Celem tej notki jest uświadomienie czytelnikowi niezaznajomionemu z metodami komputerowymi, że programy takie jak Ls-Dyna są użytecznym, ale bardzo skomplikowanym narzędziem. Symulacja komputerowa jest oparta na fizyce, której prawa wyrażone są za pomocą równań (matematyki) a metoda komputerowa służy rozwiązaniu tych równań z pewną dokładnością. Ale dla innych, takich jak ja, symulacja komputerowa jest sztuką, która jak każda sztuka wymaga spojrzenia z dystansu.
Niczym niepoparta wiara niektórych z salonowców w symulacje komputerowe, a raczej jej promotorów w kontekście Smoleńska, jest moją motywacją by rzucić światło jak skomplikowane jest modelowanie komputerowe. To nie jest tylko rozwiązanie równań i podążanie prawami fizyki jak sugeruje prof. Binienda, a coś bardziej złożonego, bo te równania są dyskusyjne jak ich metody rozwiązań.
O Ls-Dyna
Symulacja kontaktu i zderzenia jest tym z czego słynna jest Ls-Dyna i Ansys. O ile inne systemy elementów skończonych (np. Abaqus) mogą mieć małą przewagę nad Ls-Dyna to produkty Ansysa zawsze słyneły z najlepszych algorytmów do symulacji kontaktu. Pod tym względem wybór Ls-Dyna do symulacji zderzenia skrzydła z brzozą można uznać za sensowny. Ale to nie gwarantuje poprawnych wyników, daje jedynie nadzieję, może złudną, że poprawne wyniki można otrzymać za jego pomocą. Dokumentacja opisująca jak działa kontakt w ansysie znajduje się tutaj
www.dynasupport.com/tutorial/ls-dyna-users-guide/contact-modeling-in-ls-dyna.
O kontakcie
O ile fizyka kontaktu jest prosta, opiera się o modelu tarcia Coulomba, to sama implementacja tej fizyki w przypadku elementów skończonych wymaga dużej ilość uproszczeń, wynikających z aproksymacji trójwymiarowego rzeczywistego ciała za pomocą elementów skończonych (np. 2-wymiarowego elementu powierzchniowego zanurzonego w trójwymiarowej przestrzeni). Innymi słowy jest tam dużo heurystyki, która wymaga od użytkownika sytemu takiego jak Ls-Dyna wiedzy i rozsądku.
Czy to jest obiektywne?
W przypadku gdy mamy do czynienia ze zniszczeniem w obu ciałach ulegających zderzeniu, analiza staje się szczególnie trudna. Nie jest to tylko kwesta gęstości siatki, która musi być dość duża (czego brak u Biniendy), by umożliwić dobrą aproksymacje powierzchni kontaktu. A w przypadku zniszczenie również rozkładu naprężeń i odkształceń w jego okolicy. Np. sam dobór powierzchni “master”-”slave”, przy różnicy gęstości siatek elementów skończonych, które są w kontakcie, może całkowicie odwrócić rezultat gdy mamy do czynienia z osłabieniem materiału, w jednym przepadku np. skrzydło będzie cięło drzewo w drugim odwrotnie.
Jedną z przyczyn niefizycznych wyników symulacji może wynikać z erozji elementów, we wcześniejszych notkach prezentowałem swoje własne wyniki pokazujące jak erozja może być niedokładna. W przypadku zderzenia problem jest jeszcze trudniejszy, erozja może sprawić że elementy na powierzchni “master” porostu będą znikać bez rzeczywistej fizycznej przyczyny. W wyniku uderzenia ulegają dużemu odkształceniu, w wyniku czego, w następnym kroku czasowym, zostają usunięte przez algorytm erozji, a siły reakcji od uderzenia nie są przekazywane do węzłów powierzchni “master” w wyniku czego obserwujemy efekt super-wytrzymałego skrzydła jak u Biniendy. Dzieje się tak przy różnych gęstościach siatek “master” i “slave”, samo zamiana “master” na “slave” i odwrotnie zmienia liczbę punktów w kontakcie, dostaniemy inny wynik gdy gęsta siatka penetruje powierzchnie rzadkiej siatki a inny gdy węzły rzadkiej siatki penetrują powierzchnie siatki gęstej. Innymi słowy, taki wyniki nie jest obiektywny ponieważ zależy od tego jak użytkownik oznaczył powierzchnie.
Ta patologia może sprawić, że siły tarcia (rozrywające powłokę skrzydła) od ślizgającego się skrzydła po powierzchni drzewa nie są uwzględnione w symulacji. Nowoczesne algorytmy są napisane w taki sposób by efekty powyższych problemów zminimalizować. Ale nie wiadomo jakie algorytmy (i ich parametry chociażby grubość powłki w modelu kontaktu) zostały dobrane przez Biniende (Ls-Dyna daje tutaj swobodę) lub jego studentów. Mając do czynienia ze studentami, mam przekonanie, graniczące z pewnością, że algorytm detekcji kontaktu i jego parametry, są raczej dziełem przypadku niż świadomej decyzji, gdy ich wybór jest wolą studenta.
Uwagi na koniec
Sama erozja jest wątpliwa, w takich dokumentach jak ten
ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20020085101_2002141049.pdf o symulacjach zderzeń, zalecane jest kompletne wyłączenie erozji elementów w pierwszym etapie obliczeń. Swoją drogą w symulacji Biniendy, większość z zaleceń z powyższego dokumentu nie jest uwzględnione, na nie wydaje się on być “wodoodporny”.
W wyniku tych wątpliwości, zachęcam jeszcze raz do publikacji pełnych danych, dla dobra sprawy. Czyż sprawa prawdy nie jest tu najważniejsza, czym wobec niej jest tajemnica warsztatu pof. Biniendy.
Odrębną kwestą jest jak powinna wyglądać symulacja według mnie, ale to temat na następną notkę.
