модели устанавливается проверкой
для нее основных законов предметной области, типа
законов сохранения, и сопоставлением результатов
моделирования частных вариантов с известными для этих
вариантов аналитическими ил и тестовыми решениями.

15. Уточнение модели и (или) оптимизация.

Целью оптимизации является определение
наилучших структуры и (или) параметров изделий и
процессов. В этом случае задача автоматизированного
проектирования обычно ставится в терминах
математического программирования (выбирается
функция
цели,
назначаются
проектные
переменные, устанавливаются ограничения) и
решается как задача отыскания экстремального
значения выбранной целевой функции. Обычно
добиваются минимизации функции цели. Например,
снижения массы, расхода материала, времени
обработки. Универсальной целевой функцией является
стоимость, хотя расчет ее для многих случаев
моделирования весьма затруднен.

16. Преимущества компьютерного моделирования

Большинство из сложных реальных технических объектов и систем не
могут быть точно описаны с помощью аналитических формул и
соотношений, поэтому компьютерное моделирование становится
единственно возможным методом их проектирования.
Моделирование позволяет вычислить точные параметры изделия (массу,
площадь, объем и т.д.), оценить эксплуатационные показатели
проектируемой системы еще до ее создания или материальной реализации.
Путем моделирования можно сравнивать предлагаемые альтернативные
варианты проектов системы (или альтернативные стратегии процессов),
чтобы определить, какой из них больше соответствует указанным
требованиям.
Моделирование
позволяет
изучить
длительный
интервал
функционирования системы (скажем, экономической) в сжатые сроки или,
наоборот, изучить более подробно работу системы в развернутый интервал
времени.
Компьютерное моделирование позволяет сократить затраты и
трудоемкость исследований и разработок, по сравнению с использованием
материальных образцов и реальных технических систем.

17. Недостатки компьютерного моделирования

Существует погрешность моделирования – поэтому
адекватность модели нужно проверять с помощью
аналитической модели
Количество данных или убедительность анимации
не являются критериями адекватности модели
По возможности использовать альтернативные
методы

18. Препятствия достижению положительных результатов

неправильное понимание целей моделирования;
нечеткая или неточная постановка задач моделирования и отсутствие
плана работ;
неполные или несогласованные с руководителем и остальными
участникам проекта исходные данные;
недостаточный уровень проработки существенных элементов и частей
модели;
формальный подход к моделированию как к простому упражнению в
освоении программного обеспечения;
отсутствие в команде, работающей над моделью, специалистов со
знанием предметной области и методологии моделирования;
недостаточные знания математических методов моделирования и
оптимизации;
неподходящее программное обеспечение, выбранное для моделирования;
использование неверных критериев оценки итогов работы

19. Искусство моделирования

Моделирование в том или ином виде присутствует почти во
всех видах творческой деятельности. При осуществлении
человеком моделирования обязательно используются приемы
абстрагирования и идеализации.
Абстрагирование — это метод научного исследования,
основанный на том, что при изучении некоторого объекта
или явления не учитываются его несущественные стороны и
признаки, что позволяет упрощать картину изучаемого
явления.
Идеализация определяется как мысленное
конструирование понятий об объектах, не существующих
или неосуществимых в действительности, но для которых
имеются прообразы в реальном мире.