علوم پایه

شبیه سازی کامپیوتری و نقش آن در طراحی هواگردها

 

نوشته: reza128

شبیه سازی کامپیوتری از تکنیکهای نسبتا جدیدی است که با توسعه کامپیتوترها همگام بوده و امروزه در تمام زمینه های علمی و تکنولوژی کاربرد دارد در این نوشتار با توجه به اینکه شبیه سازی کامپیوتری بخصوص در ایرودینامیک تخصص خودم است قصد دارم به این موضوع مهم در طراحی هواگردها به زبان بسیار ساده بپردازم تا اطلاعات خوبی به خواننده با هر سطحی از معلومات داده باشم.

شبیه سازی کامپیوتری چیست؟

شبیه سازی کامپیوتری تصویر سازی و یا انیمیشن سازی نیست (هرچند که نتایج معمولا با یک تصویر یا انیمیشن نشان داده می شود) شبیه سازی کامپیوتری حل معادلات حاکم بر یک پدیده خاص فیزیکی (ایرودینامیک، انتقال حرارت، سازه ها و غیره) با استفاده از روشهای عددی به کمک کامپیوتر است. فرایند کار بطور خلاصه در سه مرحله انجام میشود:

1- استفاده از معادله حاکم بر پدیده فیزیکی مورد نظر (به عنوان مثال معادله موج برای محاسبه سطح مقطع راداری).

2- انتخاب یک روش عددی مناسب برای حل آن معادله (مهمترین و مشکلترین قسمت همین روش عددی است).

3- نوشتن برنامه کامپیوتری (یک نرم افزار) برای حل آن روش عددی.

دقت نتایج بستگی به خواست طراح و قدرت کامپیوتر مورد استفاده دارد در حالت کلی به دقتهای بیش از97% نیز می توان به راحتی در حل معادله حاکم رسید از این رو شبیه سازی کامپیوتری یکی از مهمترین ابزارهای طراحی مهندسی در جهان امروز است بطوری که تمامی هواگردهای امروزی به کمک این روشها طراحی شده اند، از جمله می توان به جنگده های نسل پنجم فعلی اشاره نمود.

1

شبیه سازی جریان هوا در اطراف ایرباس آ 380

در این روشها کافیست شما یک مدل سه بعدی از طرح مورد نظر طراحی کنید و محاسبات آیرودینامیکی، حرارتی، سازه ای و یا سطح مقطع راداری را به کمک کامپیوتر انجام دهید و دقت نیز بستگی به امکانات شما دارد (در مورد شرکتهای بزرگ طبیعی است که در حد عالی وجود دارد)، به همین دلیل دیگر کسب اطلاعات محرمانه از طرح جنگنده ها مشکل نیست و هر رقیب میتواند به راحتی خصوصیات طرحهای طرف مقابل را بدست اورد (به غیر از مواد مصرفی، کیفیت ساخت و اویونیک) نکته جالب این است که مدلهای سه بعدی بسیاری از جنگنده ها را با کیفیت خیلی خوب به راحتی می توان در سایتهای مختلف پیدا نمود و خریداری کرد البته توجه شود شبیه سازی کامپیوتری امکان طراحی را برای استفاده کننده فراهم میکند نه ساخت، زیرا فرایند ساخت چیز دیگری است به عنوان مثال اگر ما موتوری بسیار مدرن با شبیه سازی کامپیوتری طراحی کنم و ان را با متریال معمولی بسازیم همان شبیه سازی کامپیوتری می تواند پیش بینی کند که موتور فوق 2 ساعت نیز عمر نخواهد داشت!! (توجه شود استفاده از “مواد با کیفیت نامناسب” در قطعات مکانیکی لزوما باعث کاهش کارایی دستگاه نمیشود بلکه تاثیر ان بر عمر دستگاه است) لذا بحث طراحی و ساخت متفاوت است البته طراحان نیم نگاهی هم به امکانات ساخت دارند در غیر این صورت با یک طرح غیر قابل اجرا روبرو میشوند.

2

شبیه سازی جریان هوا اطراف تیغه های روتور کمپرسور یک موتور جت

امتیازهای شبیه سازی کامپیوتری

1- باعث سرعت در فرایند طراحی میشود.

