10 - 2014

Новые возможности версии 16 ANSYS Mechanical

Павел Дружинин
Инженер технической поддержки, ГК «ПЛМ Урал» — «Деклам-Урал»

Прогресс в области инженерного ПО не стоит на месте. Компания ANSYS, Inc. продолжает расширять возможности своего продукта и в частности программного пакета Mechanical. Нововведения и улучшения, представленные в новой, 16­й версии, затронули различные расчетные модули и инструменты, необходимые для решения широчайшего круга инженерных задач. Компания «Делкам­Урал» спешит проинформировать читателей о новых возможностях Mechanical в плане работы с интерфейсом, обработки результатов, задания контактов и построения сетки КЭ, расширения возможностей линейного динамического анализа и о многих других обновлениях, доступных в версии 16.

Общие изменения, интерфейс и обработка результатов

В первую очередь из общих нововведений следует отметить появление нового режима запуска Mechanical — Read Only. Теперь пользователь может просматривать расчетную модель и просчитанные и сохраненные заранее результаты даже при отсутствии соответствующей лицензии
(рис. 1).

Рис. 1. Запуск Mechanical

Рис. 1. Запуск Mechanical
в режиме просмотра

Расширение инструментария для работы с моделью, добавление новых команд и настраиваемых пользователем функций в графический интерфейс в каждой новой версии делает продукт компании ANSYS все более гибким и удобным для пользователя. Так, среди инструментов создания модели появилась команда Distributed Mass, которую теперь можно найти рядом с командой Point Mass. С ее появлением стало возможным задание распределенной по указанной поверхности массы, имитирующей, например, массу теплоизоляции или краски. Есть два варианта определения такой массы: пользователь задает общую массу или удельный вес.

Полезным нововведением для решения специфичных или научных задач послужит возможность создания пользовательской модели материала через графический интерфейс модуля Engineering Data — User Defined Material Model. Инструкция для пользователей добавлена в документацию Engineering Data User’s Guide (приложение B).

Нововведения представлены и в области работы с деревом создания модели. Так, для пользователей, работающих с множественными однотипными объектами в дереве или со сборками (созданными в Workbench), появилась возможность многоуровневого группирования объектов (рис. 2). Операция осуществляется через контекстное меню, вызываемое правой клавишей мыши. Причем в случае сборок можно настраивать автоматическое группирование в соответствии с исходной моделью, входящей в сборку.

Кроме того, при переименовании объектов в дереве пользователь теперь сможет переименовывать их группами, присваивая им общее имя с добавлением соответствующего номера.

Рис. 2. Группирование объектов дерева

Рис. 2. Группирование объектов дерева

Разработчики также расширили возможности по визуализации геометрической модели и обработке результатов. Добавлены новая функция и соответствующая ей панель, отвечающие за визуализацию разъединения элементов сборки (рис. 3).

Рис. 3. Разъединение элементов сборки

Рис. 3. Разъединение элементов сборки

Рис. 3. Разъединение элементов сборки

Рис. 4. Отображение результатов на балочных элементах

Рис. 4. Отображение результатов на балочных элементах

Существенной и полезной оказалась реализация в новой версии графического отображения результатов на балочных элементах (рис. 4), ранее доступного только в ANSYS APDL. Чтобы показать результаты непосредственно на модели, необходимо настроить выходные параметры решателя и включить отображение толщин оболочек и сечений балочных элементов.

Помимо отрисовки результатов на балочных элементах пользователь также сможет анализировать состояние затянутых болтов, заданных с помощью нагрузки Bolt Pretension. Данная функция доступна через инструмент Bolt Tool.

Задание контактов

Одним из самых существенных дополнений в области задания контактных взаимодействий можно назвать добавление в инструментарий специализированной команды, позволяющей автоматически создавать единую контактную поверхность для всех тел в сборке. Называется эта опция General Contact и реализуется с помощью команды GCGEN языка APDL. Такая функция может стать серьезным подспорьем при работе с большими сборками — несколько строк кода, вставленного через командную вставку (Command Snippet) в проект Mechanical, позволят автоматически определить все возможные контактные поверхности и построить одну общую, минимизировав возможность пользовательской ошибки. Дополнительные настройки помогут оптимально настроить автоматичес­кое определение контактов.

