fmaj2018
Drodzy Czytelnicy,
Szaleństwem są próby nawracania ludzi za pomocą argumentów – pisał bł. John Henry Newman, niezwykły i mądry kapłan, konwertyta z anglikanizmu. Współczesna rzeczywistość pokazuje, że ludzie oporni są nie tylko na argumenty w sferze wiary, ale w ogóle. Jest to przypadłość nie tylko polska, bo na całym świecie jest dziś bardzo podobnie. Wynika to bezpośrednio z systemu państwowego przymusowego urabiania, któremu podlega każdy od 6-7 roku życia, w placówkach nie wiedzieć czemu zwanych oświatowymi. Nie ma w nich bowiem mowy o nauce rozumowania, umiejętności logicznego analizowania czy samodzielnego wyciągania wniosków. Jest za to zintensyfikowane wtłaczanie jedynie słusznych, zatwierdzonych przez państwowe ośrodki treści. Cała masa świeckich dogmatów z różnych dziedzin, która ma za zadanie ulepić nowe społeczeństwo, złożone z nowych, innych niż dotąd ludzi. Oczywiście myślących w ściśle określony sposób. Do oceniania takiego „myślenia” wystarczy więc tylko szablon, klucz z odpowiedziami, który jest przykładany do arkusza wypełnianego przez zdających różne egzaminy. I to dlatego trudno spodziewać się, że rozsądna argumentacja może kogoś przekonać do czegokolwiek.
Oczywiście to nie jest tylko kwestia ostatnich kilku dekad – to tylko coraz bardziej widoczny zamierzony efekt. Szanownym pedagogom z powołania, wspaniałym nauczycielom (a tak, są jeszcze tacy!), którzy może oburzają się na te diagnozy, chciałbym tylko zwrócić uwagę, że to, iż spod ich rąk wyszli mądrzy, myślący ludzie nie zmienia faktu, że system od początku nie miał kształcić takich właśnie – mądrych i samodzielnych, a wyjątki regułę potwierdzają. Tak samo ZUS nie stał się zły dopiero w ostatnim dziesięcioleciu.
Pozostaje więc tylko jedna droga: dobry przykład, który jak wiemy ma wyjątkową moc (słowa uczą, przykłady pociągają). Chociaż bowiem błogosławieni będą ci, którzy nie widzieli a uwierzyli, to jednak dobrze byłoby, gdyby ci, którzy zobaczyli, właściwie to doświadczenie wykorzystali. Niestety, nie brak jednak też takich, co i widzieli, i słyszeli, i nic im to nie dało, bo przypadki beznadziejne zdarzają się wszędzie i zawsze, ale niech to nas nie zniechęca. Róbmy swoje, jak śpiewał Młynarski, a może – kto wie – doczekamy się dobrych owoców tej roboty.
Zapraszam do lektury majowego wydania naszego magazynu.
Przemysław Zbierski
(felieton)
W jaki sposób ktoś staje się krytykiem sztuki? Czy odkrywa w sobie powołanie do obsmarowywania innych? Czy ma tak bogatą i wszechstronną wiedzę, że musi wytykać wszystkim na około jej brak? Czy też czuje się jak kreator rzeczywistości – bardziej jeszcze twórczy od samych twórców? Wszystko to być może. Są jednak jeszcze inne powody.
Tomasz Gerard
Piotr Chmielowski, słynny przeszło sto lat temu krytyk literacki, po ukazaniu się „Niewoli tatarskiej” Sienkiewicza (a przed Trylogią) bezwzględnie i z niewzruszoną pewnością orzekł, że „wrota powieści historycznej są dla Sienkiewicza zamknięte”. Czyżby taki wybitny autorytet swojej epoki nie potrafił rozeznać wielkiego talentu? Chmielowski twierdził, że ocena, którą krytyk wystawia powinna być zgodna z interesami społecznymi – można więc zakładać, że proza pana Henryka (której charakterystyczny rys w „Niewoli tatarskiej” był już widoczny) nie leżała w interesie społecznym, oczywiście według ówczesnych czynników decyzyjnych. Nieco więcej można wywnioskować czytając innego antagonistę Sienkiewicza, też oczywiście uznanego i poważanego krytyka – Stanisława Brzozowskiego. Ten bowiem wprost uważał, że twórczość Sienkiewicza ma niszczycielski wpływ na polskie myślenie. Taka na przykład Marynia Połaniecka – pisał Brzozowski – nie ma nawet pojęcia co to jest walka klas, nie mówiąc o freudyzmie i innych nowych kierunkach. Jak widać, taki krytyk, jeden z drugim, mieli to polskie myślenie pchnąć na inne tory. Freudyzm – jasne, i inne kierunki też, walka klas, płci, dziś prawie wszystko na tym się opiera, Brzozowski byłby zadowolony. Wygląda na to, że jak wówczas, tak i dziś rola krytyka jest taka sama. W dobie nieustannej walki o pokój, równość i demokrację krytyk ma ważne zadanie wyznaczone mu przez aktyw partyjno-państwowy i różne inne międzynarodówki. On ma kształtować nowe społeczeństwo na wzór i podobieństwo tego, co się w mózgach rewolucjonistów i reformatorów wylęgło.
