Новые возможности ANSYS 14.5

Евгений Буторов, Дмитрий Волкинд, Алексей Клявлин, Алексей Тыняный, Александр Комаров

Введение

На протяжении более чем 40 лет компания ANSYS, Inc. развивает линейку своих продуктов для инженерных расчетов и ежегодно, прислушиваясь к нуждам и пожеланиям пользователей, выпускает обновленные версии. В данной статье мы рассмотрим основные нововведения в версии ANSYS 14.5, релиз которой ожидается в ближайшее время.

Обновления в работе с МДТТ

Одним из главных новшеств для прочностных расчетов в версии 14.5 являются инструменты для анализа механики разрушения в интерфейсе Mechanical. Теперь расчет коэффициентов интенсивности (КИН) (рис. 1), скорости высвобождения энергии (G) и J­интеграла стал гораздо проще, благодаря автоматическому созданию сетки для поверхностных полуэллиптических трещин (рис. 2) и инструменту Pre­Meshed Crack, при помощи которого можно использовать в модели сетку трещины, импортированную из MAPDL или из других пакетов. Специфические результаты анализа механики разрушения (КИН, скорость высвобождения энергии (G) и J­интеграл) доступны для отображения в интерфейсе Mechanical. Видеопример по расчету КИН для полуэллиптической трещины смот­рите в скором времени на нашем сайте www.cae­expert.ru.

Рис. 1. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений

Рис. 2. Автоматическое создание сетки для полуэллиптических трещин

Изменения коснулись и модуля для расчета композитов ANSYS Composite PrepPost (ACP). Теперь каждую деталь в сборке можно подготовить к расчету в отдельном приложении ACP (Pre), а затем объединить их в одном прочностном расчете (рис. 3). Это применимо также и для других модулей. Помимо этого ACP теперь поддерживает создание слоистых твердотельных элементов из оболочечных с последующей передачей их обратно в Mechanical для расчета и обработки результатов (рис. 4).

Рис. 3. Схема проекта Workbench с использованием отдельных модулей ACP (Pre) для каждой детали

Рис. 4. Отображение заданного количества секторов при использовании циклической симметрии

Расширенная визуализация результатов для модели с использованием циклической симметрии ранее была возможна только для всего количества секторов, что приводило к затруднениям при обработке моделей с большим количеством узлов и элементов на маломощных рабочих станциях. Теперь в интерфейсе Mechanical можно выбирать количество секторов для визуализации циклически симметричных моделей (рис. 5).

Рис. 5. Отображение выбранного пользователем количества секторов модели с циклической симметрией

К списку доступных свойств материалов в интерфейсе добавились модели гиперупругости, модели зарождения и развитие повреждений. Для нестационарных тепловых расчетов стало доступно задание энтальпии в свойствах материала.

Доработан был и интерфейс Mechanical. В предыдущей версии была реализована возможность работы с узлами конечно­элементной сетки через именованные наборы, а в версии 14.5 появилось отображение номеров узлов и привязка к ним различных результатов напрямую, без использования наборов. Упростилась работа с соединениями: теперь все контакты можно отобразить в виде так называемой матрицы соединений, что особенно актуально для моделей с большим количеством взаимодействующих деталей. Это позволяет лучше и быстрее понять и проконтролировать, как тела соединены между собой. Появилась возможность учета малых зазоров в соединениях механизмов (только для анализа динамики твердых тел) — в сферическом, обобщенном и втулочном шарнирах — без необходимости полного контактного моделирования, что более эффективно и надежно по сравнению с контактом. В опциях контактных соединений стало больше возможностей и параметров, предназначенных для их тонкой настройки без применения APDL. Была ускорена работа с секущими плоскостями, реализовано отображение результатов гармонического анализа, постпроцессинг сборок из большого количества тел, анимация результатов. Добавлена возможность инкапсуляции скриптов на языке APDL, которые пользователь может применять в своей модели как встроенный объект — нажатием одной кнопки и с последующей настройкой его свойств (параметров), как для обычных объектов Mechanical.

Немаловажным окажется изменение структуры файлов результатов, что приведет к значительному уменьшению их размера. Появились новые возможности ускорения вычислений: решатель разряженных матриц теперь поддерживает множество карт GPU.

