С помощью этого метода трудно создать высокоточные виртуальные объекты. Это связано с тем, что процесс похож на моделирование с помощью пластилина, но выполняется на компьютере. Однако его можно использовать и для проектирования объектов, где высокая точность и размеры не критичны для производства.
Информационные модели (схемы, карты, таблицы, графики и формулы)
Объекты (лат. objectum — предмет), если рассматривать их как единое целое, являются частью окружающего мира. Все, что люди изучают, используют и производят, является объектом. Каждый объект имеет имя, чтобы объекты можно было различать (например, стол, человек, город Москва, ураган Катрин и т.д.). Объекты могут быть заданы с помощью параметров. Параметры — это атрибуты, которые описывают свойства объекта. Они могут быть количественными (например, рост, вес, возраст, размер) или качественными (например, форма, материал, цвет, запах, вкус). Во многих случаях можно наблюдать изменения в состоянии объекта с течением времени, что приводит к изменению параметров объекта. Считается, что происходит некий процесс. Переход объекта из одного состояния в другое происходит при воздействии на него другого объекта.
Модели (модуль широты — измерение, франц. Модели — искусственно созданные объекты в виде форм, чертежей, логических и математических формул, компьютерных программ и физических структур; исследуемые объекты (явления, процессы, устройства, структуры, механизмы, конструкции), трудно поддающиеся непосредственному изучению, требующие больших затрат денег и энергии или труднодоступной, воспроизводит в более простой, уменьшенной форме структуру, свойства и отношения между элементами изучаемого объекта.
Исследуемый объект — это прототип (образец, прообраз), связанный с моделью. Модели могут быть сделаны из материалов, похожих на оригинал (например, модели деревянных конструкций также могут быть сделаны из дерева) или из материалов, совершенно отличных от оригинала (например, модели бумажных самолетов). В конечном итоге, модели могут быть нематериальными или абстрактными (например, математическая модель самолета или компьютерная модель сети).
Моделирование — это использование модели для исследования конкретного объекта (конкретного или абстрактного). Объектом моделирования является предмет, явление или процесс.
При создании модели делаются попытки отразить наиболее важные черты объекта, а неважные черты отбрасываются. Например, океаны и моря, континенты и крупные острова нарисованы на земле, но маленькие озера и островки на земле не показаны. Они не отображаются на шкале Земли.
Люди постоянно занимаются моделированием, поскольку модели помогают человеку понять реальный мир, упрощая объекты и явления. Более того, любая наука начинается с разработки простых и достаточных моделей.
Помимо материальных (предметных) моделей (модели игры, перчатки, дома), существуют также нематериальные модели: описания, виды, изображения, диаграммы, чертежи, графики и т.д. Математические формулы помогают объяснить, например, арифметические действия, геометрические отношения, законы движения, взаимодействие тел (S = VT, F = mm) и многое другое. Химические вещества помогают объяснить молекулярный синтез химических веществ и реакции. Таблицы, графики, диаграммы и рисунки можно использовать для визуализации различных закономерностей и зависимостей в реальном мире.
Все абстрактные модели не имеют физической реализации. Обобщенная модель, которая может быть представлена серией точек (геометрических фигур, символов, текстовых фрагментов), является точечной моделью. Любая текстовая модель может быть отображена на бумаге. Для построения символической модели необходимо выразить важность точек и знать правила их преобразования. Абстрактные модели, прежде чем превратиться в модели персонажей, сначала создаются в голове человека. Они могут передаваться устно от человека к человеку. В этих случаях модель еще не важна, поскольку не имеет ни рисуночной, ни типографской, ни текстовой формы. Модели человеческого разума существуют в виде ментальных репрезентаций (ментальных моделей). Модели, возникающие в результате умозаключений, называются вербальными (латинское слово — oral). Вербальными моделями также называют модели, которые объявляются в разговоре. Поэтому все абстрактные модели можно разделить на виртуальные и вербальные.
Представление и считывание данных в разных типах информационных моделей (схемы, карты, таблицы, графики и формулы)
Многообразие объектов влечет за собой огромное количество инструментов для реализации и объяснения этих моделей. Для изучения большинства объектов нет необходимости создавать модель материала. Если цель исследования ясна, достаточно представить ее в оптимальном виде с необходимой информацией. В данном случае это касается создания информационной модели. Информационные модели, как известно, являются абстрактными моделями, поскольку информация — это нематериальная категория.
Информационная модель — это намеренно отобранная информация об объекте, представленная в той или иной форме.
Простейшими примерами информационных моделей являются различные загадки, описывающие свойства («серый летом, белый зимой», «цвет зимой, цвет летом»), где нужно угадать название объекта. Информационные модели могут включать справочные и энциклопедические издания.
Форматы представления информационных моделей могут отличаться. Наиболее известные форматы следующие
- в виде сигналов;
- устная, словесная;
- символьная (числа, текст, символы);
- табличная;
- схемы, карты;
- графики.
