Ищу универсальную CAE/FEM систему

[tensor1982 0]

Здравствуйте уважаемые участники форума!

Ищу давно универсальную CAE/FEM систему, альтернативу Comsol Multiphysics для моделирования и решения задач, описываемых уравнениями в частных производных (PDE) и интегральными уравнениями. В частности интересует электронагрев металла, плавка, кристаллизация, различная термообработка металла, магнитная гидродинамика, задачи из области теории управления объектами с распределенными параметрами, возможно плазменные электротехнологии и т.д. Не известно точно куда выведет полет фантазии поэтому нужна универсальная система.

Вот чем меня привлекает подход реализованный в Comsol Multiphysics:

1) С помощью Comsol нашему коллективу удалось решить: 1. задачу индукционного нагрева ферромагнитной заготовки (железо), учесть влияние температуры на кривую намагничивания, автоматически реализовать переход через точку Кюри; 2. задачу из области магнитной гидродинамики с движением поверхностей раздела металла и шихты, шихты и воздуха. Кино с расчетами в Comsol выкладываю (_http://files.mail.ru/3RTAZ7). Темно красная область – это металл, зеленая область – шихта, синяя область – воздух. Причем если бы не было проблемы в Comsol с отвратительно написанным решателем/solver все эти задачи можно довольно таки быстро решить с помощью очень удобного и простого в освоении графического интерфейса в Comsol записав уравнения модели в PDE и в слабой форме (weak form). А если надо, для автоматизации процесса задания геометрии – то и без проблем написать код (script) на языке похожем на m-script Matlab(а). Для иллюстрации привожу принт скрин модуля PDE Mode Comsol где можно задавать уравнения в дифференциальной форме

2) Кое-какие задачи из теории автоматического управления с объектами с распределенными параметрами (ТАУ с РП) по книге «Бутковский А.Г. и др. Оптимальное управление нагревом металла». Специфика ТАУ с РП - при решении задач ТАУ с РП для отыскания оптимального управления необходимо решать нестандартные сопряженные уравнения в частных производных + применять методы поиска оптимума. Здесь кроме PDE Modes Comsol помогает связь с Matlab. Книга Бутковского А. Г. довольно таки редкая, но с ТАУ с РП можно познакомиться по работам «Агошков В. И. Методы оптимального управления и сопряжённых уравнений в задачах математической физики» и «Фурсиков А. В. Оптимальное управление распределенными системами», книги для ознакомления можно найти в интернете через ebdb.ru

3) Задачи оптимизации конструкции/режима работы + методы глобального поиска (в частности генетический алгоритм). Опять же помогает связка Matlab и Comsol

4) Возможность в Comsol решать задача из незнакомой области. Например, надо было для самоуспокоения (чисто ради интереса и удовлетворения любопытства) посчитать термонапряжения – удалось достаточно быстро решить задачу имея под рукой только книгу «Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. Теоретическая физика. Том 7. Теория упругости » и PDE Modes от Comsol Multiphysics. Задача отыскания компонентов тензора деформаций сводиться к минимизации свободной энергии [Ландау том 7, стр. 28, формула (6.1)]. Конечно эту же задачу можно было решить в специализированном пакете CAE для расчета термонапряжений, но потом опять бы возникла проблема со связанной задачей (когда бы пришлось добавить электромагнетизм, теплообмен излучением, полупроводниковый источник питания и т.д.). Кроме того времени, сил и денежных ресурсов на изучение разного узкоспециализированного софта (Ansys и т.д.) просто нет, а читать теоретическую физику и решать технические задачи на основе вариационного подхода изложенного в книгах Ландау не только приятно, но и полезно для мозгов.

Думаю что используя связку Comsol и Matlab также можно будет решить кое-какие задачи из области ТАУ с РП с подвижным источником воздействия «Кубышкин В. А. Подвижное управление в системах с распределенными параметрами» (РАН, Институт проблем управления). Но думаю что далеко уехать здесь не удастся не из-за ограничений в Comsol, а из-за множества локальных оптимумов и проблемы отыскания оптимального управления. Кроме того теория ТАУ с РП с подвижным источником воздействия развита слабо и только набирает силу.