Нововведения в области вычислительной гидродинамики

Занимаясь разработкой нового CFD­продукта, компания ANSYS не менее активно работает над совершенствованием уже имеющихся программных средств. Основные направления разработки остались прежними: расширение набора физических моделей, повышение устойчивости численных методов, углубление связей расчетных модулей для междисциплинарного анализа, а также интеграция всех программных модулей в среде Workbench. Кроме того, разработчики хотят, чтобы сложное программное обеспечение стало удобным инструментом в руках инженера, делая пользовательский интерфейс более дружелюбным, а процесс работы — максимально автоматизированным. Рассмотрим наиболее интересные нововведения в отдельных программных модулях.

ANSYS Fluent

Прежде всего, не перестают расширяться возможности физических моделей. В частности, появился новый подход к моделированию пристеночной области для всех разновидностей k­ε­моделей турбулентности, являющихся наиболее простыми и универсальными с точки зрения инженерных расчетов. Данный подход, по сравнению с предыдущим — Enhanced Wall Treatment, позволяет получать более точные решения при меньшей сеточной чувствительности. Кроме того, все k­ω­модели теперь имеют возможность более полного учета влияния естественной конвекции (источники в уравнениях переноса как k, так и ω), а также могут использоваться с масштабно­адаптивным подходом (SAS).

Рис. 6. Распределение объемной доли компонента: стандартное (слева) и поузловое (справа) усреднение

Рис. 7. Отображение невязок в интерфейсе Workbench

Не остались без внимания и модели горения. Таблица плотности вероятности теперь работает с интерполяцией второго порядка и автоматически адаптируется под изменение значения функции или ее производной. Следует упомянуть и о новой модели микроламинарного пламени (Flamelet) для гомогенного горения.

Значительному количеству изменений подверглись эйлеровы и лагранжевы модели многофазных течений. Среди наиболее значимых нововведений следует отметить следующие:

• возможность распределения источника от дискретной фазы по нескольким соседним ячейкам сетки (в качестве полноценного метода в результате бета­тестирования). Такой подход значительно повышает устойчивость решения в расчетах горения твердого или жидкого топлива (рис. 6);
• получение усредненных парамет­ров дискретной фазы на эйлеровой сетке расширяет возможности постобработки;
• возможность задания переменного во времени угла распыла для конического впрыска, весьма полезную при моделировании процессов в цилиндрах ДВС;
• эйлерова модель поверхностной пленки (EWF) теперь совместима с эйлеровыми многофазными моделями, а также с моделью смеси. Кроме того, модель стала более полной с физической точки зрения: в уравнениях движения учитывается поверхностное натяжение, точки ввода дисперсной фазы (унос капель) распределяются по поверхности случайным образом, появилась возможность учесть испарение и конденсацию на поверхности пленки. Эти доработки, в частности, значительно расширили возможности моделирования противообледенительных систем летательных аппаратов;
• модель объема жидкости (VOF) в обновленной версии имеет новый тип граничных условий для упрощения моделирования течений со свободной поверхностью в открытых каналах (что особенно важно для расчетов в области судостроения и прибрежных сооружений), а также допускает зависимость коэффициента поверхностного натяжения от различных переменных (что позволяет, например, моделировать эффект Марангони). Помимо этого решены проблемы использования модели с движущимися и деформирующимися сетками, а также с пористыми структурами.

Особый интерес представляет новая модель сжимаемой жидкости, которая позволяет получать более точное распределение давления на начальных шагах, а также делает решение более устойчивым при движении и деформации сетки. Модель применима как для однофазных, так и для многофазных течений.

Среди существенных изменений в применяемых численных методах можно отметить следующие:

• неотражающие граничные условия теперь работают с решателем по давлению;
• периодические граничные условия с заданным массовым расходом работают с сопряженным решателем по давлению;
• появилась возможность вычисления градиентов по узлам для полиэдрических ячеек, а также повышена точность вычисления градиентов указанным методом на неконформных интерфейсах;
• применяется второй порядок точности во времени при движении и деформации сетки.