cały artykuł dostępny jest w wydaniu 5 (128) maj 2018
Szwajcaria kojarzy się najczęściej z bankami, zegarkami, górami, serami i czekoladą. Z produkcją samochodów niekoniecznie. A jednak, choć nie na taką skalę, jak ich sąsiedzi z zachodu, północy i południa, Szwajcarzy budowali i budują nadal samochody.
Raimund Engwer
Firmy takie jak Sauer, Franco Sbarro i Rinspeed przypominają nam, że nie tylko zegarki szwajcarskie są dokładne, perfekcyjne i innowacyjne. Znawcy motoryzacji pytani o samochody made in Switzerland z pewnością nie zapomną takiej marki, jak Monteverdi i jej kontrowersyjnego założyciela – Petera Monteverdiego, spokrewnionego ze słynnym renesansowym kompozytorem, uważanym za twórcę opery.
Binningen to mała miejscowość, zaledwie parę kilometrów na południe od Bazylei. Od 1926 roku prowadził tam ojciec Petera Monteverdiego dobrze prosperujący warsztat naprawczy samochodów osobowych i ciężarowych. Peter w młodych latach ciągle się kręcił po warsztacie ojca zdobywając wiedzę i doświadczenie związane z mechaniką pojazdów. Mając możliwość nauki zawodu w firmie ojca zdecydował się jednak na podjęcie nauki, jako mechanik, u producenta traktorów Vervey, niecałe 200 km od rodzinnej miejscowości. Traktory nie były jednak spełnieniem marzeń chłopca, dlatego podjął dalszy tok nauki w firmie Sauer, produkującej samochody ciężarowe. W roku 1954 umarł Rosolino Monteverdi, ojciec Petera. Dwudziestolatek przejął wówczas ojcowską firmę.
Monteverdi Special z 1952 roku – pierwszy samochód Monteverdiego
Ambicje i pasje tego młodego Szwajcara były wielkie. Co wystarczało ojcu, dla niego było niewystarczające. Ojcowski warsztat stał się wkrótce miejscem, gdzie można było kupić luksusowe i sportowe samochody. Pojazdy takie jak Jansen, Lancia, Bentley i Ferrari w niemałych ilościach sprzedawano i naprawiano w jego warsztacie. Monteverdi zawarł umowę z Ferrari i w roku 1957 był najmłodszym sprzedawcą tej marki na świecie. Dobrze prosperujący warsztat pozwalał na spełnianie jego pasji, którą były wyścigi samochodowe w różnorodnych kategoriach. Od 1955 roku przez sześć lat brał udział w około osiemdziesięciu wyścigach na samochodach takich, jak Ferrari, Renault Gordini, Lotus i Mercedes 300 SLR. W 1959 roku Peter Monteverdi testował w Modenie nawet Maserati 250F, na którym Juan Manuel Fangio wygrał swój piąty tytuł mistrza świata F-1. Samochód Formuły 1, choć był już lekko przestarzały, nadal miał potencjał do jazdy w czołówce. Peter chciał zakupić ten pojazd, aby nim wystartować w najbliższym sezonie F-1, po testach jednak zmienił zdanie. Powodem rezygnacji była prawdopodobnie świadomość zbyt małych własnych umiejętności do prowadzenia takiego samochodu. Od 1960 roku, w nowo powstałej firmie MBM (Monteverdi Basel Motors), Monteverdi produkował już tylko własne konstrukcje samochodów wyścigowych. Początkowo – samochody Formuły Junior, na ramie kratownicowej z dwusuwowymi silnikami od DKW, które Monteverdi polecał tuningować w różnych, przeważnie niemieckich firmach. Niestety bez wielkich osiągnięć. Warto wspomnieć, że właśnie Peter Monteverdi był pierwszym producentem szwajcarskiego samochodu F-1 i to prawie trzydzieści lat przed Peterem Sauberem. Samochód ten był skonstruowany na bazie pojazdu Formuły Junior z nieco grubszych rur i o 10 cm dłuższy. Był jak ragbag złożony z różnych marek samochodowych. Układ kierowniczy pochodził z Renault Dauphine, przednie hamulce tarczowe od firmy Dunlop, a tylne bębny od Porsche, tak jak i silnik. Pod koniec lat 60-tych dwudziestego wieku Monteverdi postanowił produkować luksusowe samochody sportowe. Jego koncepcje nie odbiegały od tego, co tworzyły włoskie firmy pokroju ISO Rivolta i De Tomaso. Biorąc masowo produkowaną i sprawdzoną technikę silnikową zza oceanu, karoserię zaprojektowaną i zbudowaną w znanych włoskich kuźniach stylistycznych, akcesoria różnych znanych europejskich firm samochodowych i odrobinę własnych zdolności konstrukcyjnych, budował wyjątkowe samochody dla garstki bogatych ludzi.