Казалась бы все хорошо и прекрасно, но в Comsol заложены следующие дыры:

1) Отвратительные динамические решатели для нелинейных задач. Приходиться по сути самому писать решатель/solver для решения нелинейных задач. Это очень бесит – так как наша кафедра заплатила деньги за лицензионный Comsol, а работу за разработчиков Comsol приходиться делать нам.

2) Серьезные 3D задачи и задачи с большим числом КЭ отказываются решаться из-за переполнения памяти

3) Проблемы с моделями теплообмена излучением на сложных геометриях. При решении интегрального уравнения матрица получается не разряженная – в итоге переполнение памяти на начальном этапе сборки. Как обойти эту проблему нехватки памяти в Comsol – мы пока что не придумали. Тестовая задача со сложной геометрией даже не начинает решаться – все заканчивается на этапе сборки матрицы. Конечно можно увеличить объем оперативной памяти компьютера, но это не интересно. Кроме того – всегда можно будет усложнить геометрию задачи и опять будет переполнение памяти. По идее надо бы как-то использовать жесткий диск и считать медленно, но верно, но пока что не знаю как это сделать.

Я конечно лелею в себе иллюзию и робко надеюсь что эти проблемы разработчикам Comsol в новой версии 4.0 удастся хотя бы частично решить, но в то же время надеяться и молиться только на разработчиков Comsol всю жизнь не хотелось бы и нужна альтернатива, так сказать для страховки.

Чем меня не устраивают надежные, хорошо себя зарекомендовавшие, но узкоспециализированные программы (Ansys и т.д.):

1) Возможность решать только те задачки, которые заложили в программу разработчики. Вот привожу цитату с форума из темы по плазме <noindex>http://fsapr2000.ru/index.php?showtopic=32165</noindex>

У нас в организации когда встает вопрос о плазме, то процессы, как правило, происходят при числах Кнудсена~1, поэтому вопрос использования Fluent, CFX и пр. подобных исчезает сам собой.

2) Закрытый код

3) Проблемы в освоении, например, Ansys(а) и отсутствие таковых при освоении Comsol. Даже не смотря на убогую техподдержку Comsol в России. Первая задача теплопроводности в Comsol ставилась и решалась за 5ть минут даже без чтения хелпа. Причем это были мои первые пять минут знакомства с программой Comsol и с CAE/FEM системами вообще. До этого я только решал задачки «вручную» на основе метода конечных разностей. Легкость в освоении объясняется тем что пользователь нажимая кнопочки видит уравнения в PDE и видит уравнения на границах (граничные условия). Т.е. понять можно, что к чему даже не читая хелп. Студенты быстро и легко осваивают Comsol – проверил сам, работая в институте. Причем после первых вводных уроков далее студентам только ставил задачу и иногда писал на доске формулы – а дальше все студенты мыслили и делали сами. Еще - хелп Comsol написан так понятно и доступно, что любой желающий может разобраться что к чему без посторонней помощи.

4) Взять, например Ansys CFX - намного более дружелюбная программа чем классический Ansys. Но опять же – узкоспециализированный пакет и при решении задачек в нем я не вижу уравнений в частных производных, а только жму кнопки, а уравнения за меня программа где-то составляет. Это на мой взгляд вредит пониманию физики процесса.

Размышляю о том, чем можно заменить Comsol, на что делать ставку…

1) Diffpack

Цитата взята из файла _http://www.thermophysics.ru/pdf_doc/diffpack_ru.pdf

Diffpack может примяться в любой области знаний или области промышленности, где рассматриваемые процессы описываются уравнением или системой уравнений в частных производных.

Если это частично верно и если есть возможность создавать «свои» модели и нестандартные уравнения писать самому (как в Comsol) в PDE форме и в слабой форме (weak form), то думаю что это-то что я ищу. Пусть на изучение языка Си и Diffpack уйдут годы, но зато будет универсальный инструмент и надежный.