Обновление также затронуло стандартные настройки контактов и контактные алгоритмы. В новой версии Mechanical подобные изменения произведены с целью повышения устойчивости контактных алгоритмов, а следовательно, всего расчета в целом. Так, был изменен алгоритм пересчета жесткости контактного соединения в процессе расчета, а опция, отвечающая за эту настройку (Update Contact Stiffness), теперь по умолчанию будет всегда включена. Также пересмотрен алгоритм введения в расчет искусственного демпфирования. Теперь с увеличением числа итераций в решении коэффициент демпфирования будет уменьшаться, а при закрытии контакта хотя бы в одной точке — обнуляться.

Время автоматического определения контактных пар в больших сборках существенно сократилось благодаря использованию всех доступных процессоров компьютера. Например, в версии 16 Mechanical контакты в сборке более чем из 350 деталей определяются за 6 с (использовано четыре процессора) против 46 с, затрачиваемых в версии 15.

В некоторых случаях требуется максимально свести задачу к линейной с целью улучшения сходимости и сокращения времени расчетов. В таком случае может помочь новая контактная формулировка Beam Connection, специальной опцией добавленная к уже известному контактному типу Bonded (склейка). В данном соединении контактные элементы заменяются на балочные (рис. 5). Для балок круглого сечения нужно задать тип материала и радиусы сечений.

Рис. 5. Соединение тел с помощью балочных элементов

Рис. 5. Соединение тел с помощью балочных элементов

Разработчики продолжили развивать недавно введенные в интерфейс команды и функции, отвечающие за моделирование трещин и анализ параметров механики разрушения. В новой версии программного продукта расширены возможности метода Contact Debonding, основанного на технологии CZM (Cohesive Zone Modeling — модель связующего материала), который позволяет моделировать разделение контактных поверхностей. Добавленные новые модели материала для CZM доступны в Engineering Data. Также изменен алгоритм вычисления жесткости соединения при разрыве связей и при обратном смыкании берегов трещины. В том числе пользователь может настроить контакт так, чтобы после закрытия трещины связи между элементами восстанавливались (CZM Healing).

Работа с сеткой конечных элементов

Шагом вперед для решения задач неявными методами в статической постановке стало добавление разработчиками в графический интерфейс функции, зачастую незаменимой в решении нелинейных задач с большими деформациями, — а именно функции динамического перестроения сетки конечных элементов (КЭ). В терминологии ANSYS она называется Mesh Nonlinear Adaptivity (NLAD) и представлена в интерфейсе через команду Nonlinear Adaptive Region, доступную в ветке Static Structural (рис. 6).

Рис. 6. Команды Nonlinear Adaptive Region в дереве проекта

Рис. 6. Команды Nonlinear Adaptive Region в дереве проекта

Суть данной функции заключается в уменьшении размера ячейки сетки КЭ на указанном в команде объекте непосредственно во время расчета при достижении некими контрольными параметрами (энергия, искривленность элементов) своего критического значения. Перестроение сетки КЭ происходит на подшагах расчета. В команде настраиваются как критерии запуска перестроения, так и возможность активации/деактивации команды на определенных шагах расчета. Кроме того, Nonlinear Adaptive Region можно добавлять в расчет не только перед его началом, но и после его расхождения, используя точки рестарта (их количество контролируется программой по умолчанию или может быть задано перед началом расчета).

Применение динамического перестроения сетки в нелинейном расчете позволяет решать задачи, не сходящиеся при исходной неизменяемой сетке КЭ, и призвано сократить время вычислений с одновременным повышением их точности.

Результаты расчета отображаются на сетке, соответствующей данному моменту времени (рис.  7).

Рис. 7. Изменение результата расчета в процессе перестроения сетки

Рис. 7. Изменение результата расчета в процессе перестроения сетки

Ранее точечное изменение сетки КЭ в Mechanical было невозможно по причине отсутствия соответствующих инструментов. Приходилось менять глобальные и добавлять локальные настройки сетки и производить ее перестроение. Теперь же в версии 16 пользователю доступен специализированный набор инструментов, добавляемый в дерево проекта под видом объекта с именем Mesh Edit. Данный объект наряду с командами, позволяющими вручную или автоматически сливать узлы сеток, принадлежащих разным телам, содержит также команду для перемещения узлов сетки — Node move (рис. 8).

