クラウドでの CAE シミュレーション: それが何であるか、なぜ重要なのか、どのように進化したか

コンピュータ支援エンジニアリング (CAE) シミュレーション 研究開発チームがアイデアを検証し、問題を評価し、より迅速に製品を市場に投入できるようにします。 過去 XNUMX 年にわたり、クラウド コンピューティング リソースへのアクセスのしやすさにより、CAE プロセスはより堅牢になりました。 

この記事では、CAE シミュレーションの仕組み、CAE シミュレーションによって企業の研究環境での収益指標がどのように改善されるか、およびその仕組みについて概要を説明します。 ハイパフォーマンス・アズ・ア・サービス (HPCaaS) 学問分野の進化に貢献しています。 

CAEシミュレーションとは何ですか?


CAE シミュレーションの目的は、新製品のプロトタイピングや物理テストを行う前に、特定の設計のパフォーマンスを検査することです。 目標は、情報に基づいた意思決定を行うための洞察を生成し、その結果、コストのかかる間違いを回避することです。

CAE シミュレーションは、創薬、材料科学、建築、AI データセット トレーニング、気象パターン分析、自動車設計など、さまざまな状況で幅広い用途に利用できます。 多くの場合、CAE シミュレーションを構築するエンジニアは、コンピュータ支援設計 (CAD) モデルを開発する設計チームと緊密に連携します。 

CAE シミュレーションの起源は、航空宇宙および防衛分野の研究開発チームがコンピューターを使用して航空機の構造やエンジンの動作をシミュレーションし始めた 1950 年代と 1960 年代のコンピューティングの初期の時代に遡ります。 これらのシミュレーションは、エンジニアが物理的なテストだけで行うよりも迅速かつ正確に航空機を設計および最適化するのに役立ちました。

1970 年代から 1980 年代にかけて、CAE シミュレーションの分野は急速に拡大し始めました。 より強力なコンピュータが利用可能になるにつれて、新しいシミュレーション技術が開発されました。 近年、クラウド HPC リソースが利用できるようになったことで、シミュレーションの実行に必要な時間が数日から数時間に短縮されました。 その結果、研究開発チームはより高い忠実度で CAE シミュレーションを実行できるようになります。

CAE シミュレーションの種類:

ほとんどの CAE シミュレーションは、製品の意図を仮想 (デジタル) 表現した CAD モデルから始まります。 シミュレーションは、忠実度の要件、プロジェクトの複雑さ、状況のニーズに応じて 2D または 3D になります。 

特定のシミュレーション手法は、研究対象となる現実世界のシナリオ (振動負荷、空気流路、電磁気学など) に応じて異なります。 例としては次のものが挙げられます。

  • 有限要素解析(FEA)、数値手法を使用して、さまざまな荷重および境界条件下での構造またはコンポーネントの動作をシミュレートします。 有限要素解析(FEA) 構造解析、熱解析、流体力学でよく使用されます。
  • 計算流体力学(CFD)、システムまたはコンポーネントを通る流体 (空気や水など) の流れをシミュレートします。 数値流体力学 (CFD) エンジン、タービン、その他の複雑な流体システムの設計に使用されます。
  • マルチボディダイナミクスこれには、異なる荷重と拘束の下で複数の剛体の動きと相互作用をシミュレートすることが含まれます。 MBD は、自動車および航空宇宙産業で車両のダイナミクスとパフォーマンスを最適化するために一般的に使用されています。
  • 電磁気学これには、システムまたはコンポーネント内の電磁場の動作のシミュレーションが含まれます。 EM は、アンテナ、モーター、その他の電気システムの設計に使用されます。
  • 製造工程シミュレーション、これには、生産効率を最適化し、コストを削減するために製造プロセスをシミュレーションすることが含まれます。 これには、射出成形、鋳造、機械加工などのプロセスのシミュレーションが含まれます。
  • 最適化、 これには、特定のパフォーマンス要件を満たすシステムまたはコンポーネントの最適な設計パラメータを見つけることが含まれます。 最適化は、航空機の翼、タービンブレード、その他の複雑なシステムの設計で一般的に使用されます。
  • 音響と振動、 これには、システムまたはコンポーネントにおける音と振動の挙動をシミュレートすることが含まれます。 これは、騒音や振動レベルが許容範囲内であることを保証するために、車両、建物、その他の構造物の設計によく使用されます。
  • 耐久性と疲労感、 これには、周期的な荷重条件下でのコンポーネントの動作をシミュレートして、コンポーネントの寿命と故障モードを予測することが含まれます。 航空宇宙、自動車、その他の構造コンポーネントの設計によく使用されます。
  • 衝突および衝撃分析、 これには、衝撃荷重条件下でのシステムまたはコンポーネントの動作をシミュレートして、その安全性と衝突安全性を評価することが含まれます。 のデザインでよく使われます 車両, 航空機、およびその他の安全性が重要なシステム。
  • 計算化学、 これには、計算手法を使用して分子の挙動や化学反応をシミュレートすることが含まれます。 創薬、材料科学、その他の分野でよく使用されます。
  • 光学とフォトニクス、 これには、光学システムやデバイスにおける光と電磁放射の挙動をシミュレートすることが含まれます。 これは、レーザー、光ファイバー、その他のフォトニクス システムの設計によく使用されます。
  • 人間のモデリングとシミュレーション、 これには、さまざまな環境や条件における人体の挙動をシミュレートすることが含まれます。 人間工学に基づいたデザインでよく使用され、 医療機器の設計、およびその他のアプリケーション。

