hirdetés
hirdetés

A szimuláció ma már „mindenkié”

Az emberi társadalomra gyakorolt hatása szempontjából a legfontosabb technikák közé tartozik, negyven éve pedig már „szoftveresen” is velünk él. A végeselemes módszer (FEM) és az arra épülő analízis- (FEA) szoftverek a tervezők számára a biztonságot hozták, a menedzsmentek pedig a profittermelés hasznos eszközét látják bennük. Mindez a jövőben sem változik majd, sőt egyre inkább a tervezés részévé válik a FEA. Azt azonban senki sem állítja, hogy ez az egyetlen „üdvös” numerikus számítási megoldás, még az Egyesült Államokban élő és dolgozó Komzsik Lajos sem, akit a legendává vált FEA szoftver, a Nastran egyik gurujaként ismernek el a világban. A szakember a graphIT Kft. meghívásának eleget téve júniusban tartott előadást Budapesten. Lapunk az NX Nastran és a végeselemesanalízis-megoldások fejlődési irányairól kérdezte.
hirdetés

Gyártástrend: A világhálón könnyen fellelhető életrajzából kiderül, hogy 1974-ben a pesti Műegyetemen szerezte mérnöki diplomáját, de az USA-ban él és dolgozik már három évtizede. Most a Nastran „hozta” Budapestre. Mi vitte el innen?

Komzsik LajosKomzsik Lajos: Mondhatnám, hogy a Nastran, de ezzel kicsit ferdíteném az igazságot. Abban, hogy 1980-ban a családommal együtt elhagytam Magyarországot, egy ok és egy eszköz játszott szerepet. Az ok: nem szerettem volna, ha gyermekeim egy a valódi szabadságot nélkülöző rendszerben nőnek fel, az eszköz pedig – ha nem is a Nastran –, de annak alapja, a végeselemes módszer volt. A 70-es évek elején, a Műegyetemen – hajógyári ösztöndíjas hallgatóként – kiváló oktatóktól már megismerhettem ezt a numerikus számítási módot, az első és egyetlen magyarországi munkahelyemen, a Magyar Hajó- és Darugyárban pedig szerencsére az új megoldásokra nyitott vállalatvezetés volt, így lehetőségünk volt az új típusú mérnöki számítások kipróbálására, majd ezek bevezetésére. A hajóiparban akkor jellemzően régi szovjet táblázatokból és görbeseregekből végezték a stabilitási számításokat, mi 1976-ban egy korszerű amerikai számítógépet szerezhettünk be, amelyre – talán kissé nagyzolva a névadással – megalapíthattam a konstrukciós számítási központot. Egyik fontos feladatomnál, a nagyobb vontatóhajók hosszú tengelyének viselkedésének, lengéseinek vizsgálatainál már alkalmazni kezdtem a végeselemes módszert, sőt, erre egy egyszerű, egyetlen gerendaelemet (beam elem) tartalmazó végeselemes analízisszoftvert is írtam. Felvagdostuk a hosszú tengelyt, és a diszkretizált darabokból végeztük a számításokat. A 70-es évek végén felületi elemekkel kezdtem foglalkozni: úszótestek statikai stabilitását vizsgáltam, ami műegyetemi doktori disszertációm témája is lett. A statikai stabilitás differenciálegyenlete analitikusan megoldható, ha a geometria például egy henger vagy egy doboz, de ha eltér, akkor nem tudunk ezzel továbbmenni. A hajótesteket héj (shell) elemekre lehetett felszabdalni és úgy, diszkretizálva megoldani a statikai stabilitást. Erre kifejlesztettünk egy programot is, és ezt a programot a hajógyár később a nagy lengyel hajógyáraknak is értékesítette.
Ebben az időben – noha a jellemzően pazarló szocialista ipar mindennapjait éltük –, igazodnunk kellett a világpiac játékszabályaihoz, ezért egyáltalán nem volt mindegy, hogy az általunk gyártott szerkezetek elvárt minőségi és funkcionális tulajdonságait mennyi alapanyagból és milyen költséggel tudjuk előállítani. A végeselemes módszer alkalmazása pedig hozta a sikereket tervezőknek és a vállalatnak egyaránt. A végeselemes analízis mai szerepe, értelme és haszna is éppen ez: nem kell többszörös biztonsági tényezővel megszorozni az ért ékeket és „mindent” beépíteni, szembe menetelve a magas nyersanyagárakkal. Ez a filozófia már a 70-es években is létezett és hasznot hozott. Egy teljes gyártási széria során akár kisebb finomításokkal, milliós tételszámnál gigantikus összegek takaríthatók meg. A mérnökök számára persze jellemzően nem a profit elérése volt a legvonzóbb lehetőség a végeselemes módszer kapcsán, sokkal inkább a tervezői, konstruktőri szabadság, amely az analitikus számításoknál nem érhető el például akkor, ha komplexebb geometriákkal kell dolgozni.

