Νικόλαος Βιλλιώτης
MSc ΕΜΠ, Μηχανικός ΣΜΑ
Η αναλυτική μελέτη των φυσικών φαινομένων αποτελεί παραδοσιακά μία από τις βασικές μεθόδους κατανόησης του κόσμου γύρω μας. Ωστόσο, η αντιμετώπιση σύνθετων φαινομένων που περιλαμβάνουν μη γραμμικότητες, πολύπλοκες γεωμετρίες και άλλα μη ιδεατά χαρακτηριστικά παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες. Συχνά, οι αναλυτικές λύσεις είναι είτε εξαιρετικά πολύπλοκες είτε αδύνατο να προκύψουν, περιορίζοντας τη δυνατότητα ακριβούς πρόβλεψης της συμπεριφοράς των συστημάτων. Αυτή η αδυναμία δημιούργησε την ανάγκη για την ανάπτυξη προηγμένων υπολογιστικών εργαλείων, τα οποία αξιοποιούν τη δύναμη των μαθηματικών μοντέλων και των αριθμητικών μεθόδων, σε συνδυασμό με την ικανότητα των ηλεκτρονικών υπολογιστών να εκτελούν τους υπολογισμούς αυτούς πολύ πιο γρήγορά από ότι ένας άνθρωπος. Η απαίτηση για χρήση υπολογιστικών μεθόδων προσομοίωσης προέκυψε αρχικά από την αεροδιαστημική βιομηχανία, όπου ήταν ζητούμενο οι κατασκευές να έχουν το ελάχιστο δυνατό βάρος, ενώ ταυτόχρονα μια αστοχία υλικού θα είχε καταστροφικές συνέπειες. Σύντομα όμως τα εργαλεία αυτά πέρασαν και σε μηχανικούς που εργάζονταν σε διαφορετικές βιομηχανίες.
Η προσομοίωση φαινομένων με την χρήση υπολογιστικών μεθόδων βοηθάει λοιπόν τους μηχανικούς να βελτιστοποιήσουν τα προϊόντα που σχεδιάζουν ως προς την ασφάλεια, τις επιδόσεις και το κόστος εδώ και δεκαετίες. Από το 1971 όμως, το έτος όπου τα πρώτα εμπορικά πακέτα λογισμικού προσομοίωσης NASTRAN και ANSYS έγιναν διαθέσιμα, μέχρι και σήμερα, τα εργαλεία που έχουν στη διάθεση τους οι μηχανικοί έχουν εξελιχθεί σε πολύ μεγάλο βαθμό. Και όπως διαφαίνεται, θα συνεχίσουν να το κάνουν τα επόμενα χρόνια.
Σήμερα, τεχνολογίες όπως η Τεχνητή Νοημοσύνη (AI) και το High Performance Computing (HPC) είναι μεν ραγδαία αναπτυσσόμενες αλλά βρίσκονται δε και σε επίπεδο ωριμότητας που τις κάνει ικανές να συνεισφέρουν άμεσα τόσο στην βιομηχανία όσο και στην έρευνα και ανάπτυξη αντίστοιχων εργαλείων. Το γεγονός αυτό μας φέρνει σε ένα χρονικό σημείο καμπής ως προς την ανάπτυξη των δυνατοτήτων της προσομοίωσης, οι οποίες αναμένεται να αυξηθούν με πολλαπλούς τρόπους. Η σημασία της παρούσας συγκυρίας διαφαίνεται και από τις ζυμώσεις που επικρατούν στην ίδια την βιομηχανία της προσομοίωσης. Πιο συγκεκριμένα, εντός του 2024 επισημοποιήθηκαν δύο πολύ μεγάλες συμφωνίες οι οποίες αναμένεται να αλλάξουν το τοπίο σχετικά με τις εμπορικά διαθέσιμές λύσεις σχεδίασης και προσομοίωσης τους επόμενους μήνες.
