Ograniczenia komercyjnego FEA oprogramowania
Komercyjne oprogramowanie dla analizy elementów skończonych (finite element analysis, FEA), takie jak Ansys, MSC Patran & Nastran, Abaqus, Altair pozostaje podstawą w wielu środowiskach inżynierskich, ale jego wysokie koszty i restrykcyjne modele licencjonowania stanowią znaczące bariery dla wielu użytkowników, zwłaszcza małych i średnich przedsiębiorstw, co utrudnia jego powszechne przyjęcie. Wiodące komercyjne pakiety oprogramowania często są dostarczane z wysokimi cenami licencji, które mogą wynosić tysiące USD lub nawet dziesiątki tysięcy USD za rok posiadania licencji lub wsparcia technicznego.Poleganie na komercyjnym oprogramowaniu FEA budzi również obawy o długoterminową stabilności i zdolnośći do podtrzymania (sustainability). Kiedy firmy intensywnie inwestują w te narzędzia, oni mogą zostać zmuszone do wiązania kosztownych kontraktów lub polegania na aktualizacjach i wsparciu technicznym od konkretnych dostawców. Taka sytuacja może tłumić innowacyjność i ograniczać zdolność do dostosowywania się do nowych metodologii i technologii pojawiających się w danej dziedzinie.
Google Trends web search - porównanie popularności: Open-source CFD FEA (OpenFOAM) vs. komercyjny CFD FEA systemy Ansys, Dassault Systèmes, Hexagon i Altair (Ansys Fluent, PowerFLOW, Cradle CFD i Altair CFD)
Uniwersytety mogą oferować licencje studenckie lub wersje akademickie komercyjnych pakietów oprogramowania FEA po obniżonych cenach, ale rozwiązania te nie w pełni odpowiadają szerszym wyzwaniom stojącym przed użytkownikami. Licencje akademickie często zawierają ograniczenia użytkowania, które uniemożliwiają studentom stosowanie swoich umiejętności w sytuacjach z życia realnego lub ograniczają zakres projektów, jakie mogą realizować. Co więcej, licencje te zazwyczaj tracą ważność po upływie określonego czasu, co powoduje konieczność ponoszenia bieżące kosztów za ciągły dostęp do oprogramowania, gdy studenci przechodzą do ról zawodowych. Cykl ten może prowadzić do rozdźwięku między szkoleniem akademickim a wymaganiami przemysłu, co może skutkować nieprzygotowaniem absolwentów do stawiania czoła skomplikowanym wymaganiom stawianym przez współczesne zadania inżynierskie.
W przeciwieństwie do tego open source FEA oprogramowanie często zapewnia solidne funkcje bez wygórowanych kosztów licencji i pozwala użytkownikom wykonywać złożone symulacje przy jednoczesnym zachowaniu pełnej kontroli nad swoimi projektami. Elastyczność rozwiązań typu open source sprzyja również tworzeniu środowiska współpracy, w którym użytkownicy mogą wnosić swój wkład w rozwój oprogramowania i jego rozszerzanie. Podczas gdy więcej inżynierów i badaczy dostrzega te korzyści, przejście na rozwiązania typu open source może zmienić sposób wykorzystania analizy elementów skończonych w różnych branżach, sprawiając, że zaawansowana symulacja stanie się dostępna dla szerszego grona użytkowników.
Open Source FEA - porównanie pakietów oprogramowania
Poniżej przedstawiono najpopularniejsze pakiety oprogramowania open source FEA, ich możliwości, organizacji, które ich stworzyły, oraz branże, w których są stosowane:
Elmer
Elmer to pakiet multifizyczny stworzony przez Ministerstwo Edukacji Finlandii. Umożliwia różne rodzaje analiz, w tym dynamikę płynów, mechanikę strukturalną, elektromagnetykę i wymianę ciepła. Elmer posiada własny graficzny interfejs użytkownika do tworzenia modeli i postprocessingu. Jest szeroko stosowany w badaniach akademickich i zastosowaniach inżynieryjnych w różnych branżach, takich jak motoryzacja i lotnictwo, do symulacji wymagających sprzężenia różnych zjawisk fizycznych.
FreeFEM
FreeFEM stworzony przez Uniwersytet Sorbona i Laboratorium Jacques-Louis Lions (Francja) i przeznaczony do symulacji multifizycznych, obejmujących dynamikę płynów, elastycznośc i termodynamiku. Oprogramowanie to pozwala użytkownikom definiować problemy za pomocą własnego języka skryptowego, co czyni je elastycznym w przypadku różnych zastosowań i szeroko stosowanym w placówkach badawczych i edukacyjnych do skomplikowanych symulacji w fizyce i inżynierii.
CalculiX
CalculiX umożliwia zarówno analizę statyczną, jak i dynamiczną i wykorzystuje format pliku, który jest częściowo zgodny z formatem ABAQUS. Potrafi rozwiązywać problemy mechaniki konstrukcji, w tym analizę termiczną. Jest często używany w inżynierii lądowej, inżynierii mechanicznej i aplikacjach analizy konstrukcyjnej.
FEniCS Project
FEniCS Project został zainicjowany w 2003 jako współpraca badawcza między University of Chicago i Chalmers University of Technology (Szwecja). Wspiera on różne rodzaje analiz, w tym mechanikę strukturalną i wymianę ciepła. Jest szczególnie popularny w badaniach akademickich ze względu na możliwość ułatwiania złożonych symulacji przy minimalnym wysiłku kodowania i jest szeroko stosowany w takich branżach jak inżynieria lądowa i materiałoznawstwo do celów badawczych.
