Jak rozpocząć naukę Metody Elementów Skończonych?

single-01

Niezależnie od tego czego zaczynamy się uczyć, początki zawsze są ciężkie. W przypadku symulacji inżynierskich ilość materiału do przyswojenia jest tak duża, że w sumie nie wiadomo, od czego zacząć. W tym tekście postaram się przybliżyć sposoby na naukę symulacji inżynierskich.

Pierwszym, najbardziej preferowanym na uczelniach sposobem jest rozpoczęcie nauki od części teoretycznej. Na wykładach z Metod Numerycznych najczęściej omawia sie jeden z mozliwych scenariuszy MES, czyli Metodę Bezpośredniej Sztywności. Po części wykładowej odbywają się laboratoria, na których przedstawiony jest szczegółowo algorytm symulacji. Zazwyczaj, w ramach zaliczenia z przedmiotu studenci mają za zadanie napisać skrypt w Matlabie liczący przemieszczenie jakiegoś ustroju kratowego. Co raz częściej, studenci mają także osobne zajęcia w ramach, których obcują z profesjonalnymi programami do symulacji. Podczas tych zajęć studenci ćwiczą się w wykonywaniu tutoriali przygotowanych przez prowadzących. Co bardziej zaciekawieni tematem próbują swoich sił we własnym zakresie i niestety, takie próby kończą się fiaskiem. Niemal wszyscy początkujący nie zauważają związku pomiędzy teorią, a programem. Co gorsze, oprogramowanie do symulacji pokazuje tylko ostrzeżenia i błędy, ale nie informuje w prosty sposób co zrobić by ich nie było. Zazwyczaj na tym etapie entuzjazm opada, a wraz z nim chęci do nauki. W tym momencie pojawia się również przekonanie, że teoria nie ma odzwierciedlenia w rzeczywistości. Niestety dla początkujących, w przypadku symulacji wiedza teoretyczna jest nie mniej ważna jak wiedza praktyczna.

Kolejnym sposobem jest nauka poprzez ćwiczenia praktyczne. Tutaj istnieją dwie możliwości. Jeśli nas stać, to zapisujemy się na kurs u profesjonalnego instruktora. Jest to super opcja, ale warto zadbać o to by mądrze zaplanować naukę. Jeżeli szkolenie będzie trwało trzy dni pod rząd to pod koniec ostatniego zwykle nie wiemy jak mamy na imię. Co więcej, jeśli nie używamy MES w codziennej pracy to po pół roku nie będziemy pamiętać co było na kursie. Jeśli natomiast kurs jest zbyt dużym wydatkiem to pozostaje nam przeszukiwanie internetu pod kątem tutoriali i filmików na youtubie. Niestety, spora część materiałów krążących po internecie jest słabej jakości lub najzywaczajniej pokazuje jak najlepiej nie budować modeli numerycznych. W przypadku gdy mamy solidne podstawy z teorii dyscyplin inżynierskich to takie samouczki mogą być wystarczające, ponieważ sami będziemy wiedzieli jak sprawdzić czy popełniamy błąd. Kiedy jednak użytkownik nie jest w stanie krytycznie ocenić otrzymywanych wyników, wtedy symulacje mogą przynieść więcej szkody niż pożytku.

Oprócz wspomnianych sposobów można także napisać swój własny program do symulacji rozwiązujący nieco bardziej skomplikowane zagadnienia niż kratownica. Z pewnością jest to najtrudniejsza metoda, ale dzięki niej zrozumiemy dokładnie jak powiązana jest fizyka, matematyka i programowanie. Tym sposobem nie nauczymy się także jak obsługiwać programy do MES. Niemniej, zdecydowanie ułatwi nam to zrozumienie dowolnego programu w przyszłości.
Rzeczywistość jest jednak taka, że tylko garstka ludzi podejmie się napisania własnego kodu. Głównie dlatego, że w typowych zastosowaniach, MES nie wymaga aż tak zaawansowanej wiedzy. Dla inżyniera konstruktora istotne jest tylko to, żeby “liczyło się szybko i wynik był dobry”. Jeśli jednak chciałbyś pracować na uczelni bądź w jakiejś jednostce naukowej to jest to zdecydowanie dobra ścieżka rozwoju.

Częsta reakcja na pomysł o napisaniu własnego programu do symulacji

No dobrze, ale to nadal nie tłumaczy jak nauczyć się budować modele i symulacje! Tak, to prawda, ale mój wywód pokazuje jak ciężko o jedyny poprawny sposób nauki. Mogę pokusić się o stwierdzenie, że nie istnieje łatwy sposób na przejście od podstaw do poziomu, chociażby średniozaawansowanego. Z tego powodu postanowiłem podzielić się z czytelnikami, w jaki sposób ja stawiałem pierwsze kroki w symulacjach inżynierskich.