GYT: Ezek szerint minden vonalon a szabadságot kereste. A tengeren túl megtalálta?

K. L: Meg, és szerencsére élni is tudtam vele. A hajógyártás után – már az Egyesült Államokban – egy rokonterületen, a repülőgépiparban sikerült munkát találnom, egészen pontosan a McDonnell Douglasnél, ahol elsősorban a szárnyak saját lengéseinek számításaival foglalkoztam, ekkor már a világ első polgári célú végeselemanalízis szoftverét, a Nastrant használva. Viszonylag hamar feltűnt, hogy az ebben alkalmazott sajátértékszámítási módszer nem igazán jó. Ennek kapcsán 1981-ben és 82-ben kétszer is felkerestem Richard McNealt, a Nastrant fejlesztő MSC (McNeal Schwendler Corporation) szoftvercég egyik alapítóját, és vakmerő fiatalként igyekeztem meggyőzni őt, majd a cég fejlesztőit arról, hogy van jobb, hatékonyabb számítási módszer is, amelyet a Nastranban alkalmazni lehetne. Ez nem volt más, mint a Lánczos Kornélról elnevezett Lánczos-módszer, amelyet végül sikerült elfogadtatnom, így azóta már nem csak a Nastranba, hanem annak „utódjaiba” az NX Nastranba, az Ansysba és az Abaqusba is beépült. Talán nem meglepő fordulat, hogy 1982-től – a cégvezetés meghívására – az MSC-nél folytattam pályafutásomat a Nastran egyik vezető fejlesztőjeként, egészen 2003-ig, amikor az illetékes amerikai hatóság arra kötelezte a vállalatot, hogy egy további fejlesztésre képes cégnek értékesítse a Nastran 2001-es forráskódját. Úgy alakult, hogy az erre alkalmas leendő versenytárs az ugyancsak amerikai UGS volt, amely pedig egykori munkahelyemből, a McDonnell Douglas analitikai és számítási központjából spin-off cégként jött létre. Ahogy a szakmában tréfásan megjegyezték, a Nastran forráskódjával együtt engem is értékesítettek. Három évtized után így kerültem közelebb újra Európához, hiszen a UGS-t később a németországi központú Siemens vásárolta fel, létrehozva a Siemens PLM-et, amelyen belül jelenleg is a Nastran fejlesztésén dolgozok, és más numerikus módszerek alkalmazásának lehetőségét kutatom. Emellett – a felsőoktatásban és szakirodalom írásával – igyekszem átadni a végeselemes módszerrel kapcsolatos ismereteket. Nagy örömmel teszem ezt idehaza, a magyar mérnökök és kutatók számára is.

GYT: A kronológiát tekintve úgy tűnik, a Nastrannal együtt ért el szép karriert. A módszer és az arra épülő szoftver, illetve szoftverek esetében miben látja a sikeres pályafutás titkát. Számos más numerikus módszer létezik még, miért éppen a végeselemes lett a „győztes”.

K. L.: A matematikai „felfedezések” rendre megelőzik saját korukat, legalábbis azt az időszakot, amikor egy-egy módszer igazán alkalmazhatóvá válik. A végeselemes módszer sem volt kivétel, hiszen alapjai már a XX. század elején megszülettek Borisz Galerkin orosz matematikus és Walter Ritz svájci fizikus jóvoltából, de az ipar csak a 60-as évek végétől kezdte el felfedezni, és csupán a 80-as évekre vált elterjedtté a fejlettebb gazdaságú államokban. Az USA-ban ekkorra már analitikai, számítási szervezeti egységek alakultak a vállalatokon belül, amelyek élén analíziguruk dolgoztak, mondhatjuk: a mérnöki hierarchia csúcsán. Az, hogy ebben az időben kezdett valódi hódításba a módszer és a Nastran, nem volt véletlen. A gyártók, pontosabban a vállalatok menedzsmentje – az egyre erősödő piaci verseny miatt – igyekezett rövidíteni az úgynevezett „time to market”-et, vagyis a piacra jutás folyamatát, miközben a konstrukcióknál is egyre lényegesebb volt, hogy minél költséghatékonyabban lehessen létrehozni a termékeket („material savings”). A módszer pedig kiváló eszköz volt ehhez, hiszen alkalmazásával el lehetett kerülni a már említett túlbiztosítást, vele együtt pedig a felesleges, a versenyképességet gyengítő költségterheket. Ekkor indult el az a folyamat, amelyben az analízisek egyes lépései a terméktervezés és -előállítás egyre korábbi fázisaiban jelentek meg, egészen addig – vagyis napjainkig –, amikor az analízismegoldások már a tervezői szoftverek részévé váltak. Napjainkban nem ritka jelenség, hogy miközben egy termék még csak a tervezési fázisban van, a fogyasztók felé már elindul a marketingkampány.
A végeselemes módszer és a Nastran szerencsére két legyet tudott ütni egy csapásra, hiszen miközben megvalósította a menedzsment profitvágyait, addig a mérnök számára változó, egyre „leanebb” vagyis karcsúbb konstrukciók létrehozásakor megadta a valódi tervezői biztonságot és bizonyosságot, nem csupán ezek érzését. Ugyancsak fontos érv volt a módszer alkalmazása mellett, hogy jó szolgálatot tett a moduláris szerkezetépítésben, így például az autóiparban, ahol a gyártók igyekeztek és igyekeznek a különböző modelleket minél több azonos elemből, részegységből összeállítani. Itt az összekapcsolhatóság vizsgálatát, szimulációját lehetett és lehet kiválóan megoldani végeselemes analízissel.

GYT: Az autóipart tekinthetjük a módszer „felkarolójának”?

K. L.: Tény, hogy az autóiparnak fontos szerepe volt a végeselemes analízis szoftverek elterjedésében, de a kép ennél színesebb. Az ipari fókuszok folyamatosan, tapasztalatom szerint 10 évenként változtak. A Nastrant eredetileg katonai, illetve űripari konstruktőri célokra alkották meg, csak ezt követően született meg egy polgári változat, amelyet elsőként jellemzően a légiiparban használtak – nem véletlen, hogy a vezető FEA szoftvercégek és termékek gyökerei szinte kivétel nélkül a repülőgépgyártáshoz nyúlnak vissza. Az élet az iparban is halad előre, így a 80-as évek végétől már az autóipar volt a domináns felhasználó, ezért a szoftverfejlesztések is ennek az ágazatnak a kihívásaira keresték a megoldásokat. Most érdekes folyamatnak vagyunk tanúi, ugyanis az irányjelző ismét a tágabb értelemben vett légiipar (aerospace) felé mutat, beleértve a műholdgyártókat is. Számomra nagyon kedves új irányzat az is, hogy egyre többet foglalkozunk hajóipari témákkal, így nem elképzelhetetlen, hogy aktív pályafutásomat, 2012-re tervezett nyugdíjba vonulásom előtt hajóanalízisekkel fejezem majd be, vagyis a végén éppen az angyalföldi kezdetekhez térhetek majd vissza.

