Новые возможности ANSYS 13.0

Ольга Мелехина, Геннадий Новаковский, Дмитрий Фролов

Уважаемые читатели журнала «САПР и графика»! Данной статьей мы открываем постоянную рубрику, посвященную программному обеспечению ANSYS, Inc. и возможностям его применения. Инструменты моделирования компании ANSYS, Inc. широко используются во всех отраслях промышленности для инженерных и научных расчетов в области динамики и прочности, газо- и гид-родинамики, теплообмена и электромагнетизма. Надеемся, что наши статьи будут интересны и полезны для вас. В этой публикации мы сделаем обзор новых возможностей и улучшений, реализованных в линейке программных продуктов ANSYS 13.0.

Новые возможности по созданию геометрических моделей в ANSYS

Главным преимуществом работы с геометрией в ANSYS является ее совместимость с PDM-системой Teamcenter Engineering и современными CAD-редакторами, такими как Pro/ENGINEER, SolidWorks, Solid Edge, CATIA, Autodesk Inventor, NX Siemens, и др. В 13-й версии появились не только интерфейсы для последних релизов этих CAD-систем, но и поддержка чтения новых форматов, например геометрии из баз данных GAMBIT, JT Open от Siemens PLM и файлов Pro/ENGINEER, чтение которых не требует установки самой программы.

Обновления в ANSYS DesignModeler

Множество опций было добавлено и доработано в DesignModeler. В основном они коснулись инструментов для работы с геометрией. Например, добавлена новая опция для продления поверхностей, которая позволяет в автоматическом режиме находить участки, где это необходимо, по заданной пользователем величине зазора.

В функции для создания топологии между элементами геометрии Joint теперь есть возможность выбора в качестве входных объектов не только ребер и линий, но и поверхностей, что значительно упрощает создание подобных соединений.

Улучшения коснулись и функции Mid-Surface, которая позволяет получить срединную поверхность некого объема. Теперь толщина получаемой поверхности зависит не только от исходной геометрии, но и может задаваться пользователем вручную.

Для лучшей ориентации в модели впервые появилась цветовая индикация ребер. Цвет ребер в модели теперь зависит от количества примыкающих к ним граней. Пользователь может сам задать цвет и толщину линий. А при выборе какой-либо поверхности теперь возможно отображение выделения с обеих сторон, что облегчает ориентацию в сложных моделях.

Функция принудительного соприкосновения элементов Connect теперь работает не только с вершинами и ребрами, но и с гранями, что полезно при доработке CAD-модели с большим количеством дефектов к последующему анализу.

Появилась новая опция Рropagation для именованных наборов (Named Selection). После различных операций над геометрией именованные наборы не разрушаются (рис. 1).

Рис. 1. Функция Propagation для именованных наборов

Также введено несколько новых функций для упрощения и разбиения геометрии, например разбиение ребра и грани по месту, отделение объемов замкнутыми линиями и т.д.

В новой версии появилась полноценная поддержка ассоциативных копий элементов геометрии (Instance), которая значительно повышает производительность и сокращает время создания сетки конечных элементов, так как она является одинаковой для всех копий (рис. 2). Теперь ассоциативные копии можно не только импортировать из CAD-редактора, но и назначать в самом DesignModeler.

Рис. 2. Пример использования ассоциативных копий

Кстати, теперь после изменения геометрии модели производится сравнение ее состояния с модулем для создания сетки и сетка перестраивается только для измененных частей, что значительно экономит рабочее время за счет интеллектуального, целевого обновления.

Обновления в ANSYS SpaceClaim

Модуль для «прямого» моделирования SpaceClaim Direct Modeler также претерпел несколько изменений и улучшений в инструментах работы с геометрией, а главное — теперь он доступен в самой схеме проекта Workbench и полностью интегрирован с его приложениями. Также появилась возможность передачи геометрии в SpaceClaim из DesignModeler (рис. 3).

Рис. 3. Модель редуктора в SpaceClaim

Новые возможности ANSYS по решению задач механики

Программная среда Workbench от версии к версии расширяет инструментарий графического интерфейса пользователя за счет передачи в него функционала команд APDL. В 13-й версии Workbench модуль Engineering Data теперь может назначать некоторые свойства материалов, которые ранее были доступны только при помощи специальных команд, например использование экспериментальных данных для материалов из резины, модели уплотнений и ползучесть материала и др. (рис. 4).