Новая версия ANSYS Fluent допускает управление через удаленную консоль, а также отображение графиков изменения невязок внутри интерфейса Workbench (рис. 7). В качестве приятной мелочи стоит отметить новую возможность использования «мониторов» (графиков изменения интересующих показателей по ходу итераций) в качестве критериев сходимости.

Еще одним очень важным дополнением является интеграция в интерфейс ANSYS Fluent сеточного генератора T­Grid, который также подвергся значительной доработке. Рассмотрение его возможностей заслуживает отдельной статьи, поэтому мы оставили его за рамками данного обзора.

ANSYS CFX

Говоря об обновлении ANSYS CFX, прежде всего нужно отметить улучшения, касающиеся новых подходов к расчету проточной части турбомашин, именуемых методами нестационарного лопаточного венца (Transient Blade Row). Данная группа методов появилась совсем недавно, однако очень быстро приобретает популярность у предприятий турбомашиностроительной отрасли, поскольку дает возможность получить точное нестационарное решение при минимальном количестве моделируемых межлопаточных каналов.

TBR­методы на данный момент имеют некоторые ограничения, количество которых, однако, уменьшается с каждым обновлением — более того, появляются дополнительные возможности. В частности, в обновленной версии реализована новая методика моделирования флаттера лопатки с граничным условием для периодического движения сетки. Помимо этого расширены возможности работы с результатами расчета: доработан соответствующий макрос и добавлена возможность статистической обработки нестационарных результатов. Метод преобразования времени теперь совместим с моделью влажного пара, что расширяет его применимость для расчета паровых турбин.

Среди прочих улучшений — доработка алгоритмов движения сетки, модели кипения, разработанной в Политехническом институте Ренсселера (RPI), а также возможность записи в отдельный CSV­файл данных по траекториям частиц лагранжевой фазы.

ANSYS ICEM CFD

Наиболее важным и долгожданным нововведением в ICEM CFD является его интеграция в среду Workbench с возможностью управления при помощи входных параметров. Значительную часть параметров можно задать через интерфейс одним щелчком мыши. Кроме того, можно вручную назначить параметром любое числовое значение в тексте скрипта, просто заменив его командой «ic_wb2_get_parameter user_defined <имя параметра>». Имеется также возможность выдачи выходных параметров для контроля качества сетки (например, минимального значения показателя Quality для определенного типа элементов). Интеграция в среду Workbench, в частности, открывает возможность проведения оптимизационного расчета при помощи DesignXplorer с автоматическим перестроением сетки в ICEM CFD. В новой версии ICEM CFD работает в среде Workbench аналогично остальным приложениям и связи с соответствующей ячейкой определяются автоматически (рис. 8).

Рис. 8. Интеграция ICEM CFD в схеме проекта Workbench

Обновления для электромагнитного анализа

Высокочастотные расчеты

Изменения в лучшую сторону имеются и в пакете для электромагнитного моделирования HFSS. Так, гибридная технология, совмещающая решения FEM (метод конечных элементов) и MoM (метод моментов), теперь позволяет анализировать устройства, связанные между собой проводником (например, рупор и рефлектор — рис. 9), что, в свою очередь, дает разработчикам СВЧ­устройств возможность более реалистично подходить к решению задач.

Рис. 9. Рупор и рефлектор, связанные металлической конструкцией

Рис. 10. Сравнительная гистограмма HPC и MP для HFSS

Что касается уже высоко оцененных пользователями гибридных методов FE­BI и EI­Region, то в релизе 14.5 они будут работать еще эффективнее. Решатель HFSS Transient получил возможность применять метод TDR (Time Domain Reflectometer) для дифференциальных линий передач. Улучшения коснулись и технологии декомпозиции для распараллеливания больших задач, в том числе антенных решеток. А вот MP (Multiprocessing) уходит в прошлое — вместо него рекомендуется использовать лицензию HPC (рис. 10). Для многопортовых структур в программе HFSS будут быстрее извлекаться S­параметры.

Разработчиков в сфере радиоэлектроники, особенно мощной, а также инженеров электротехнического направления компания ANSYS порадует нововведениями и улучшениями, касающимися междисциплинарного моделирования. Так, появится полноценная интеграция программы HFSS с такими модулями Mechanical, как Steady­State Thermal — модуль теплового анализа — и Static Structural — модуль деформаций (рис. 11).

