Ниже краткая информация об этом методе математического моделирования, решаемых задачах, программных пакетах, библиотеках разработки.
Что такое 1D моделирование? Какие задачи можно решать с его помощью?
Попробуем говорить просто, своими словами, не повторяя формулировки из университетских методичек.Почти все разработчики новых машин, агрегатов или устройств пользуются моделями для создания реального объекта. Классический пример - модель корпуса морского судна, изготовленная в точной пропорции, но гораздо меньших размерах, запускается в бассейн для проверки характеристик плавучести. Это натуральное, физическое моделирование, без которого, зачастую, невозможно обойтись. Процесс этот длительный и дорогостоящий, и в части создания натурной модели, и с точки зрения тестирования, внесения корректировок и получения новых результатов.
Иногда создание натурной модели крайне затруднительно, воспроизвести можно только само изделие или его часть. К примеру, если вы проектируете двигатель.
Для экономии времени и ресурсов, перед изготовлением, или вместо изготовления натуральных моделей, можно проверить идеи разработчика, описав будущее изделие с помощью математических формул.
На самом раннем этапе проектирования для многих объектов и систем не требуется создавать трехмерное геометрическое представление. Можно остаться в "плоском", одномерном виде, и уделить ключевое внимание не визуализации, а функциональности:
- описать физические свойства объекта (плотность, вес, прочность и т.п.)
- определить взаимодействие отдельных элементов, из которых состоит объект, друг на друга (температурный обмен, давление, трение, сопротивление)
- не забыть взаимодействие с окружающей средой: влажность, температура, и иные свойства, если к примеру, объект погружен в жидкость
После ввода исходных данных - запускаем расчет, получая на выходе значения интересующих параметров (например, давление на выходе проектируемого клапана).
Таким образом, задача, которую решает математическое моделирование, и, в частности,1D - предсказать поведение проектируемого объекта/системы в определенных условиях.
Чем больше исходных данных, тем точнее будет модель. Моделировать можно различные системы:
- механические
- гидравлические
- электрические
- газовые
- термодинамические
По эскизу выше понятно, что одномерная математическая модель имеет наглядный графический вид, а не строки формул. Теперь разберемся, какой инструментарий есть для создания таких 1D моделей.
Программное обеспечение для 1D моделирования
Существует несколько основных пакетов программного обеспечения для системного моделирования в 1D. К ним можно отнести Simulink (от компании MatchWork), GT-Siute (производитель - Gamma Technologies), Ansys Twin Builder (Ansys), Simulation X (ESI ITI GmbH), Dymola (Dassault Systems), MapleSim (MapleSoft). Отдельного упоминания заслуживает разработка отечественной компании 3В Сервис - SimInTech.В своей работе мы остановились на программном обеспечении Simсenter Amesim от немецкой компании Siemens.
По нашему мнению, это программное обеспечение одно из самых простых в использовании, но обладает полным набором решений для функционального моделирования. Пакет Amesim очень универсален, и включает в себя огромное количество библиотек с готовыми компонентами для различных сфер деятельности.
Как разрабатываются 1D модели / цифровые прототипы
Данная библиотека предназначена для разработки общих гидравлических систем для широкого спектра применений, таких как автомобилестроение (гидроусилитель рулевого управления, торможение, подвеска, впрыск топлива, бескулачковое распределение, смазка, приводы трансмиссии с переключением под нагрузкой ...), аэрокосмическое (шасси, тормоза, системы управления полетом, топливные и смазочные системы ...) или промышленное оборудование (испытательный стенд, подъемник, станки ...).
В гидравлической библиотеке собраны наиболее часто используемые гидравлические компоненты, такие как насосы, гидродвигатели, краны, диафрагмы и т.д., включая специальные клапаны и сложные модели труб и шлангов.
Эскиз ниже представляет собой простую модель гидравлической подвески, состоящую из гидроаккумулятора и гидравлического домкрата, содержащего две гидравлические камеры.