Возможностей Diffpack не знаю, рекламе доверять опасаюсь – нужно мнение пользователей. Радует, что есть в продаже хотя бы две книги по Diffpack, автор Hans Petter Langtangen. Но думаю что этого мало.

2) ESI Advanced CFD-ACE

Реклама конечно у продукта хорошая и особенно привлекает следующее

User Defined Functions [uDF]

Comprehensive user scalar module for processing of user specific PDEs

• Advective/Diffusive Transport

• Poisson Equation

• Flexible Properties

• Scalar and Vector Algebraic Equations

Comprehensive set of user defined functions to model phenomena not directly supported by the product.

• User defined properties

• User defined boundaries

• User defined volumetric sources for mass, momentum, species and heat.

Но думаю, что у этого ESI Advanced CFD-ACE будут те же проблемы и грабли что и у Comsol, но только их нельзя будет обойти эти дыры, написав «свой» solver.

Софт на основе Public License или аналоги. Почитал тему «CAELinux, OpenFOAM» на форуме <noindex>http://fsapr2000.ru/index.php?showtopic=26498&hl</noindex>. Посмотрел сайт CAELinux, пробежался по ссылкам на аналогичные продукты

Based on the open-source CAE softwares Salomй, Code_Aster, Code_Saturne and OpenFOAM …

Также в гугле полно ссылок на open-source CAE softwares и Free CAE (FEA) software, но если читать всю эту макулатуру, потом учить новый язык программирования, осваивать CAE softwares и разочаровываться в нем, осваивать новую CAE и т.д…можно просто состариться и так ничего и не успев рассчитать полезного. Поэтому и спрашиваю Ваше мнение – опытных пользователей.

Был шокирован тем что доки к code-aster на французском. Как изучать – не знаю. Документация думаю к open-source или отсутствует вообще или на псевдоязыке (французский, китайский и т.д.) или крайне скудная.

Можно ли в этих открытых программах писать свои модели на основе систем уравнений (как в Comsol)?! Или они заточены под решение узкоспециализированных задач (как например Ansys).

Можно ли в этих программах моделировать/рассчитывать на основе МКЭ объекты в 3D со сложной геометрий и с большим числом КЭ?! Кто-нибудь что-нибудь рассчитывал на этих open-source CAE?! Какие сложности и подводные камни возникли?!

Вот например здесь <noindex>http://fsapr2000.ru/index.php?showtopic=29743</noindex> высказывается критическое мнение

Я сейчас присматриваюсь к openfoam. для начала решу пару задач, которые сделал в cfx…пока у меня (из анализа информации) сложилось впечатление, что функционально программа вполне "достаточна" и близка к ansys cfx по возможностям, но по удобству работы и главное, скорости (из-за применения библиотечных солверов вместо специально разработанных и отсутствия наиболее эффективных новых моделей турбулентности, например, des и sas-des, плохой SST) существенно уступает. соответственно, то, что решается CFX на ПК, решить OPENFOAM удается (видимо) только на кластере.

Какие еще open-source CAE/FEM (серьезные, надежные и универсальные) системы существуют?!

Какую из универсальных open-source FEM программ лучше начать потихоньку осваивать?!

Посоветуйте что изучать, существуют ли программы (платные или бесплатны) кроме Comsol которые позволяют:

1) Задавать геометрию расчетной области (2D/3D) или экспортировать ее из внешней CAD, генерировать расчетную сетку, создавать «свою» нестандартную математическую модель и решать на основе метода конечных элементов (и/или на основе других численных методов) систему уравнений в частных производных и/или записанную в интегральной форме

или

2) Все то что в предыдущем пункте 1) + позволяющие решать задачи с большим числом КЭ и в случае чего написать свой Solver или свой метод решения PDE

В принципе требованию 1) должен судя по рекламе удовлетворять ESI Advanced CFD-ACE, однако сомнениях по поводу этого продукта уже писал. Но все же думаю пощупать его немного на досуге как-нибудь.

Спасибо за внимание и Ваши комментарии.