GYT: Az említett fókuszváltások, valamint az iparági igényeknek való megfelelés merre terelte a szoftverfejlesztést?

nx nastranK. L.: Ezek a fejlesztési kényszerek nagyon fontosak voltak és jelenleg is azok, hiszen így jön létre az a kölcsönhatás, amely minden területet előre hajt. A szoftverfejlesztést, a hardveres vonalat, a szoftverek és a hardverek alkalmazóit, felhasználóit, nem utolsósorban pedig a kutatókat, matematikusokat, akik örök kíváncsiságukkal mindig a jobb és újabb megoldásokat keresik.
A végeselemesanalízis-szoftvereknél a 70-es évek közepén a néhány ezer szabadságfokos rendszer már nagyon nagynak számított. Az USA-ban ebben az időben már néhány tízezer szabadságfokos modellekkel is dolgoztak, amelyeknél a számításokat az akkori mainframe számítógépek körülbelül 1 óra alatt végezték el.    A 80-as években egyre több héjelemet alkalmaztunk. Ekkor az autó- és a légiipar volt a fő megrendelő. Megfigyelésem szerint minden évtizedben egy nagyságrenddel nőtt a szabadságfokok és az elemek száma. A 80-as évekre tehát a több százezer szabadságfokos modellekhez és elemekhez értünk el. Ebben az időben egy autóváznak például már 50 sajátértékét számoltuk ki. A legnagyobbnak számító modellek esetében a kor számítógépei, a szuperkomputerek továbbra is „tartották” az 1 óra időtartamú számítási sebességet.
A 90-es évek a méret és formaoptimalizáció időszaka volt, úgy mondjuk: elkezdtük „feldíszíteni” az autót, vagyis már nem csak a vázat vizsgáltuk. Ekkor már 1 millió szabadságfokos és azt meghaladó szinteket értünk el. Kezdtünk fizikai kapcsolatokat is modellezni, így például a ponthegesztést. Nagyon sokat foglalkoztunk a különféle kényszerek matematikai modellezésével is. Ekkor a hardveroldalon megjelentek az új, nagy kapacitású szerverek, a szoftverek hardverigénye pedig továbbra is arányban volt: a végeselemes analízissel, pontosabban a számítási idővel még mindig belefértünk a napi mérnöki tervezési ciklusba, ami lényeges elvárás volt.
A 2000-es években azonban – mondhatni – minden megváltozott. A hardveroldal kisebb és „erősebb” termékekkel állt elő, mi azonban tovább díszítettük az autómodelleket, vagyis egyre több mindent lehetett és kellett is szimulálni, akár a járművek akusztikáját is. Ettől az évtizedtől „hirtelen” már több tízmillió szabadságfokos modelleken dolgoztunk, ráadásul beléptünk az életciklus-szimuláció korába. Itt értelemszerűen már sokkal szélesebb idő- és frekvenciatartományban kellett dolgozni: időnként 10 ezer saját vektort is számoltunk. Ha ez „csak” 10 millió szabadságfokú rendszer, és 10 ezer saját vektort számolunk, az több terabájt adatot eredményez. Mindez tehát óriási ugrás volt a számítási eredmények mennyiségében, számítási időigényben. A számítások időtartama alkalmanként a 12-24 órát is elérte, ezért az analízis elvégzése kikerült a mérnök ebédszünetéből, és a teljes munkanapot igénybe vette vagy a hétvégére tolódott ki. A 2000-es években tehát egy paradigmaváltást éltünk meg, amely a fejlesztésekben rendkívül sok munkát adott. A módszer fejlődése összességében rendkívül látványos volt, és egyetértek azzal az állítással, amely szerint a végeselemes analízis az egyik olyan technológiai komponens, amelynek mind a mérnöki szakterületekre, azon keresztül pedig a társadalmi fejlődésre is jelentős hatása volt.

GYT: Hol tart most a technika?