Zaczynałem, jak pewnie każdy student, od nauki teorii, Metod Numerycznych, Komputerowego Wspomagania Prac Inżynierskich itp. Jednak pierwszą, solidną dawkę wiedzy o MES przyjąłem podczas pisania pracy inżynierskiej. Tematem pracy było badanie wytrzymałości blatu deskorolki zrobionego z kompozytu. Moja wiedza o kompozytach była znikoma i sporo czasu poświęciłem na zrozumienie jak w ogóle zabrać się do tematu. Szczęśliwie natrafiłem na publikację pana prof. Germana, która w tamtym momencie bardzo mi pomogła. Dzięki niej i dokumentacji programu MES napisałem program analizujący zachowanie płytki wykonanej ze sklejki drewnianej. Wyniki zgadzały się z wynikami z symulacją, a to utwierdziło mnie w przekonaniu, że wiem, co liczy solver. Później, pojawiły się problemy z modelowaniem dość skomplikowanej geometrii blatu, ale dzięki temu nauczyłem się budować geometrię CAD odpowiednią do analizy.

Profesjonalne stanowisko badawcze wykonane z elementów ławeczki do ćwiczeń należącej do mojego współlokatora

Kolejnym momentem, w którym zrozumiałem jeszcze lepiej jak działają symulacje, był czas pisania pracy magisterskiej. Moim celem było stworzenie symulacji propagacji pęknięcia w kole zębatym, które powstało w skutek niskocyklowej zmęczeniowej degradacji materiału. Temat nie był prosty, więc musiałem określić plan i etapy budowy modelu. Zacząłem od analizy dostępnych publikacji, artykułów, samouczków i kategoryzowałem je według etapów, na których mogły mi się przydać. Później tworzyłem symulacje prostych przypadków, które porównywałem z wynikami obliczeń na kartce (lub z wynikami z eksperymentów). Zależało mi, aby każdy z tych przypadków był miał w sobie coś z modelu finalnego. Pozwoliło mi to poznać, jak poszczególne modele oddziałują na dane wejściowe. Zrozumienie jak reagować na błędy dla prostych przypadków znacznie ułatwiło mi także odpluskwianie (niestety kalka językowa, ale nie znalazłem lepszego terminu na debug) skomplikowanych modeli. Kolejną cenną lekcją wyniesioną z tego etapu to zrozumienie, że dokumentacja to najlepszy przyjaciel każdego inżyniera.

Napisanie dwóch prac pozwoliło mi zrozumieć, że MES najlepiej uczyć się poprzez równoległe zgłębianie teorii i praktyki. Przy czym bardzo ważne jest, aby dobrać odpowiedni obiekt badań. Jeśli skupimy się nad czymś prostym to najzwyczaniej będziemy czuć się znużeni. Z drugiej strony zbyt wysoko postawiona poprzeczka spowoduje, że ludzki entuzjazm szybko opada. W moim przypadku dobrym obiektem badań była deskorolka. Interesowało mnie to na tyle, że z czystej ciekawości chciałem poznać jej wytrzymałość określoną inżynierską metodą.

Co, jeśli nie masz zainteresowań, które mógłbyś wykorzystać lub nie jesteś na etapie pisania pracy dyplomowej? Będąc studentem to w sumie proste — próbuj przenieść jakieś projekty (np. z Projektowania Maszyn) do świata wirtualnego. Może istnieje jakieś koło studenckie związane z symulacjami lub Formuła Student? Możliwości jest mnóstwo! Jeśli nie jesteś studentem lub nadal nie wiesz od czego zacząć to obejrzyj się wokół siebie. Na pewno znajdziesz pod ręką jakieś urządzenie, którego zasada działania jest na tyle intrygująca, że warto ją zasymulować. Pamiętaj jednak, o tym, że symulacje nie są tworzeniem efektów specjalnych. Symulacja musi być tworzona w oparciu o reguły fizyczne i bez równoległego ich poznawania nie stworzysz nic prócz kolorowych obrazków.

Na własnej skórze doświadczyłem, że przy nauce symulacji bardzo pomaga nawet sama rozmowa o problemie, który rozwiązujemy. Z tego powodu stworzyłem grupę na facebooku, gdzie chciałbym wzniecić nieco dyskusje na temat obliczeń inżynierskich. Jeśli stawiasz pierwsze kroki w symulacjach to nie wahaj się i napisz tam! Na pewno postaram się pomóc i dać kilka wskazówek!

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *