Верификация и валидация лежат в основе качественного инженерного расчета. Без этих процедур высока вероятность неудачи при компьютерном моделировании или ошибки проектирования, что в конечном итоге принесет больше вреда, чем пользы.

Инженерные расчеты могут оказаться бесполезными при отсутствии надлежащей практики проверки и согласования результатов. Сначала разберем, что такое верификация и валидация. В качестве примера возьмем расчет конструкций методом конечных элементов, но изложенные идеи также применимы к CFD-анализу и другим видам расчетов.

Верификация – это процедура проверки правильности выполнения расчета МКЭ, а валидация – это процедура проверки достоверности результатов расчета (в идеале, после его верификации). Верификация показывает, правильно ли мы решили задачу, а валидация – правильно ли мы поставили задачу.

Решение задач методом конечных элементов носит приближенный и неустойчивый характер. Незначительные ошибки в расчетах, входных данных и граничных условиях могут привести к серьезным погрешностям результата. Однако гораздо хуже то, что могут возникнуть незначительные, но трудновыявляемые ошибки, которые существенно влияют на характеристики и срок эксплуатации конструкции. Например, если не задать температуру в узлах КЭ-модели, напряжения изменятся на 10% - это значение некритично при расхождении результатов расчета МКЭ и ручного расчета, но более чем достаточно для изменения усталостной долговечности в два раза. 

Ошибки неизбежны при расчетах методом конечных элементов – чем сложнее модель, тем выше вероятность ошибок. Суть верификации в том, чтобы предотвратить вред, который такие ошибки могут причинить конструкции. Существуют различные способы верификации в зависимости от типа расчета, расчетных деталей, заданной точности и уровня риска. Расчет необходимо начинать с четкого определения целей, ожидаемых результатов и их точности, а также основных расчетных требований.

В контексте вышеизложенного, приведем некоторые стандартные верификационные вопросы для статического расчета конструкций методом конечных элементов:

• Геометрия: соотносятся ли основные размеры КЭ-модели с физическими размерами детали?
• Соответствует ли масса и центр тяжести КЭ-модели соответствующим параметрам реальной детали?
• Правильны ли заданы свойства материала и подходят ли эти материалы для расчета конкретных областей?
• Правильно ли заданы главные оси анизотропии?
• Отвечают ли используемые типы элементов основным расчетным требованиям (например, удлиненные, продолговатые формы деталей для оболочки и балок)?
• Правильно ли подобраны для расчета конкретных областей такие свойства элементов, как толщина оболочки или момент инерции сечения балки?
• Обеспечивает ли измельчение сетки необходимую точность?
• Есть ли разрывы в сетке?
• Отвечают ли элементы критериям проверки формы?
• Правильно ли указана температура в узлах?
• Правильно ли приложены нагрузки с точки зрения места, направления и величины?
• Правильно ли применены закрепления с точки зрения места, направления и величины? Могут ли они предотвратить движение твердого тела?
• Правильно ли заданы уравнения ограничений?
• Правильно ли соединены элементы сборки?
• Испытывается ли КЭ-модель на свободное температурное расширение и движение твердого тела?
• Вызывает ли статическая нагрузка собственным весом ожидаемые силы реакции?
• Проанализированы и устранены ли ошибки и предупреждающие сообщения?
• Уравновешивают ли силы реакции приложенные нагрузки в каждом из направлений?
• Соответствуют ли величина и направление деформаций и напряжений КЭ-модели реальным свойствам физической конструкции? Согласуются ли они с данными ручного расчета?
• Согласуются ли результаты моделирования с расчетными требованиями (например, малая деформация)?
• Неразрывно ли напряжение во всех элементах?
• Высоки ли градиенты напряжений в области одного элемента?
• Выполняются ли естественные граничные условия для напряжений (например, напряжение по нормали к свободной поверхности близко к нулю)?

Это далеко не полный, но полезный список основных верификационных вопросов. Список может быть расширен в зависимости от особенностей проводимого расчета.