Возможности ANSYS 15.0: геометрия, сетки, конструкционный анализ

Александр Комаров
Ведущий инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»
Ольга Новаковская
Инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»
Алексей Клявлин
Старший инженер технической поддержки, ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал»

Конструкционный анализ

В версии 15.0 расчетной платформы для инженерного анализа ANSYS появились новые возможности и усовершенствования в конструкционном анализе, которые помогают инженерам лучше и быстрее работать со сложными аспектами продукта, включая автоматическое генерирование сетки, анализ композитов, решение междисциплинарных задач, прогнозирование последствий старения и износа в деталях, HPC (возможности высокопроизводительных вычислений), а также с решателями, которые позволяют получить результат вибрационного анализа при гораздо меньших временных затратах.

Решатель собственных значений для поиска собственных форм и частот

Модальный анализ, который обычно выполняется на модели полной сборки конструкции, должен выявить все потенциальные формы колебаний в рабочем частотном диапазоне. Производительность решателя имеет важное значение для расчетов нескольких вариантов конструкции в разумные сроки. Для более быстрого вычисления собственных форм и частот в версию 15.0 включен новый распределенный решатель собственных значений. По сравнению с широко используемым блочным алгоритмом Ланцоша в режиме общей памяти, который был в предыдущей версии, при расчете на распределенной архитектуре обеспечивается троекратное ускорение.

Расширенный метод суперпозиции форм для гармонического анализа

Для сложных видов анализов, таких как анализы циклически­симметричных моделей или некоторых классов задач с взаимодействием жидкости и конструкции, вычисление гармонических результатов в диапазоне частот обычно выполняется на полной модели, а следовательно, занимает много времени. ANSYS 15.0 обеспечивает возможность использования метода суперпозиции собственных форм колебаний, что позволяет заметно ускорить вычисление гармонических результатов (рис. 1). Данный способ также работает для несимметричных матриц, таких как FSI, или для задач анализа визга тормозов. Время, затрачиваемое на вычисления, сокращается в 40­50 раз, а ускорение особенно заметно, когда требуется получить решение для большого количества частотных точек.

Рис. 1. Расширенный метод суперпозиции форм ускоряет получение результатов гармонического анализа

Нелинейное адаптивное перестроение сетки и алгоритмы для анализа задач с большой деформацией

Как известно, нелинейное поведение материала исследуемого продукта и большие деформации, например, в задаче моделирования резинового уплотнения, существенно усложняют вычисления, что часто ухудшает сходимость решения.

В ANSYS 15.0 появилась возможность автоматически измельчить сетку для моделей резиновых деталей с целью обеспечения сходимости, несмотря на большие деформации, что позволяет просчитывать на 50% больше деформаций, чем с единственной сеткой. Вместе с тем, теперь имеется усовершенствованный алгоритм, более надежно и точно обрабатывающий сложные нелинейные неустойчивости.

Моделирование нелинейных явлений улучшено на двух уровнях:

• адаптивное перестроение сетки — новая нелинейная адаптивная методика, которая автоматически делит и видоизменяет сетку в процессе решения, эффективна для случаев с очень большими деформациями (рис. 2). Измельчение сетки основано на определенных пользователем критериях, таких как статус контакта или искажения сетки;
• надежность анализа неустойчивости — пересмотренный алгоритм длины дуги обеспечивает большую устойчивость при работе с численными нестабильными явлениями, такими как нелинейная потеря устойчивости (рис. 3) или листовое коробление.

Рис. 2. Нелинейное адаптивное перестроение сетки помогает решать задачи с большими деформациями

Рис. 3. Уточненные нелинейные алгоритмы помогают решить проблемы нестабильности, например нелинейной потери устойчивости тонкостенных конструкций

Расширенные модели материалов для учета старения

Для того чтобы лучше понять старение материалов или выход из строя продукта из­за трещин, требуются расширенные модели материалов. Для точного моделирования циклического поведения металлических деталей и прогнозирования их долговечности необходимо учитывать сочетание влияния упрочнения/разупрочнения, а также циклические эффекты ползучести. ANSYS 15.0 представляет новые модели и инструменты, позволяющие вычислить, как будет вести себя продукт в течение долгого времени или при возникновении трещин, и обеспечивающие более глубокий анализ поведения продукта.

Основанное на технологии VCCT моделирование роста трещины теперь поддерживается в ANSYS Mechanical и предназначено для выполнения анализа трещин, основанного на моделировании деламинации (расслаивания).