На графиках выведено изменение давления газа в гидроаккумуляторе и перемещение штока гидроцилиндра.
Библиотека проектирования гидравлических компонентов - это мощный и уникальный инструмент, включающий в себя основные строительные блоки любой гидромеханической системы.
Эту библиотеку можно рассматривать как инженерный язык, способный моделировать любые гидравлические системы. Например, с помощью данной библиотеки возможно смоделировать трёхходовой клапан и создать анимацию его работы внутренними инструментами Amesim.
Библиотека теплогидравлики предназначена для решения задач, в которых изменения температуры жидкости имеют большое влияние на общее поведение системы.
Эта библиотека основана на переходном подходе к теплопередаче, который используется для моделирования тепловых явлений в жидкостях (перенос энергии, конвекция) и для изучения теплового развития этих жидкостей в гидравлической системе.
Библиотека гидравлического сопротивления полностью посвящена анализу изменения перепадов давления и расхода в гидравлических сетях.
Эта библиотека включает в себя набор компонентов, с помощью которых можно легко моделировать сети масла, топлива, смазки, охлаждающей жидкости, воды или других жидкостей в таких областях бизнеса, как автомобилестроение, внедорожные перевозки, аэрокосмическая промышленность, судостроение, энергетика, нефть и газ.
Упомянутые выше библиотеки позволяет детально смоделировать теплообменники различных типов, различные виды шестерённых насосов и даже систему смазки коленчатого вала ДВС, как показано на эскизе ниже:
Библиотека проектирования теплогидравлических компонентов (THCD) используется для построения модели компонента из набора очень простых блоков. Эта методология очень эффективна, поскольку позволяет очень глубоко вникнуть в детали работы компонента.
Например, с помощью этой библиотеки можно легко смоделировать все типы гидравлических домкратов, сервоклапанов и обратных клапанов.
Эта библиотека отличается от библиотеки проектирования гидравлических компонентов тем, что позволяет изучать не только уровни давления и распределение расхода в системе, но также изменение температуры и энтальпии расхода в системе.
С помощью данной библиотеки возможно смоделировать различные виды насосов, например, аксиально-поршневой с той или иной конфигурацией: изменить количество поршней, диаметр насоса, его габариты и так далее.
Наряду с гидравликой, большое внимание в Amesim уделено компонентам пневматических систем.
Следующая библиотека включает в свой состав компоненты, определяющие виды сигналов и управляющих воздействий: функции, разветвители, таймеры, логические элементы, ПИД регуляторы и т.д.
Библиотеки компонентов механики представлены как для 1D,
так и 2D, 3D функций
Моделирование электрических систем можно проводить как с помощью базовых компонентов,
так и элементов для специфических применений, например, электростатических преобразований
систем с электрическими батареями,
или электродвигателями.
Как вы заметили, элементы в библиотеках обозначены единой цветовой гаммой, отличной от других типов. Это очень удобно при работе со сложными, многокомпонентными моделями.
Наряду с указанными выше библиотеками общих типов (механика, пневматика, электрика), есть отраслевые, например для моделирования систем вентиляции и кондиционирования
или расчетов динамики автомобиля.
Как Артматика занимается системным моделированием
На первом этапе мы получаем описание проблемы от Заказчика. Изучаем предметную область, проверяем предыдущий опыт, оцениваем возможности. Если задача новая, проводим доскональное уточнение, консультации со специалистами Заказчика. В случае готовности взяться за проект, составляем технико-коммерческое предложение на моделирование.При заинтересованности Заказчика - составляем подробное Техническое задание, в котором определяем требуемые результаты, подписываем договор.
Далее идет этап решение задачи, разработки модели в программном обеспечении SimCenter Amesim. Следом - ввод исходных данных в модель, проверка промежуточных результатов и передача их Заказчику, получение обратной связи. Финальные этапы: корректировка характеристик модели по данным заказчика, итоговые выводы, отчеты, рекомендации.
