Блог

О верификации и валидации расчетов методом конечных элементов

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.

Связанные новости
19 апреля 2022 года состоялось заседание секции №6 «Прочность и надежность строительных конструкций зданий и сооружений» Экспертного совета по аттестации программ для ЭВМ при Научно-техническом центре по ядерной и радиационной безопасности (ФБУ «НТЦ ЯРБ») Ростехнадзора.
АО «ЦИФРА» приняла участие в треке «Математическое моделирование» в рамках образовательного форума "Phygital universe", который проходил в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого. 27 апреля руководитель инженерной группы АО «ЦИФРА» Юрий Лавров, а также инженеры Рубцов Иван и Васильева Дарья выступили в Высшей школе теоретической механики с презентацией проектов из инженерной практики. 29 апреля Юрий и Дарья оценивали навыки математического моделирования и инженерного мышления участников форума при решении практического кейса от АО «ЦИФРА». По результатам защиты кейсов выбрано 5 победителей, которые получат дополнительные 10 баллов при поступлении в магистратуру в СПбПУ.
Связанные публикации в блоге
Бронеодеждой или БО согласно ГОСТ 34286-2017 называют средства индивидуальной броневой защиты, выполненные в виде пальто, накидок, плащей, костюмов, курток, брюк, комбинезонов, жилетов и т.п., предназначенные для периодического ношения с целью защиты туловища и (или) конечностей человека (за исключением стоп ног и кистей рук) от воздействия холодного оружия и огнестрельного стрелкового оружия, а также поражения осколками (далее - средства поражения). БО применяется тогда, когда может потребоваться защита жизни и здоровья человека. Она классифицируется и для нее проводятся испытания согласно назначенным классам.
Основной эксплуатационной характеристикой судна, определяющей возможности работы судна в ледовых условиях, является его ледовый класс. В прошлом каждое классификационное общество имело свою уникальную систему классификации судов ледового плавания, и, как следствие – свои нормативные требования к таким судам, однако в начале 2000-х годов Международной ассоциацией классификационных обществ (МАКО) была проведена работа по унификации этих требований, результатом которой стало введение двух систем классификации судов ледового плавания: системы балтийских ледовых классов (для плавания в Балтийском море и схожих по ледовым условиям морях) и системы полярных классов (для плавания в полярных водах), при этом требования каждого классификационного общества-члена МАКО остались в силе. Со вступлением в силу в 2017 году Международного кодекса для судов, эксплуатирующихся в полярных водах (Полярного кодекса) особенно актуальным стал вопрос присвоения судну полярного класса. Несмотря на то, что МАКО была определена приблизительная эквивалентность ледовых классов различных систем классификации (см. рис. 1), на практике для получения полярного класса необходимо подтверждение соответствия судна требованиям IACS UR I – requirements concerning Polar Class. Эти требования разделяются на корпус и механические установки. Рассмотрим пример выполнения анализа соответствия механических установок судна полярному классу.
Связанные вебинары
В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.
АО "ЦИФРА" объявляет о проведении серии лекций-вебинаров от ведущих приглашенных экспертов в области численного моделирования. В ходе первого вебинара данной серии будут рассмотрены вопросы прочностного анализа «легких» (lightweight) композитных конструкций при динамическом нагружении с использованием явных решателей (сеточного и бессеточного) ПО LS-DYNA.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.