Laskennallinen tiede ja simulointi

Simulointitekniikka on rakenteiden ja koneiden suunnittelun ytimessä

Oulussa järjestetään 24.-25.10. järjestyksessään 32. pohjoismainen laskennallisen mekaniikan seminaari NSCM32, Nordic Seminar on Computational Mechanics. Seminaarissa noin viisikymmentä tutkijaa suomalaisista ja pohjoismaisista yliopistoista esittelee uusimpia tutkimustuloksiaan. Lisäksi seminaariin osallistuu merkittävällä panoksella edustajia teknologiateollisuuden yrityksistä, kuten Wärtsilästä. Seminaarin keskiössä olevat tieteenalat muodostavat perustan lukuisille vientiyrityksille ja yhteiskunnan perusrakenteille.

”Suomessa on parin viime vuoden ajan keskusteltu teknillisen mekaniikan ahdingosta ja osaajien puutteesta. Seminaari esittelee kansainvälisesti arvostettua tieteellistä tutkimusta, jota kuitenkin tehdään sekä meillä että muissa Pohjoismaissa”, kertoo rakennesuunnittelun yliopistotutkija Antti H. Niemi Oulun yliopistosta.

Seminaarissa verrattain uusi tieteenala, laskennallinen tiede, kohtaa erään vanhimmista eli mekaniikan. Tällä hetkellä koneiden ja rakenteiden suunnittelussa kiinnostavin potentiaali liittyy simulointitekniikkaan: laskennallisen tekniikan keinoin on mahdollista korvata kalliita prototyyppejä virtuaalisilla kokeilla. Yritys tai viranomainen voi saavuttaa ratkaisevan etumatkan, jos se pystyy tekemään kriittisiä päätöksiä pelkästään tietokonesimulaatioiden tuloksiin perustuen.

”Esimerkiksi uudehkon Boeing 787 Dreamliner -matkustajalentokoneen suunnittelussa testattiin fyysisesti vain 11 siipityyppiä, kun aiempaa Boeing 767 -mallia suunniteltaessa prototyyppejä rakennettiin 77 kappaletta. Vastaavasti rakennustekniikassa eräs ydinvoimalan reaktorin suojakuoren suunnittelukriteereistä koskee ydinreaktorin selviämistä matkustajalentokoneen törmäyksestä. Asian kokeellinen selvittäminen täyden mittakaavan kokeella on käytännössä lähes mahdotonta”, Antti H. Niemi valaisee.

”Simuloinnin vaikutusvallan kasvu teknillisessä päätöksentekoprosessissa edellyttää kuitenkin erityistä osaamista sopivien matemaattisten mallien, numeeristen menetelmien ja algoritmien valinnassa sekä näihin liittyvien epävarmuuksien hallinnassa. Muun muassa tällaisiin kysymyksiin haetaan ratkaisuja laskennallisen mekaniikan seminaarissa.”

Tieteenalan taustalla laskentakapasiteetin räjähdysmäinen kasvu

Mekaniikassa tutkitaan ja pyritään ennustamaan fyysisten objektien, kuten kiinteiden kappaleiden, nesteiden tai kaasujen, käyttäytymistä ulkoisten voimien vaikutuksesta sekä liikkeen aikana. Sen juuret juontavat Aristoteleen ja Arkhimedeen filosofisiin töihin Antiikin Kreikassa, mutta varsinaisena lähtölaukauksena voidaan pitää Sir Isaac Newtonin vuonna 1687 julkaisemaa teosta Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, jossa Newton muotoili kuuluisat painovoima- ja liikelakinsa. Nykypäivänä on vaikea kuvitella rakennusta tai konetta, jonka suunnittelussa esimerkiksi painovoimalaki jätettäisiin huomioimatta. Tunnusomaista mekaniikan soveltamiselle on teorioiden esittäminen ja analysointi matemaattisilla menetelmillä ja näiden teorioiden kokeellinen validointi.

Moderni laskennallinen tiede on tieteenalana huomattavasti mekaniikkaa nuorempi, vaikka esimerkiksi erilaisten rakenneosien kuten sauvojen, levyjen ja säiliöiden, matemaattisia malleja on jo Newtonin ajoista lähtien analysoitu esimerkiksi differentiaali- ja integraalilaskennan menetelmiä soveltaen.

Erityisenä kimmokkeena laskennan nousussa omaksi tieteenalakseen on toiminut laskentakapasiteetin räjähdysmäinen kasvu transistorin keksimisestä vuonna 1947 aina nykyhetkeen saakka. Laskentakapasiteetin kasvua kuvaa nk. Mooren laki, ja vaikka sen kumoutumisesta viime aikoina onkin olemassa joitakin merkkejä, on päästy tilanteeseen, jossa esimerkiksi kiinteän aineen liikelakeja on mahdollista simuloida tietokoneavusteisesti ilman lähes minkäänlaista teorian yksinkertaistamista.

Seminaari verkossa

 

Viimeksi päivitetty: 23.10.2019