Рис. 8. Объект Mesh Edit и команды для работы с узлами сетки КЭ

Рис. 8. Объект Mesh Edit и команды для работы с узлами сетки КЭ

Рис. 8. Объект Mesh Edit и команды для работы с узлами сетки КЭ

С помощью команды Node move пользователь может выбирать и перемещать узлы сетки. Таким образом, можно улучшать качество определенных конечных элементов. У команды имеется своя панель инструментов, позволяющих управлять процессом редактирования, отменяя предыдущее или все сделанные изменения. Эффективность перемещения узлов может быть повышена путем отслеживания качества элементов в режиме реального времени. Для этого разработчики сделали возможным графическое отображение выбранного параметра качества элементов, доступного в Mesh Metrics. Таким образом, при перемещении узла сетки цвета соседних элементов будут перерисовываться динамически в соответствии с их новыми показателями качества (рис. 9).

Рис. 9. Редактирование сетки КЭ с одновременным отображением качества элементов

Рис. 9. Редактирование сетки КЭ с одновременным отображением качества элементов

Также при применении команды Node Move возможно не только перемещение нужного узла вручную на экране, но и указание соответствующих новых координат.

Далеко не во всех ситуациях требуется структурированная сетка, которая иногда создается по умолчанию. Сделать сетку неструктурированной теперь можно с помощью нового подхода к созданию структурированных сеток на гранях. Вместо функции Mapped face meshing появился инструмент под названием Face Meshing, содержащий в качестве одной из настроек пункт Mapped Mesh, который при желании всегда можно выключить.

Существенные изменения произошли и с методом построения сетки Multizone. Назовем некоторые из них:

  • в версии 16.0 изменен тип неструктурированной сетки Tetra. Теперь типов такого рода два: Tetra и Tetra/Pyramid;
  • поверхности источников и приемников сетки при их ручном определении теперь можно выбрать через именованные наборы.

И наконец, следует отметить расширение возможностей исправления некачественной геометрической модели прямо в интерфейсе Mechanical — улучшение инструментария для создания виртуальных ячеек — Virtual Topology. Добавлены три новых режима работы наряду с автоматическим и ручным: Custom, Repair и Simplify. Первый режим позволяет подробно настраивать различные параметры, по которым будет производиться поиск объектов для создания виртуальных ячеек. Суть второго и третьего режимов заключается в повторении алгоритмов аналогичных функций из DesignModeler’а.

Работа со сборками

Возможность объединять различные инженерные (содержащие модели материалов, геометрию и сетку КЭ) системы в сборки появилась в предыдущем релизе программного пакета. В новой версии продукта продолжилось расширение функционала данной операции. Например, включена поддержка многоуровневых сборок, где сборки низкого уровня становятся подсистемами новой сборки. Кроме того, теперь поддерживается объединение в одной сборке деформируемых и абсолютно жестких (Rigid) тел.

Рис. 10. Новый вид дерева проекта сборки

Рис. 10. Новый вид дерева проекта сборки

Рис. 11. Ориентация элементов сборки с помощью Worksheet по локальным системам координат

Рис. 11. Ориентация элементов сборки с помощью Worksheet по локальным системам координат

Изменился общий вид дерева проекта сборки (рис. 10):

  • объекты виртуальной топологии и сеточные соединения (Mesh Connection) из исходных моделей не переносятся в статистику сборки, но присутствуют в самой геометрии;
  • системы координат тел сборки, а также контакты и именованные наборы (Named Selections), определенные в подсистемах, стали доступны в дереве. Причем названные объекты именуются и в соответствии названием группируются с исходной инженерной моделью.

Поскольку все контакты, заданные в подсистемах, переносятся в сборку, пользователю остается задавать только контакты между самими собираемыми телами. Для этого разработчики добавили уникальную опцию для настройки контактных взаимодействий — автоматическое определение контактов между деталями. Однако при этом всегда остается возможность задавать контакты между телами в подсистемах, если это не было сделано ранее.

