Для чего необходимо создание физических моделей

Физическое моделирование

Физи́ческое модели́рование — метод экспериментального изучения различных физических явлений, основанный на их физическом подобии. Метод применяется при следующих условиях:

Метод состоит в создании лабораторной физической модели явления в уменьшенных масштабах, и проведении экспериментов на этой модели. Выводы и данные, полученные в этих экспериментах, распространяются затем на явление в реальных масштабах.
Метод может дать надёжные результаты, лишь в случае соблюдения физического подобия реального явления и модели. Подобие достигается за счёт равенства для модели и реального явления значений критериев подобия — безразмерных чисел, зависящих от физических (в том числе геометрических) параметров, характеризующих явление. Экспериментальные данные, полученные методом физического моделирования распространяются на реальное явление также с учётом критериев подобия.

В широком смысле, любой лабораторный физический эксперимент является моделированием, поскольку в эксперименте наблюдается конкретный случай явления в частных условиях, а требуется получить общие закономерности для всего класса подобных явлений в широком диапазоне условий. Искусство экспериментатора заключается в достижении физического подобия между явлением, наблюдаемым в лабораторных условиях и всем классом изучаемых явлений.

Некоторые примеры применения метода физического моделирования:

Источник

Моделирование физических процессов при разработке электроники: почему и для чего?

Разработка корпусов для электроники — одна из наших любимых тем на Хабре. Мы уже рассказывали о роли промдизайна, разработке конструкции и производстве прототипов, но пока не затрагивали одну из самых интересных и важных тем — испытания спроектированных устройств, как виртуальные, так и реальные.

1. Проверка надёжности крепления корпуса

Начнем с устройства для отправки сигнала SOS, которое встраивается в салон автомобиля. По условиям технического задания оно должно крепиться на защелках, использовать винты запрещено.

Рис. 1. SOS-устройство в салоне авто (лицевая сторона)

В процессе разработки решено смоделировать столкновение транспортного средства с преградой. Цель — сохранить работоспособность устройства после аварии, и обезопасить пассажиров (ведь они не хотят получить травму из-за того, что устройство выскочило из крепления).

Вот так устройство выглядит с внутренней стороны приборной панели авто:

Рис. 2. Корпус SOS-устройства (внутренняя сторона)

Что же произойдет при столкновении? Используется довольно мощное крепление, посмотрите на защелки. Нужно ли моделировать?

Расчет решено сделать в 2 этапа, чтобы учесть усилие прижима защелок:

Рис 3. Моделирование процесса защелкивания (снаружи)

Рис 4. Моделирование процесса защелкивания (в разрезе)

Из анимации видно, что защелка сначала проходит сквозь деталь. Такую хитрость можно и даже нужно делать при упрощении задачи. В нашем расчете контакт деталей был включен позже.

Далее — моделирование процесса столкновения автомобиля с препятствием с учетом преднатяга защелок, т.е. наш первый расчет переносится во второй:

Рис. 5. Вылет устройства из приборной панели в результате ДТП

После таких результатов на изделие уже смотришь совсем другим взглядом. Обратите внимание, какой образован рычаг в конструкции.

На этом проекте всё уже было готово к производству прототипов. Поджимали сроки. Никто не ожидал таких результатов. По итогам моделирования мы вовремя приостановили производство прототипов. На одну итерацию стало меньше, сэкономлены деньги заказчика.

Мы внесли изменения в конструкцию, в результате которых вылет устройства стал значительно меньше за счет подбора новых компонентов на плате. Также было скорректировано крепление нижней части устройства.

Ещё один пример моделирования на этом проекте — расчеты на дефекты литья пластмассы (литьё под давлением). Они позволили подобрать оптимальные материалы и сделать детали более технологичными. В результате был получен отчет о возможных утяжинах при запуске изделия в серийное производство. Также проведен расчет на остаточные напряжения в отливке.

Такие дефекты чаще всего возникают из-за неравномерного охлаждения отливки, и зависят от материала изделия. В дальнейшем они могут привести к появлению трещин и полному разрушению корпуса. Вы могли сталкиваться с таким явлением, если наблюдали, как пластиковое изделие начинает трескаться через определенное время.

