V svetu numeričnih simulacij je izbira ustrezne metode ena ključnih odločitev, ki vpliva na natančnost rezultatov, hitrost reševanja in celotno učinkovitost analize. Med najpogosteje uporabljenima pristopoma sta implicitna in eksplicitna metoda – vsaka s svojimi prednostmi, slabostmi in področji uporabe. Čeprav obe temeljita na reševanju parcialnih diferencialnih enačb, se razlikujeta predvsem v načinu obravnave časovne komponente in v numerični stabilnosti.
Raziskali bomo, kaj pravzaprav pomenita izraza implicitno in eksplicitno, kako delujeta v ozadju simulacij ter kdaj se odločiti za eno ali drugo metodo. Ne glede na to, ali se ukvarjate s simulacijami trkov, padcev, toplotnih analiz ali dolgoročnih statičnih obremenitev, vam bo razumevanje teh dveh pristopov pomagalo sprejemati boljše in informirane odločitve pri načrtovanju numeričnih analiz.
Programski paketi
Ker sta implicitna in eksplicitna metoda reševanja numeričnih problemov naprednejši, ju ni smiselno uporabljati v vseh fazah razvoja izdelka. Zato so te zmogljivosti prisotne le v naprednejših orodjih za simulacijo. Mednje sodijo:
- Abaqus/Standard – uporablja implicitni solver;
- Abaqus/Explicit – uporablja eksplicitni solver;
- SOLIDWORKS Simulation Premium – omogoča implicitne rešitve,
- 3DEXPERIENCE platforma z vlogama:
- Structural Performance Engineer – vključuje implicitni solver,
- Structural Mechanics Engineer – vključuje implicitni in eksplicitni solver.
Implicitna metoda končnih elementov
Implicitna metoda končnih elementov se lahko uporablja za modeliranje linearnih, nelinearnih, statičnih in prehodnih (časovno odvisnih) sistemov. Osnovno načelo temelji na oblikovanju sistema enačb, iz katere se naredi matrika togosti na podlagi katere nato ob danih zunanjih silah izračunamo premike.
Vir: Fidelis, Implicit (Standard) And Explicit Methods In FEA – Which One Should You Choose?
Pri nelinearnih problemih – bodisi zaradi materialnih lastnosti, geometrije ali kontaktov – analiza vključuje niz iteracij, katerih cilj je vzpostavitev statičnega ravnovesja znotraj določenega dopustnega odstopanja glede na obremenitev ali pomik. Vsak korak simulacije zahteva iteracijo, pri čemer je rešitev trenutnega koraka odvisna od rezultata prejšnjega in tako naprej, dokler ne dosežemo željene rešitve.
Pri zelo velikih modelih ali pri izraženi nelinearnosti pa je inverzija matrike lahko zelo časovno potratna, numerično zahtevna ali celo nevzdržna. V takšnih primerih je treba uporabiti naprednejše iterativne modele, ki poskušajo najti stabilno rešitev.
Vir: WelSim, Implicit and explicit dyniamics in finite element analysis
Na splošno je implicitna metoda najbolj primerna za probleme s počasnim (ali kvazi-statičnem) nalaganjem, dobro določenimi robnimi pogoji in zmerno nelinearnostjo. Če pa simulacija vključuje hitre prehode, velike deformacije ali izrazito kompleksnost, je pogosto bolj smiselna uporaba eksplicitne metode.
Eksplicitna metoda končnih elementov
Eksplicitna analiza neposredno rešuje pospeške pri problemih, kjer prevladujejo dinamični, časovno odvisni pojavi (trki, padci, udarne obremenitve), pa tudi pri izrazito nelinearnih problemih, ki jih z implicitnimi metodami ni mogoče učinkovito rešiti.
Vir: Fidelis, Implicit (Standard) And Explicit Methods In FEA – Which One Should You Choose?
Za razliko od implicitne, eksplicitna metoda ne zahteva iteracij, saj neposredno izračuna vozliščne pospeške. Uporablja diagonalne masne matrike in pri tem iz stanja sistema v enem zelo majhnem časovnem koraku izračuna stanje v naslednjem koraku. Pospešek posameznega vozlišča je določen zgolj na podlagi njegove mase in nanj delujoče sile. To pomeni, da so spremenljivke ob koncu posameznega časovnega koraka – pomiki, hitrosti in pospeški – neposredno odvisne od njihovih začetnih vrednosti na začetku koraka.
Vir: Yasin Capar, Implicit vs Explicit Approach in FEM
Za razliko od implicitne metode, eksplicitna ne potrebuje doseči ravnotežnega stanja preden lahko nadaljuje na naslednji časovni korak simulacije, prav tako pa ponuja hitrejše računske čase, ko se ukvarjamo z kompleksnimi primeri.
Če Vas zanima, kako so orodja, ki uporabljajo implicitne in eksplicitne metode v okolju 3DEXPERIENCE, nas kontaktiraje na elektronsko pošto (info@ib-caddy.com) ali pa prek telefona (01 566 12 55).