Изменено 17 ноября 2009 пользователем tensor1982

[a_schelyaev 366]

Комсол это отличная платформа для личного творчества.

Знаю сурьезных спецов, которые в том же Комсоле свои модели турбулентности мучают. Говорят, что от версии к версии прогресс просто разительный. Это говорит о том, что продукт находится в стадии активного развития и стоит на этапе, который многие коммерческие продукты уже прошли.

Если речь идет об МГД и прочих вещах, связанных со словами электро и магнетизм, то самая полная линейка продуктов, на сегодняшний день, у Ансиса.

Если хочется вставлять свои модели, решатели и прочее в уже имеющуюся решалку и попытать полный спектр моделей, связанных с поведением конструкции (за исключением электро и магнетизма), то здесь свои крылья раскрывает ABAQUS. Собственно, ABAQUS и начинается по настоящему там, где начинается написание чего-то своего - свои элементы, свои модели и свои решалки. У ИПРИМа опыт большой в части эксплуатации ABAQUS.

Я бы порекомендовал вам скачать студенческую версию ABAQUS с сайта нашей компании. Там ограничения по количеству узлов, но за то есть полная документация - можно не платя денег попробовать понять годится ли это вам или не годится.

Касаемо CFD, то тот же ABAQUS имеет связь с многими CFD пакетами, в том числе с FlowVision.

Больше я ничего умного сказать не могу.

Ну, а если вы уж такие ребята мастера на все руки, то может быть организовать "мир, дружбу, жвачку" между вами и нашим коллективом в плане написания функционала под наши продукты?

[tensor1982 0]

Ну, а если вы уж такие ребята мастера на все руки, то может быть организовать "мир, дружбу, жвачку" между вами и нашим коллективом в плане написания функционала под наши продукты?

На самом деле мы люди довольно таки обычные, самоучки из деревни, иногда выезжаем в областной центр в институт, занимаемся техническими науками, с ограниченными знаниями в области вычислительной математики, физики и навряд ли сможем сделать то чего не смогли Вы и Ваши коллеги.

Знаю сурьезных спецов, которые в том же Комсоле свои модели турбулентности мучают.

Не могли бы Вы перечислить поименно имена героев (здесь или в личный ящик)?! Или назвать организации, кафедры в которых работают люди достигший в Comsol вершин?! Всегда приятно пообщаться с единомышленниками.

Модель магнито-гидродинамической установки кино которой я выкладывал при создании темы форума, считал мой товарищ/коллега в Comsol PDE Modes. Турбулентная модель по уравнениям непрерывности и Навье-Стокса, в котором эквивалентная вязкость задаётся Прандтлевской формулой. Для корректного моделирования резкого перепада скорости в тонком пристеночном слое, этот слой исключается из расчётной области и ему сопоставляется функционал, выражающийся криволинейным интегралом первого рода....здесь конечно большие сомнения…но если эта модель МГД на каком то этапе нас не устроит (т.е. будет какой-то режим, при котором будет значительные различия с экспериментом или различия с данными опубликованными в литературных источниках), то просто почитаем другие статьи/книги по гидродинамике и заложим другие уравнения в Comsol и так до тех пор пока не будет найдена истина. Для нас важно, что можно читать книги/статьи из любой нужной нам области знания, писать уравнения на бумажку, а потом закладывать их в PDE Modes, решать, смотреть ответ, проверять с экспериментом, опять читать книги, корректировать модель, решать в PDE Modes и т.д.

Говорят, что от версии к версии прогресс просто разительный. Это говорит о том, что продукт находится в стадии активного развития и стоит на этапе, который многие коммерческие продукты уже прошли.

Я к сожалению (а может быть к счастью) не пользовался femlab/comsol 2.x, а сразу же начал с comsol 3.x. Прогресса мне увидеть не удалось. Знаю только то, что comsol раньше назывался femlab и был toolbox(ом) к Matlab(у). В новой же версии Comsol 4.0 (_http://www.comsol.dk/press/news/article/615/) в графическом интерфейсе много нового, но что внутри – неизвестно. Пока что существует только бета версия.