K. L.: Néha úgy látom, hogy a Nastran már szinte vallássá vált azok számára, akik ezzel az eszközzel dolgoznak. Ez persze kicsit túlzás, de mindenképpen jelzi a Ford T-modellel egyidős végeselemes módszer és a mintegy 40 éves múltra visszatekintő kereskedelmi szoftverek egyre erősödő szerepét a mérnöki munkában.
Az analízisek esetében az egyik legfontosabb változás, hogy ma már több különböző lépésből áll a szimulációs folyamat. Nem csak a hagyományos analízisről van szó, amelyben megvizsgáltunk egy szerkezeti elemet, hogy az működés közben eltörik-e vagy nem. Ma a koncepcionális tervezés folyamán – már a „pálcikamodell” szakaszban – végezzük az első analízist, a következőt pedig akkor, amikor a modellt már „kitömtük hússal” – ez az analízis már az optimalizációt szolgálja. Ebben a fázisban még a geometria is változhat, de ezt követi az úgynevezett „CAD freezing”, amikor rögzítjük a geometriát. Ekkor még mindig hátravan két szimulációs (analízis) lépésünk. Az egyik az a szimuláció, amellyel a termék „életjelenségeit” vizsgáljuk, például azt, hogyan viselkedik egy autó vagy egy repülő különböző valós működési helyzetekben. Az utolsó analízis pedig a működőképesség bizonyítási tesztje.
Amellett, hogy a Nastran már a tervezési folyamatok szerves részét képezi, elterjedtségével véget ért az a korszak is, amelyben a szimulációkat úgynevezett „analízisguruk” végezték. A szimuláció ma már „mindenkié”.

GYT: Mindebben milyen szerepe volt a Nastrannak, illetve fordítva: hogyan alakult a Nastran az említett változások során vagy azok hatására?

K. L.: A Nastran és az analízisek alkalmazási szokásainak fejlődését nehéz lenne egymástól elválasztani. A Nastran egy örök fejlődésben lévő program, amely mindig újabb képességekkel bővül. A Nastran architektúrája rendkívül nyitott, ami nagyban hozzájárult népszerűségéhez. A felhasználó szükség esetén le tudja állítani a programot és befolyásolni tudja a program végrehajtását egyes szakaszokban. A Nastran adattartalma is megváltoztatható, így például az a felhasználó, aki adott esetben egy titkos csillapítási tényezőt szeretne betenni a programba, megteheti úgy, hogy ezt a szoftvercég ne lássa. E lehetőségek alapja a DMAP (Direct Matrix Abstraction Programming, a Nastran belső nyelve), amelyet opcióként lehet beszerezni. A Nastranba valamennyi hagyományos numerikus számítási módszert beépítettük az évtizedek során, vagyis a tervezők több ilyen technikát is használhatnak. Vannak köztük olyan – általam csak heurisztikusnak nevezett – módszerek is, amelyek akkor jönnek jól igazán, amikor szingularitások vagy mechanizmusok vannak a modellben. Ezek megoldására egész numerikus módszercsaládot fejlesztettünk ki. Ezeket automatikusan vagy szelekció után a felhasználó a Nastranban el tudja érni.
A Nastran jelenleg az NX-ben érhető el a legteljesebb formájában, illetve a legnagyobb funkciógazdagsággal, de a SolidEdge-ben is beágyazott módon, „wizzard”-szerűen található meg Simulation Express néven. Itt is alkalmas komplexebb feladatok megoldására. A FEMAP, amely ugyancsak a Nastrant foglalja magába, egy másik komplex végeselemes szolgáltatást nyújtó rendszerünk.

GYT: A Nastrant két szoftvercég „gondozza”. Mennyire tartanak egy irányba a fejlesztések, hol tart most a Siemens PLM?