2- باعث کاهش هزینه های طرح میشود به عنوان مثال در طراحی ابتدایی نرم افزار پرواز با سیم میتوان از داده های شبیه سازی ایرودینامیکی (داده های سی اف دی) استفاده نمود و نرم افزار سیستم پرواز با سیم را برای طرحهای ناپایدار و یا پایدار تحت کنترل کامپیوتر نوشت مانند کاری که بوئینگ در مدل 787 انجام داد.

3- بسیاری از ازمایشات که انجام انها دشوار و یا غیرممکن است را میتوان به سادگی انجام داد (تنها عامل محدودکننده قدرت کامپیوترهاست).

4- قدرت پیش بینی و انتخاب بالایی به طراح میدهد.

مورد چهارم از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا طراح میتواند نتیجه ان چیزی را که فکر می کند از قبل ببیند و به نقاط قوت و ضعف ان پی ببرد به عنوان مثال با شبیه سازی کامپیوتری طراحان اف 35 می دانستند که این هواپیما توانایی ابرکروز ندارد و در مقابل یک عمل انجام شده قرار نگرفته اند انتخاب خودشان بوده (درست یا غلط). به همین دلیل وقتی به یک طرح نگاه میکنید بدانید طراح ان از قبل عملکرد ان را با دقت بالایی می دانسته و برای رسیدن به هدف خاصی ان را طراحی کرده است. نمونه دیگر آن را می توان در طرحهای اف 35 و تی 50 دید که هر دو با استفاده از شبیه سازی کامپیوتری طراحی شده اند. همانطور که در شکل 1 می توان دید دو طرح متفاوت هستند. تی 50 یک طرح سرعتی اما اف 35 چنین نیست (این را می توان از دهانه های ورودی غیر متغیر موتور اف 35 هم متوجه شد که سرعت پرواز را بشدت محدود میکند) این نشان می دهد طراحان هدفهای متفاوتی را در نظر داشته اند ولی دقیقا میدانستند دنبال چه هستند در حالیکه یک علاقمند فقط ممکن است بگوید کاناپی اف 35 چقدر بزرگ و زیباست (البته واقعا هم هست).

3

دماغه و کاناپی اف 35 و تی 50

در اینجا دقت شود من قضاوتی در مورد برتر بودن هیچکدام از این دو طرح بر دیگری به عنوان یک جنگنده نمیکنم زیرا پارامترهای دیگری مانند اویونیک (رادار و سایر سنسورها و کلا الکترونیک جنگی آنها)، کیفیت ساخت و مواد مورد استفاده باید لحاظ شود و بررسی من صرفا مربوط به ظاهر است و از نظر ایرودینامیکی میگویم با دو طرح کاملا متفاوت روبرو هستیم.

4

نتایج شبیه سازی کامپیوتری سطح مقطع راداری سه هواپیمای اف 22، اف 35 و تی 50 از روبرو و پشت

سخن پایانی

این یک نوشتار ساده به زبان ساده برای علاقه مندان به دانستن موضوع شبیه سازی کامپیوتری بود همانطور که گفته شد مهمترین و مشکلترین قسمت در شبیه سازی کامپیوتری انتخاب روش عددی است. اگر کسانی علاقمند به مطالعه در سطح بسیار بالا هستند می توانند به مقاله من به آدرس های زیر رجوع کنند در این مقاله من قدرتمندترین روش عددی ارائه شده تاکنون را برای شبیه سازی کامپیوتری معرفی کرده ام که مربوط به 26 تیرماه سال 1395 است در ICCFD9 در استانبول. نکته مهم در مورد مدل ریاضی ارائه شده توسط اینجانب این است که نرم افزاری نوشته شده برمبنای این مدل (چنانچه نوشته شود) بوسیله کسانیکه دانش کمی در مورد رشته های مهندسی دارند هم قابل استفاده است زیرا مدل ریاضی به گونه است که از ایجاد جوابهای غیرفیزکی و غیرواقعی جلوگیری میکند. در واقع بعد از دهها سال که این الگوریتمها توسط ناسا یا با حمایت ناسا  ارائه میشد و مشکلات زیادی هم داشتند. این اولین الگوریتمی است که خارج از حمایت ناسا تهیه شده و فاقد هر گونه مشکلی است.

http://iccfd9.itu.edu.tr

یا ورژن قدیمی آن به ادرس زیر (ورژن جدید توصیه میشود اختلاف زیاد است)

http://world-science.ru/euro/512

یا

http://www.sci-en-tech.com/ICCM2015/Presentation_Schedule.html

نوشته های مشابه

بستن