cały artykuł dostępny jest w wydaniu 5 (128) maj 2018
Powszechny dostęp do internetu spowodował, że sieć stała się miejscem wymiany poglądów i doświadczeń. Coraz częstszym zaczyna być także udostępnianie gotowych rozwiązań problemów natury technicznej. Przykładem są bezpłatne programy i aplikacje, które mogłyby pozwolić na redukcję kosztów utrzymania firmy, bądź zwiększenie konkurencyjności na rynku. Gdzie jest zatem przysłowiowy haczyk? Czy „za darmo” oznacza, że nie poniesiemy żadnych kosztów przy użyciu wspomnianych aplikacji? W niniejszym artykule postaram się przedstawić jakie są wady i zalety korzystania z bezpłatnych pakietów do symulacji inżynierskich.
Sławomir Polański
Każde oprogramowanie komputerowe udostępniane jest na pewnych zasadach, określonych w licencji. W przypadku aplikacji bezpłatnych są to licencje otwarte, co oznacza, że dany program może być swobodnie kopiowany i rozpowszechniany. Wśród licencji otwartych rozróżnić można typy licencji, które określają inne warunki, takie jak np. dostęp do kodu źródłowego czy zasady czerpania korzyści finansowych z aplikacji.
Rys. 1 Wizualizacja wyników otrzymanych przy pomocy aplikacji Calculix w środowisku PrePoMax. Źródło: http://lace.fs.uni-mb.si/wordpress/borovinsek
Cechą charakterystyczną wszystkich bezpłatnych programów jest to, że autor kodu nie ponosi odpowiedzialności za sposób, w jaki działa program. Tutaj właśnie uwydatnia się największa przewaga programów komercyjnych. Użytkownik płatnego oprogramowania może uzyskać pomoc od jego producenta, ponieważ wsparcie techniczne jest zazwyczaj wliczone w cenę produktu. Jeśli natrafimy na problem w czasie użytkowania aplikacji wolno-źródłowych, to niestety musimy polegać na swoich umiejętnościach. Chociaż w praktyce sytuacja nigdy nie wygląda tak źle, jak mogłoby się wydawać. Istnieje duża szansa na to, że komuś przytrafił się taki sam lub podobny problem do naszego i rozwiązanie znajdziemy również w internecie.
Należy pamiętać, że zarówno w przypadku aplikacji open-source, jak i płatnych programów do analiz inżynierskich nie mamy całkowitej pewności otrzymania poprawnego wyniku, toteż wyniki symulacji numerycznych powinny zostać poddane surowej ocenie i najlepiej – porównane z wynikami z rzeczywistych eksperymentów.
Znane i mniej znane bezpłatne pakiety do symulacji numerycznych
Jeśli zdecydujemy się już na użycie bezpłatnego oprogramowania, to warto wybrać takie, które ma liczne grono użytkowników oraz bazę tzw. benchmarków, czyli testów wzorcowych. Duża społeczność ułatwi nam uzyskanie pomocy w razie problemów z aplikacją, a benchmarki pozwolą ocenić dokładność solvera. Często stanowią one również nieocenioną pomoc przy budowie własnych modeli.
Przyjrzyjmy się najbardziej znanym programom do obliczeń numerycznych, które zostały udostępnione na otwartej licencji.
