شش دلیل مهم که نیاز به نرم‌افزارهای شبیه‌سازی را ثابت می‌کند

امروزه استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی جزو ضروری پروسه طراحی و ساخت است. مزایایی که نرم‌افزارهای شبیه‌سازی در اختیار ما قرار می‌دهند –و هرروز هم بر تعداد این مزایا افزوده می‌شود- استفاده از آن‌ها را راحت‌تر و دقت محاسبات را افزایش می‌دهد.

درگذشته، طراحی‌ها با تکیه‌بر فرمول‌ها و اطلاعات تئوری و تجربیات عملی انجام می‌شد. با ظهور کامپیوتر، انجام محاسبات و حل معادلات و… از طریق نوشتن برنامه‌های کامپیوتری بسیار آسان‌تر شد. هم‌زمان روش‌های عددی مختلف حل معادلات ریاضی ابداع شد و به‌تدریج توسعه داده شد. روش‌های المان محدود (FEM)، تفاضل محدود حوزه زمان (FDTD)، تفاضل محدود حوزه فرکانس (FDFT)، ممان (MoM) و همچنین روش‌های ترکیبی مانند MLFMM ازجمله روش‌های مرسوم حل معادلات هستند. در مقاله «۹ روش عددی فراگیر در نرم‌افزارهای شبیه ساز الکترومغناطیس» اطلاعات بیشتری درباره این روش‌ها کسب کنید.

در ادامه به ۶ دلیل که استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی را ضروری می‌کند، اشاره می‌کنیم:

افزایش سرعت طراحی

اولین و مهم‌ترین دلیل استفاده از کامپیوتر برای شبیه‌سازی، افزایش سرعت محاسبات در مقایسه با محاسبات دستی است. روش حل تمام معادلات موردنیاز، توسط روش‌های عددی در کامپیوتر ثبت می‌شود. فقط با واردکردن مقادیر اولیه و تعریف شرایط خاص، معادلات به‌سرعت حل می‌شوند.

افزایش دقت طراحی

انجام محاسبات پیچیده و فرآیندهای تکراری برای مغز انسان بسیار خسته‌کننده است و در زمان طولانی منجر به خطا می‌شود. ضمن اینکه تمرکز در انجام محاسبات، تنها یکی از فرآیندهای مغزی انسان است و به‌راحتی می‌تواند توسط عوامل بیرونی به هم بریزد و به کاهش دقت منجر شود. اما در کامپیوتر، انجام فرآیندهای تکراری بدون کاهش خطا انجام می‌شود. اگر داده‌های اولیه به‌درستی به کامپیوتر داده شوند، می‌توان اطمینان داشت که خروجی دقیقا همان چیزی است که باید باشد!

بهینه‌سازی پارامترهای طراحی

در برخی موارد لازم است با اعمال تغییراتی در طرح اولیه، پاسخ‌های خروجی را تغیر داده و به مقادیر مطلوب برسیم. بعد از ساخت عملا نمی‌‌توان چنین تغییراتی را اعمال کرد، یا در بهترین حالت اعمال این تغییرات باعث آسیب رساندن به ساختار خواهد شد. در نرم‌افزارهای شبیه‌سازی، این کار به‌راحتی و با استفاده از سوییپ پارامترهای مختلف طرح و همچنینی استفاده از روش‌های مختلف بهینه‌سازی برای رسیدن به پاسخ مطلوب امکان‌پذیر است.

جلوگیری از آزمون‌وخطا

درگذشته –شاید هم‌اکنون هم در برخی شرکت‌ها اتفاق بیفتد!- بعد از طراحی اولیه، یک نمونه اولیه از طرح، ساخته می‌شد. اندازه‌گیری‌های مختلفی روی آن انجام می‌شد تا ایرادات طراحی مشخص شود. با اعمال تغییراتی که عموما تجربی بودند، طراحی مجدد انجام می‌شد و این پروسه آزمون‌وخطا تا رسیدن به پاسخ نهایی ادامه داشت. در نرم‌افزارهای شبیه‌سازی می‌توان همین فرآیند آزمون‌وخطا را تا رسیدن به پاسخ مطلوب ادامه داد. به‌این‌ترتیب نمونه‌های ساخته‌شده با این روش، با دقت بسیار بالایی به نتایج شبیه‌سازی نزدیک خواهند بود.

به‌کارگیری تحلیل‌های آماری برای کاهش اثرات تلورانس ساخت

در طراحی اولیه، معمولا از المان‌های کاملا ایده آل استفاده می‌شود تا به پاسخ اولیه مطلوب برسیم. در مرحله بعد با جایگزین کردن المان‌های ایده آل با واقعی، بسیاری از پارامترهای محیط واقعی را به شبیه‌سازی وارد می‌کنیم. در این حالت تحلیل‌ها را به اندازه‌گیری‌های عملی، نزدیک می‌کنیم. یکی از مواردی که در عمل به آن برخورد می‌کنیم، تلورانس قطعات و پروسه ساخت است. با در نظر گرفتن این نکته هر المان، تلورانسی دارد، برآیند همه تلورانس‌ها روی‌هم می‌تواند اثر مخرب در پاسخ نهایی داشته باشد. در نرم‌افزارهای شبیه‌سازی با استفاده از تحلیل‌های آماری می‌توان اثر تلورانس المان‌های مختلف روی پاسخ نهایی را محاسبه کرد و با تغییر مقادیر، بهینه‌سازی و… به پاسخ مطلوب رسید.

کاهش زمان و هزینه ساخت

هزینه‌های ساخت خصوصا برای نمونه اولیه، معمولا بسیار زیاد است. مخصوصا اگر نیاز به طراحی مجدد، بهینه‌سازی طرح اولیه و… باشد. نرم‌افزارهای شبیه‌سازی با استفاده از امکاناتی که در بالا اشاره شد، از اتلاف هزینه و زمان جلوگیری می‌کند. اگر به اصول استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مسلط باشیم، با استفاده از دانش تئوری مناسب، می‌توانیم طرح‌هایی ارائه دهیم که بعد از ساخت، با دقت بسیار بالایی به پاسخ‌های مطلوب برسیم.

نتیجه گیری

در بالا به تعدادی از مزایای مهم نرم‌افزارهای شبیه‌سازی اشاره کردیم. اما به این نکته توجه داشته باشید که صرف تسلط بر این نرم‌افزارها برای استفاده بهینه از آن‌ها، کافی نیست. داشتن اطلاعات تئوری کافی برای استفاده صحیح از امکانات نرم‌افزارهای شبیه‌سازی ضروری است. به‌عنوان‌مثال نمی‌توان انتظار داشت بدون دانستن اصول انتشار امواج و معادلات ماکسول، یک آنتن طراحی کنیم و انتظار عملکرد صحیح داشته باشیم!

توصیه اکید ما به دانشجویان و فارغ‌التحصیلانی که درصدد یادگیری نرم‌افزارهای شبیه‌سازی در هر حوزه‌ای هستند، تسلط کافی به تئوری‌های موردنیاز آن حوزه است. زیرا داده‌های اولیه توسط شما به کامپیوتر معرفی می‌شود. اگر این داده‌ها و شرایط حل معادلات به‌درستی تعریف نشوند، مطمئنا به پاسخ مطلوب نخواهید رسید. ضمن اینکه در بسیاری از موارد، بررسی و رفع خطاهای نرم‌افزاری، نیاز به چنین دانشی دارد.

منبع: آر-اف پلاس