Рис. 4. Модель уплотнения в блоке цилиндров

Среди наиболее важных нововведений — долгожданная функция Restart в модулях Static Structural и Transient Structural, с помощью которой можно приостанавливать решение для внесения изменений в настройки решателя. Например, если при нелинейном расчете наблюдается плохая сходимость, то можно остановить решение, уменьшить шаг приложения нагрузки и запустить расчет с текущего подшага. Это позволяет быстрее получить решение для сложных задач¹.

Стоит отметить также появление нового модуля Design Assessment, который предназначен для использования сценариев при обработке результатов. Пользователь может создавать свои алгоритмы для проверки результатов по каким-либо нормам и методикам.

Впервые появилась возможность моделирования систем с циклической симметрией. Теперь можно проводить модальный анализ с учетом гармоник колебаний в рамках Workbench без использования специальных команд².

Для работы с композитами компания ANSYS представила новый метод VCCT, предназначенный для моделирования механики трещин, который на данный момент поддерживает плоское и осесимметричное НДС.

Рис. 5. Модель автомобильного колеса с использованием нового элемента HSFLD241

Кроме того, ANSYS представила несколько новых типов конечных элементов, которые делают его еще более универсальным инструментом. Среди них стоит отметить:

• элемент HSFLD241/242, который позволяет моделировать поведение текучей среды в замкнутых объемах без использования программных модулей вычислительной гидродинамики (FLUENT, CFX) при решении задач в неявной постановке («малозатратный FSI») — рис. 5;
• элемент REINF263, который моделирует до нескольких слоев армирования с заданным сечением в элементах в виде мембран с жесткостью в одном направлении;
• элемент SOLID278/279 для теплового анализа, с помощью которого можно моделировать слоистую структуру.

Для решения задач в явной постановке (explicit) в среде Workbench появилась поддержка сопряженного решателя Эйлера — Лагранжа, позволяющего решать задачи, в которых участвуют не только твердые тела, но и жидкость или газ.

В последнем релизе были как введены новые функции, так и развиты существующие: появилась возможность проводить модальный анализ конструкций, преднапряженных в нелинейной постановке, а стабилизация нелинейных систем теперь доступна в настройках решателя и может быть задействована на любом шаге решения. Модуль Rigid Dynamics для изучения поведения абсолютно жестких и деформируемых тел теперь поддерживает трехмерное определение контакта (рис. 6).

Рис. 6. Жесткие и деформируемые детали подвески автомобиля в модуле Rigid Dynamics

Что касается классического интерфейса APDL, то компания ANSYS не прекращает развивать его. Так, она представила несколько новых команд, с помощью которых опытные пользователи могут напрямую работать с математикой матриц и импортировать суперэлементы из NASTRAN.

Значительное повышение производительности с каждым новым релизом становится хорошей традицией в ANSYS, и 13-я версия не исключение. Разработчики также следят за развитием компьютерных технологий и внедрили в продукт поддержку графических ускорителей NVIDIA Tesla GPU, которые позволяют сократить время расчета от 2х до 4х раз и максимально эффективно использовать вычислительные ресурсы.

Новые возможности по решению задач гидродинамики

Обновления FLUENT 13.0

В новой версии продолжена интеграция FLUENT в Workbench и налаживание взаимосвязи с другими продуктами ANSYS, улучшен интерфейс. Развитие продукта направлено прежде всего на удовлетворение потребностей промышленных предприятий при решении сложных задач.

Расширение возможностей FLUENT в 13-й версии главным образом мотивировано запросами клиентов из автомобильной и обрабатывающей промышленности и судостроения. Основной акцент был сделан на развитие решателя и большинства физических моделей.

FLUENT 13 более тесно интегрирован в Workbench благодаря расширенной параметризации и возможности редактирования сетки во FLUENT. Поддержка удаленного решения (RSM), появившаяся в данном релизе, облегчает применение удаленных расчетных узлов для ускорения решения задачи.

Теперь ANSYS FLUENT позволяет выполнять одностороннее сопряжение с ANSOFT (HFSS, Maxwell или Q3D) для передачи тепловых потоков, вызванных потерями в электромагнитных устройствах (рис. 7).

