如何用仿真求细节、理论计算抓重点、工程计算选参数

2017-11-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

1.理论计算 - 抓重点

一般认为:用公式直接求解的计算。

这是老同志们的最爱(90年代后期中国高校普及计算机,你就知道为什么90年代中期以前毕业的老同志爱用理论计算,而不相信软件)。

我们的基本公式都是偏微分方程组,复杂得要命,永远没有办法直接求解。在没有强大计算机的年代,设计也在蓬勃发展,这要感谢老同志发明了好多简化这些公式的方法。

半页纸的方程组,通过几十页纸的推导,将方程组简化变形,最后只剩下半行简而又简的公式,成为经典的“理论计算”的公式。

一般这么简化:

1、将三维问题简化为一维问题,假设有一个方向的变化最强,舍弃不够重要的另外两个方向。这就是为什么很多理论计算只能用于无限长、对称的物体。

2、将与时间相关的项删除,假设与时间无关,大多数时候没毛病。

3、创造一个无量纲参数,比如长细比,暗藏了长度和宽度两个参数,用一个长细比取代两个参数,公式自然简单一些。这就是为什么很多理论公式看不懂,有几个系数的定义你要向前翻好几页才能够找到,每个系数都代表了一长串的参数。

4、然后在公式里找找,有什么数可以忽略,比如(1-x2),假设x小于0.1,这个数就是1,这么就粗暴地杀死了一个未知数。

5、还解决不了问题,该向数学家求救了,将公式彻底分解,最后用三角函数、多项式、指数函数……很多我不懂的模式表达。

这些理论计算公式,里面安插了无数假设,将复杂的现实简化到几乎啥都没了。

要正确使用这种理论计算,必须明白每一个假设带来的简化,否则就会用到不合适的地方。所以最简单的理论计算,恰恰对人的要求最高。

这种方法天生不能体现真实的形状、复杂的现象,过去做的设计普遍局限在一维的、定常的、简单的,因为理论计算不能体现设计细节的效果。

说句俗气的话,理论计算就是根据公式估一估。但是老同志就有本事,写两个数字,估计出两个方案的优劣。简单的理论计算,虽然抓不住复杂的细节,但是永远牢牢抓住关键的因素。

理论计算好像是航拍,虽然细节不够清晰,但是看得高,更明白大局。

2. 仿真 - 重生现实的细节

一般认为:用大型软件,通过大量计算,取得与现实很像的结果。

仿真有很多同义词:数值计算、模拟、虚拟。反正无论阿凡达的蹦蹦跳跳还是地球的风云变幻,都是用计算机高速运转计算出来的结果。这个结果一年年、一天天越来越像真的,仿真正在创建一个平行世界。

我们工程师最得意的就是在计算机里用软件让现实重生。天上的火箭,在计算机里以毫秒的时间翱翔,地下的石油在计算机里以百年的时间蠕动。

仿真一般这么实现:

1、将现实的空间和时间分割为很小很小的单元,这就叫做网格和时间步。

2、在很小很小的单元里,偏微分方程组简化为简单的微分方程。

3、将这个简单的微分方程再继续简化为单元之间的线性关系(差分格式)。

4、在所有单元里很多遍地反复求解这些线性关系。(迭代计算)

5、得到所有单元合理的结果(迭代计算收敛),有了所有位置在各个时间的结果。

仿真的特点就是细致,能覆盖所有的细节,可以看到每一根毛发在风中飘动,可以看到每一滴水溅起的皇冠,可以看到子弹穿过鸡蛋的瞬间。

这些细节让我们有了很熟悉现实的感觉,但是你不一定真的了解现实,这好像你一步步走过一片荒野,不见得就明白整个荒野的轮廓。有细节而抓不住重点,成为工程师的现代病。

治疗没重点的病,可以学一点理论计算的方法,从中学会抓重点的能力。或者等待计算机强大了,让计算机智能化,去自动捕捉重点,缺点是在这个领域我们也就失业了。

相比理论计算,仿真的门槛已经被大大降低。计算方法已经被固化到软件中,而且正确使用软件能得到基本可信的结果,做仿真的人其实能做的事不多。

理论计算好像是斧头,工具简单,用好不容易,用好了可以尽情发挥。

仿真计算好像是自动机床,工具复杂,很好操作,但是也没啥好发挥的。

无论如何,我们从斧头的时代进入了自动化时代,设计也从理论计算的时代进入了仿真的时代。

3. 工程计算 - 高不成低不就

一般认为:用较简单的公式,不能直接求解,需要用少量的计算机计算。

这是夹在理论计算和仿真中间的折中方法。能够包含一点粗糙的非定常,一点简单的三维。比仿真快的多,比理论计算又复杂一些。要使用计算机,但是几分钟或者几小时就可以完成计算。

可以用于最初的简单设计,快速确定主要设计参数,设计细节后期用仿真计算确定。可以用于多专业优化设计,快速地在大量的方案中寻求最优解,确定方案的主要设计参数。

将来计算机逐步快到仿真也可以几分钟、几小时完成,工程算法将被逐步被仿真取代。