Calculix jest pakietem numerycznym służącym do rozwiązywania problemów inżynierskich przy użyciu metody elementów skończonych. Autorami oprogramowania są inżynierowie firmy MTU Aero Engines, którym program posłużył w czasie procesu projektowego silnika odrzutowego. Aplikację wyróżnia znakomity solver, który doskonale radzi sobie z problemami, zarówno liniowymi, jak i nieliniowymi. O jakości solvera może świadczyć fakt, że w sieci znaleźć można płatne oprogramowania z wbudowanym silnikiem obliczeniowym Calculixa. Dodatkowym atutem jest fakt, iż składnia pliku wsadowego jest bardzo podobna do składni komercyjnego oprogramowania Abaqus. W rezultacie, obecnym użytkownikom Abaqusa jest stosunkowo łatwo zrozumieć, jak działa Calculix. Niestety, sporym mankamentem programu jest ograniczony pre/postprocessor. Tę niedogodność można jednak częściowo zniwelować wykorzystując dostępne aplikacje zewnętrzne, takie jak np. PrePoMax.
Elmer jest oprogramowaniem do symulacji MES stworzonym w celach edukacyjnych przez IT Center for Science. Aplikacja pozwala na rozwiązywanie problemów z dziedziny mechaniki płynów, mechaniki strukturalnej, elektromagnetyzmu, przepływu ciepła oraz akustyki. To właśnie solver, który cechuje się stabilnością i rzetelnością otrzymywanych wyników, jest największą zaletą tego środowiska. Program ma również interfejs graficzny umożliwiający pre/postprocessing, niemniej jednak jego funkcjonalność jest dość ograniczona. Również w tym przypadku istnieje możliwość importu siatki oraz wizualizacji wyników w aplikacjach zewnętrznych.
Rys. 2 Proces przygotowania modelu do symulacji w programie Salome
Kolejna pozycja to środowisko do symulacji numerycznych skomponowane z trzech modułów: Salome, Code Aster i Code Saturne. Środowisko to zostało stworzone przez francuskiego potentata energetycznego Électricité de France i jest wykorzystywane w centrum badawczo-rozwojowym tejże firmy. Salome jest aplikacją, która pozwala na przygotowanie modelu do symulacji, tj. stworzenie geometrii/siatki od podstaw lub jej import z pliku zewnętrznego. Program może posłużyć również do wizualizacji wyników z analiz lub ich eksport np. do Paraview. Za rozwiązywanie zagadnień z dziedziny mechaniki strukturalnej odpowiedzialny jest silnik obliczeniowy Code Aster. Umożliwia on przeprowadzanie różnego rodzaju analiz mechanicznych (statycznych lub dynamicznych) również z uwzględnieniem nieliniowości (np. kontaktu między obiektami). Za analizy w dziedzinie mechaniki płynów odpowiedzialny jest solver Code Saturne, wykorzystujący metodę objętości skończonych. Aplikacja umożliwia przeprowadzenie dwu- i trójwymiarowych symulacji przepływów laminarnych bądź turbulentnych. Dostępnych jest kilka modeli turbulencji, m.in. k-epsilon, RANS i LES. W początkowym etapie rozwoju pakietu użytkowanie poszczególnych modułów było dość uciążliwe, ponieważ dostępna dokumentacja była napisana tylko w języku francuskim. Wraz z dalszym rozwojem oprogramowania pojawiła się dokumentacja w języku angielskim oraz powstały fora internetowe, gdzie w razie potrzeby można uzyskać pomoc.
Rys. 3 Zdyskretyzowany model motocykla w środowisku GMSH
Aplikacja GMSH służy głównie do przygotowania modelu do symulacji, choć istnieje również możliwość połączenia jej z zewnętrznym solverem oraz wizualizacji otrzymanych w ten sposób wyników. Pomimo prostej budowy program umożliwia tworzenie skomplikowanych topologicznie siatek, zarówno dla solverów MES jak i CFD. Celem, który przyświecał twórcom tego oprogramowania było stworzenie lekkiej, szybkiej i przyjaznej użytkownikom aplikacji, z możliwością parametryzacji pliku wsadowego. Cechą charakterystyczną tego środowiska jest fakt, że można nim operować zarówno za pomocą interfejsu graficznego, jak i poprzez operacje na pliku zawierającym definicję geometrii i siatki. Oprogramowanie zostało napisane w języku programistycznym C++; trwają prace nad budową interfejsu w języku Python. Dzięki łatwości obsługi i wielu zaawansowanym opcjom aplikacja GMSH ma szerokie grono użytkowników.