2. Пластиковые корпусы: дефекты отливки

А теперь давайте перейдем к следующему проекту. Ниже представлена фотография элемента пластикового корпуса, который производится серийно.

Рис. 6

А это — результаты моделирования его отливки (с лицевой стороны изделия проблем не видно):

Рис. 7

Скорее всего, вы уже видели подобные дефекты на пластике. В данном случае он расположен только на внутренней стороне, но все же заказчик должен знать об этих дефектах. Вы наверняка заметили, что известные бренды не допускают подобных проблем в своих продуктах.

Как видите, результаты моделирования не совпадают на все 100 процентов с реальностью, но общая картина все-таки схожа. В серийном производстве одна отливка может отличаться от другой, это нормальное явление.

Некоторые изделия могут оказаться с дефектом по вине изготовителя. С помощью САЕ-системы можно дать рекомендации производителю и так уменьшить количество итераций с его стороны. Именно так мы и поступили в данном проекте, в результате проблема была решена в короткий срок. И изделие стало выпускаться серийно без видимых дефектов не только снаружи, но изнутри тоже.

Ещё один пример. На рисунке ниже показана анимация заливки изделия. В расчете учитывалась литниковая система, система охлаждения пресс-формы ну и сама пресс-форма:

Рис. 8

Дефект отливки выделен красным цветом:

Рис. 9

Этот дефект чётко виден и на фотографии:

Рис. 10

3. Краш-тесты электроники

Испытания на прочность — популярная тема в обзорах планшетов и смартфонов. Часто на форумах обсуждают, будет ли работать устройство после случайного падения.

Мы тоже проводим такие тесты в процессе разработки потребительской электроники. Возьмём в качестве примера шлюз Bluetooth:

Рис. 11

При падении с высоты 1,2 метра устройство должно быть в первозданном состоянии, это было одно из требований заказчика. В техническом задании были отмечены возможные проблемные места, в которых устройство могло сломаться. Мы провели 7 расчетов и получили положительные результаты. На рисунке ниже показан один из результатов расчетов:

Рис. 12

После изготовления прототипов мы ещё раз провели испытания, на этот раз — падение устройства в реальной жизни. Результаты — снова положительные.

Стоит учитывать, что фрезерованные прототипы по физическим характеристикам немного отличаются от серийных корпусов, которые производятся методом отливки — при фрезеровке в изделии остаются остаточные напряжения. Однако и в этом случае лучше произвести испытания.

После анализа полученных прототипов было принято решение немного усилить корпус, добавив в конструкцию ребра. После моделирования эффекта нажатия пальцем на корпус жесткость устройства должна была увеличиться приблизительно на 30 процентов:

Рис. 13

Вторым этапом стал заказ новых прототипов.

После испытаний на устойчивость к падению устройство, тем не менее, стало ломаться, чего никто не ожидал:

Рис. 14

Такой вот ценный опыт. Хорошо, что корпус еще не был запущен в серийное производство.

Решено провести повторное моделирование и сравнить результаты с практикой. И действительно, программа показала это новое проблемное место:

Рис. 15

Решено убрать отдельные ребра. После очередного моделирования получены положительные результаты.

Вывод — при любом изменении конструкции нужно обязательно делать повторные расчеты, а компьютерное моделирование физических процессов помогает сэкономить время и деньги при разработке электронике. Уж лучше проверять корпус на прочность в системах инженерного анализа, а не в реальной жизни.

[?!] Вопросы и комментарии приветствуются. На них будет отвечать наш инженер-конструктор Максим Кендысь, эксперт по моделированию изделий из пластмассы и металла в системах инженерного анализа (CAE).

Источник

Физическая модель (моделирование)

Физическая модель — это модель, создаваемая путем замены объектов моделирующими устройствами, которые имитируют определённые характеристики либо свойства этих объектов. При этом моделирующее устройство имеет ту же качественную природу, что и моделируемый объект.

Физические модели используют эффект масштаба в случае возможности пропорционального применения всего комплекса изучаемых свойств.

Физическая модель представляет собой аналоговую модель, в которой между параметрами объекта и модели одинаковой физической природы существует однозначное соответствие. В этом случае элементом системы ставятся в соответствие физические эквиваленты, воспроизводящие структуру, основные свойства и соотношения изучаемого объекта. При физическом моделировании, основой которого является теория подобия, сохраняются особенности проведения эксперимента в натуре с соблюдением оптимального диапазона изменения соответствующих физических параметров.

