Обзор возможностей ANSYS Mechanical для решения инженерных задач

Дмитрий Фролов (Дмитрий Фролов, инженер технической под­держки отдела конструкционного анализа, ООО «Делкам-Урал»)

В настоящее время инженерные задачи становятся все более сложными и комплексными, затрагивая одновременно несколько разделов физики. Например, при решении задачи акустического удара или теплового анализа работы двигателя уже не обойтись аналитическими формулами или узкоспециализированными программами. В таком случае необходимо прибегнуть к помощи более серьезных и современных программных комплексов.

Конечно-элементная модель картера дизельного двигателя

Прочностной анализ упругой пластинчатой муфты

Линейка продуктов ANSYS, Inc., в том числе продукт Mechanical, позволяет решить практически любую задачу механики деформируемого твердого тела или получить сопряженное решение задачи механики с решением задач других областей физики, например гидрогазодинамики, теплопереноса или электромагнетизма. Данный продукт предлагает возможность создания единой фундаментальной (мультифизической) матрицы взаимодействия полей, поддерживая акустический, пьезоэлектрический, термопрочностной и термоэлектрический типы анализа. При наличии продукта ANSYS CFD или ANSYS Emag также можно провести анализ взаимодействия конструкции с различными текучими средами или электромагнитными полями соответственно. Подобные расчеты помогают инженеру лучше оценить реакцию их моделей на всевозможные комбинации явлений. ANSYS Mechanical решает следующие типы задач:

• прочностной анализ — статический;
• устойчивость:

- линейная,

- нелинейная;

• динамический:

- анализ переходных процессов,

- модальный анализ,

- гармонический отклик,

- спектральный отклик,

- случайные вибрации;

• суперэлементы;
• оптимизация формы;
• контактные задачи:

- скольжение с разделением,

- трение,

- уплотнения;

• тепловой анализ:

- стационарный,

- переходный;

• тепловые модели:

- проводимость,

- конвекция,

- излучение,

- радиация в виде коэффициентов матрицы,

- фазовый переход, характеризуемый энтальпией;

• акустика;
• междисциплинарный анализ:

- акустический/прочностной,

- термический/прочностной,

- тепловой/электрический*,

- тепловой/электрический/ прочностной *,

- пьезоэлектрический*,

- пьезорезистивный*,

- взаимодействие конструкции с текучей средой*,

- универсальный модуль расчета связанных полей*.

Конечно-элементная модель электродвигателя с маховиком

Решение без ограничений

ANSYS Mechanical включает полный набор линейных и нелинейных элементов, удобную для использования и редактирования базу материалов от конструкционной стали до резины, а также широкий набор методов решения (решателей). Это позволяет легко решать самые сложные и комплексные задачи, даже если они включают нелинейный контакт. Для корректного моделирования сложной геометрии реальных объектов в решениях компании ANSYS, Inc. для задач механики деформируемых твердых тел предлагаются следующие возможности:

• поддержка широкого набора элементов, в число которых входят балка, оболочка, деформируемое твердое тело, элемент сплошной среды с оболочечной функцией формы (solid­shell), кабели и стержни, работающие только на сжатие или растяжение. Помимо этих элементов присутствуют предварительно натянутые элементы, соединения, уплотнения, арматурные стержни, элементы жесткости и пр.;
• широкий набор линейных и нелинейных моделей материалов для работы с композитами, пластичностью металлов, гиперупругостью резиновых компонентов, набор специальных материалов, таких как чугун, сплавы с памятью формы, пористые упругие тела, свойства, зависящие от температуры, модели клеевых слоев, ползучесть и радиационное распухание, демпфирование в материале, и т.д.;
• учет геометрических нелинейностей, таких как большие деформации и отклонения, зависимость жесткости от напряжения, размягчение при вращении;
• полный набор отказоустойчивых контактных алгоритмов: поверхность — поверхность, линия — поверхность и линия — линия для жестких и податливых тел, контактное взаимодействие с учетом изотропного и ортотропного трения, проскальзывание, а также тепловой контакт. Быстрое автоматическое определение типа контакта в совокупности с мощными алгоритмами позволяет быстро и точно рассчитывать контактные модели;
• моделирование затяжки болтов, обжатия уплотнений, расчет циклической прочности, сейсмических и монтажных нагрузок, «рождение и смерть» элементов. В программных пакетах Explicit возможно моделирование прогрессирующего обрушения строительных конструкций.