Так называемое Т­напряжение представляет собой напряжение, действующее параллельно граням трещины. Оно помогает предсказать стабильность трещины и отклонение трещины от начальной плоскости. В ANSYS 15.0 реализовано решение, которое позволяет смешивать модель ползучести в неявной постановке с моделью кинематического упрочнения Чабоша (Chaboche). Вместе с тем, теперь доступен инструмент подбора параметров аппроксимации кривой и для модели материала Чабоша с кинематическим упрочнением (рис.4).

Рис. 4. Подбор параметров модели материалов

Параллельные вычисления для явной динамики

Анализ динамики в явной постановке используется для широкого диапазона задач — от испытания на сброс до взаимодействия жидкости и конструкции и высокоскоростного удара. Для получения высококачественных результатов, которые приближались бы к результатам реальных экспериментов, необходимы более сложные и более подробные модели. Однако большие модели, как известно, требуют больших временных затрат. Идеальным способом сократить необходимое на моделирование время являются параллельные вычисления.

Параллельные вычисления с явной динамикой в версии 15.0 обеспечивают для больших задач масштабируемое эффективное ускорение. Теперь такие возможности, как дистанционные точки, дистанционные смещения, эрозия элементов, оболочечные элементы, арматурные балки, разрушаемые склеенные контактные взаимодействия и передовые тетраэдрические элементы (NBS), поддерживаются параллельными вычислительными алгоритмами. Для большинства задач пользователи могут рассчитывать на сокращение времени решения в продукте Explicit STR на 16 ядрах более чем в 10 раз. Задачи взаимодействия текучей среды и конструкции (FSI), решаемые в ANSYS AUTODYN, показывают коэффициент улучшения производительности параллельного решения более 4 при использовании восьми ядер, так как этот тип задач в меньшей степени поддается эффективному распараллеливанию.

Рис. 5. Моделирование резьбового соединения

Рис. 6. Моделирование износа тормозных колодок

Быстрый метод для детального анализа резьбовых соединений

Болтовые соединения используются для удерживания двух или нескольких деталей вместе при создании сборок конструкций. Для достижения ожидаемого физического поведения болтового соединения иногда желательно иметь детализированную трехмерную модель болта, полностью учитывающую эффект истинной геометрии резьбы и трения на контактирующих поверхностях. В таких случаях геометрическое моделирование витков резьбы приведет к большому количеству конечных элементов в модели для того, чтобы получить точное распределение напряжений, а следовательно, к существенным вычислительным затратам.

ANSYS Mechanical 15.0 предлагает новую методику моделирования резьбы болта через контактные элементы, что исключает необходимость подробной дискретизации сетки резьбы. Вычисление напряженно­деформированного состояния (НДС) в области резьбы происходит с помощью внутренней модификации контакта таким образом, чтобы результаты расчета соответствовали значению НДС на истинной геометрии резьбы. Эта функция обеспечивает упрощенное моделирование болта с точностью результатов, близкой к истинной модели болта с резьбой. При этом время расчета для получения напряжения в области резьбы сокращается приблизительно в 10 раз.

Моделирование износа

Каждый из нас знаком с явлением износа в той или иной форме. Это может быть износ тормозных колодок или шин; износ инструмента, механических соединений или даже износ наших собственных суставов. Теперь мы с помощью ANSYS 15.0 можем моделировать этот процесс. Технически износ зачастую определяется как прогрессирующая потеря материала с поверхности твердого тела при контакте с другим телом. Решателем Mechanical APDL эта потеря материала аппроксимируется репозиционированием (изменением положения) контактных узлов на поверхности раздела. Новые координаты узлов определяются согласно модели износа, учитывающей контактное давление, скорость скольжения на контактной поверхности и свойства материала, такие как твердость. Поскольку поверхностные узлы перемещаются на новые позиции, то основные элементы сплошной среды, моделирующие тело детали, испытывают потерю в материале (объеме), тем самым имитируя износ. Износ может изменить поведение контакта на границе раздела — как правило, он делает контактное давление более равномерным, удаляя поверхностные неровности. На рис. 6 показано такое перераспределение контактного давления из­за износа на упрощенной модели тормозной колодки, которая находится в контакте с вращающимся диском под давлением.

Метод подмоделирования поддерживает работу с композитами

Иногда аппроксимация, которая всегда имеет место быть при использовании тонких оболочечных элементов для моделирования структуры композитов, недопустима при исследовании поведения композиционного материала в направлении своей толщины — для этого требуются локальные 3D­модели. Подобное исследование может быть выполнено с помощью метода подмоделирования (рис. 7). Очень удобный способ для создания 3D­подмодели из оболочечной модели композитов — использование схемы комбинации на странице проекта ANSYS Workbench инструментов моделирования композитов ANSYS Composite PrepPost.

Рис. 7. Технология подмоделирования обеспечивает более глубокое проникновение в суть поведения материалов из композитов

Передача данных из внешних файлов связывает междисциплинарные расчеты

Для многих компаний решение междисциплинарных задач означает передачу данных из одного физического решателя в другой посредством текстовых файлов с данными облака точек. Основной трудностью для пользователей является эффективный перенос этих данных на их текущую сетку. Иногда возникает несоответствие между единицами измерения или ориентацией импортированных данных и исследуемой моделью. Вместе с тем, сопоставление данных для многочисленных временных шагов или частот может оказаться утомительным процессом. С ANSYS 15.0 инструмент передачи данных поддерживает частотные или зависящие от времени данные, а также сложные данные. Это представляется особенно полезным при акустическом анализе, для которого скорости из структурного анализа должны быть переданы на акустическую модель. В случае использования автоматизированных средств переноса ANSYS пользователи могут сэкономить часы работы и легко проверить качество преобразованных данных по сравнению с исходными значениями.

Обновления геометрических интерфейсов и CAD­приложения DesignModeler

С выходом нового релиза ANSYS 15.0 обновления коснулись и DesignModeler — встроенного CAD­редактора ANSYS.

Время подготовки CAD­моделей значительно сократилось за счет улучшения опции Share Topology. Ускорение данной функции особенно заметно на больших моделях с многочисленными деталями. В версии ANSYS 15.0 для моделей с большим количеством частей Share Topology поддерживает два метода: Automatic или Imprint. Существенная экономия времени может быть достигнута за счет применения единой совокупности сеточных настроек для всех однотипных деталей сборки (Pattern), при этом Share Topology позволяет построенную на одной детали сетку скопировать на остальные детали. Кроме того, в новой версии ускорился процесс импорта в DesignModeler, передача геометрии в Meshing.

В предыдущих версиях требовалась дополнительная корректировка проблемной геометрии в Meshing по устранению лишних вершин, созданных после булевой операции, а также редактирование геометрии из­за потери грани после применения Share Topology. Теперь многие ошибки, обнаруженные в версии 14.5, устранены, что положительно сказывается на устойчивости работы DesignModeler.

Важной особенностью опции Share Topology стала гибкость ее применения. Теперь можно определить настройки Share Topology для отдельных деталей геометрической модели, которые будут отличаться от остальных. В связи с этим появилась возможность цветового отображения граней деталей, которые окрашиваются в зависимости от установленного типа Share Topology: automatic, imprints, edgejoints и none (рис. 8).

Рис. 8. Цветовое отображение граней деталей, которые окрашиваются в зависимости от установленного типа Share Topology

Рис. 9. Визуальная секущая плоскость в ANSYS DesignModeler

Настройка automatic для опции Share Topology, которая устанавливает контакт между нужными гранями, как правило, работает устойчиво. В ряде случаев могут появиться дефекты: зазоры между гранями, превышающие определенный допуск; проблемы, вызванные ограничениями в геометрическом ядре. Для их устранения теперь можно создать контакт граней вручную после применения Share Topology (с помощью внутренних перемещений вершин граней для установления контакта), а также построить соответствующую однородную геометрию для конформных сеток.

В ANSYS 15.0 инструмент по измерению длин (Distance Finder) может предоставлять информацию по компонентам (осям) X, Y, Z как глобальной, так и локальной системы координат. Появилась возможность определять единицы измерения для данных в файле координат, применяемом для определения точки либо 3D­кривых. Для удобства работы с геометрической моделью теперь можно использовать визуальную секущую плоскость, что ранее в DM было невозможно (рис. 9). Более того, теперь возможен экспорт сечений путем применения скрипта, то есть сначала создается библиотека необходимых сечений, затем она экспортируется через скрипт, а потом импортируется в нужную область в процессе создания геометрической модели.