Στις αρχές του έτους ανακοινώθηκε η εξαγορά της ANSYS από την Synopsys, μια εταιρία σχεδίασης και κατασκευής ημιαγωγών. Οι δύο εταιρίες μετά την συγχώνευση τους στοχεύουν να συνδυάσουν το επίπεδο εξειδίκευσης που έχει η κάθε μια στον τομέα της και να αποτυπώσουν το αποτέλεσμα στο νέο τους portfolio το οποίο θα δώσει νέες προοπτικές καινοτομίας στους πελάτες τους [1]. Τα πρώτα αποτελέσματα της συγχώνευσης αναμένεται να γίνουν αντιληπτά από τους χρήστες του εν λόγω λογισμικού από τα τέλη του 2025 και μετά.
Στα τέλη Οκτωβρίου του 2024 επισημοποιήθηκε και η δεύτερη, εξίσου αν όχι πιο σημαντική, συμφωνία. Η Siemens, εταιρία με σημαντικό μερίδιο αγοράς στον τομέα των λογισμικών CAE, ανακοίνωσε την εξαγορά της Altair Engineering [2]. Η αμερικανική εταιρία Altair, εκτός από την ηγετική θέση που κατέχει εδώ και περισσότερο από 30 χρόνια στη βιομηχανία της προσομοίωσης, τα τελευταία χρόνια βρισκόταν σε μια πορεία επιθετικής ανάπτυξης στους τομείς του HPC, της ΑΙ και των Digital Twins εξαγοράζοντας πλήθος μικρότερων εταιριών και startups οι οποίες ανέπτυσσαν σχετικές καινοτομίες. Μετά την ολοκλήρωση της συγχώνευσής τους, οι δύο εταιρίες στοχεύουν στο να συνδυάσουν τις πλατφόρμες τους εστιάζοντας στα πλεονεκτήματα και τις καινοτομίες της κάθε μιας, δίνοντας στο κοινό τους portfolio πρόσβαση στην τεράστια βάση πελατών της Siemens στην παγκόσμια βιομηχανία.
Γίνεται επομένως σαφές πως τα επόμενα χρόνια αναμένεται πολύ σημαντική επαύξηση των δυνατοτήτων που θα διαθέτει η ανθρωπότητα πλέον, και όχι απλά ένα σύνολο βιομηχανιών, για να βελτιστοποιήσει προϊόντα, διαδικασίες και κόστος έτσι ώστε να οδηγηθούμε σε ένα πιο ασφαλές και βιώσιμο μέλλον. Χρησιμοποιώντας ως βάση την σχετική ανάλυση του Jean-Claude Ercolanelli, Senior Vice President of Simulation and Tests Solutions της Siemens Digital Industries Software [3], θα επιχειρήσουμε να αναλύσουμε τους άξονες επάνω στους οποίους προβλέπεται να εξελιχθούν οι δυνατότητες της προσομοίωσης (Εικόνα 1), παρουσιάζοντας ταυτόχρονα τις πιο σημαντικές τεχνολογίες οι οποίες οδηγούν τις αλλαγές αυτές.
Η προσομοίωση εξελίσσεται προς τα “Αριστερά”
Η προσομοίωση επεκτείνει συνεχώς το πεδίο εφαρμογής της προς τα αρχικά στάδια της σχεδίασης ενός προϊόντος ή ενός συστήματος. Νέα λογισμικά γίνονται ολοένα και πιο φιλικά προς τον χρήστη, σε σημείο η γρήγορη δημιουργία και ανάλυση ενός χαμηλής αξιοπιστίας (low fidelity) μοντέλου να μην απαιτεί καμία σχεδόν εξειδικευμένη γνώση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η προσομοίωση να γίνεται ολοένα και πιο απαραίτητο κομμάτι του Conceptual Design, ακόμα και από τον ίδιο τον σχεδιαστή και όχι από κάποιο εξειδικευμένο τμήμα Engineering. Έτσι, περιορίζονται σημαντικά τα παραδοσιακά στάδια επανάληψης των διαδικασιών σχεδίασης -ανάλυσης, η επαναλαμβανόμενη δηλαδή επιστροφή ενός σχεδίου για διορθώσεις από το τμήμα ανάλυσης με σκοπό την βελτιστοποίηση του. Ακόμη, ελαχιστοποιούνται οι αλλαγές που γίνονται απαραίτητες σε μεταγενέστερα στάδια της σχεδίασης ενός προϊόντος και οι οποίες είναι περισσότερο δαπανηρές σε χρόνο και χρήμα. Ως συνέπεια, επιτυγχάνεται η μείωση του χρόνου από την προδιαγραφή ενός προϊόντος μέχρι αυτό να γίνει διαθέσιμο στον τελικό χρήστη, ενώ ταυτόχρονα αυξάνεται η συνολική απόδοση της σχετικής επένδυσης από την πλευρά της επιχείρησης (Return of Investment – RoI).