OpenFOAM skupia się przede wszystkim na dynamice płynów i wspiera FEA poprzez obszerną bibliotekę solwerów. Obsługuje złożone symulacje obejmujące wymianę ciepła, reakcje chemiczne i interakcje płyn-struktura. OpenFOAM jest szeroko stosowany w takich branżach jak motoryzacja, lotnictwo i energetyka do symulacji przepływu płynów i procesów wymiany ciepła.
EDF's Software - Code_Aster, Code_Saturne, Salome
EDF's (Électricité de France) oprogramowanie i kody obliczeniowe zostały stworzone przewidywania złożonych zjawisk, które wpływają na żywotność elektrowni jądrowych.
Code_Aster koncentruje się na mechanice konstrukcji i obsługuje zarówno mechanikę liniową, jak i nieliniową z możliwością analizy termicznej. Jest stosowany w inżynierii lądowej i energetyce. EDF stworzyli również takie systemy open source, jak Code_Saturne (dla CFD, w tym transferu ciepła i turbulencji) i Salome (dla przygotowania modelu i postprocessingu).
MOOSE
MOOSE (Multiphysics Object-Oriented Simulation Environment) jest rozwijany przez Idaho National Laboratory (U. S. Department of Energy) i umożliwia wykonywanie symulacji multifizycznych, w tym analiz cieplnych, mechanicznych i chemicznych. Znajduje zastosowanie w inżynierii nuklearnej, naukach o Ziemi i materiałoznawstwie.
FreeCAD's FEM Workbench
FreeCAD's FEM Workbench - część projektu FreeCAD, szeroko stosowana w projektowaniu produktów, architekturze i edukacji, która umożliwia użytkownikom przeprowadzanie metodą analizy elementów skończonych przy użyciu zewnętrznych solwerów, takich jak CalculiX i Elmer, obsługuje analizy statyczne, dynamiczne i termiczne.FEBio
FEBio część projektu FreeCAD, szeroko stosowana w projektowaniu produktów, architekturze i edukacji, która umożliwia użytkownikom przeprowadzanie metodą analizy elementów skończonych przy użyciu zewnętrznych solwerów, takich jak CalculiX i Elmer, obsługuje analizy statyczne, dynamiczne i termiczne.
Z88
Z88 zostało stworzone przez University of Bayreuth (Niemcy) oferuje możliwości analizy wytrzymałości statycznej i częstotliwości naturalnej wraz z analizą termiczną.Goma
Goma zostało stworzone przez Sandia National Laboratories (U. S. Department of Energy) i koncentruje się na obliczeniowej dynamice płynów z ewoluującymi geometriami, wykorzystywanej głównie w branży energetycznej.
MoFEM JosePH
MoFEM JosePH zostało stworzone przez University of Glasgow (UK). Kod ten specjalizuje się w analizie multifizycznej z dowolnymi poziomami przybliżenia i różnymi poziomami udoskonalenia siatki.
CAELinux
CAELinux to dystrybucja Linux zawierająca szereg wstępnie zainstalowanych programów open-source do CAD/CAM, a także do symulacji FEA, CFD i multifizyki (nie aktualizowane od 2020). Dystrybucja zawiera wiele narzędzi wymienionych tutaj, takich jak Salome, Code-Aster, Code-Saturne, OpenFOAM, Elmer i CalculiX. Oprogramowanie jest wstępnie zainstalowane, co rozwiązuje problemy z bibliotekami, które mogą wystąpić podczas niezależnej instalacji oprogramowania open-source.
Nie-FEA CAE systemy
Przejrzysta, krok po kroku natura obliczeń analitycznych pozwala inżynierom łatwo podążać za logiką, założeniami i stosowanymi wzorami, co ułatwia identyfikację potencjalnych błędów lub niespójności i weryfikację przez innych specjalistów w porównaniu z obliczeniami FEA. Ta wrodzona przejrzystość wzmacnia zaufanie do wyników i ułatwia procesy ich wspólnej oceny.
Jednym z udanych przykładów wdrożenia takich systemów jest Boeing. Taki system (nie oparty na FEA, łączący metody analityczne i empiryczne). Taki system (nie oparty na FEA, łączący metody analityczne i empiryczne) został pomyślnie wdrożony w Boeing na początku lat 2000-nych a w połowie lat 2000-nych zdecydowana większość obliczeń analizy strukturalnej już było robione w tym systemie: Design-Analysis Associativity Technology for PSI - Boeing & Georgia Tech (a także linki na dole tej strony)
Być może w niektórych środowiskach inżynierskich rozsądne byłoby przejście na takie podejście, nie tylko ze znalezieniem bardziej dostępnych systemów FEA typu open source, ale także ze zautomatyzowaniem znacznej części analizy strukturalnej bez FEA, skupiając się na już istniejących i sprawdzonych metodach analitycznych i empirycznych. Dlatego umieściłem tutaj ten materiał, niezwiązany bezpośrednio z FEA - to podejście, podobnie jak open source FEA, w wielu przypadkach pomaga również rozwiązać problemy związane z wysokim kosztem komercyjnych systemów FEA - ale w inny sposób.
© Oleg Sergeykin, PhD - 2025
No comments:
Post a Comment