Если хочется вставлять свои модели, решатели и прочее в уже имеющуюся решалку и попытать полный спектр моделей, связанных с поведением конструкции (за исключением электро и магнетизма), то здесь свои крылья раскрывает ABAQUS. Собственно, ABAQUS и начинается по настоящему там, где начинается написание чего-то своего - свои элементы, свои модели и свои решалки. У ИПРИМа опыт большой в части эксплуатации ABAQUS.

При всем уважении к названной выше программе мне кажется, что это не годиться. Во первых из-за отсутствия возможности учесть явления электромагнетизма. Во вторых всегда найдется какая-нибудь область знаний, которую необходимо будет добавить в модель объекта исследования. А такого блока может и не оказаться в линейке продуктов фирмы.

В широко известных и авторитетных CAE/FEM программах (постараюсь больше не упоминать монстров CAE/FEM, что бы не обвинили в антирекламе) нет возможности составлять свои системы уравнений в PDE, создавать свои нестандартные математические модели, решать нестандартные сопряженные уравнения, которые возникают в задачах ТАУ с РП, решать задачи моделирования плазмы, некоторые задачи плавки металла электрической дугой и т.д.

Мнение одного из участников форума по невозможности моделированию плазмы в одном хорошо известном CFD пакете при числах Кнудсена 0.01<Kn<10 приводил в первом сообщении при создании темы.

В блоке PDE Modes/Comsol потенциально заложена возможность набросать модель плазмы. По крайне мере заложить самому модель плазмы в PDE Modes, описанную в статье «Рычков А.Д., Саломатов В.В. Численное моделирование прикатодных и магнитогидродинамических процессов в электродуговом плазмотроне в условиях термической неравновесности» можно. Ссылка на статью приведена в теме по плазме <noindex>http://fsapr2000.ru/index.php?showtopic=32165</noindex>. Правда получить устойчивые решения в Comsol 3.x будет сложно, придется плясать с бубном и «править» солвер, но велика вероятность что в конечном итоге удастся получить какой-нибудь достоверный ответ. Правда, к сожалению, в нашем институте никто не одобрит такие исследования, а тяга к познанию пока что не достаточно велика, что бы решать эту задачу на голом энтузиазме, так сказать для себя и для расширения кругозора.

Но важно то, что потенциально можно решить эту задачу в Comsol Multiphysics. Можно, но есть проблема с решателями. Вот и хотелось бы иметь альтернативу Comsol Multiphysics (платную или бесплатную, с открытым кодом или с закрытым), где можно самому ручками задавать модели на основе уравнений. Надежда на Diffpack или на CFD-ACE или на то что кто-нибудь подскажет другой какой-нибудь софт…

Кроме того если мне надо решать задачи МГД например, в каком-нибудь навороченном программном комплексе мне необходимо покупать лицензию на электромагнитный блок, на тепловой блок, на блок гидродинамики, потом тратить деньги на самообучение, запоминать какие кнопки нажимать в какой последовательности не понимая физики процесса – это можно просто разорить институт, потратить уйму времени и так и ничего не рассчитать, потому что потом еще надо думать как все это соединить в один котел…А в блоке PDE Modes все это можно заложить самому зная уравнения Максвелла и прочитав книгу по гидродинамике. А если модель не устроит, то можно спокойно заложить другую турбулентную модель, начитавшись статей великих ученых по CFD. Или например надо будет добавить химические реакции в эту модель. Что тогда делать?! Если пользоваться PDE Modes – то тогда надо читать статьи по моделированию химических реакции, записывать на бумажку формулы, а потом эти формулы задавать в виде уравнений в PDE. А если пользоваться другими узкоспециализированными программами?! Бежать и покупать лицензию на новый блок и молиться на то что разработчики заложили в этом блоке адекватную математическую модель?!

p.s. Все написанное выше сугубо мое личное субъективное мнение не претендующее на какую-либо истину и высказанное только лишь для того что бы инициировать дискуссию по различным программам для междисциплинарного моделирования различных физических явлений на основе МКЭ или на основе других численных методов.