В зависимости от цели, один и тот же объект может быть представлен в различных информационных моделях. Они отличаются друг от друга набором параметров и способом их представления. Рассмотрим пример информационного анализа модели, представляющей собой таблицу.
Пример 1.Затраты на перевозку между станциями A, B, C, D, E и E построены следующим образом Числа в ячейках на пересечении строк и столбцов представляют собой грузовые тарифы между соответствующими соседними станциями. Стоимость проезда по маршруту складывается из стоимости проезда между соответствующими соседними станциями. Если пересечение строки и столбца пустое, то станции не являются смежными. Выберите таблицу, в которой соблюдена конвенция. ‘Минимальная стоимость проезда из пункта А в пункт Б меньше 6’.
Решение. Во-первых, обратите внимание, что данные в таблице симметричны относительно главной диагонали. Это означает, что билет из А в Б в Б такой же, как и билет из Б в А.
Рассмотрим первую таблицу. Выберем все возможные варианты перевозки из A в B и рассчитаем соответствующие затраты: ac (3) + cb (4) — ac (3) + ce (2) + eb (2)
Примечания. Тарифы, указанные в скобках, являются стоимостью маршрута.
Стоимость как первого, так и второго варианта маршрута составляет 7.
Аналогично, во второй таблице: ac (3) + cb (4) — ae (1) + ec (2) + cb (4).
Как и в предыдущей таблице, стоимость как первого, так и второго варианта маршрута равна 7.
Опишите все варианты в третьей таблице: ac (3) + cb (4) — ac (3) + ce (2) + eb (1).
Стоимость последнего корневого варианта равна 6.
ОТВЕТ: таблица 3 содержит маршрут из A в B, стоимость которого не превышает 6.
Пример 2.Для конкретной модели информации, описанной в виде таблицы, создается диаграммная модель. Ячейки в точках пересечения строк и столбцов таблицы содержат стоимость проезда между соседними станциями. Пустые клетки означают, что станции не примыкают друг к другу.
Разрешение. Отметьте точки A, соединенные с точками C и D. Запишите точки C и D и соедините их с точкой A бантиком. Точка c должна быть соединена; в дополнение к A есть точки b и E. Точка d примыкает к A. Точка b исключает точку c, за исключением точки E. В результате получился следующий мотив.
Математические модели (графики, исследование функций)
Модели сигналов обычно делятся на математические и информационные.
Математическая модель — это точечная модель, сформулированная на языке математики и логики. Это система математических отношений, т.е. видов, уравнений, неравенств, графиков и т.д., отражающих взаимосвязи между различными параметрами объекта, предмета, процесса или явления.
Элементы математической модели можно подвергнуть нескольким математическим преобразованиям. Например, уменьшается количество сравнений сравнений, модель вычисления корня уравнения — выполняются различные арифметические операции. Математические модели используются для описания решений различных технических операций, многих физических процессов (планеты, автомобили и т.д.) — технических процессов (сварка, плавка металла и т.д.). Графики, таблицы и диаграммы позволяют изобразить различные закономерности и зависимости в реальном мире. Например, модель развития эпидемии может быть описана с помощью графов, с помощью типов. Полет ракеты, запущенной из огнестрельного оружия, можно смоделировать математически, используя известные виды движения, а затем спроектировать движение ракеты — баллистическую кривую — отображающую реальный полет снаряда. Математически изменяя параметры снаряда или характеристики движения, можно изучить, например, увеличение дальности или высоты.
Известно, что не все математические задачи можно решить детально, т.е. получая решения в форме вида. Есть еще много задач, которые практически решаются с помощью точных, т.е. арифметических методов. Компьютеры могут применяться для повышения точности и скорости вычислений.
В настоящее время большинство расчетов по математическому моделированию выполняются на компьютере с использованием специально адаптированных программных пакетов, которые используют
- в несколько раз сократить время проведения исследований;
- уменьшить количество участников эксперимента;
- повысить точность и достоверность эксперимента, а следовательно, увеличить контроль;
- за счет средств графической визуализации, например анимации, получить реальную «картинку»;
- повысить качество и информативность эксперимента за счет увеличения числа контролируемых параметров и более точной обработки данных. На экране компьютера возможно, например, формирование целой системы приборов, которые будут отслеживать изменение параметров объекта.
20.На этой схеме показан план дорог, соединяющих населенные пункты A, B, C, D, E, F и G. В таблице приведена информация о протяженности (в километрах) этих дорог. Диаграмма и таблица были созданы независимо друг от друга и поэтому используют разные символы. Требуется найти расстояние в километр от точки E до точки f.
Программный пакет для мультифизического моделирования
Чтобы избежать совмещения в моделировании работы, необходимо датировать материал и программное обеспечение, а также с самого верха. Моделирование, проведение и анализ результатов требуют обширных знаний, которыми обладают немногие компании. Даже имея самые быстрые компьютеры и самое большое программное обеспечение для знакомств, предприятия не могут работать без помощи экспертов.