Настройки единиц измерения и размерности модели в обновленной версии возможно осуществлять через вкладку Units главного меню или через окно деталей объекта. Рабочие (текущие) единицы измерения теперь можно изменить внутри сессии. Ими также стало лучше управлять через скрипт (установка и отображение единиц измерения длины или угла, точности размеров модели; установка настройки для крупногабаритных моделей).

Для удобства пользователей в инструмент управления параметрами (Parameter Manager) добавлены новые функции, например могут быть изменены единицы измерения, параметры при необходимости могут быть подавлены. Появились различные горячие клавиши для работы по отображению геометрии, что позволяет минимизировать обращение к контекстному меню.

Новая опция по настройке точности в DM позволяет менять привязанное к выбранной единице измерения значение точности, которое в предыдущей версии устанавливалось по умолчанию. От этой величины часто зависит успешность выполнения булевых операций, перестроения и генерации сетки.

С выходом версии 15.0 в DM появилась возможность определять PCB­объекты (печатные платы) из геометрических блоков или многоугольных объектов. Вкладка Electronics введена специально для создания нужной расчетной области и определения типа данного объекта для последующей работы в ANSYS Icepak.

Появились некоторые обновления, касающиеся интерфейса с CAD­приложениями. В приведенной таблице систематизирована информация по поддерживаемым CAD­версиям (красным цветом выделены версии, поддерживаемые в версии ANSYS 15.0.

Поддерживаемые CAD-версии для разных геометрических интерфейсов для ANSYS 15.0

Умные инструменты: ускорение при построении и диагностике больших моделей

Пользователи должны иметь возможность быстро исследовать крупногабаритные модели с многочисленными деталями, большим количеством соединений, множеством нагрузок и граничных условий. Список всех объектов в дереве модели, как правило, в этих случаях оказывается слишком большим, чтобы поместиться на экране; проверка результирующих объектов последовательно одного за другим также может отнимать достаточное количество времени. В версии 15.0 ANSYS улучшена способность фильтровать отображение содержимого дерева модели, поэтому пользователи могут сосредоточиться только на том, что необходимо. Множественные результаты могут быть систематизированы в виде таблицы, и пользователь может быстро получить к ним доступ. Возможность проанализировать все результаты сразу в табличном виде, не заглядывая в отдельные результирующие объекты, позволяет сэкономить многие часы работы.

Фильтрация в дереве модели является полезной функцией при работе с большими моделями, имеющими множество объектов. Теперь дерево может быть отфильтровано по объектам граничных условий, соединений, командным объектам и результатам. Фильтрация также может сократить автоматически созданный отчет, который будет генерироваться только для выбранных объектов.

Табличное представление всех результатов в дереве моделирования отображается в виде текстового резюме, которое может быть использовано, например, для проверки нескольких реакций сразу без просмотра каждого объекта в отдельности (рис. 10).

Рис. 10. Умные инструменты, такие как сводная таблица результатов, могут помочь инженерам быстрее проанализировать большие модели

Сборка модели: повторное использование и комбинирование ранее построенных моделей

Иногда у пользователей возникает необходимость повторно использовать существующую конечно­элементную модель, но геометрия, например, больше недоступна, или собрать несколько отдельных моделей вместе, чтобы создать полную модель продукта. Применяя ANSYS 15.0, пользователи получают возможность начать моделирование с существующей конечно­элементной модели, а не с геометрии. При этом отдельные модели компонентов могут быть соединены в сборку либо полная модель создается с помощью массива (копий) единственного компонента. ANSYS Workbench предоставляет очень удобный способ задания такой комбинации моделей. Контакты между деталями в сборке создаются автоматически, точно так же, как при работе пользователя в обычном режиме с геометрической моделью.

Пользователи могут собрать вместе несколько конечных элементных моделей и при этом использовать все функциональные возможности Mechanical, включая обнаружение контактов. Кроме того, они могут импортировать сетки (сплошные тела и оболочки) из CDB­файлов в Workbench с помощью системы «Внешняя модель» (External Model), затем эти части можно масштабировать, вращать или перемещать. Автоматическое обнаружение контактных пар происходит так, как если бы работа шла с обычными геометрическими данными. Несколько систем анализа Workbench могут быть объединены в одну (рис. 11 и 12). Геометрия, сетки и именованные наборы при этом сохраняются и их можно использовать обычным образом.

