如何用仿真求細(xì)節(jié)、理論計(jì)算抓重點(diǎn)、工程計(jì)算選參數(shù)

2017-11-01 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

1.理論計(jì)算 - 抓重點(diǎn)

一般認(rèn)為:用公式直接求解的計(jì)算。

這是老同志們的最愛(ài)(90年代后期中國(guó)高校普及計(jì)算機(jī),你就知道為什么90年代中期以前畢業(yè)的老同志愛(ài)用理論計(jì)算,而不相信軟件)。

我們的基本公式都是偏微分方程組,復(fù)雜得要命,永遠(yuǎn)沒(méi)有辦法直接求解。在沒(méi)有強(qiáng)大計(jì)算機(jī)的年代,設(shè)計(jì)也在蓬勃發(fā)展,這要感謝老同志發(fā)明了好多簡(jiǎn)化這些公式的方法。

半頁(yè)紙的方程組,通過(guò)幾十頁(yè)紙的推導(dǎo),將方程組簡(jiǎn)化變形,最后只剩下半行簡(jiǎn)而又簡(jiǎn)的公式,成為經(jīng)典的“理論計(jì)算”的公式。

一般這么簡(jiǎn)化:

1、將三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為一維問(wèn)題,假設(shè)有一個(gè)方向的變化最強(qiáng),舍棄不夠重要的另外兩個(gè)方向。這就是為什么很多理論計(jì)算只能用于無(wú)限長(zhǎng)、對(duì)稱的物體。

2、將與時(shí)間相關(guān)的項(xiàng)刪除,假設(shè)與時(shí)間無(wú)關(guān),大多數(shù)時(shí)候沒(méi)毛病。

3、創(chuàng)造一個(gè)無(wú)量綱參數(shù),比如長(zhǎng)細(xì)比,暗藏了長(zhǎng)度和寬度兩個(gè)參數(shù),用一個(gè)長(zhǎng)細(xì)比取代兩個(gè)參數(shù),公式自然簡(jiǎn)單一些。這就是為什么很多理論公式看不懂,有幾個(gè)系數(shù)的定義你要向前翻好幾頁(yè)才能夠找到,每個(gè)系數(shù)都代表了一長(zhǎng)串的參數(shù)。

4、然后在公式里找找,有什么數(shù)可以忽略,比如(1-x2),假設(shè)x小于0.1,這個(gè)數(shù)就是1,這么就粗暴地殺死了一個(gè)未知數(shù)。

5、還解決不了問(wèn)題,該向數(shù)學(xué)家求救了,將公式徹底分解,最后用三角函數(shù)、多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)……很多我不懂的模式表達(dá)。

這些理論計(jì)算公式,里面安插了無(wú)數(shù)假設(shè),將復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)簡(jiǎn)化到幾乎啥都沒(méi)了。

要正確使用這種理論計(jì)算,必須明白每一個(gè)假設(shè)帶來(lái)的簡(jiǎn)化,否則就會(huì)用到不合適的地方。所以最簡(jiǎn)單的理論計(jì)算,恰恰對(duì)人的要求最高。

這種方法天生不能體現(xiàn)真實(shí)的形狀、復(fù)雜的現(xiàn)象,過(guò)去做的設(shè)計(jì)普遍局限在一維的、定常的、簡(jiǎn)單的,因?yàn)槔碚撚?jì)算不能體現(xiàn)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的效果。

說(shuō)句俗氣的話,理論計(jì)算就是根據(jù)公式估一估。但是老同志就有本事,寫(xiě)兩個(gè)數(shù)字,估計(jì)出兩個(gè)方案的優(yōu)劣。簡(jiǎn)單的理論計(jì)算,雖然抓不住復(fù)雜的細(xì)節(jié),但是永遠(yuǎn)牢牢抓住關(guān)鍵的因素。

理論計(jì)算好像是航拍,雖然細(xì)節(jié)不夠清晰,但是看得高,更明白大局。

2. 仿真 - 重生現(xiàn)實(shí)的細(xì)節(jié)

一般認(rèn)為:用大型軟件,通過(guò)大量計(jì)算,取得與現(xiàn)實(shí)很像的結(jié)果。

仿真有很多同義詞:數(shù)值計(jì)算、模擬、虛擬。反正無(wú)論阿凡達(dá)的蹦蹦跳跳還是地球的風(fēng)云變幻,都是用計(jì)算機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果。這個(gè)結(jié)果一年年、一天天越來(lái)越像真的,仿真正在創(chuàng)建一個(gè)平行世界。