Εκτός από την συνεχή πρόοδο της αυτοματοποίησης των διαδικασιών της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Method – FEM), εξαιρετικά σημαντικό ρόλο σε αυτή τη μετάβαση έχουν παίξει οι μέθοδοι ανάλυσης χωρίς πλέγμα (Meshless ή Meshfree Methods). Πρόκειται για αριθμητικές μεθόδους οι οποίες δεν απαιτούν την σύνδεση μεταξύ των κόμβων (Πλέγμα – Mesh) του πεδίου που αναλύεται. Τα φαινόμενα που δύνανται να μελετηθούν δεν περιορίζονται στην δομική αντοχή των κατασκευών αλλά επεκτείνονται σε τομείς όπως η ανάλυση ρευστών και η μετάδοση θερμότητας [4].
Τα πιο σημαντικά εμπορικώς διαθέσιμα λογισμικά που δίνουν στους χρήστες την δυνατότητα διεξαγωγής τέτοιων αναλύσεων σε ελάχιστο χρόνο είναι το Simsolid της Altair, το Discovery της ANSYS αλλά και οι ενσωματωμένες δυνατότητες προσομοίωσης σε λογισμικά CAD, όπως το Solidworks και το Autodesk Fusion 360.
Η προσομοίωση εξελίσσεται προς τα “Δεξιά”
Η προσομοίωση ξεφεύγει από τα παραδοσιακά της πλαίσια όπου περιορίζονταν στην φάση ανάπτυξης ενός προϊόντος και επεκτείνεται στα στάδια της παραγωγής και της επιχειρησιακής λειτουργίας του ολοκληρωμένου συστήματος. Τα εργαλεία που υπάρχουν στις μέρες μας για μοντελοποίηση και μελέτη διαδικασιών και συστημάτων παραγωγής προϊόντων δίνουν την δυνατότητα στις επιχειρήσεις να τα βελτιστοποιήσουν σύμφωνα με τις ανάγκες τους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μειώνεται το κόστος παραγωγής και η ποιότητα των τελικών προϊόντων να βελτιώνεται. Στην επόμενη φάση, αυτή δηλαδή της υποστήριξης της επιχειρησιακής λειτουργίας των προϊόντων, μπορεί να καθορίζονται σε πραγματικό χρόνο και με μεγάλη ακρίβεια οι απαιτήσεις για συντήρηση αλλά και για βελτιώσεις – τροποποιήσεις ή ενσωμάτωση νέων δυνατοτήτων. Η πιο σημαντική ίσως τεχνολογία στα χέρια των μηχανικών στον τομέα αυτό είναι το Ψηφιακό Δίδυμο (Digital Twin).
Ως Digital Twin αναφέρεται η ψηφιακή αναπαράσταση ενός φυσικού προϊόντος ή συστήματος, μεταξύ των οποίων υπάρχει αμφίδρομη ροή πληροφορίας σε πραγματικό χρόνο (Εικόνα 2). Η σύγκλιση μεταξύ του ψηφιακού και του φυσικού συστήματος επιτυγχάνεται μέσα από τη συνέργεια ενός συνόλου διαθέσιμων πληροφοριών. Οι πληροφορίες αυτές αφορούν είτε στατικά δεδομένα (γεωμετρία, υλικά κατασκευής, software) αλλά και δυναμικά δεδομένα τα οποία συλλέγονται από ένα σύνολο πραγματικών και ψηφιακών αισθητήρων ενώ αναλύονται συνεχώς. Σκοπός της τεχνολογίας αυτής είναι να προσομοιωθεί η ακριβής λειτουργία ενός συστήματος, τόσο ταυτόχρονα όσο και μελλοντικά.