Рис. 7. Передача результатов расчета из Maxwell во FLUENT

Применение новых численных алгоритмов, таких как метод псевдонестационарной релаксации, инициализация для гибридного решения и ограниченная дискретизация по времени второго порядка, в несколько раз уменьшает количество итераций, необходимых для сходимости решения, что значительно сокращает время расчета.

В новой версии выполнена значительная работа по повышению производительности параллельных вычислений: ускорились ввод-вывод файлов и обработка сетки, оптимизированы решатель и физические модели (например, модель дискретной фазы).

Расширены возможности программы по работе с сеткой плохого качества. Внедрен новый инструмент, исправляющий форму дефектных ячеек. Кроме того, решатель теперь может игнорировать значения переменных, полученных в таких ячейках, интерполируя значения по соседним ячейкам приемлемого качества.

В FLUENT 13 появились новые интересные возможности для задач с множественными вращающимися системами координат (MRF). Теперь можно создавать несколько вложенных областей с MRF (вентилятор на вращающейся платформе, обтекание колеса автомобиля на вираже и др.). Применение MRF может сочетаться с алгоритмом движущейся (деформируемой) сетки.

Для задач с изменяющимися от времени размерами расчетной области (например, задача течения в цилиндре автомобильного двигателя) теперь доступен алгоритм покадровой смены сетки. Он заключается в том, что в ходе нестационарного расчета последовательно загружается ряд заранее созданных сеток, между загрузками сетка плавно деформируется. Данный алгоритм может выполняться автоматически или с помощью ручных настроек (через текстовый интерфейс пользователя). Для задач, требующих гексагональной декартовой сеткой, может применяться перестроение с новой декартовой сеткой (метод Cut-Cell) — рис. 8.

Рис. 8. Декартово перестроение сетки камеры сгорания

Одним из важных моментов в 13-й версии является появление двух методов оптимизации решения. Первый метод — TBD — путем перемещения узлов сеточной модели в ходе решения изменяет геометрию расчетной области так, чтобы улучшить заданную характеристику (целевую функцию). Второй метод — Adjoint Solver — позволяет получить информацию о том, как следует изменить форму обтекаемого тела или форму стенок проточной части, чтобы уменьшить лобовое сопротивление или гидравлические потери (пример показан на рис. 3).

Расширение возможностей FLUENT затронуло также моделирование турбулентности. Новая «встраиваемая» E-LES-модель позволяет разрешать крупные турбулентные вихри только в заданной части расчетной области, в то время как в остальной области турбулентные эффекты учитываются осредненно с помощью RANS-моделей. Интерфейс между RANS и LES составляет изменение от стационарной (смоделированной) турбулентности к нестационарной (рассчитанной) турбулентности (рис. 9 и 10).

Рис. 9. Зоны рекомендуемой коррекции формы кузова по критерию лобового сопротивления

Рис. 10. Применение SAS-модели. Вихревые структуры за колесом болида F1

Во FLUENT теперь доступна модель турбулентности адаптируемого масштаба (SAS). Данная модель, более производительная по времени в сравнении с другими моделями вихрей (LES/DES), позволяет получить качественные результаты для отрывных течений, когда использование стандартных RANS-моделей в нестационарной постановке некорректно.

Рис. 11. Модель эйлеровой пристеночной пленки, сопряженной с DPM. Оценка влияния дождя на автомобиль

В 13-й версии реализован ряд новых возможностей для моделирования многофазных течений. Среди основных улучшений:

