Co nepodcenit při výběru FEM software

V současné době můžete nalézt desítky software využívajících Metodu konečných prvků (MKP, FEM, FEA) pro matematické simulace fyzikálních dějů. Plnohodnotných je však jen malé procento z nich. Pokud jste v rozhodovacím procesu, který software vybrat, patříte mezi šťastnější část vědecko-technické obce. Můžete se totiž vyvarovat častých přešlapů a vybrat koncepční řešení, které se stane skutečnou oporou vašeho výzkumu a vývoje.

Kvalita a vize do budoucna

Čas od času narazím na výpočtáře, kteří si vybrali FEM software na základě toho, že dokázal splnit stávající potřeby projektu, produktu nebo firmy, ale v budoucnosti přišel nový projekt, produkt nebo zakázka a software už nešlo rozšířit. Nákup nového simulačního software je přitom mimořádná investice.

Příkladem mohou být výpočetní moduly implementované do CAD software, které se chlubí schopností provádět více či méně plnohodnotné pevnostní analýzy nebo třeba základní CFD simulace. Vyplatí se být na pozoru např. v otázce optimalizace software při výpočtech větších rozsahů nebo robustnost implementovaných řešičů, aby problém nenastal dřív, než zdárně dokončíte plánovaný projekt. Dalším příkladem mohou být jednoúčelové výpočetní programy zaměřené na úzký obor jako třeba návrh antén, optických soustav, simulace akustiky a podobně. Budete se skutečně pohybovat za 5 let jen v tomto oboru? Nemůže přijít potřeba zahrnout do simulace jiné fyzikální jevy?

Moderní nástroj pro numerické simulace staví na tom, že preprocessing, samotné řešení soustav lineárních rovnic a postprocessing jsou z velké části stále stejné – nezávislé na fyzikálním jevu. Právě toto společné zahrnuje jádro COMSOL Multiphysics, které je neustále zdokonalováno, aby splňovalo nejmodernější potřeby vědy, výzkumu a průmyslu. K jádru lze přikupovat moduly pokrývající 26 fyzikálně-chemických oblastí, kdykoliv nějakou budete potřebovat. COMSOL je nástroj pro modelování elektromagnetismu, optiky, akustiky, proudění, přestupu tepla, pevnosti, životnosti, pohybu mechanismů nebo chemie a elektrochemie. Software je výjimečný nejen šíří modulů, ale také tím, že nakoupené moduly můžete propojovat mezi sebou a řešit multifyzikální je­vy.

Samotné jádro COMSOL Multiphysics umožňuje řešit:

• uživatelem definované PDR/ODR,
• elektrické proudy,
• elektrostatiku,
• přestup tepla v pevných látkách,
• přestup tepla v tekutinách,
• Joulův ohřev,
• laminární proudění tekutin,
• akustiku v oblasti “pressure acoustics”,
• lineární pružnost a pevnost,
• transportní rovnici zředěné látky,
• 2D magnetická pole.

Ovládání

Efektivita práce dokáže ušetřit mnoho nákladů a dokonce i výrazně zlevnit výsledný produkt. Požádejte prodejce software o modelovou úlohu a zkuste si ji sami nastavit. Grafické uživatelské rozhraní by nemělo obtěžovat a software by měl mít jednotné logicky členěné ovládání, abyste mohli nová nastavení hledat intuitivně a se softwarem pracovat plynule. Jako ideální příležitost pro první setkání se software se jeví pravidelně pořádané workshopy, pokud nejsou k dispozici tak alespoň webinary.

Setkal jsem se s výpočetním software, u kterého se tvorba geometrie odehrávala v jiném programu než tvorba sítě a nastavování okrajových podmínek. Každé rozhraní přitom mělo trochu jiné ovládání. To může vypadat jednoduše při ukázce s jasným scénářem, ale v praxi se výpočtář musí vracet zpět a tu a tam zjednodušovat geometrii nebo přizpůsobovat síť.