Η πρώτη απόπειρα δημιουργίας ενός ψηφιακού διδύμου με την σύγχρονη μορφή του έγινε από τη NASA το 2010. Έκτοτε, εταιρίες και βιομηχανίες επιχειρούν να το εντάξουν στις διαδικασίες τους με σκοπό την βελτιστοποίηση της αξιοπιστίας και των επιδόσεων των προϊόντων τους αλλά και την μεγιστοποίηση του οικονομικού οφέλους για αυτές και τους πελάτες τους.
Η προσομοίωση εξελίσσεται προς τα “Πάνω”
Η προσομοίωση αναμένεται να είναι αναπόσπαστο μέρος της αυτοματοποίησης των βιομηχανικών διαδικασιών. Θα εκτελείται δε αυτόνομα, χωρίς την απαίτηση ανθρώπινης παρέμβασης. Το ίδιο προβλέπεται να συμβεί και στο προσεχές χρονικό διάστημα με την περεταίρω ωρίμανση της δυνατότητας της Τεχνητής Νοημοσύνης να σχεδιάζει προϊόντα λαμβάνοντας τις προδιαγραφές τους ως απλό κείμενο (Generative Design).
Η προσομοίωση εξελίσσεται προς τα “Κάτω”
Η χρήση των λογισμικών προσομοίωσης δεν γίνεται πια αποκλειστικά από εξειδικευμένους μηχανικούς αλλά επεκτείνεται προς ένα ευρύτερο κοινό. Πιο συγκεκριμένα, οι εταιρίες λογισμικού προσομοίωσης αναπτύσσουν όλο και περισσότερα εξειδικευμένα εργαλεία και ροές εργασιών για μη εξειδικευμένους χρήστες.
Για παράδειγμα, πριν από λίγα χρόνια, ένας μηχανικός που σχεδίαζε PCBs (Printed Circuit Board – Πλακέτα Τυπωμένου Κυκλώματος) δεν ήταν σε θέση να μελετήσει την μετάδοση της θερμότητας μεταξύ των διαφόρων στοιχείων στην πλακέτα του, πόσο μάλλον την θερμική καταπόνηση τους από τους κύκλους λειτουργίας των ηλεκτρονικών, αφού η ανάλυση αυτή απαιτούσε εξειδικευμένες γνώσεις που παραδοσιακά κατέχει ένας μηχανολόγος μηχανικός. Πλέον, οι σχεδιαστές PCBs έχουν στην διάθεση τους εργαλεία φτιαγμένα αποκλειστικά για αυτού του είδους την ανάλυση, συχνά μάλιστα ενσωματωμένα στο κύριο λογισμικό που χρησιμοποιούν για την σχεδίαση των κυκλωμάτων. Λόγω της εξειδίκευσης της ροής εργασιών, ο μηχανικός αυτός δεν χρειάζεται να κατέχει όλες τις γνώσεις που απαιτούνται για να “στήσει” κάποιος μια γενική προσομοίωση θερμικής καταπόνησης. Με την χρήση αυτών των εργαλείων όμως είναι πλέον σε θέση να γνωρίζει τι αλλαγές θα πρέπει να κάνει στη σχεδίαση της πλακέτας και των κυκλωμάτων έτσι ώστε να επιτύχει τις ελάχιστες επιπτώσεις από τις θερμοκρασιακές μεταβολές που θα προκληθούν κατά τη λειτουργία του τελικού προϊόντος.
