探索仿真工具的黑箱：理解、分析与验证

 

1. 黑箱的秘密

仿真工具，如ANSYS，对于我们来说就像一个黑箱。我们输入一些用户数据，比如几何形状、网格、边界条件、材料属性，然后获得结果。这些结果可能是色彩丰富的图片，也可能是其他形式的数据。然而，如果我们不知道黑箱内部的运作机制，那么这些结果可能就会出现错误，或者失去其应有的意义。因此，我们需要理解黑箱内部的运作机制，以便更准确地使用仿真工具。

 2. 黑箱内部的运作

我们的物理问题，通过用户输入，被仿真工具转化为一个数学模型。这个数学模型是基于一些关键的物理原理，比如平衡或者守恒定律，同时也包含了一些假设。仿真工具并不直接解决物理问题，而是解决这个物理问题的数学模型。并且，它只会在选定的点上计算选定的变量。例如，在固体力学仿真中，它会计算位移；在流体力学仿真中，它可能会计算压力和速度等。

 3. 预分析

在每个案例研究中，我们都会在使用工具之前进行预分析。预分析的目的是帮助我们思考黑箱内部的运作机制。我们会考虑数学模型，它基于的物理原理，以及模型中的假设。我们还会考虑数值解的策略，以及如何最小化误差。此外，我们还会进行一些手动计算，以预测结果的趋势。这些手动计算可能会使用数学模型的近似，或者基于完全不同的数学模型，或者基于经验数据等。

 4. 分析和验证

我们在使用工具之前进行预分析，同样，我们在退出工具之前也会进行分析和验证。分析和验证是一种系统性的检查结果的过程。在验证过程中，我们会检查我们是否正确地解决了模型。我们会检查结果是否与数学模型一致，边界条件是否正确，物理原理是否得到了满足，以及数值误差是否在可接受的范围内。在验证过程中，我们会检查我们是否解决了正确的模型。我们会检查数学模型是否是物理问题的合理表示，模型中的假设是否可接受，

 5. 预分析的重要性

在每个案例研究中，我们都会在使用工具之前进行预分析。预分析部分将帮助我们思考黑箱内部的运作。为了弄清楚在预分析中我们需要做什么，让我们回到黑箱内部的框架。预分析的第一个元素是思考正在解决的数学模型是什么。所以这就是我们在预分析中首先要做的。我们会思考数学模型，思考它基于的物理原理，以及数学模型中嵌入的假设。

 6. 预分析的步骤

在预分析的第二步，我们将把注意力转移到数值解决过程。特别是，我们会思考正在使用的数值解决策略是什么，引入的错误是什么，以及如何最小化这些错误。在预分析的第三步，我们将查看预期结果或趋势的手动计算。通过这三个预分析步骤的思考，我们正在直接参与工程分析和工程仿真的基本原理。我们正在与教科书内容建立联系。这是一个非常重要的步骤，它也构成了我们接下来将看到的分析和验证的基础。

 7. 分析和验证

就像我们在使用工具之前会进行预分析一样，我们在退出工具之前也会进行分析和验证。分析和验证是一种系统性的检查结果的过程。它已经变得非常重要，因为公司正在试图通过计算机仿真做更多的事情，他们希望最小化，如果不是消除物理测试。现在有整个会议专门讨论这个话题。

 8. 分析和验证的过程

在验证中，我看的是“我是否正确地解决了模型”。也就是说，无论我选择的数学模型是什么，我是否正确地解决了它。所以它在查看这些仿真步骤中引入的错误。我们可以做三类检查。第一类是检查结果是否与数学模型一致。例如，颜色图片中的结果是否与数学模型一致。边界处的行为，是否与数学模型中的边界条件一致。数学模型中的物理原理，比如在结构案例中的平衡。所以你在检查你的结果，如果结构在合理的水平上处于平衡。在流体力学问题中，物理原理可能是动量守恒。所以你在检查结果中的动量是否得到了保守，等等。

 9. 结论

通过预分析，分析和验证，我们可以更深入地理解仿真工具的工作原理，从而更准确地使用这些工具。这不仅可以提高我们的工作效率，也可以提高我们的工作质量。在每个案例研究的最后，我们都会进行分析和验证，并进行一系列的检查。这样，我们就可以确保我们的结果是准确和可靠的，而不仅仅是接受仿真工具给出的结果。

通过这种方式，我们可以学习如何超越单纯的按钮操作，开始像专家一样思考。这将使我们能够更有效地使用仿真工具，从而提高我们的工作效率和质量。