• новые модели кипения позволяют учитывать неравновесное кипение в фазе переохлаждения, перегретый пар, критическую плотность теплового потока для осушенных участков стенки;
• расширен метод баланса дискретной совокупности, предназначенный для моделирования полидисперсных течений. Теперь он может применяться для гетерогенных многофазных течений, учитывать разделение пузырей, капель, твердых частиц в потоке;
• новый метод (Level-Set Method) для течений со свободной поверхности позволяет лучше учитывать силы поверхностного натяжения, что дает лучшие результаты моделирования формы и размеров пузырей в сравнении со стандартным VOF-методом;
• модель эйлеровой пристеночной пленки, разработанная для задач взаимодействия корпуса автомобиля с потоком капель дождя, может сопрягаться с лагранжевой моделью дискретной фазы (DPM) — рис. 11. Она получит развитие в следующей версии FLUENT в плане расширения ее применимости для решения задач обледенения;
• для VOF-модели теперь может применяться схема сжатия, дающая оптимальное соотношение точности и устойчивости решения. Схема BGM (Bounded Gradient Maximization) для стационарных течений со свободной поверхностью значительно сокращает время расчета, при этом размывание межфазной границы происходит в пределах одной-двух ячеек. Для VOF-модели введены новые опции, такие как Numerical beach (поведение волн у берега), волны высокого порядка и угол контакта с пористым телом (для течений в капиллярах);
• применимость модели плотной дискретной фазы (DDPM) расширена до предела упаковки частиц. Зону впрыска частиц теперь можно задать переменным от времени массовым расходом или скоростью без использования UDF. Для моделирования распада капель стала доступна модель KHRT (Kelvin-Helmholtz, Rayleigh-Taylor). Новая DEM-модель описывает взаимодействие частиц детерминировано (другие модели — вероятностно), может учитывать упругость соударения, скольжение и прилипание, вращение частиц, их несферичность;
• модели реальных газов расширены дополнительными уравнениями состояния (Peng-Robinson, Redlich-Kwong и Soave-Redlich-Kwong EOS); их применение расширено для критических и докритических режимов;
• увеличена скорость решения для потоков с химическими реакциями за счет уменьшения размерности реакций, применения химических агломераций, расчета веществ малых концентраций для стационарного «замороженного» поля. Во FLUENT 13 введены новые настройки реакций: межфазовые реакции Аррениуса, модели характеристического времени, тонкого пламени и G-уравнения;
• моделирование переноса тепла излучением улучшено в следующих аспектах: ускорено вычисление угловых коэффициентов, в Р1-модель внедрен многополосный спектр, модели DO и P1 теперь могут применяться для многофазных эйлеровых течений, модель солнечного излучения может быть распараллелена;
• модернизировался импорт/экспорт файлов: стало возможным импортировать сетки TecPlot 360, включая полиэдрические; распараллеливать экспорт ASCII-данных; экспортировать CFF (функции пользовательских полей) в параллельном режиме в Fieldview.

Обновления в CFX 13.0

Основные направления развития новой версии ориентированы на турбомашиностроение (решатель, геометрия, сетка, постпроцессор) и энергетику (горение, перенос частиц, многофазные течения). В CFX 13.0 усовершенствованы основной решатель и ряд физических моделей, улучшен и расширен пользовательский интерфейс.

Долгожданное нововведение — дополнительные нестационарные модели для решения задач гидродинамики турбомашин. В 13-й версии появились две новые модели: метод преобразования времени и метод преобразования Фурье. Новые модели позволяют учесть нестационарные эффекты при рассмотрении сеточных областей с одной-двумя лопатками, в то время как традиционная нестационарная модель часто требует рассмотрения всего венца. При использовании новых методов объем ОЗУ и время работы ЦПУ могут сокращаться на один-два порядка.

Метод преобразования времени выполняет решение на основе условного, «вычислительного» времени (t’). Он обеспечивает быструю сходимость для нестационарного периодического решения. Метод преобразования Фурье сохраняет историю решения на периодических границах, сдвинутых по фазе. Метод применим для более широкого диапазона течений в сравнении с моделью преобразования времени. Созданы две опции для обоих методов: нестационарный статор-ротор для одной ступени и метод нарушения границы (так называемый frozen gust). Преобразование Фурье также доступно для расчета флаттера лопаток.

Численный алгоритм взаимодействия твердого тела с потоком (6-DOF Rigid Body Solver) был улучшен в новой версии введением неявного сопряжения на внешних итерациях.

Повысились эффективность и устойчивость решения течений с частицами (затраты CPU снижены в 3-4 раза, общее решение быстрее на 30-40%). Впрыск частиц теперь можно задавать с учетом вихря, в локальных координатах.

Расширена модель испарения жидкости для случаев с идеальными смесями, дополнительно введена модель виртуальной стенки Соммерфельда, хорошо учитывающая шероховатость стенки.

В эйлеровой многофазной модели повышена устойчивость решения с учетом силы турбулентного рассеивания и силы давления твердой фазы. Введена новая модель конденсации на стенке, которая позволяет учитывать, например, эффект конденсации в результате падения давления при разгерметизации.