Pozycją obowiązkową na liście bezpłatnego oprogramowania do symulacji numerycznych jest OpenFOAM. To pakiet pozwalający przeprowadzić skomplikowane obliczenia z dziedziny mechaniki płynów z uwzględnieniem turbulencji, reakcji chemicznych, transferu ciepła i wielu innych zjawisk. Oprogramowanie zostało napisane w języku C++ i ma szereg bibliotek przystosowanych do rozwiązywania konkretnych problemów inżynierskich. Istnieje również możliwość napisania własnych bibliotek, co znacznie poszerza funkcjonalność silnika obliczeniowego. Nieustannie trwają też prace nad rozwojem tego oprogramowania, o czym świadczyć może stale zwiększająca się liczba dostępnych materiałów edukacyjnych.
Rys. 4 Wizualizacja wyników otrzymanych za pomocą pakietu OpenFOAM
Ostatnim, ale nie mniej ważnym oprogramowaniem jest Paraview. Platforma ta stosowana jest głównie do analizy i wizualizacji wyników symulacji numerycznych. Oprogramowanie ma szereg zaawansowanych opcji, dzięki czemu w niczym nie odstaje od dostępnych programów komercyjnych przeznaczonych do postprocessingu. Dodatkowym atutem programu jest interfejs języka Python, który często ułatwia analizę rezultatów. Przykładowo, pozwala na zautomatyzowanie czynności, których manualne wykonywanie mogłoby trwać znacznie dłużej. Kolejną zaletą interfejsu jest fakt, że umożliwia on poszerzenie funkcjonalności pakietu o funkcje niestandardowe, specjalistyczne, według naszych zapotrzebowań. Program został stworzony z myślą o analizie dużych zbiorów danych na dowolnym systemie operacyjnym, dzięki czemu aplikacja jest lekka, mobilna i przyjazna użytkownikowi.
Oczekiwania kontra rzeczywistość
Wiedząc do jakich aplikacji mamy powszechny dostęp, warto zastanowić się czego można od nich oczekiwać i w jaki sposób przygotować się do ich użytkowania. Pierwszym krokiem, który należy podjąć w tym kierunku jest zmiana nastawienia wobec tego typu oprogramowania. Przede wszystkim nie należy oczekiwać, że aplikacja będzie pracowała w ten sam sposób, w jaki pracuje platforma stworzona przez grupę dobrze płatnych programistów.
Rys. 5 Wizualizacja wyników w programie ParaView
Czynność, która w komercyjnym pakiecie możliwa była do osiągnięcia za pomocą kilku kliknięć myszką, w programie bezpłatnym może wymagać manualnych edycji w pliku tekstowym. Zdarza się również, że poszczególne etapy budowy modelu najwygodniej wykonać nie w jednym, a sekwencyjnie – w kilku różnych aplikacjach. Na domiar złego, większość solverów uruchamiana jest z linii komend i nie ma interfejsu graficznego, do którego wszyscy jesteśmy przyzwyczajeni. W tym miejscu czytelnik tego tekstu może zadać sobie pytanie – jaki więc jest sens użytkowania czegoś tak ciężkiego w obsłudze? Odpowiedzi jest kilka. Możliwa jest sytuacja, w której firmy nie stać na inwestycję w płatne oprogramowanie. Zdarza się również, że inżynierowie realizują projekty na zlecenie i wtedy perspektywa bezpłatnego oprogramowania będzie równoznaczna ze znaczną redukcją kosztów. W tym kontekście czas poświęcony na przygotowanie symulacji jest walutą, którą płacimy za użytkowanie tego typu aplikacji.
Oprogramowanie wolno-źródłowe w praktyce
Niewątpliwą przewagą programu wolno-źródłowego nad aplikacją płatną jest fakt, że możemy go używać dokładnie w taki sposób, w jaki chcemy. Nawet podstawowa wiedza z zakresu programowania pozwala na dodawanie swoich własnych funkcji, zdefiniowanie specyficznych warunków brzegowych czy implementację niestandardowych modeli materiałowych. Umiejętność programowania umożliwia także napisanie całkiem nowej aplikacji wykorzystującej najmocniejsze strony bezpłatnych pakietów. W oparciu o tę ideę opracowałem autorski program COFEA, na którym chciałbym zademonstrować możliwości bezpłatnych pakietów numerycznych.
