Structural Blog

О связи науки и практики в проектировании

Вчера писал о большом разрыве между инженерами-практиками, занимающимися конечно-элементный анализом (FEA) и специалистами по самому методу конечных элементов (FEM). Существование этого разрыва — вещь нормальная, ведь каждая группа занимается своим понятным делом. Одна разрабатывают программы, другие решают практический задачи. Разбираться и в том и в том как правило не получается, ведь обе темы очень объемные, а точек пересечения не так много.

Но есть еще одна группа причастных к FEM / FEA, которую я назову научным сообществом. В эту группу входят аспиранты, научные сотрудники, которые занимаются исследованием и разработками, связанными с самыми передовыми методами расчетов и анализа строительных конструкций. Задача исследователя — изучить совокупность современных знаний и представлений о предмете исследования (state-of-art), провести исследование, представляющее научную новизну и опубликовать статью (или защитить степень).

По окончанию 6 курса я захотел пойти этой дорогой, потому что чувствовал в себе склонность к исследовательской работе. В итоге не прошел по конкурсу. Дело было в том, что мой же потенциальный научрук поставил 4 по профильному экзамену (строймех), несмотря на то, что я ответил на все вопросы и нигде не промахнулся. Это было политическим решением с его стороны, которое означало мое прощание с универом. Очевидно, он не захотел со мной работать, но почему нельзя было этого сразу сказать — до сих пор не понимаю. Я бы не тратил время на сбор документов и экзамены… (зовут этого господина Лалин В.В.).

С того момента прошло почти 3 года. Сейчас я вижу, что если бы занимался вопросами конечно-элементного анализа в универе, то скорее всего мало чему научился бы. То есть, я бы мог знать очень много всего, но есть один подвох во всем этом.

Научное сообщество живет в своей параллельной вселенной, которая очень далека от мира инженеров-проектировщиков. Подумайте, ученые изучают статьи, пишут свои статьи, которые рецензируют другие ученые, и все это варится в одном замкнутом котле. Эта система самодостаточна и она не получает корректирующую обратную связь со стороны практиков. Единственная по сути цель этого кипящего котла — произвести еще больше статей. По содержанию эти статьи получаются, как в анекдоте: «Секс — это скучно, я читал»‎.

Что-же у нас получается в сухом остатке: научное сообщество генерит материалы, ценные лишь для них самих, а практики работают в условиях острого дефицита полезной информации даже по самым базовым вопросам.

Тем, кто осмелился пойти в научную работу, я советую совмещать это с работой в проектировании. В идеале, чтобы тема исследования и работы в чем-то пересекались. Во-первых, это позволит вам подпитывать интерес к теме исследования в долгосрочной перспективе. Во-вторых, это позволит вам настроить фокус исследования на более реальных и полезных вещах, сделать его более актуальным.

Что касается меня, я нашел применение своей склонности к исследованиям на текущей работе. Статей для журналов не пишу, но провожу много внутренних исследований, помогающих в работе конструкторам нашей компании. Конечно, я вижу свои долгом распространять эти знания и за пределом компании. Последние месяцы работаю на своим образовательным продуктом по теме конечно-элементного анализа. Целью я вижу, не много не мало, сделать его лучшим из существующих.

p.s. по тексту может сложиться впечатление, что я критикую работу исследователей, но это не так. Я критикую систему, в которой они вынуждены работать

Почему в ВУЗах не обучают конечно-элементному анализу?

Захотелось поделиться своими рассуждениями по этому вопросу.

Вообще-то, утверждение спорное, ведь «Метод конечных элементов» часто входит в программу строительной механики. Каждый, кто доучился до 3 курса на специальности, связанной со строительством, так или иначе знаком с этой темой. Чему-то да учат, но не тому, что нужно на практике. Чтобы нагляднее донести идею, я уточню 2 понятия, которые на первый взгляд звучат об одном и том же:

1. Метод конечных элементов / Finite Element Method
2. Конечно-элементный анализ / Finite Element Analysis

Чтобы далее не писать длинных названий, буду называть их FEM / FEA.

Первое понятие я бы описал как совокупность математических принципов и подходов, которые являются фундаментом работы современных коммерческих программ, таких, как ANSYS, Abaqus, SOFiSTiK... Специалист по методу конечных элементов — это хороший математик и программист, а еще… он может сесть в лужу в попытке решить даже простую практическую задачу.

Второе понятие подразумевает умение решать прикладные инженерные задачи с использованием современных коммерческих программ. Специалист по конечно-элементному анализу — в первую очередь хороший инженер, умеющий в сжатые сроки создавать правдоподобные расчетные модели и грамотно анализировать получаемые из них результаты. Между тем, подавляющее большинство тех, кто делает подобные расчету, знакомы с математикой МКЭ на очень базовом уровне. И это нормально.

Есть одно огромное отличие между FEM и FEA. Фундаментальные принципы FEM по-своему математически строги, но в тот момент, когда они переносятся на решение реальной задачи, возникает много субъективности. FEM — про идеальные абстракции, FEA — про реальные конструкции. Выполнить расчет довольно сложной конструкции и найти единственное верное решение становится невозможной задачей. Если взять 10 специалистов, дать им одинаковые исходные данные и попросить выполнить анализ, их результаты будут различаться. И самое интересное в том, что они даже не смогут понять, чей расчет объективно точнее. Это не пример из головы, я многократно наблюдал подобные картины.