Распределение давления на рабочем колесе насоса

Адаптация решателя к нуждам пользователя: настройка и создание сценариев

Возможность выбора различных типов конечных элементов и характеристик материала пользователем делает решения компании ANSYS, Inc. для механики деформируемых твердых тел более гибкими и позволяет расширять возможности программного обеспечения для решения широкого круга задач. Опытные пользователи могут эффективно использовать параметрический язык программирования APDL, который обладает богатым набором возможностей создания сценариев для выполнения всех расчетов —от предварительной обработки до постпроцессорной обработки, автоматизации процессов или доступа к дополнительным функциям и настройкам решателя. В дополнение к этому инструменты моделирования ANSYS позволяют осуществлять полное или частичное взаимодействие с инструментами сторонних производителей.

Структурный анализ площадки обслуживания задвижек нефтепровода

Контроль всех стадий проектирования

Начиная с 10­й версии в комплекте с программными продуктами ANSYS, Inc. идет программная среда Workbench — универсальный инструмент для структурирования и контроля решения вашей задачи. В ее состав входит несколько удобных и простых в освоении инструментов для создания геометрии любой сложности, а также сетки конечных элементов, ориентированной на конкретный тип анализа. Workbench без труда позволяет создать геометрию объекта (в том числе с помощью параметрических функций), сетку КЭ и связать, например, тепловой и структурный анализ в рамках одного проекта с возможностью последующего редактирования параметров на любой стадии. Кроме того, эта программная среда дает возможность экономить время путем исключения ручной передачи файлов и перерасчета.

Структурный анализ каркаса сцены

В рамках этой высокопроизводительной среды пользователь получает следующие преимущества от использования лучших технологий:

• лучшая интеграция с CAD­системами. Параметрические двунаправленные связи со всеми основными CAD­системами;
• автоматическое определение контакта. Режим большой сборки, смешанные соединения оболочечных, балочных и сплошных конечных элементов, шарнирные соединения;
• возможности автоматического создания сетки. Создание тетраэдрической сетки, гексаэдрической методом протяжки, оболочечной, тонкостенной сплошной среды и неструктурированной сетки с преобладанием гексаэдров;
• улучшенные возможности решателя. Решатель разреженных матриц, итерационный, решатель­суперузел, гиперпроизводительный параллельный решатель;
• настройка и сценарии. Настройка пользовательского интерфейса, пользовательские модели материалов и пользовательские элементы, параметрический язык программирования ANSYS (APDL);
• создание баз данных. Различные мастера, шаблоны, схематическое описание проекта;
• всесторонняя постпроцессорная обработка. Получение индивидуальных результатов, линеаризованные напряжения, отображение результата по направлению и т.д.;
• автоматическое создание отчетов. Интегрированное создание отчетов, PowerPoint, Word, HTML.

Эффективный расчет больших моделей

Благодаря возможности выполнения параллельных расчетов в программных продуктах ANSYS, Inc. весь процесс расчета проходит в параллельном режиме, в том числе создание матрицы жесткости, решение линейных уравнений, расчет результатов при обработке с разделением и с распределением памяти. Дополнительные углубленные методики, например режим синтеза компонентов, анализ циклической симметрии, техники подмоделирования, также помогают эффективно работать с большими моделями.

Схема междисциплинарного анализа в программной среде Workbench

Выбор очевиден

Конечно­элементное моделирование позволяет уменьшить количество физических прототипов и испытаний, что ускоряет возврат инвестиций за счет уменьшения времени разработки, а также способствует развитию более гибкого процесса разработки, основанного на информации, и ведет к созданию инновационных и высококачественных продуктов и процессов производства. Это приводит к переходу на более высокий уровень вывода продукта на рынок за меньшее время и с меньшими затратами. Чтобы оставаться конкурентоспособными, удовлетворять потребности клиентов, разрабатывать надежные инновационные продукты, сокращая при этом этапы проектирования, разработчики и инженеры нуждаются в инструментах моделирования, которые обеспечивают надежные и точные интегрированные решения. ANSYS Mechanical — лучшее в своем классе решение для проектирования оптимизации конструкций. Набор функций данного продукта позволяет решать широчайший спектр задач практически из любых областей, учитывая все отечественные и зарубежные нормы проектирования, а также вносить изменения в проекты на любом этапе проектирования и решать задачи оптимизации.

САПР и графика 11`2010