См. также

Полезное

Смотреть что такое «Физическая модель (моделирование)» в других словарях:

Физическая модель — У этого термина существуют и другие значения, см. Физическая модель (моделирование). Физической моделью процесса или явления называется его математическая модель, составленная из идеальных физических объектов. Изучением физических моделей самих… … Википедия

Модель — У этого термина существуют и другие значения, см. Модель (значения). Для улучшения этой статьи желательно?: Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторите … Википедия

Модель (наука) — У этого термина существуют и другие значения, см. Модель (значения). Модель (в науке) это объект заместитель объекта оригинала, инструмент для познания, который исследователь ставит между собой и объектом и с помощью которого изучает… … Википедия

МОДЕЛИРОВАНИЕ — физическое, замена изучения нек рого объекта или явления эксперим. исследованием его модели, имеющей ту же физ. природу. В науке любой эксперимент, производимый для исследования тех или иных закономерностей изучаемого явления или для проверки… … Физическая энциклопедия

Моделирование — исследование явлений, процессов, объектов или систем объектов путём построения и изучения их моделей; использование моделей для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых объектов.… … Энциклопедия техники

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ — раздел химии, в котором изучаются химические свойства веществ на основе физических свойств составляющих их атомов и молекул. Современная физическая химия широкая междисциплинарная область, граничащая с различными разделами физики, биофизики и… … Энциклопедия Кольера

моделирование — моделирование — исследование явлений, процессов, объектов или систем объектов путём построения и изучения их моделей; использование моделей для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых … Энциклопедия «Авиация»

моделирование — моделирование — исследование явлений, процессов, объектов или систем объектов путём построения и изучения их моделей; использование моделей для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых … Энциклопедия «Авиация»

Модель мира — Научная картина мира (НКМ) (одно из основополагающих понятий в естествознании) особая форма систематизации знаний, качественное обобщение и мировоззренческий синтез различных научных теорий. Будучи целостной системой представлений об общих… … Википедия

Модель мироздания — Научная картина мира (НКМ) (одно из основополагающих понятий в естествознании) особая форма систематизации знаний, качественное обобщение и мировоззренческий синтез различных научных теорий. Будучи целостной системой представлений об общих… … Википедия

Источник

Физическая модель (моделирование)

Физические модели используют эффект масштаба в случае возможности пропорционального применения всего комплекса изучаемых свойств.

Физическая модель представляет собой аналоговую модель, в которой между параметрами объекта и модели одинаковой физической природы существует однозначное соответствие. В этом случае элементам системы ставятся в соответствие физические эквиваленты, воспроизводящие структуру, основные свойства и соотношения изучаемого объекта. При физическом моделировании, основой которого является теория подобия, сохраняются особенности проведения эксперимента в натуре с соблюдением оптимального диапазона изменения соответствующих физических параметров.

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Компьютерная модель (англ. computer model), или численная модель (англ. computational model) — компьютерная программа, работающая на отдельном компьютере, суперкомпьютере или множестве взаимодействующих компьютеров (вычислительных узлов), реализующая представление объекта, системы или понятия в форме, отличной от реальной, но приближенной к алгоритмическому описанию, включающей и набор данных, характеризующих свойства системы и динамику их изменения со временем.

Распределённые системы в физике — термин, обычно применяемый к колебательным системам, также сплошные колебательные системы — физические системы, динамические характеристики которых (например, масса и упругость в механических системах, индуктивность и ёмкость в электрических) не сосредоточены (только) в точечных элементах (не приложены только к точечным элементам), а распределены тем или иным образом непрерывно по пространству (конечным или бесконечным областям пространства), поверхностям, линиям.

Методы прогнозирования в экономике — это совокупность научных методик, которые используются специалистами для разработки оптимальных алгоритмов дальнейшего развития различных сфер экономики каждого конкретного государства или мировой экономики в целом.

