Обзор бесплатных ACT-расширений для ANSYS Mechanical

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

ANSYS Workbench построен на модульной системе, позволяющей расширять его функциональные возможности путем создания дополнительных приложений. Для этого компанией ANSYS разработаны специализированные инструменты: Application Customization Toolkit (ACT) и Software Development Kit (SDK), входящие в набор ANSYS Customization Suite и управляемые одноименной лицензией. SDK предназначен для управления передачей данных между модулями, создания пользовательских расчетных модулей, а также для интеграции в Workbench функций сторонних приложений. В то же время, ACT создан специально для работы на уровне отдельных расчетных модулей. Его инструментарий позволяет разрабатывать пользовательские объекты для дерева проектирования, такие как нагрузки, пользовательские результаты, настройки анализа и генерации сетки.

Специальный раздел пользовательского портала ANSYS предназначен для скачивания ACT­расширений, разработанных как инженерами компании ANSYS, так и их официальными клиентами, проявляющими интерес к модификации продукта и настройке его для своих нужд. Все разрабатываемые расширения можно условно разделить на несколько групп. В первую очередь следует выделить приложения, добавляющие в Workbench новые расчетные модули и особые типы анализа. Как правило, они реализуют в графическом интерфейсе возможности, ранее доступные только через программирование на языке APDL. Следующий тип расширений — это пользовательские нагрузки и граничные условия, настройки анализа и дополнительные типы элементов. Они также могут реализовывать алгоритмы, доступные ранее только через APDL­команды, но, вместе с тем, позволяют разрабатывать собственные методы работы с граничными условиями и нагрузками. В последнюю категорию приложений можно отнести различные инструменты постпроцессинга, работы с графическим окном Mechanical, инструменты выбора, то есть команды, упрощающие и ускоряющие работу с интерфейсом программы и позволяющие выводить пользовательские результаты на экран.

В данной статье будут рассмотрены некоторые расширения, доступные на портале ANSYS, которые могут быть полезны при проведении стандартных типов анализа, а также при решении некоторых уникальных задач, сочетающих явления из различных областей физики.

Workbench LS­DYNA

Данное ACT­расширение позволяет решать задачи динамики в явной постановке с помощью LS­DYNA в среде ANSYS Workbench. Теперь настройка модели LS­DYNA и просмотр полученных результатов решения могут выполняться в графическом интерфейсе, аналогичном интерфейсу ANSYS Mechanical (рис. 1). Работа в среде Workbench и новый дружелюбный интерфейс обеспечивают пользователям LS­DYNA следующие преимущества:

• импорт геометрических моделей из большинства современных CAD­пакетов;
• «чистка» и исправление геометрии для построения качественной сетки;
• параметризация модели;
• мощный сеточный процессор с множеством гибких настроек и функций;
• создание сеток в параллельном режиме;
• выполнение расчетов в параллельном режиме;
• широкие возможности по обработке результатов.

Решателем ANSYS LS­DYNA поддерживается полный набор команд, описанных в руководстве пользователя LS­DYNA версии 971. Однако в графическом интерфейсе расширения представлен ограниченный набор наиболее часто используемых команд, необходимых для большинства расчетов. Присутствуют возможности по заданию контактов, начальных условий, граничных условий и нагрузок, контролю количества точек интегрирования в элементах, настройке анализа, а также контролю эффекта «песочных часов». Кроме того, пользователи могут дополнять выходной командный файл собственным кодом.

Лицензируется данный модуль так же, как и ANSYS LS­DYNA.

Рис. 1. Моделирование испытания по методу Тейлора в Workbench LS-Dyna

Acoustics Extension

Акустика изучает возникновение, распространение, поглощение и отражение звуковых волн в некой среде. Примерами объектов акустических исследований могут быть:

• сонары;
• концертные залы, где требуется равномерное распределение звуковых волн;
• производственные помещения, где необходим минимальный уровень шума;
• звукоизоляция автомобилей;
• подводная акустика;
• разнообразные динамики, громкоговорители, акустические фильтры, глушители и прочие подобные устройства.

Специализированное приложение позволяет производить полный спектр акустических анализов в среде ANSYS Mechanical. Это полная библиотека акустических конечных элементов, большой набор акустических свойств материалов, сопряженное конструкционно­акустическое взаимодействие для решения задач вибро­акустики, высокая производительность решения, приложения для лицензии ANSYS Mechanical.

Акустический анализ реализуется в следующих модулях:

• «Модальный анализ»;
• «Гармонический анализ»;
• «Анализ переходных процессов».

Данные типы анализа могут применяться как для решения только задач акустики, так и для расчета сопряженных задач виброакустики.

Виброакустические задачи подразумевают оценку влияния на конструкцию как шумовых, так и вибрационных воздействий. Версия ANSYS 15.0 предлагает полное (полезно для решения задач гидроакустики) или одностороннее сопряжение двух видов расчета. Одностороннее сопряжение применяется для акустических расчетов конструкции, если акустическим воздействием внешней среды можно пренебречь. Результаты конструкционного расчета в этом случае передаются как акустическое возбуждение (рис. 2). Конструкционный (полный или методом разложения по собственным формам) и акустический расчеты при этом представлены в двух различных модулях гармонического анализа.