В версии 16 упрощен процесс соединения и ориентации в пространстве деталей сборки. Редактировать положение деталей теперь можно в окне Worksheet, доступном в ветке Model (рис. 11). В таблице указываются исходные системы координат на деталях и целевые — те, с которыми будут совмещены исходные системы вместе с соответствующими им телами.

Помимо вышесказанного разработчиками переработаны алгоритмы создания сборок, за счет чего существенно повышена производительность работы с ними. Так, время создания сокращено в 2­3 раза (рис. 12).

Тела

Узлы

Элементы

Время(R15/R16)

Модель 1

 589

2 253 704

993 545

06:53/2:31

Модель 2

29

481 916

284 770

04:30/0:35

Модель 3

10

339 787

216 929

01:54/0:53

Модель 4

648

6 335 506

3 457 549

10:52/3:57

Модули решения динамических задач

Помимо обновления систем и функций, зачастую общих для различных типов анализов, разработчики не оставляют без внимания и конкретные расчетные модули и типы анализа. Значимая часть изменений и дополнений, представленных в 16­й версии программного пакета, приходится на различные типы динамического анализа, в частности на гармонический анализ вращающихся роторов. Для анализа вынужденных колебаний роторов с дисбалансами в новом релизе представлен соответствующий тип нагрузки Rotating Force (рис. 13).

Рис. 13. Дисбалансы в гармоническом анализе вращающегося ротора

Рис. 13. Дисбалансы в гармоническом анализе вращающегося ротора

Данная команда работает с полным (Full) гармоническим анализом и с включенными настройками, учитывающими гироскопические эффекты (Coriolis Effect). Амплитуда силы может быть задана двумя способами: напрямую через величину в ньютонах или в виде некого дисбаланса массы, измеряемого, например, в граммах. Координаты приложения силы или массы также задаются в команде.

Важным дополнением, также расширяющим функции расчета динамики роторов в модальном и гармоническом анализе, является возможность моделирования подшипников (Bearing), жесткость и демпфирование которых зависит от скорости вращения ротора.

Еще одним нововведением в плане нагружения конструкций стала возможность возбуждать колебания с помощью виброускорения, воздействующего на заданное граничное условие (закрепление). Такую функцию разработчики добавили в объект Acceleration (рис. 14). Функция доступна в гармоническом (Harmonic) и нестационарном (Transient) анализах при решении методом суперпозиции собственных форм (MSUP).

Рис. 14. Задание виброускорения, действующего на основание конструкции

Рис. 14. Задание виброускорения, действующего на основание конструкции

Кроме нагрузки Acceleration для гармонического анализа обновлена нагрузка Force — сила. Изменение заключается в возможности задания частотно зависимой фазы для определения нагрузки в комплексном пространстве. График зависимости задается так же, как и для табличных нагрузок, — через переключатель Constant/Tabular.

Зачастую при решении задач вынужденных колебаний удобно задавать интервал изменения частоты не на обычной шкале, а, например, на логарифмической или в терминах октавных полос. В версию 16 добавлена такая возможность. Настроить частотную шкалу можно теперь в настройках гармонического анализа (рис. 15).

Рис. 15. Выбор масштаба частотной оси в гармоническом анализе

Рис. 15. Выбор масштаба частотной оси в гармоническом анализе

Как видно из рис. 15, напротив параметров минимальной и максимальной частот, а также количества интервалов, на которые разбивается частотный диапазон, появились переключатели, означающие возможность параметризации этих величин.

В дополнение к вышеназванным новым возможностям разработчики добавили специальные инструменты, функции и уникальные настройки, облегчающие и ускоряющие анализ результатов и расширяющие функционал программы. Ниже приведены примеры некоторых из таких нововведений:

  • во всех динамических анализах, за исключением анализа переходных процессов (Transient), поддерживается инструмент Spring Probe, который позволяет выводить различные (в  зависимости от типа анализа) результаты для созданных в модели пружин;
  • гармонический анализ (Harmonic) в новой версии поддерживает применение абсолютно жестких тел (Rigid Body);
  • в гармоническом анализе теперь поддерживается вывод пользовательских результатов — User Defined Results;
  • таблицы с коэффициентами участия и эффективными массами в модальном анализе могут выводиться отдельно. Для этого нужно в Solution Information — Solution Output выбрать пункт Participation Factor Summary;
  • в спектральном анализе (Response Spectrum) при выводе результатов расчета, учитывавшего эффект от отброшенных масс (Missing Mass Effect), можно запрашивать поля скоростей и ускорений.