Одним из решений этой проблемы является распространение нужных навыков среди широкого круга специалистов с помощью приложений, которые относительно легко освоить. Например, COMSOL Application Builder и ComSol Server Technologies позволяют целым проектным группам моделировать COMSOL Multiphysics.
Даже эксперты могут решать сложные проблемы без помощи специалистов — они могут задавать переменные, запускать процедуры моделирования и получать нужные им ответы. Приложение можно загрузить на сервер ComSol — программу, которую можно запустить из любого места через браузер или специальный офисный клиент.
Таким образом, конструктор приложений и сервер COMSOL демократизируют моделирование. Организации используют эти приложения для оптимизации исследований и роста, расширения возможностей инженеров, концентрации на высококачественных решениях и устранения рутинных обязанностей.
3. распространение «культуры симуляции».
Возрастающая сложность продукции и минимальное время выхода на рынок заставляют инженеров и предпринимателей менять свои рабочие процессы, ставя главной целью инновации. Тем не менее, внедрение дизайна на основе моделирования — это большое дело и требует скоординированных усилий со стороны руководства и персонала. Менеджеры должны понимать преимущества моделирования и правильно оценивать эффективность своих инвестиций в эту технологию.
Массовое внедрение моделирования позволяет компаниям разрабатывать более качественные продукты, сокращать время выхода на рынок и, следовательно, продолжать конкурировать. Без моделирования большинство инженерных организаций перестали бы понимать, как создавать продукты, выходящие за рамки базового уровня. Однако до недавнего времени сложность технологии ограничивала ее применение и не позволяла использовать весь ее потенциал.
Программное обеспечение для моделирования с его математическими уравнениями, громоздкими процессами установки и сложными пользовательскими интерфейсами долгое время оставалось в стороне от инженерной деятельности. Они были адресованы небольшой группе подготовленных исследователей и разработчиков, которые хорошо знали, как регулировать их или их параметры. Кроме того, программное обеспечение имело ограниченную функциональность, что делало его непригодным для многогранной работы по созданию сложных и инновационных продуктов.
Аппаратные ограничения
Отдел моделирования был еще более ограничен, когда появились технические требования конечных элементов (FEA) и вычислительной гидродинамики (CFD). Старые рабочие станции не обладали достаточной мощностью, необходимой для надлежащего управления сложными моделями и высокими компьютерными
Поэтому долгое время отсутствие профессиональных специалистов и недостаточная мощность рабочих станций не позволяли организациям в полной мере использовать потенциал моделирования. Сегодня, однако, препятствия сняты. Методология может быть использована практически всеми проектировщиками — особенно на ранних стадиях, оказывая наибольшее влияние на финишную прямую. Участие всей группы в моделировании на всех этапах может обеспечить максимальный эффект.
Компьютерное моделирование или физические испытания?
Моделирование различных природных процессов на компьютере значительно ускоряет процесс разработки продукта и экономит много денег на сборке тестовых моделей. Благодаря современным вычислительным мощностям и программному обеспечению инженеры могут моделировать отдельные компоненты и сложные комплексы, тем самым сокращая объем натурных испытаний, необходимых перед выпуском продукта в обращение. Отрасль сталкивается с такими проблемами, как затраты времени и роста, необходимые для разработки новых продуктов. В автомобильной и аэрокосмической промышленности моделирование требуется почти всегда. Ускорьте время роста и сократите расходы.
Производители и эксперты отрасли приложили немало усилий для того, чтобы преимущества моделирования планов были широко доступны. Однако сейчас организации начинают получать выгоду от массового внедрения методологий. Этому способствовали достижения во многих технологических областях и их широкое применение на практике. Мощные процессоры, высокопроизводительные твердотельные накопители (SSD) и большой объем памяти позволяют современным рабочим станциям успешно обрабатывать большие модели. Здесь возможности параллельной обработки выходят на новый уровень.
Сниженная цена рабочих станций делает их доступными для широкого круга пользователей. Компании могут значительно увеличить свою вычислительную мощность при тех же инвестициях.
Развитие высокопроизводительных компьютеров (HPC) позволяет компаниям решать задачи моделирования, которые очень сложны для средней рабочей станции. Сегодня компании имеют доступ к кластерным технологиям. Лучшее программное обеспечение для моделирования сертифицировано для работы на кластерах HPC, а новые поколения программного обеспечения облегчают управление ими.
Программное обеспечение для моделирования также претерпело значительные изменения за последние годы. Новые интуитивно понятные пользовательские интерфейсы сгладили сложность технологии, а сами приложения стали более мощными и простыми в настройке.
Поставщики программного обеспечения для моделирования активно работают над сертификацией. Программное обеспечение оптимизировано для использования всех возможностей современных рабочих станций: многоядерность, новейшие команды, более быстрые твердотельные накопители; параллельная обработка данных и полинимия делают сложные задачи намного быстрее и точнее.