В случае полного сопряжения конструкционные и акустические уравнения решаются с помощью методов несимметричной или симметричной матрицы, при этом второй метод оказывается более эффективным. Полностью сопряженный виброакустический анализ включает также взаимодействие с пьезоэлектрическими элементами, что, в свою очередь, позволяет решать множество тесно связанных задач, вплоть до проектирования датчиков и громкоговорителей.

Рис. 2. Анализ колебаний камертона в акустическом домене

Coupled Diffusion

Диффузия между телами, состоящими из разных веществ, или между веществом конструкции и окружающей средой может оказать существенное влияние на механические свойства материалов и на поведение конструкций в целом (вызвать деформации, а следовательно, напряжения). Скорость диффузии пропорциональна площади контактной поверхности, а также разности концентраций веществ или температур. Количество вещества, которое диффундирует в течение определенного времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню продолжительности диффузии.

Специальное расширение Coupled Diffusion реализует в интерфейсе Mechanical возможности APDL­решателя в области моделирования диффузии в задачах конструкционной механики, а также в термомеханических и температурных задачах. После установки расширения в Mechanical появляются дополнительные панели инструментов, содержащие инструменты для задания граничных условий, настроек анализа, специального типа контакта и просмотра результатов (рис. 3). Среди доступных результатов есть такие, как концентрация, градиент концентрации, диффузионный поток и деформации, вызванные диффузией.

Рис. 3. Панели инструментов для анализа диффузии

Hydrostatic Fluid

В некоторых случаях инженерной практики для корректного расчета конструкции необходимо учитывать влияние заключенного внутри объекта объема сжимаемой или несжимаемой среды. Простым примером такой конструкции может служить автомобильная шина. Для моделирования процесса ее деформирования требуется учесть находящийся внутри нее объем сжатого воздуха (рис. 4).

Расширение Hydrostatic Fluid добавляет новую панель инструментов в Mechanical. С помощью содержащихся в ней команд пользователь может создавать домен с жидкой или газообразной средой, прикладывать к нему соответствующие нагрузки, условия и просмат­ривать результаты для домена (рис. 5).

Рис. 4. Модель шины

Рис. 5. Панель инструментов для моделирования гидростатических элементов

Так, для проведения анализа в первую очередь необходимо на основе существующей геометрии или, наоборот, на основе полости создать объем специальных HSFLD­элементов. Такой тип элементов поддерживает разные типы поведения: газ, жидкость, несжимаемая среда и среда с пользовательской кривой «давление — объем». После определения типа среды следует выявить параметры, определяющие уравнение ее состояния. На финальном этапе пользователь задает нагрузки: давление, температуру и массовый расход. Дополнительные настройки Nonlinear Controls необходимы для контроля сходимости в случае проведения нелинейного анализа.

Non Linear Spring

Расширение Non Linear Spring добавляет в интерфейс Mechanical возможность использовать элемент COMBIN39 — пружину с нелинейными характеристиками и различными типами поведения. Все это определяется пользователем через настройки объекта (рис. 6). Среди них есть возможность задать нелинейную диаграмму «нагрузка — перемещение», определить, по какому пути на диаграмме будет осуществляться разгрузка элемента, количество степеней свободы (1D, 2D, 3D), а также тип поведения — будет ли пружина работать на растяжение­сжатие или на кручение.

Рис. 6. Настройки элемента
«Нелинейная пружина»

Frequency Dependent Damping

Иногда в динамическом анализе конструкций приходится учитывать зависимость демпфирования от частоты колебаний системы, в связи с тем что применение постоянного значения коэффициента демпфирования может давать некорректные результаты. Ранее частотно зависимый коэффициент демпфирования приходилось задавать с помощью команд APDL. Теперь же в полном гармоническом анализе (Full Harmonic) с помощью одноименного расширения данная возможность доступна и в интерфейсе Mechanical. Модуль добавляет отдельный объект, который, по сути, является таблицей с колонками «Частота» и «Коэффициент демпфирования». Занесенные в нее значения одновременно отображаются на графике.

Windload

Весьма полезным расширение Windload найдут те, кому приходится работать с конструкциями, подвергающимися воздействию ветровых нагрузок. Модуль добавляет в интерфейс новую команду, позволяющую напрямую задавать ветровую нагрузку и просматривать результат расчета — ветровое давление (рис. 7). Для этого пользователь должен с помощью вспомогательной системы координат определить направление ветра и его скорость. Скорость ветра может быть как постоянной, так и линейно изменяющейся по высоте.

Рис. 7. Поле давления на поверхности цилиндра от действия встречного ветра

Moving Heat

Численное моделирование движущегося теплового потока (Heat Flux) может использоваться для точного моделирования различных производственных процессов, в том числе и сварки. Точный расчет нестационарного потока тепла в процессе сварки необходим для адекватного расчета остаточных напряжений в области шва, что, в свою очередь, может повлиять на анализ долговечности изделия. Ранее подвижный поток тепла приходилось подавать вручную через APDL­команды. Специальное расширение Moving Heat призвано упростить эту процедуру путем введения новой нагрузки — Moving Heat Flux — в нестационарный тепловой анализ. Поддерживается сразу несколько движущихся тепловых потоков. Для задания нагрузки требуется указать заранее определенный путь, начальную точку пути, мощность потока и радиус пятна, а также скорость и время его прохождения и очередность возникновения потоков, если в расчете их задано несколько.