CAE シミュレーションが重要な理由

CAE シミュレーションの利点
CAE シミュレーションの利点

CAE シミュレーションは、エンジニアや設計者が仮想環境で製品やシステムのパフォーマンスをシミュレーションおよび分析できるため、重要です。 これにより、 研究開発チーム 以下に送って下さい:

  1. リソースをより適切に管理します。 仮想環境で製品またはシステムの動作をシミュレーションすることにより、エンジニアは、物理的なプロトタイプが構築される前に、設計プロセスの早い段階で設計上の問題を特定して解決できます。 物理的なプロトタイプの作成とテストには費用がかかるため、これにより時間と費用が節約されます。
  1. 製品を改善します。 CAE シミュレーションは、エンジニアが仮想環境で設計をテストおよび調整することで製品のパフォーマンスを最適化するのに役立ちます。 これにより、より信頼性が高く、効率的で、コスト効率の高い製品が得られます。
  1. 安全を確保します。 CAE シミュレーションを使用すると、極端な条件や故障シナリオにおける製品のパフォーマンスをシミュレーションおよび分析できるため、エンジニアは潜在的な安全上の問題を特定し、製品のリリース前に設計を改善できます。
  1. 環境への影響を減らします。 仮想環境で製品のパフォーマンスをシミュレーションすることで、エンジニアは、エネルギー消費の最小化や廃棄物の削減など、環境への影響を軽減する設計を最適化できます。

全体として、CAE シミュレーションは、情報に基づいて設計上の決定を下し、製品のパフォーマンスを最適化し、安全性を確保し、開発コストを削減できるため、エンジニアや設計者にとって重要なツールです。 CAE 最適化戦略とプログラムを構築するとき、研究開発チームは通常、これらの実際的なビジネス上の制約と解決までの時間の指標のバランスをとります。

クラウドベースの CAE シミュレーションの進化

クラウドにおける CAE シミュレーションの変革
クラウドにおける CAE シミュレーションの変革

CAE シミュレーションの能力が高ければ高いほど、これらのシミュレーションの精度と信頼性が高まり、メトリクスの解決時間が短縮されます。

主な課題は、CAE シミュレーションを実行するには大規模なコンピューティング インフラストラクチャが必要であることです。 大企業はこれまで、ワークロードの実行にオンプレミス システムを利用してきましたが、小規模な組織にはこの費用のための予算が不足していました。 十分な計算能力がないと、シミュレーションがクラッシュする可能性があります。

しかし、クラウドベースの CAE シミュレーションにより競争条件は平等になりました。 サービスとしてのハイ パフォーマンス コンピューティング (HPCaaS) の導入により、パフォーマンスの向上、コストの削減、スケーラビリティの実現、アクセシビリティの向上、より複雑なシミュレーションの可能化により、CAE シミュレーションに大きなメリットがもたらされます。

  1. 改良された性能。 HPCaaS を改善します パフォーマンスの最適化 計算をより高速かつ効率的に実行する強力なコンピューティング リソースへのアクセスを提供することで、CAE シミュレーションの効率を向上させます。 これにより、シミュレーションの実行時間が短縮され、一定期間内に実行できるシミュレーションの数が増加します。
  1. コスト削減。 HPCaaS は、CAE シミュレーションに関連するコストの削減に役立ちます。 高価なものに投資するのではなく、 ハードウェア および ソフトウェア、企業は必要なコンピューティング リソースをオンデマンドでレンタルできます。 これにより、設備投資が削減され、企業は使用したリソースに対してのみ支払いを行うことができます。
  1. スケーラビリティ。 HPCaaS は、シミュレーションのニーズに基づいてコンピューティング リソースをスケールアップまたはスケールダウンする機能を提供します。 これは、追加のハードウェアに投資することなく、大量のコンピューティング リソースを必要とする大規模なシミュレーションを処理するのに役立ちます。
  2. アクセシビリティ。 HPCaaS は、インターネット接続があればどこからでもコンピューティング リソースへのアクセスを提供し、チームがリモートでシミュレーションで共同作業できるようにします。
  3. より複雑なシミュレーション。 HPCaaS は、より高解像度、より大きな寸法、またはより詳細な物理学を備えたモデルなど、より複雑なモデルのデジタル シミュレーションをサポートします。 これにより、システムや設計の動作の精度が向上し、より詳細な洞察が得られます。

コスト削減の実現

CAE シミュレーション用のクラウドベースのソリューションを評価する場合、決定はコストに帰着することがよくあります。 ハードウェア費用 (つまり、暖房、冷却、IT 担当者、コアの数など) を超えて、ソフトウェア ライセンスは多くの場合非常に高価です。 CAE シミュレーション時間は有限である傾向があり、XNUMX 時間あたりの正確なコストがかかります。 

CAE シミュレーション時間を短縮することで、研究開発チームはより多くの実験を実行でき、キューをより速く進めることができます。 その結果、組織はライセンスコストを節約できます。

効率が向上し、その結果、研究開発チームがより強力になります。

CAE シミュレーションは、現代の研究やエンジニアリングの多くと同様、データ集約型のソフトウェア プログラムを実行するためにハイ パフォーマンス コンピューティング HPC に依存しています。 デジタル R&D は、イノベーションの新たな可能性をすべて切り開きました。 へのアクセスを確保することで、 高性能コンピューティング、クラウド hpc により、これらの画期的な計算研究手法がはるかに広範囲の組織に利用可能になりました。

著者

  • エリックウェバー

    Eric Weber は Rescale のカスタマー サクセス エンジニアであり、組織が研究開発向けのハイ パフォーマンス コンピューティングへのアプローチを最新化するよう指導しています。

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