Остальные типы анализа

Модуль анализа устойчивости Eigen Buckling в новой версии совмещает в себе возможность проведения как линейного, так и нелинейного расчетов. Идея такого подхода заключается в проведении соответствующего статического анализа, всегда предшествующего расчету устойчивости. Таким образом, теперь можно провести анализ устойчивости с учетом всех типов нелинейностей: нелинейность материала, большие деформации и контакты, меняющие статус (рис. 16).

Рис. 16. Проведение анализа устойчивости с учетом нелинейностей

Рис. 16. Проведение анализа устойчивости с учетом нелинейностей

Следующее изменение в области решения специфических задач произошло с алгоритмами решения задач износа. В первую очередь следует отметить совмещение алгоритмов расчета износа и адаптивного перестроения сетки. Такой подход позволяет считать задачи с большой степенью износа и повысить качество результатов расчета. Суть подхода заключается в запуске адаптивного перестроения сетки на подшаге при достижении параметром износа заданного критического значения (рис. 17).

Рис. 17. Результат расчета износа с адаптивным перестроением сетки

Рис. 17. Результат расчета износа с адаптивным перестроением сетки

Кроме того, подобный критерий может быть использован для прерывания расчета.

Нововведения появились и в температурном анализе (Thermal). Комплекс мероприятий, включающий настройку поведения конечных элементов (Model Type — Thermal Fluid) и задание соответствующих граничных условий и нагрузок (Mass Flow Rate и Convection Fluid), позволит пользователю упрощенно смоделировать течение жидкости с теплообменом. Идея данной операции заключается в применении одномерных элементов FLUID116 для моделирования потока жидкости (рис. 18).

Второе нововведение, касающееся температурного и термо­электрического анализов, заключается в добавлении возможности указывать области с линейной периодической симметрией через Symmetry Region. Это позволит как в температурном, так и в конструкционном анализе рассматривать не всю модель, а только ее повторяющийся элемент, если таковой можно выделить в модели.

Рис. 18. Моделирование потока жидкости с учетом теплопередачи и передача результатов температурного расчета в прочностной

Рис. 18. Моделирование потока жидкости с учетом теплопередачи и передача результатов температурного расчета в прочностной

Заключение

Компания ANSYS, без сомнения, не останавливается на достигнутом и будет дальше улучшать свои программные продукты, благодаря чему задачи разработки и оптимизации сложнейших устройств будут упрощаться. Группа компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам­Урал», в свою очередь, продолжит информировать читателей не только о новинках в линейке продуктов компании ANSYS, но и об опыте использования пакета, приемах работы и многих других особенностях применения программных продуктов ANSYS. 

Найти дополнительную информацию о продуктах компании ANSYS и задать нашим специалистам вопросы можно на наших сайтах: www.cae­expert.ru — новостной сайт с описанием продуктов ANSYS; www.cae­club.ru — портал и форум для пользователей ANSYS; www.cae­systems.ru — проведение обучающих online­семинаров.

САПР и графика 10`2014

Популярные статьи

Будущее CAM-систем

Статья знакомит с современным состоянием функционала CAM-систем, делает своеобразный экскурс в прошлое программного обеспечения для станков с ЧПУ, дает прогноз развития технологий, рынка и возможностей CAM-систем к 2020 году

Новая линейка профессиональной графики NVIDIA Quadro — в центре визуальных вычислений

Компания NVIDIA обновила линейку своих профессиональных графических карт Quadro. Новая архитектура Maxwell и увеличенный объем памяти позволяют продуктивно работать с более сложными моделями в самых высоких разрешениях. Производительность приложений и скорость обработки данных стали вдвое выше по сравнению с предыдущими решениями Quadro

OrCAD Capture. Методы создания библиотек и символов электронных компонентов

В этой статье описаны различные приемы и способы создания компонентов в OrCAD Capture, которые помогут как опытному, так и начинающему пользователю значительно сократить время на разработку библиотек компонентов и повысить их качество