Enforced Motion

Вибростенды являются неотъемлемыми инструментами современных методик виброиспытаний. Возбуждение конструкции, как правило, происходит через ее основание, закрепленное на стенде. При моделировании таких испытаний в ANSYS Mechanical вибрационная нагрузка может прикладываться только ко всей конструкции в целом. Однако такой способ возбуждения не соответствует тому, что происходит при виброиспытаниях. Специально для проведения гармонического анализа и анализа переходных процессов с возбуждением основания вместо всей конструкции было разработано расширение Enforced Motion. Приложение в обоих случаях работает с методом суперпозиции форм.

Для реализации возбуждения конструкции через основание пользователю нужно ­в модальном анализе определить базу. Виброперемещение или виброускорение задается уже в гармоническом анализе или в анализе переходных процессов. Кроме табличного способа задания виброперемещения поддерживается также импорт данных из файла.

Follower Loads Extension

В реальности не все механические нагрузки, такие как сосредоточенные силы и моменты, в процессе деформирования конструкции сохраняют свое первоначальное направление приложения. В некоторых случаях, ввиду конструктивных особенностей объекта и характера нагружения, вектора сил или моментов могут менять свое направление с перемещением точки приложения. Подобные нагрузки называются «следящими». Расширение Follower Loads Extension позволяет задавать такие нагрузки в интерфейсе Mechanical. Для их применения требуется заранее заданная удаленная точка (Remote Point) и соответствующая система координат.

EKILL/EALIVE

Специальный модуль EKILL/EALIVE реализует в интерфейсе возможность «включать» и «выключать» определенные группы конечных элементов. Для этого используются APDL­команды EKILL и EALIVE соответственно. Первая заменяет действительное значение жесткости выбранных элементов на значение на несколько порядков ниже. Вторая команда восстанавливает жесткость выбранного набора конечных элементов до исходного значения. Такой подход с применением данных команд может пригодиться при решении многошаговых задач, где различные части конструкции могут «работать» в разное время, а также при решении контактных задач, где на некоторых шагах контакт между телами может не работать.

NLDIAG

Установка расширения NLDIAG дополняет функционал Mechanical в плане анализа проблем сходимости нелинейных задач. Иногда расчет может аварийно завершаться из­за сильного искривления некоторых элементов. В этом случае решатель выводит соответствующее сообщение. Однако найти эти элементы с помощью стандартных интерфейсных функций Mechanical не представляется возможным. Теперь же с помощью данного модуля в случае аварийного завершения решения пользователи смогут отобразить ошибочные элементы в текстовом файле, а также в графическом окне (рис. 8). Модулем поддерживается возможность записи нескольких файлов с номерами искривленных элементов последовательно.

Рис. 8. Отображение на сеточной модели элементов,
недопустимо искривляющихся в процессе расчета

Рис. 9. Эпюра изгибающего момента, построенная непосредственно на балке

Beam Result Viewer

Beam Result Viewer — простое расширение, которое позволяет отображать эпюры внутренних силовых факторов и прочих результатов на балочных элементах прямо в графическом окне Mechanical (рис. 9).

Способ отображения настраивается с помощью гибкой системы параметров. Полный список отображаемых результатов можно найти в системе помощи для соответствующего типа балочного элемента (например, BEAM188).

Iterative Meshing

Приложение Iterative Meshing может быть полезно в случаях, когда необходимо построить сетку КЭ оптимальной конфигурации при большом количестве варьируемых параметров, чтобы свести число элементов к необходимому минимуму, но при этом сохранить точность расчета. Работа модуля подобна менеджеру параметров в Workbench: сначала пользователь объявляет парамет­рами нужные характеристики и критерий, по которому будет оцениваться качество пробных конфигураций сетки; затем в соответствующем окне указываются наборы значений заданных параметров, по которым будут создаваться пробные сетки. Процесс итерирования может быть прерван либо по условию выработки всех комбинаций, либо по достижении критерия качества заданной величины. Также в модуле предусмотрена возможность сохранять и вызывать все созданные конфигурации сетки.

Заключение

Эти и много других расширений читатели могут найти на пользовательском портале компании ANSYS. Кроме того, там представлены шаблоны для создания собственных модулей и расширений для Mechanical.

Специалисты ГК «Делкам­Урал — ПЛМ Урал» будут рады помочь пользователям в предоставлении соответствующей лицензии для написания собственных приложений, а также могут оказать помощь в освоении пакета кастомизации ANSYS. Участвуйте в наших бесплатных вебинарах (http://cae­systems.ru/
webinars), задавайте вопросы на форуме
(http://www.cae­club.ru/forum). 

САПР и графика 2`2015