В CFX 13.0 для решения задач горения теперь можно вводить турбулентные числа Шмидта в зависимости от компонента и создавать CEL-выражения для турбулентных чисел Шмидта и Прандтля. Генератор Flamelet-библиотек CFX-RIF дополнен новыми видами топлива (бензин, дизтопливо, керосин). Flamelet-библиотеки теперь могут учитывать зависимости от температуры и давления. Введены новая модель горения с G-уравнением и модель искрового зажигания, задаваемая пользователем. Для улучшения моделирования закритических свойств материалов введено уравнение состояния Soave Redlich-Kwong.

В турбулентности теперь можно применить схему с ограниченными центральными разностями (BCD), устраняющую нефизические колебания для моделей (DES/SAS/LES). Введена зональная модель крупных вихрей (схожая со встраиваемой E-LES-моделью во FLUENT). Флуктуации потока на входе в зону генерируются гармонической функцией, размеры зоны определяются с помощью CEL-выражения. Еще одна новая возможность — доступ пользователя к заданию своих турбулентных пристеночных функций.

Рис. 12. Температура протекающей среды и пористой структуры в каталитическом конверторе

Рис. 13. Течение при последовательном разрушении окон под воздействием пожара

При моделировании сопряженного теплообмена в пористых телах теперь можно задавать теплопроводность твердого материала пористого тела с помощью отдельного поля температур для твердого материала, коэффициента теплоотдачи и площади поверхности пор (рис. 12).

В CFX 13.0 стало возможно задавать открытие и закрытие границы на интерфейсах доменов. Открытие/закрытие границы GGI-интерфейса управляется CEL в зависимости от заданный условий. Пример использования данного приема показан на рис. 7.

В новой версии удаленный менеджер решателя в Workbench позволяет задавать очередность пакетного решения как локально, так и удаленно, на вычислительных узлах как с общей, так и с разделенной памятью. При этом пока существует ряд ограничений (расчеты с перестроением сетки; расчеты, требующие дополнительных файлов, например Flamelet-библиотеки; RGP-файлы; Fortran-процедуры).

Обновления в CFD-Post 13.0

В CFD-Post R13 появился совершенно новый тип визуализации результатов расчета — объемное распределение (Volume rendering), позволяющее анализировать трехмерное поле по заданной переменной (рис. 14).

Рис. 14. 3D-отображение турбулентных структур в следе за плохообтекаемым телом

Для улучшения возможностей по отображению количественных и качественных результатов FLUENT реализованы более точная (по ячейкам) интерполяция пользовательских переменных, плавное распределение через согласующиеся интерфейсы доменов, а также опция для учета внутренних регионов сетки. С помощью нового формата файлов для экспорта теперь можно отображать траектории частиц из FLUENT.

В новом Turbo Post создан макрос для обработки результатов, полученных для новых нестационарных моделей каскадов лопаток. Точечное распределение по высоте лопатки на основе сетки позволяет уловить значения в узком пограничном слое на двумерном графике. Turbo-инициализация теперь может быть применена и для доменов с осью вращения, заданной в локальной системе координат.

В добавление к перечисленному выше в новой версии CFD-Post улучшены двумерные графики, обновлены таблицы, осуществлена поддержка стереоизображений.

В данной статье мы осветили лишь основные новшества 13-й версии ANSYS. Дополнительную информацию вы можете запросить на нашем сайте Delcam-ural.ru в разделе «Вопрос-ответ» или на сайтах www.ansys-club.ru и www.ansys.ru, задав вопрос экспертам. Кроме того, на упомянутых сайтах вы можете найти ряд интересных и полезных информационных материалов по различным модулям ANSYS.

Следующие статьи мы планируем посвятить обзору возможностей ANSYS в части электромагнитных расчетов и построения сеточных моделей, примерам оптимизационных решений задач строительной механики и газодинамики, опыту решения сложных инженерных задач, выполненных специалистами нашей компании. Мы хотим, чтобы публикации были интересны читателям, поэтому предлагаем вам поучаствовать в выборе наиболее актуальных тем для обсуждения на страницах журнала. Ждем ваши пожелания на наших сайтах!

1   Обучающий пошаговый видеопример вы можете посмотреть на сайте Delcam-ural.ru в разделе CAE.

2   Обучающий пошаговый видеопример вы можете посмотреть на сайте Delcam-ural.ru в разделе CAE.

САПР и графика 4`2011