[_serge 24]

Суммарно:

- FortranXXXX - это то самое универсальное лекарство.

Возможность решения всего, чего угодно, полностью открытый код.

Вставляете уравнения, граничные условия, реализуете метод решения, но не юзаете по "железу".

Когда-то очень давно в него вставили сишную графику.

А почему бы не вставить готовый интерфейс с CAD системами в виде прикладных подпрограмм?

Ведь это вполне реально, чтобы не отнимать драгоценного времени на написание доморощенных геометрических модулей у тех, кто интересуется сугубо физикой процесса и/или математикой методов решения СДУвЧП.

И уже можно будет решать не задачки с пластинками, а сразу с реальной геометрией!!!!

А!!!!????

Ведь можно в принципе и шаблоны типовых программ вставить, как в Microsoft Office.

[a_schelyaev 366]

Тензор,

у нас проблема не с качеством мозгов, а с их количеством - банально на все нехватает времени.

С товарищем Кнудсеном тоже накололись, но смогли ввернуться имеющимся функционалом, ибо задача это позволяла.

И я согласен с Сергеем.

Вы по моему сами себе противоречите - с одной стороны хотите готового фунционала, а с другой стороны не хотите разорять институт.

Пишите свои фортрановские наработки и втыкайте их в ABQUS. Я уже упоминал ИПРИМ, которые, например, разрабатывают модели наноструктурированных материалов и вставляют их в ABAQUS.

Или же пишут свои спектальные решалки и тоже в ABAQUS их вставляют.

Единственный у него косяк это электромагнетика, тут уж вот так. Но задачки на моей памяти из это области редки - расплав в ковшах считать, а что еще? Все остальное, вроде бы, экзотика.

Я слежу за работой ребят из Питера, которые пишут Elcut. Они в настоящее время пишут его трехмерную версию.

Все вот хочу их с ABAQUS подружить, чтобы эту дырку закрыть.

[Oksana_86_09 0]

Казалась бы все хорошо и прекрасно, но в Comsol заложены следующие дыры:

1) Отвратительные динамические решатели для нелинейных задач. Приходиться по сути самому писать решатель/solver для решения нелинейных задач. Это очень бесит – так как наша кафедра заплатила деньги за лицензионный Comsol, а работу за разработчиков Comsol приходиться делать нам.

Здравствуйте, Тензор. Сейчас как раз решаю проблему с решателями, хочу написать свой и интегрировать в Комсол, но подскажите, пожалуйста, каким образом это сделать, если у вас получается. Через создание m. файлов? Но какой должен быть синтаксис? В хелпе не нашла по этому поводу ничего полезного.

[Student_2012 0]

Здравствуйте!

Я сейчас делаю обзор пакетов на предмет их пригодности для решения моей задачи <noindex>http://fsapr2000.ru/index.php?showtopic=50457</noindex>.

Мне хотелось бы узнать, решили ли Вы Ваш вопрос и, если да, то каким образом? На каком пакете остановились?

Я частично решил свою задачу: выяснил, что для моделирования движения частиц нужно применить метод дискретных элементов (поток по условиям задачи не годиться). Так вот, этот метод реализован в ряде программ (EDEM, например), но, кажется (поскольку доподленно не выяснил), для решения моей задачи они не пойдут, поскольку "заточены" под моделирование взаимодействия между частицами без учета их движения во внешних полях, по движущимся (вращающимся) поверхностям. Не пойдойдут Ansys, Comsol - поскольку метод дискретного элемента в них не реализован. Можно решать часть задач в одном пакете, а затем подключать другой, но это значит, надо писать обработчик, а его написание вообще для меня не понятно.

А кроме того, подобные пакеты не приспособлены для моделирования динамических систем автоматического управления.

Поэтому, наверное, придется самому программировать свою специальную модель. Пока я использовал MathCAD. И если с моделированием магнитного поля как-то справился, то, вот пойдет ли он для реализации метода дискретных элементов - вопрос...

Изменено 26 февраля 2012 пользователем Student_2012