Výrazného zvýšení efektivity práce lze naopak dosáhnout „all in one window“ řešením, ve kterém je okamžitě připravený celý model. Jedinou nevýhodou mohou být vyšší nároky na RAM. Toto řešení naleznete i v COMSOL Multiphysics, pro práci s grafickým rozhraním je ale stále dostačující i RAM kancelářského notebooku. Vývojáři software COMSOL navíc vyvinuli jednotné ovládání pro všech 26 modulů, takže modularitu programu nemáte šanci postřehnout. Zdá se přirozené, že cokoliv v modelu může být definováno parametrem. Ani toto bohužel zatím nepatří ke standardům FEM software, i když to citelně zjednoduší práci a zabraňuje to chybám plynoucím z několikanásobného opisování stejných čísel. Vizí software COMSOL je, aby jakýkoliv inženýr dokázal intuitivně simulovat reálné děje. Nejmodernější inovací je možnost povýšit simulaci na funkční webovou aplikaci. Možná vás překvapí, že nejjednodušší aplikaci vytvoříte na 5 kliknutí myši.

Umí simulovat, co potřebuji a nejlíp trochu víc?

I když je společným jmenovatelem článku metoda konečných prvků, každý fyzikální směr má svá specifika. U modelování přestupu tepla se např. hodí zjednodušení tenkých vrstev, u CFD se nevyhnete zjemnění sítě v mezní vrstvě, u modelování elektromagnetického pole se používá Infinite Element Method. Specifik je mnoho. Pro správnou volbu výpočetního systému je dobrá základní orientace v oboru, který chcete modelovat a v případě pochybností požádat o zkušební licenci.

Nevyplácí se zapomínat ani na kvalitu postprocessingu, abyste nemuseli výstup upravovat v dalších programech těsně před uzávěrkou pro zaslání vědeckého článku. Ať už používáte konkrétní CAD software pro tvorbu geometrií nebo zpracováváte analýzy v Excelu či MATLABu, přesvědčte se před nákupem o konektivitě ke zvolenému výpočetnímu software. Velké výpočetní balíky obvykle spolupracují se všemi významnými vývojáři CAD software. Nezřídka je spojení FEM software s CAD obousměrné. To využijete zejména v případě, když plánujete řešit optimalizační výpočty složitějších geometrií. COMSOL Multiphysics disponuje jak obousměrnými LiveLinky tak jednodušším Design Modulem či CAD Import Modulem. Nejjednodušší parametrické studie lze řešit přímo funkcionalitou jádra (volání modelu ve smyčce se změnou parametrů). Samotné optimalizační algoritmy jsou dostupné v Optimization Module. Obousměrné propojení s MATLAB je obzvlášť povedené – COMSOL model lze dokonce uložit jako *.m skript. Detailní pojednání o jednotlivých modulech naleznete přímo na webu vývojáře www.comsol.com.

Licence, podpora, reference

Posledním neméně důležitým aspektem je licencování software. Pokud chcete plnohodnotný software, není vhodné přistupovat na licence pro modely do určitého počtu elementů a podobná nepředvídatelná omezení. Jestliže si nejste jistí rozpočtem v budoucnosti a chcete mít finance pod kontrolou, oceníte spíše časově neomezené licence. Když přestanete předplácet údržbu a nové verze, program budete schopní používat nadále. Samostatnou otázkou je dostupnost podpory. Nejlepší je bezesporu lokální podpora, ta by vás neměla nechat na holičkách. Za zmínku stojí i pasivní podpora, tj. jak vypadá nápověda po stisknutí F1? Zákazníci velmi oceňují tzv. „Application Library“ knihovnu již nastavených modelů. Přímo se software COMSOL Multiphysics si takto stáhnete stovky předpřipravených příkladů a další stovky jsou v databázi modelů na internetu. Závěrem se sluší podotknout, že jistou kredibilitu výpočetnímu systému může poskytnout i veřejně deklarovaná spolupráce s významnými zákazníky ze světového průmyslu.

Závěr

Ať už máte v hledáčku jakýkoliv software, určitě nic nezkazíte otevřenou komunikací s prodejcem – informujte ho o vašich simulacích, ptejte se. Čím lépe popíšete své potřeby, tím lépe vám může poradit. Zeptat se můžete na cokoliv, včetně možných způsobů financování. Švédský software COMSOL Multiphysics má propracované, velice přívětivé ovládání a nezklame vás logikou, univerzalitou ani moderními algoritmy.

Čtěte také: 7 Způsobů využití simulačních aplikací v COMSOL Multiphysics

Zeptejte se zde