Głównym zadaniem aplikacji jest minimalizacja czasu potrzebnego na przygotowanie modelu do symulacji. W tym celu program wykorzystuje język Python, aby stworzyć parametryczny model geometrii, który zostaje poddany dyskretyzacji w aplikacji GMSH. Następnie, na bazie otrzymanej siatki elementów skończonych tworzony jest plik wsadowy do środowiska Calculix. Dzięki zastosowaniu takiej procedury proces przygotowania części mechanicznej (w naszym przypadku: wirnika promieniowego) do analizy strukturalnej ograniczony jest do minimum.
Rys. 6 Interfejs graficzny aplikacji COFEA
Interfejs graficzny aplikacji COFEA pozwala na zdefiniowanie właściwości materiałowych, gęstości siatki i prędkości obrotowej wirnika. Program może zostać uruchomiony w jednym z dwóch trybów. Pierwszy z nich składa się z procedur mających na celu stworzenie nowej geometrii wirnika, na podstawie parametrów dostarczonych przez użytkownika. Inicjalizacja procesu odbywa się poprzez wciśnięcie przycisku Stwórz! w menu graficznym. Drugi tryb pracy aplikacji polega na stworzeniu modelu numerycznego i uruchomieniu obliczeń numerycznych. Analogicznie, tryb ten jest inicjalizowany poprzez kliknięcie na przycisk Calculix!.
Podczas tworzenia COFEA celem nadrzędnym było stworzenie środowiska, które umożliwia analizę modelu parametrycznego dowolnej części mechanicznej. W tym kontekście wirnik promieniowy znakomicie spełni swoją rolę, ponieważ odwzorowanie kształtu tak skomplikowanej geometrii nie jest prostą czynnością. Chcąc zatem przyjrzeć się, w jaki sposób powstaje geometria wirnika należy przeanalizować sekwencję plików uruchamianych podczas pracy aplikacji (Rys. 7).
Rys. 7 Schemat ideowy aplikacji COFEA
Program wykorzystuje ideę Gońca, który dostarcza wiadomość o strukturze obiektu do odpowiednich partii kodu. Z punktu widzenia użytkownika aplikacji proces tworzenia modelu rozpoczyna się na etapie funkcji testujDane. To tutaj użytkownik może nałożyć pewne ograniczenia, które pozwolą uniknąć błędów przy budowie geometrii. Przykładem takiego ograniczenia może być założenie, że średnica otworu wewnętrznego jest mniejsza od średnicy zewnętrznej wirnika. W przypadku gdy aplikacja wykryje, że któryś z warunków nie jest spełniony, następuje przerwanie procedury budowy modelu, a w zakładce Monitor znajdziemy informację o powodzie wstrzymania operacji.
Kolejna funkcja obliczWymaganeParametry służy do określenia punktów w przestrzeni, które wymagane są w procesie tworzenie geometrii. Jednym z zadań wymienionej funkcji jest ustalenie punktów leżących na krzywiźnie łopatki. Zadanie to wykonane jest w dwóch etapach. Najpierw, funkcja fsolve z biblioteki SciPy pozwala określić punkty A, B i C (patrz: Rys. 8).
Rys. 8 Szkic wirnika przedstawiający krzywiznę łopatki
Następnie, funkcje biblioteki SymPy służą do wyznaczenia konkretnych, równoodległych od siebie punktów na krzywej.
Funkcja przygotujPlik wywoływana jest na etapie, na którym obiekt Gońca zawiera już wszystkie niezbędne informacje do stworzenia modelu geometrycznego w programie GMSH. Analiza fragmentu kodu pozwoli nam przyjrzeć się, w jaki sposób budowana jest geometria.
#=================================.
# Procedura tworzenia okręgu zewnetrznego
#=================================.