Рис. 11. Междисциплинарные вычисления — HFSS и модули Mechanical — Steady-State Thermal и Static Structural

Низкочастотные расчеты

Несколько слов о программах моделирования низкочастотного поля и комплексного анализа электрических систем. Как известно, ANSYS Maxwell 2D/3D, включая RMxprt, и ANSYS Simplorer интегрированы в ANSYS Workbench, но инсталлируются отдельными пакетами. В выходящем обновлении программ — ANSYS Maxwell v16 и ANSYS Simplorer v11 — команда разработчиков большое внимание уделила пожеланиям клиентов, активно работающим в данном направлении.

Улучшения затронули сеточный генератор для 2D­моделей. Качество сеточного разбиения 2D TAU­генератором для сложных моделей заметно улучшилось. Заявлено об автоматическом создании однородной сетки и введении новой технологии разбиения Pseudo­Clone Mesh, которая позволяет создать идентичную сетку для симметричных элементов модели. Данный подход повышает точность конечно­элементного анализа, а для задач стационарного и гармонического поля снижает общее время вычисления до достижения критериев сходимости.

Решатель для трехмерных задач моделирования переходных процессов оснащен возможностью применения лицензий HPC — многопроцессорной поддержкой на совместно используемой памяти, что приводит к разумному увеличению производительности (рис. 12).

Рис. 12. Насыщение магнитной системы. Использование периодических граничных условий

Добавлена возможность приведения трехмерных задач переходного процесса с незначительными вихретоковыми эффектами и с отсутствием постоянной составляющей сигнала к квазистационарному режиму посредством введения нового элемента в ANSYS Maxwell Circuit (рис. 13).

Рис. 13. Сравнение решений нестационарной задачи с использованием нового элемента цепи Maxwell Circuit Editor

Проделана большая работа по реализации учета трехмерного векторного гистерезиса. Данный подход применим как для магнитомягких, так и для магнитотвердых материалов (рис. 14).

Рис. 14. Трехмерное векторное моделирование магнитного поля с учетом полной петли гистерезиса

В десятки раз увеличилась скорость вычисления матриц индуктивности при меньших затратах вычислительных ресурсов. Для задач размагничивания нелинейных постоянных магнитов введена возможность перестраивать кривые размагничивания в зависимости от температуры. Обновлен алгоритм определения общих потерь в стали и массивных проводниках и их влияния на общую картину поля.

В плане решения связанных задач внимания заслуживает всё более тесная связь с ANSYS Fluent —теперь поддерживается не только передача объемного тепловыделения, но и поверхностных потерь. В предыдущих версиях при совместном решении электромагнитно­тепловой задачи, используя связку Maxwell­Fluent, пользователю было необходимо контролировать интер­ативный процесс, а в обновленном ANSYS Workbench на помощь приходит модуль Feedback Interator. Повышена точность определения объемных и поверхностных усилий. Доступна односторонняя связь с ANSYS ICEpak (рис. 15).

Рис. 15. Передача объемных сил из магнитной задачи в прочностную

Постпроцессор снабжен рядом очень приятных дополнений. Калькулятор поля позволяет работать с векторным полем и экспортировать однородную сетку в сферических и цилиндрических координатных системах. Любые объекты (1D, 2D, 3D) могут быть включены в пост­обработку и будут передвигаться вместе с расчетной областью. Добавлена опция маркеров поля для расчетной области (рис. 16).

Рис. 16. Новый тип электрических машин со встроенными в ротор постоянными магнитами

Обновленный ANSYS RMxprt позволяет получать аналитическое решение для электрических машин со встроенными постоянными магнитами (IPM) и генерировать расчетные модели для Maxwell 2D/3D (рис. 17).

Рис. 17. Распределение потенциала в расчетной области высоковольтного конденсатора

Устранен ряд ошибок, известных по предыдущей версии: теперь корректно выполняются отображение векторных полей для созданных выражений с использованием оператора Гамильтона и работа программы по решению задач с размагничиванием постоянных магнитов по полю и температуре в связке с ANSYS FLUENT и ANSYS Thermal (рис. 18).