Η επέκταση των εξειδικευμένων λειτουργιών προσομοίωσης ξεφεύγει ακόμα και από το γενικότερο πεδίο δράσης ενός μηχανικού. Εντυπωσιακό παράδειγμα αποτελεί η επίδειξη των δυνατοτήτων λογισμικού της Dassault Systèmes στο Saint-Louis Hospital στο Παρίσι [6]. Εκεί, δημιουργήθηκε ένα πλήρους κλίμακας ψηφιακό δίδυμο της αίθουσας αιμοκάθαρσης του νοσοκομείου. Με αυτό τον τρόπο, το ιατρικό προσωπικό είναι σε θέση να γνωρίζει σε πραγματικό χρόνο, ακόμα και με την χρήση επαυξημένης πραγματικότητας, δεδομένα σχετικά με την διάδοση μικροσωματιδιών που μπορεί να μεταφέρουν ασθένειες στον χώρο (Εικόνα 3). Έτσι έχει την δυνατότητα να περιορίσει σημαντικά την μετάδοση των ασθενειών αυτών μεταξύ των ασθενών.
Η προσομοίωση αναλύει σε μεγαλύτερο “βάθος”
Η συνεχής αύξηση της διαθέσιμης υπολογιστικής ισχύος αλλά και η βελτίωση των υπολογιστικών αλγορίθμων, δίνουν στους μηχανικούς την δυνατότητα να προσομοιάσουν φαινόμενα σε μεγαλύτερο βάθος λαμβάνοντας υπόψη περισσότερα δεδομένα. Ακόμη, στη βελτίωση της ποιότητας των αποτελεσμάτων συνεισφέρει η δυνατότητα για ανάλυση με ταυτόχρονη αλληλεπίδραση δύο ή περισσότερων πεδίων της Φυσικής (Multi-physics Analysis) ή οποία γίνεται συνεχώς πιο διαθέσιμη και φιλική προς τον χρήστη των λογισμικών CAE.
Η προσομοίωση γίνεται πιο “Ολοκληρωμένη”
Όσο τα συστήματα γίνονται όλο και πιο περίπλοκα, τόσο η απαίτηση για μια πιο ευέλικτη και συλλογική προσέγγιση στη σχεδίαση τους θα αυξάνεται. Είναι βέβαιο λοιπόν πως προτυποποιημένες μέθοδοι σχεδίασης συστημάτων όπως οι MSBE (Model-Based Systems Engineering) και SysML (Systems Modelling Language) θα επικρατούν όλο και περισσότερο. Συνεπώς, όλη η διαδικασία υλοποίησης ενός concept θα δύναται να γίνει πιο αποδοτική σε όλα της τα στάδια αφού βελτιστοποιείται η διάδραση μεταξύ όλων των εμπλεκομένων.
Όπως έγινε σαφές και παραπάνω, οι υπολογιστικές προσομοιώσεις αποκτούν κεντρικό ρόλο στην βελτιστοποίηση της σχεδίασης, της λειτουργίας και της υποστήριξης προϊόντων, συστημάτων και υπηρεσιών. Τα περιβάλλοντα εργασίας των λογισμικών CAE γίνονται όλο και πιο φιλικά προς τον χρήστη έτσι ώστε όποιος χρειάζεται τα αποτελέσματα μιας προσομοίωσης να έχει πρόσβαση σε αυτά. Τα επόμενα χρόνια οι ζυμώσεις των τεχνολογιών που προαναφέρθηκαν μαζί με τις ανάγκες της βιομηχανίας, αναμένεται να δημιουργήσουν λύσεις και εργαλεία τα οποία θα εξάψουν την καινοτομία και θα απογειώσουν τις τεχνολογικές δυνατότητες της ανθρωπότητας.
Βιβλιογραφικές Αναφορές
[1] https://www.ansys.com/news-center/press-releases/1-16-24-synopsys-acquires-ansys
[3] https://www.engineering.com/what-is-the-future-of-engineering-simulation/?linkId=300000011771411
[4] Garg, Sahil & Pant, Mohit. (2017). Meshfree Methods: A Comprehensive Review of Applications. International Journal of Computational Methods.
[5] Botín-Sanabria, D. M., Mihaita, A. -S., Peimbert-García, R. E., Ramírez-Moreno, M. A., Ramírez-Mendoza, R. A., & Lozoya-Santos, J. d. J. (2022). Digital Twin Technology Challenges and Applications: A Comprehensive Review. Remote Sensing.
[6] https://www.3ds.com/insights/customer-stories/hopital-saint-louis-airflow-simulation