# Pobierz parametry z obiektu Gońca
# pr_zewn = 317.0/2.0 -> promień zewnętrzny wirnika
pr_zewn = Goniec.Geo.pr_zewn
# il_lop = 9 -> liczba łopatek wirnika
il_lop = Goniec.Geo.il_lop
# Stwórz obiekt wirnika zawierąjacy wszystkie informacje mające zostać
# przesłane do programu GMSH
p = Part('wirnik')
# Stwórz punkt centralny
p.point(0.0,0.0,0.0)
# Zarejestruj wykonane kroki przy pomocy wskaźnika
st = p.prStart() #––––> Wstaw wskaźnik
# Stwórz punkt w przestrzeni dwuwymiarowej
polLop = [0.0,pr_zewn]
# Stwórz punkty poprzez rotacje pojedynczego punktu wokół punktu centralnego
p.rotation(poll_op,il_lop)
# Stwórz wektor zawierający punkty okręgu zewnętrznego
pktyOkreguZewnetrznego = p.prEnd(st) #––––> Zwróć wskaźnik
st = p.prStart() #––––> Wstaw wskaźnik
# Stwórz okrąg używajac punkty zawarte w wektorze pktyOkreguZewnetrznego
p.manyCircles(0,pktyOkreguZewnetrznego)
# Zapisz okrąg zewnetrzny w wektorze lukiZewnetrzne
lukiZewnetrzne = p.prEnd(st) #––––> Zwróć wskaźnik
Wykonanie przedstawionego kodu skutkuje zbudowaniem okręgu składającego się z dziewięciu łuków. Jest to pierwszy z ośmiu etapów zilustrowanych na rysunku 9. W analogiczny sposób wykonane zostały pozostałe etapy tworzenia modelu wirnika. Warto także zaznaczyć, że przedstawiony fragment kodu tworzy jedynie plik tekstowy, na bazie którego tworzony jest wirnik w programie GMSH. Takie podejście zdecydowanie ułatwia tworzenie modelu parametrycznego osobie, która nie zajmuje się programowaniem na co dzień.
Rys. 9 Etapowa budowa geometrii wirnika
Przed uruchomieniem analizy przygotowaną siatkę należy jeszcze przekonwertować do formatu kompatybilnego z aplikacją Calculix. W tym celu użyta zostaje funkcja konwertujSiatke, która nieznacznie modyfikuje plik z rozszerzeniem .inp wyeksportowany z programu GMSH. Następnie, przy pomocy funkcji stworzPlikWsadowy tworzony jest plik zawierający całość informacji niezbędnych do przeprowadzenia obliczeń. W kolejnym kroku uruchamiana jest symulacja, a moment, w którym na ekranie pojawi się okienko Calculixa oznaczać będzie, że zakończyła się ona sukcesem. Dodatkowo, zakładka Monitor umożliwia użytkownikowi sprawdzenia historii sygnałów wysyłanych przez solwer.
Celem symulacji wirnika promieniowego było sprawdzenie stanu naprężeń i przemieszczeń spowodowanych działaniem sił odśrodkowych na obiekt. Zakładając, że wirnik wiruje ze stałą prędkością obrotową, można uprościć model poprzez zmianę charakteru sił na statyczny. Tak przyjęte obciążenia można było zaimplementować w programie Calculix przy użyciu funkcji *CENTRIFUGAL. Jako dodatkowy warunek brzegowy przyjęto pozbawienie stopni swobody na powierzchni przy otworze, który znajduje się w centralnej części konstrukcji. Dyskretny model wirnika został zbudowany z elementów skończonych typu S6 i S8. Są to elementy opisujące przestrzeń międzywęzłową za pomocą funkcji interpolującej rzędu drugiego, stosowane do modelowania konstrukcji powłokowych.
Rys. 10 Wizualizacja wyników otrzymanych przy pomocy aplikacji Calculix
Nieodzownym etapem obliczeń numerycznych jest walidacja otrzymanych rezultatów. Niestety, z powodu braku dostępu do danych eksperymentalnych, jedynym sposobem sprawdzenia wyników było przeprowadzenie obliczeń analitycznych. Przy założeniu, że łopatki wirnika oraz część górna nie oddziałują w znacznym stopniu na jego podstawę, stan naprężeń w tejże podstawie zdefiniować można za pomocą równań opisujących zachowanie wirującego krążka. Na potrzeby rozpatrywanej analizy porównawczej stworzony został model wirnika z dwiema łopatkami, a symulacja została przeprowadzona zarówno w programie Calculix, jak i komercyjnym środowisku MES. Za cel obliczeń obrano wyznaczenie naprężeń promieniowych w funkcji promienia wirnika (Rys. 11).
Rys. 11 Naprężenia w podstawie wirnika na kierunku promieniowym
Porównując otrzymane wyniki z programu Calculix z rezultatami otrzymanymi przy użyciu komercyjnego oprogramowania łatwo zauważyć, iż są one niemalże identyczne. Świadczy to o wysokiej jakości kodu zaimplementowanego w oprogramowaniu otwarto-źródłowym. Co więcej, dowiedziono również, że przy pomocy aplikacji GMSH użytkownik jest w stanie uzyskać jakość siatki porównywalną z tą uzyskaną w programie komercyjnym.
Z drugiej strony, płatne pakiety do symulacji wyposażone są w specjalistyczne narzędzia do analizy otrzymanych wyników. W tym kontekście możliwości Calculixa są ograniczone. Trwają prace nad wizualizacją wyników w środowisku ParaView, a za kolejny etap rozwoju przyjęto zwiększenie bazy modeli parametrycznych oraz dodanie możliwości wyboru solwera innego niż Calculix, na przykład solwera OpenFOAM.
