شبیه سازی اجزا محدود :روشهای مطالعاتی علوم مهندسی و معرفی آن

بررسی سه روش مطالعاتی در علوم مهندسی

امروزه شبیه سازی کامپیوتری و کدنویسی برای مطالعات عددی در رشته‌های مهندسی بسیار پر کاربرد است. در مطالعه علمی و مخصوصا مطالعات مهندسی سه نوع روش حائز اهمیت اند. برای درک هر چه بهتر مطالب از یک مثال در طول مطلب استفاده میکنیم. فرض کنید به عنوان یک تیم مهندسی یا تحقیقی سعی در طراحی یک هواپیما دارید. گزاره‌های مختلفی در این پروژه وجود دارد، و در این مثال ما هندسه بدنه‌ی هواپیما را فرض می‌کنیم.

مطالعه تجربی – آزمایشگاهی
مطالعه تحلیلی
مطالعه عددی – شبیه سازی

مطالعه تجربی – آزمایشگاهی

این روش مطالعاتی، که مهمترین و قابل اطمینان ترین روش مطالعاتی است، شامل بررسی آزمایشی و تجربه کردن گزاره است. با توجه به مثال فرض کنید می خواهید بدنه‌ی طراحی شده هواپیما خود را آزمایش و تست فرمایید. شما در این آزمایش ممکن است بدنبال گزاره‌های بسیار متنوعی باشید. مثلا میخواهید از نظر آئرودینامیکی طراحی بهینه‌ای داشته باشید و حالت ایده‌آل برای گذر جریان هوا از کنار بدنه‌ی هواپیما داشته باشید. یا به عنوان مثال بخواهید گرمای تولیدی و افزایش دما بدنه ناشی از اصطکاک هوای گذرنده از کنار بدنه‌ی هواپیما را مورد مطالعه قرار دهید. گزاره‌ی دیگری ممکن است مدنظر شما باشد مثل آنکه بخواهید مقاومت مکانیکی سازه بدنه را مدنظر قرار دهید. و همین طور می‌توان گزاره‌های بسیار زیاد دیگری را در این آزمایش مثال زد.

برای تمام گزاره‌های فوق باید بدنه‌ی هواپیما را به عنوان نمونه‌ی آزمایش ساخت و جریان هوای مدنظر در پرواز را از طریقی مانند تونل باد حول آن بدنه ایجاد کرد. بعد برای هر گزاره روشی طراحی شود تا بتوان گزاره را مورد بررسی قرار داد، مانند کارگذاری سنسورها و حسگرهای متنوعی و برداشت اطلاعات لازم. در نهایت اطلاعات برداشت شده از آزمایش را مورد بررسی قرار داد و مطالعه مطلوب را به نتیجه رساند.

بدیهی است این روش اطلاعات بسیار دقیق و کاربردی در اختیار مهندس قرار می‌دهد و هر مهندسی در نهایت قبل از اجرایی شدن پروژه خود آرزوی آزمایش و تست مطالعات خود را دارد. محاسن این روش بسیار زیاد است ولی از معایب آن نیز باید گفت. به طور معمول اگر بخواهید فقط از این روش استفاده کنید ممکن نیست بتوان فقط با یک آزمایش نتیجه مطلوب را گرفت و باید تکرار آزمایش را مدنظر قرار داد. این تکرارها از عیوب این روش اند. هزینه‌های آزمایش می‌تواند بسیار بالا باشد و گاهی اوقات هم ممکن است اصلا تست و آزمایش یک گزاره ممکن نباشد. عیب دیگر آن می‌تواند شرایط آزمایشگاهی باشد که ممکن است گزاره در تست جواب بدهد ولی در واقعیت امکان تعمیم آن نباشد و مشکلات بسیاری ایجاد شود.

مطالعه تحلیلی

مطالعات تحلیلی به معنای استفاده از فرمولها و روابط علوم محض و طبیعی در مهندسی است. مثلا برای مطالعه افزایش دما ناشی از اصطکاک جریان هوا با بدنه در آزمایش فوق از فرمولهای علم فیزیک در مطالعه اصطکاک، دما، گرما و علوم شیمی در خواص فیزیکی مواد اولیه بدنه هواپیما و فرمولهای دیگر از علوم غیری استفاده شود. این روش نیز عموما دقت نسبتا خوبی دارد و برای بررسی اگر-آنگاه

(if-then) و یافتن روابط در گزاره‌ها روش خوبی است. اما از عیوب آن میتوان به چند مورد اشاره کرد.

بسیاری از مواقع امروزه حل فرمولها و روابط علوم دیگر ممکن نیست، حتما با مثال معروف انتگرال (sin(1/X آشنا هستید. یا بسیاری از مواقع حل روابط بیش از حد زمانگیر و هزینه بر است. بعضی اوقات مجبور به حل روابط بسیار پیچیده شده و مطالعه با مشکلات زیادی مواجه می‌شود.

شبیه سازی و مطالعه عددی

شبیه سازی در کامپیوتر به روش‌های عددی مانند اجزا محدود انجام می‌شود. امروزه این روش پرکاربردترین روش مطالعاتی بین مهندسین است. از آنجایی که هزینه این روش بسیار پایین است در طراحی ها و تکرار مطالعات به پرکاربردترین روش برای مهندسین تبدیل شده است. در مثال شرح داده شده، فرض کنید بخواهید هر کدام از گزاره‌هایی که در بخش مطالعه تجربی آورده شد را بررسی کنید. کافی است با تسلط بر مطالعه تحلیلی و داشتن علم کافی از مطالعه اقدام به شبیه سازی گزاره در یک نرم افزار تخصصی مانند آباکوس، انسیس، ایتبس، پی وی الیت، اتوداین، فلوئنت، آدامز یا هر نرم افزار دیگری کنید. این نرم افزارهای همگی عمدتا از روش اجزا محدود استفاده می‌کنند. لذا اضافه بر استفاده از نرم افزارها بسیاری از مواقع امکان کدنویسی با زبانهایی مثل متلب، سی، پایتون و فورترن برای برنامه نویسی محاسبات عددی ممکن است. روش دیگر اسکریپت نویسی که ادغام کدنویسی و نرم افزارها است می‌باشد.