Источник

Физическое моделирование (ФМ)

Дата добавления: 2013-12-23 ; просмотров: 3595 ; Нарушение авторских прав

Под физическим моделированием понимают метод исследования на моделях, имеющих одинаковую с оригиналом физическую природу и воспроизводящих весь комплекс свойств изучаемых явлений. Самым наглядным примером такой модели является лабораторная установка.

Физическое моделирование базируется на физическом подобии, которое подразумевает геометрическое подобие, подобие скоростей, сил, сред и т.д. Научной основой физического моделирования является теория подобия. В химической технологии теория подобия распространена чрезвычайно широко и студентами химико-технологических специальностей изучается в курсе «Процессы и аппараты химической технологии».

– полное воспроизводство процесса;

– возможность регистрации наблюдений без преобразующих устройств;

– изучение явлений, не поддающихся математическому описанию.

– для исследования каждого нового процесса необходимо создавать новую модель;

– изменение параметров оригинала часто требует физической переделки или полной замены модели;

– высокая стоимость изготовления моделей сложных объектов;

– в ряде случаев имеются ограничения или оно вообще не применимо.

Последний недостаток проявляется, например, для систем с протеканием химических реакций, так как результат их протекания находится в сложной зависимости от геометрических размеров аппаратов и кинетических закономерностей процесса.

Рассмотрим два примера на применение теории подобия в физическом моделировании.

При строительстве оросительного канала требуется предсказать места наиболее вероятного отложения осадка. Для этого необходимо знать распределение скоростей потока в различных его сечениях. Канал является крупным гидротехническим сооружением и поэтому перед строительством необходимо провести исследование его характеристик на модели. Параметры модели, при которых она будет подобной оригиналу, можно определить с помощью теории подобия. Чтобы выполнялись условия геометрического и гидродинамического подобия между оригиналом и моделью необходимо и достаточно, чтобы выполнялось равенство критериев Рейнольдса в паре сходственных точек

(1.1)

где W_1,2 – скорость потока; L_1,2 – характерный размер и – кинематическая вязкость жидкости (индекс 1 соответствует оригиналу, 2 – модели).

При использовании одинаковых жидкостей получим

(1.2)

т.е., чтобы выполнялось подобие, отношение скоростей в оригинале и модели должно быть обратно пропорционально отношению их геометрических размеров.

Однако применение теории подобия не всегда бывает удачным. Рассмотрим второй пример, где требуется смоделировать распределение жидкости в оросителе насадочной колонны типа «плита». Главный показатель хорошей работы оросителя – равномерное распределение жидкости между различными патрубками. Предположим, что диаметр оригинала L₁ =6, а модели L₂ = 1,5 (м). В данном случае на движение жидкости кроме сил вязкости будет оказывать влияние и сила тяжести, характеризуемая критерием Фруда. Поэтому условия подобия, кроме равенства критериев Рейнольдса, должны удовлетворять и равенству критериев Фруда в паре сходственных точек.

(1.3)

С целью облегчить создание подобия модели и оригинала введем дополнительные условия: и тогда выражения (1.3) примут вид

(1.4)

Система (1.4) имеет единственное решение L₁ = L₂, что делает бесполезным моделирование.

Попробуем добиться подобия, меняя вязкость жидкости, то есть введя ограничения только на g₁ = g₂. В данном случае система (1.3) примет вид

(1.5)

Решением системы является формула

. (1.6)

Это значит, что для модели вчетверо меньшей оригинала должна быть использована жидкость с вязкостью в 8 раз меньшей, чем у воды. Найти такую жидкость практически невозможно.

Попробуем решить задачу, изменяя g. Для этого модель потребуется поставить в центрифугу. Убедившись, что замена жидкости ничего не дает, оставим условие . Тогда из условия (1.3) получим

(1.7)

Решение системы имеет вид

(1.8)

т.е. если L₁/L₂ = 10 (для меньшего соотношения не найти центрифугу), то центрифуга должна создавать ускорение 1000 g₁, что превышает ее технические возможности.

Таким образом, усложнение задачи путем ввода второго условия подобия привело к практической невозможности построения модели, подобной оригиналу. Когда критериев более двух, то подобия модели и оригинала добиться еще сложнее. Этот недостаток в значительной мере ограничивает применение теории подобия для моделирования процессов и аппаратов химической технологии.

Не нашли то, что искали? Google вам в помощь!

Источник