nx nastran analízisK. L.: A Nastran alapvető alkalmazási célja nyilvánvalóan azonos, vagyis mindkét fejlesztési vonal azt célozza, hogy a felhasználók a biztonság megtartása mellett költséghatékonyabb termékeket állíthassanak elő, és ezeket minél gyorsabban dobhassák piacra. A részletekben, így a funkciókban, a termékek skálázásában, és természetesen a szoftverek tudásában is lehet, illetve van is különbség, persze semmi  sem kizárt, így az sem, hogy a Nastran két fejlesztési ága majd a végtelenben találkozik a Bolyai-geometria megtestesítéseként.
A Siemens PLM-nél a Nastran legújabb, idén tavasszal bevezetett verziója, a high end terméknek számító NX-be integrálva (NX Nastran) a 6.1-es. Az idei évben azonban nem állunk meg itt: most ősszel jövünk ki a 7.0-ás verzióval. Folyamatosan csiszolunk az elemtechnológián és fejlesztjük a dinamikus analízist is. Az egyik fő csapásirány jelenleg a „connection” technológia, ami a nem koincidens felületek összeillesztésére, összeragasztására létrehozott szimulációs megoldás. Az új elemek közül kiemelendő a piramiselem, amelyet eredetileg a turbinagyártók igényeinek eleget téve fejlesztettünk ki. Ezzel 5-től 13 csomópontig (node-ok) lehet dolgozni, így például egy 8 csomópontos piramis létrehozása sem jelenthet problémát.
Ugyancsak az említett kapcsolási, összekötési technológiák vonalát erősítve az NX-ben bevezettük a FEM Assemblyt, vagyis a geometriai komponensek összeillesztésének megoldását már szoftveresen is támogatjuk. Ezzel nem csupán geometriai komponenseket lehet összehozni, hanem magát a végeselemes komponenst is tárolni lehet, szükség esetén pedig újra elővenni. Ez nem csak akkor hasznos lehetőség, amikor például egy autógyár a megtakarításokat szem előtt tartva igyekszik minél kevesebb különféle elemből minél több modellt felépíteni, hanem akkor is, amikor egy szerkezet, például egy légi jármű egy-egy részegységét két különböző mérnökcsapat vagy vállalat tervezi, és ezek fizikai összekapcsolását csak matematikai értelemben látják. Jó példa erre az a repülőgépgyártó, amely a hajtóműveket másik gyártótól szerzi be.
Az egyre inkább előtérbe kerülő életciklus-szimulációval – autóipari példával élve – megadatik annak lehetősége, hogy már ne csak az autó legyen a vizsgálat része, hanem adott esetben akár a sofőr, pontosabban annak kényelme is. Az életciklus nem csak a működési élettartamot fedi le, hanem gyártási és összeszerelési részeket is szimulálunk.
A példaként említett néhány újdonság mellett a közelmúlt fejlesztéseinek legfontosabb eredménye a végeselemes analízis tervezői szoftverrendszerekbe való beágyazottsága. Ezzel jutottunk el addig, hogy a végeselemes analízist vagy szimulációt már gombnyomásra lehet elvégezni.

GYT: Merre tovább?

K. L.: A meghatározó trend jelenleg a beágyazottság. Az analízis – a szoftveres komfort miatt – egyre több mérnök szakember számára lesz könnyen elérhető és kezelhető, magyarán a mindennapok tervezői munkájának részévé válik. Ezzel megteremtődik annak lehetősége, hogy a kisebb tervezőirodák, gyártók is alkalmazzák ezt a technikát. Meggyőződésem, hogy ez a magyar kisvállalkozásoknak is komoly lehetőséget teremt majd ahhoz, hogy versenyképesebb termékekkel és árakkal jelenhessenek meg a piacon. Lényeges még, hogy a jövőben a geometriai modellek sokkal részletesebbek lesznek, a szoftverfejlesztők néha talán túlzásokba is esnek ezen a területen.
Az új szelekkel érkezik majd a jelenleg még nem teljesen kiforrott, úgynevezett „meshfree” analízis, amely számos olyan problémára kínál majd megoldást, amelyet jelenleg a végeselemes analízissel nem lehet tökéletesen megoldani. Várható még a sztochasztikusnak nevezett (bizonytalansági) analízis megoldások megjelenése és elterjedése is, amelyek például a kifáradási számítások esetében lehetnek majd hasznos eszközök.
A szoftvereket tekintve tapintható trend, hogy minden funkció egyetlen rendszerben legyen elérhető. Ebben nem csak üzletpolitikai okokat kell keresnünk, hanem azt is látni kell, hogy az ipar egyre multidiszciplinárisabbá válik.
Ezek a jelek kétség kívül figyelmeztetők, és azt is jelzik számunkra, hogy a 40 éven át – és még biztosan sokáig – nagy szolgálatot tevő végeselemes analízis szoftverek nem jelentenek technológiai végállomást. Mindig keresni kell a lehető legjobb módszereket – most is ezt tesszük.

(Szabó Márton) - (Illusztrációk: GraphIT Kft./Siemens PLM)
hirdetés
Ha hozzá kíván szólni, jelentkezzen be!
 
hirdetés
hirdetés
hirdetés

Kiadónk társoldalai

hirdetés