На мой взгляд, высокая степень неопределенности и субъективизма делает преподавание конечно-элементного анализа невозможной задачей для консервативной системы высшего образования. Как научить студентов решать задачи, не имеющие правильного ответа? Нельзя просто дать шаблон действий и заставить студентов ему следовать, как это принято. Вместо этого нужно учить критическому мышлению, пониманию работы конструкций, анализу причинно-следственных связей между вводимыми параметрами модели и результатами расчета.

вот такое эссе получилось :) Если у вас есть, что дополнить, пишите в комментах, буду рад с вами пообщаться 😉

2 недели назад я просил вас помочь мне в исследовании, заполнив анкету. Откликнулись 64 человека. А еще с 10 я провел личные интервью!

Что получилось в итоге:

Самые интересные задачи в практике инженера-конструктора:
1. определение облика конструктивной схемы, расстановка конструкций, выбор конструктивных решений в зависимости от условий (75% ответов)
2. работа с BIM моделями, автоматизация процесса проектирования (75% ответов)
3. создание расчетных схем и их анализ (70% ответов)

Самые трудные этапы проработки проекта:
1. подготовка конечно-элементной модели (59% ответов)
2. расчет и проверки расчетной схемы на соответствие требованиям норм (56% ответов)
3. выбор типа фундамента, работа с геологией (50% ответов)
4. интерпретация полученных в результате расчета результатов (48% ответов)

Самые востребованные знания и навыки:
1. умение работать в расчетных комплексах и понимать полученные результаты (67% ответов)
2. навык конструирования узлов (67% ответов)
3. опыт участия в интересных проектах (61% ответов)

Главная преграда к развитию в профессии — нехватка качественных и понятных ресурсов (62% ответов)

Самый популярный расчетный комплекс — ЛИРА-САПР (33% ответов).

Какой вывод можно сделать:

Работа с расчетными моделями — одновременно и самая интересная и самая трудная для многих задача. Большинство участников опроса заинтересованы в повышении своих компетенций в этой сфере. Привлекательность этой темы связывают с тем, что она является творческим, созидательным процессом, самой сутью работы инженера. А также с тем, что овладение этой темой поможет расти в должности и доходе.

Подробная статистика по этим и другим вопросам анкеты — в картинках сверху. Спасибо всем, кто принял участие!

p.s. кто посмотрел лекцию, как вам?)

Если вы работаете инженером-конструктором, хотите им работать или в целом интересуетесь проектированием и расчетом несущих конструкций, я прошу вас помочь мне в исследовании, заполнив эту форму:

https://forms.gle/deP7jyBiQjSDvR8C7

Ваши ответы помогут мне сделать этот блог более полезным для вас.

В качестве благодарности за уделенное время, вы получите запись моей лекции «Проектирование конструкций высотных зданий».

Программа лекции:

• главные вызовы при проектировании конструктива высотных зданий
• стратегии преодоления этих вызовов
• конструктивные системы, которые используются в зданиях высотой до 300 до 900 метров

Ответы принимаются до завтра. Завтра буду приступать к анализу результатов. Итогами обязательно поделюсь с вами:)

Дорогие подписчики,

Мы всегда рады видеть новые лица в наших рядах! И особенно - молодых специалистов, с их драйвом, свежими взглядами и вдохновением. Присоединяйтесь к команде APEX - ждем ваши резюме с портфолио на почте aleksandra.sulima@apex-project.ru

С полным списком вакансий можно ознакомиться на сайте или на HH.

Псс, работа нужна?) Если да, то время действовать 😎

Подтверждение результата в расчётном комплексе:
смотрим формы и соответствующие им частоты колебаний.

Решение задачи по теме собственных форм колебаний:

На рисунках показаны:

Направления перемещений схемы при колебаниях по формам 1,2,3 — красным пунктиром.

Сами элементы схемы, включающиеся в работу, показаны красной заливкой. Это стены ядра и 2 отдельные стены-диафрагмы. Жесткость колонн при действии горизонтальных нагрузок пренебрежимо мала, поэтому ее не рассматриваю.

Усилия в элементах системы, воспринимающей горизонтальные нагрузки— синим.

Из схем видно, что горизонтальная жесткость схемы в направлении 2 будет примерно в 2 раза выше, чем в направлении 3.
Жесткость схемы при кручении (форма 1) будет также достаточно высока за счет наличия достаточно массивных диафрагм, расположенных на максимальном отдалении от цента вращения плана. Эти диафрагмы имеют большое плечо и момент инерции, а значит, будут эффективно сопротивляться кручению здания.

Исходя из всего этого, следует ожидать, что формы колебаний имеют порядок 3,2,1. В порядке возрастания жесткости.
Форма 3 — низшая.

Задача на закрепление темы "Модальный анализ". Проверим вашу интуицию и понимание темы?

Возьмем упрощенную схему, которая моделирует небольшое монолитное здание с каркасно-стеновой конструктивной системой.
С помощью SOFiSTiK я определил 3 первые собственные формы колебаний такого каркаса. Они показаны на рисунке под цифрами 1,2,3. Только вот пронумерованы они в случайном порядке.

Вопрос: какая их 3-х форм является на самом деле «первой», с самой низкой частотой колебаний?