Рис. 11. Функция сборки модели позволяет комбинировать несколько моделей в одну

Обновления сеточного генератора ANSYS Meshing

Обновления версии 15.0 коснулись различных областей в ANSYS Meshing, которые ранее могли создавать трудности в работе по построению сеточной модели, например импорт в сеточный генератор крупногабаритных моделей, создание сетки для больших сборок, оболочечных моделей, использование метода Sweep и т.д.

Улучшения достигнуты в различных областях:

• размерные функции усовершенствованы, поэтому сетка генерируется быстрее (особенно с функцией Proximity);
• улучшена опция Body of Influence;
• усовершенствованы сеточные методы: тетраэдрический метод Patch Conforming, гексаэдрические методы Sweep/Thin Sweep и Multi Zone, а также построение сетки для оболочечных моделей.

ANSYS 15.0 позволяет распараллеливать процесс построения сетки, что ведет к значительному сокращению времени подготовки модели. Для сравнения затраченного времени и расхода компьютерной памяти были проведены тестовые испытания версий 14.5 и 15.0, заключающиеся в построении сеток для одних и тех же геометрических моделей. В результате получены следующие данные: для метода Patch Conforming Tet скорость генерации сетки увеличилась в среднем в 1,7 раза, а компьютерной памяти было затрачено на 35% меньше. Для Sweep­метода отмечено повышение скорости в среднем в 2,5 раза, при этом уменьшение количества используемой памяти особенно заметно для крупногабаритных моделей. Версия 15.0 позволяет производить автоматическую декомпозицию для большинства умеренно сложных геометрических моделей, при этом в результате получается гексаэдрическая сетка высокого качества. По сравнению с предыдущей версией, метод Multizone строит сетку гораздо быстрее (ускорение от 24 до 500%).

Рис. 12. Схема проекта сборной модели из нескольких подмоделей

Рис. 13. Сопоставление скорости генерации сетки для различных тестовых случаев

Последовательное построение сетки для всех деталей сборки занимает много времени, так как всё больше задач решается с использованием сложных моделей, включающих множество деталей. ANSYS 15.0 позволяет пользователям задействовать несколько доступных на их компьютерах ядер, благодаря чему можно генерировать сетку одновременно для нескольких тел. При этом процесс может быть ускорен в 27 раз (рис. 13). К тому же скорость последовательного генерирования сетки тоже увеличилась в четыре раза (в сравнении с v.14.5). Пользователям предоставляется возможность выбрать количество процессоров, применяемых при генерировании сетки. При этом не требуется лицензия HPC!

Например, время построения сетки с 42 млн ячеек уменьшается в 1,8; 3,7 и даже в 7,4 раза при использовании двух, четырех и восьми процессоров соответственно.

ANSYS Meshing 15.0 позволяет создавать сеточные модели с количеством ячеек (элементов) около 817 млн, что в 2,7 раза больше, чем в ANSYS 14.5, за счет повышения лимита по используемой памяти компьютера.

Автоматическое генерирование гексаэдрической сетки для получения качественных результатов

Некоторые пользователи должны применять в своих моделях гексаэдрические сетки, что, как правило, нужно для улучшения сходимости в нелинейных задачах или в целях сертификации моделей. Обычно создание высококачественных сеток требует большого количества времени для ручного разделения сложной геометрии на простые тела подходящей формы с целью генерирования структурированной гексаэдрической сетки и ручного редактирования положения узлов элементов. С использованием ANSYS 15.0 многие умеренно сложные геометрические тела могут быть автоматически разделены, что в итоге позволит получить высококачественную гексаэдрическую сетку. Эта технология, называемая multi­zone, была улучшена на величину от 24 до 500% по сравнению с предыдущей версией, что позволит сэкономить много часов или даже дней за счет исключения ручной предварительной обработки. Автоматическая генерация сетки устраняет необходимость вручную разбивать сложную геометрию на совокупность объемов простой формы.

Заключение

В заключение хотелось бы отметить, что компания ANSYS не останавливается на достигнутом — с каждым выпуском нового релиза она старается улучшить свои программные продукты и этим облегчить инженерам задачу разработки сложнейших устройств. Следите за нашей рубрикой: в следующем выпуске журнала планируется закончить серию обзорных статей, посвященных обновленному пакету ANSYS 15.0, и рассказать об обновлениях в продуктах для моделирования высокочастотных устройств, вычислительной гидрогазодинамики (CFD) и сеточном генераторе ICEM CFD. 

По всем вопросам вы можете обращаться на наши сайты:

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 2`2014