Рис. 18. Значение коэрцитивной силы в одном элементе во время переходного процесса при динамическом необратимом размагничивании

Обновления для создания КЭ­сеток в Workbench Meshing

Автоматизация рутинных операций и улучшение алгоритмов — вот основные усовершенствования Workbench Meshing в версии 14.5.

Для ускорения работы с большими сетками разработчики добавили режим отображения управляющих элементов построения сеток без самой сетки. Также появилась возможность отключения динамического отображения результатов разделения модели секущей плоскостью, что удобно, если сетка состоит из большого количества элементов.

В версии 14.5 можно настраивать фильтры для отображения дерева модели. Фильтры можно привязывать к названию элемента, типу, состоянию, а также присваиваемым произвольным текстовым меткам (тэгам).

Для работы с большой моделью удобно задавать настроенные виды, которые запоминают положение камеры и режимы отображения модели, а затем быстро возвращаться к ним. Большим шагом вперед стал инструмент Object Generator — он позволяет копировать настройки построения сетки с одного объекта на набор подобных ему (рис. 19).

Рис. 19. Копирование настроек построения сеток с помощью инструмента Object Generator

Алгоритм MultiZone, который использует логику работы мощного сеточного генератора ICEM CFD для создания высококачественных hexa­сеток, в новой версии стал более гибким и качественным. При создании поверхностной сетки в MultiZone теперь можно выбирать между методами Pave и Uniform (рис. 20), поддерживаются все типы контроля размера элемента (Curvature, Proximity, Curvature and Proximity, Fixed). Алгоритм учитывает и настройки элемента управления Inflation. При создании промежуточной сетки MultiZone отдает предпочтение жестко заданному пользователем размеру элемента (Hard Sizing), что повышает степень контроля за создаваемой сеткой. Улучшены алгоритм работы настройки сетки типа Inflation и Imprinting и алгоритм генерации сетки в режиме Sweep, расширены настройки задания размера сетки на ребрах (Edge Biasing).

Рис. 20. Два режима создания поверхностной сетки алгоритмом MultiZone

При создании сетки для сборок пользователь может отключить режим Intersection Feature Creation, что в ряде случаев позволяет существенно сократить время построения.

Обновления геометрических интерфейсов и CAD­приложения DesignModeler

Основные усилия разработчиков ANSYS при работе над инструментами моделирования геометрии версии 14.5 были направлены на повышение скорости работы существующих инструментов и удобства работы с ними.

Можно отметить существенное увеличение производительности, особенно при работе с большими сборками, и поддержку форматов новых версий CAD­пакетов (рис. 21).

Рис. 21. ANSYS Geometry Interface без труда импортирует сборки, состоящие из сотен и тысяч деталей

Рис. 22. Декомпозиция геометрической модели поршня с помощью операции Slice

Трансляция IGES­ и STEP­файлов стала быстрее и устойчивее. Импорт больших сборок происходит до 10 раз быстрее. Ускорение работы достигается также за счет работы в режиме «сокращенного» представления деталей в сборках и в смешанном режиме (ANSYS B­Rep и Parasolid), при этом трансляция данных выполняется только в случае необходимости.

Декомпозиция сложной геометрии с помощью операции Slice стала более устойчивой, поверхность разделения остается общей для двух тел после операции. Это позволяет удобно делить геомет­рию на простые объемы и создавать высококачественную hexa­сетку даже на деталях сложной формы (рис. 22).

Появилась возможность выбора оси цилиндрической поверхности в качестве направляющей для другой операции. Новые операции Move/Align, пришедшие из области CAD­систем, упрощают построение сборок непосредственно внутри DesignModeler (рис. 23). Также разработчики добавили новый режим создания плоскости — в качестве опорной точки можно выбрать центр группы выбранных объектов.

Рис. 23. Применение операции Move/Align упрощает работу со сборками в ANSYS DesignModeler

В новой версии ANSYS стало удобнее работать с Named Selection: появились новые режимы визуализации, стала возможна одновременная работа с несколькими Named Selections.

Заключение

В заключение хотелось бы отметить, что компания ANSYS не стоит на месте и с выпуском каждого нового релиза старается улучшить свои программные продукты и этим облегчить инженерам задачу разработки сложнейших устройств.

САПР и графика 11`2012