我們工程師最得意的就是在計(jì)算機(jī)里用軟件讓現(xiàn)實(shí)重生。天上的火箭,在計(jì)算機(jī)里以毫秒的時(shí)間翱翔,地下的石油在計(jì)算機(jī)里以百年的時(shí)間蠕動(dòng)。

仿真一般這么實(shí)現(xiàn):

1、將現(xiàn)實(shí)的空間和時(shí)間分割為很小很小的單元,這就叫做網(wǎng)格和時(shí)間步。

2、在很小很小的單元里,偏微分方程組簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的微分方程。

3、將這個(gè)簡(jiǎn)單的微分方程再繼續(xù)簡(jiǎn)化為單元之間的線性關(guān)系(差分格式)。

4、在所有單元里很多遍地反復(fù)求解這些線性關(guān)系。(迭代計(jì)算)

5、得到所有單元合理的結(jié)果(迭代計(jì)算收斂),有了所有位置在各個(gè)時(shí)間的結(jié)果。

仿真的特點(diǎn)就是細(xì)致,能覆蓋所有的細(xì)節(jié),可以看到每一根毛發(fā)在風(fēng)中飄動(dòng),可以看到每一滴水濺起的皇冠,可以看到子彈穿過(guò)雞蛋的瞬間。

這些細(xì)節(jié)讓我們有了很熟悉現(xiàn)實(shí)的感覺(jué),但是你不一定真的了解現(xiàn)實(shí),這好像你一步步走過(guò)一片荒野,不見(jiàn)得就明白整個(gè)荒野的輪廓。有細(xì)節(jié)而抓不住重點(diǎn),成為工程師的現(xiàn)代病。

治療沒(méi)重點(diǎn)的病,可以學(xué)一點(diǎn)理論計(jì)算的方法,從中學(xué)會(huì)抓重點(diǎn)的能力。或者等待計(jì)算機(jī)強(qiáng)大了,讓計(jì)算機(jī)智能化,去自動(dòng)捕捉重點(diǎn),缺點(diǎn)是在這個(gè)領(lǐng)域我們也就失業(yè)了。

相比理論計(jì)算,仿真的門(mén)檻已經(jīng)被大大降低。計(jì)算方法已經(jīng)被固化到軟件中,而且正確使用軟件能得到基本可信的結(jié)果,做仿真的人其實(shí)能做的事不多。

理論計(jì)算好像是斧頭,工具簡(jiǎn)單,用好不容易,用好了可以盡情發(fā)揮。

仿真計(jì)算好像是自動(dòng)機(jī)床,工具復(fù)雜,很好操作,但是也沒(méi)啥好發(fā)揮的。

無(wú)論如何,我們從斧頭的時(shí)代進(jìn)入了自動(dòng)化時(shí)代,設(shè)計(jì)也從理論計(jì)算的時(shí)代進(jìn)入了仿真的時(shí)代。

3. 工程計(jì)算 - 高不成低不就

一般認(rèn)為:用較簡(jiǎn)單的公式,不能直接求解,需要用少量的計(jì)算機(jī)計(jì)算。

這是夾在理論計(jì)算和仿真中間的折中方法。能夠包含一點(diǎn)粗糙的非定常,一點(diǎn)簡(jiǎn)單的三維。比仿真快的多,比理論計(jì)算又復(fù)雜一些。要使用計(jì)算機(jī),但是幾分鐘或者幾小時(shí)就可以完成計(jì)算。

可以用于最初的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì),快速確定主要設(shè)計(jì)參數(shù),設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)后期用仿真計(jì)算確定。可以用于多專業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì),快速地在大量的方案中尋求最優(yōu)解,確定方案的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

將來(lái)計(jì)算機(jī)逐步快到仿真也可以幾分鐘、幾小時(shí)完成,工程算法將被逐步被仿真取代。

選擇用什么算法,主要看你在什么階段,有多少時(shí)間。

早期用理論計(jì)算快速把握大方向,初期用工程計(jì)算優(yōu)化主要參數(shù),中后期用仿真確定設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

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