Sławomir Polański
źródła ilustracji:
http://lace.fs.uni-mb.si/wordpress/borovinsek
Zamieszczone za zgodą autora Tobiasa Holzmanna z Holzmann CFD
http://gmsh.info/
Zamieszczone za zgodą autora Tobiasa Holzmanna z Holzmann CFD
[5-11] Obliczenia własne uzyskane przy pomocy autorskiej aplikacji COFEA
artykuł pochodzi z wydania 5 (128) maj 2018
Konstrukcje pojazdów mechanicznych ciągle się zmieniają. Zwykle zmiany zachodzą na tyle wolno, że użytkownicy samochodów zauważają to dopiero wsiadając do auta wyprodukowanego np. trzydzieści lat temu. Dynamika często pozostaje ta sama, ale wiele szczegółów trudno zaakceptować. Poczynając od ilości miejsca w aucie, poprzez brak jakichkolwiek elektronicznych „pomocników”, na szoku podczas tankowania kończąc. Mimo to forma i wykonanie starego pojazdu często może fascynować, choć zbudowano go w czasach, gdy pojęcie SUVa lub crossovera było zupełnie nieznane, podobnie jak gniazdo USB. Podstawowe rozwiązania jednak nie ulegają zmianom.
Ryszard Romanowski
O ile w stosunkowo dużej konstrukcji można łatwo przewidzieć zmiany wymuszane postępem, to w przypadku jednośladów znacznie trudniej wymyślić i zamontować coś nowego. Kiedy przestały być one najtańszym środkiem transportu, wyparte przez popularne samochody, przewidywano, iż staną się niszowymi konstrukcjami dla ludzi owładniętych manią szybkości i być może przydatne będą dla służb, takich jak policja, z racji szybkości właśnie i rozmiarów, pozwalających dotrzeć niemal wszędzie. Tymczasem, w coraz bardziej zatłoczonych metropoliach niewielkie motocykle i skutery zaczęły stawać się najpraktyczniejszym środkiem transportu, dostarczającym ponadto wiele przyjemności z jazdy. Oczywiście były kryzysy, załamania rynku, wzloty i upadki wielkich firm, ale rynek motocyklowy trwał, a nawet rozwijał się coraz dynamiczniej. Nieprawdą okazały się opinie przewidujące, iż jednoślady znikną z dróg krajów takich jak np. Polska, gdzie pogoda nie sprzyja całorocznej jeździe. Największym europejskim rynkiem motocyklowym są Niemcy, kraj w którym klimat jest podobny. Brytyjskie premiery motocyklowe często organizowane są zimą, jak bowiem głosi teoria, Anglik jeździ przez cały rok.
Przysłowiowy wiatr we włosach, na zwinnym i szybkim jednośladzie jest marzeniem wielu. Nie wszyscy jednak mają odwagę zasiąść za kierownicą. Zbadały to właśnie działy marketingu pracujące podobnie jak w przemyśle samochodowym. Jedną z przeszkód dla adeptów bywała skrzynia biegów. Ułatwiono więc im życie, wprowadzając skrzynie bezstopniowe, głównie w skuterach i maszynach o niewielkiej pojemności skokowej. Obudowy stawały się coraz lepsze i skuteczniej chroniły przed kaprysami pogody. Skuterem można jechać w garniturze, zapominając o specjalnych i kosztownych butach, spodniach, kurtce i rękawicach. Wyposażenie dużych skuterów jest podobne do tego, które znamy z samochodów. Mamy do dyspozycji ekrany, nadmuchy powietrza itp. Automatyczne skrzynie trafiły też do motocykli. Honda potrafiła zmieścić w obudowie silnika dwusprzęgłową skrzynię automatyczną, co miało być idealną propozycją dla weekendowych motocyklistów nieradzących sobie z klasyczną zmianą biegów. Ciągle jednak problemem dla wielu potencjalnych klientów firm motocyklowych pozostawała stabilność pojazdu, zarówno podczas jazdy, jak i parkowania.
cały artykuł dostępny jest w wydaniu 5 (128) maj 2018
Specjalistyczny portal inżynierski dla osób zaangażowanych w tworzenie produktów – maszyn, urządzeń, mechanizmów, podzespołów, części, elementów itd. – od koncepcji do ostatecznego wykonania.