Новые возможности версии 16 ANSYS Mechanical

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

Прогресс в области инженерного ПО не стоит на месте. Компания ANSYS, Inc. продолжает расширять возможности своего продукта и в частности программного пакета Mechanical. Нововведения и улучшения, представленные в новой, 16­й версии, затронули различные расчетные модули и инструменты, необходимые для решения широчайшего круга инженерных задач. Компания «Делкам­Урал» спешит проинформировать читателей о новых возможностях Mechanical в плане работы с интерфейсом, обработки результатов, задания контактов и построения сетки КЭ, расширения возможностей линейного динамического анализа и о многих других обновлениях, доступных в версии 16.

Общие изменения, интерфейс и обработка результатов

В первую очередь из общих нововведений следует отметить появление нового режима запуска Mechanical — Read Only. Теперь пользователь может просматривать расчетную модель и просчитанные и сохраненные заранее результаты даже при отсутствии соответствующей лицензии
(рис. 1).

Рис. 1. Запуск Mechanical
в режиме просмотра

Расширение инструментария для работы с моделью, добавление новых команд и настраиваемых пользователем функций в графический интерфейс в каждой новой версии делает продукт компании ANSYS все более гибким и удобным для пользователя. Так, среди инструментов создания модели появилась команда Distributed Mass, которую теперь можно найти рядом с командой Point Mass. С ее появлением стало возможным задание распределенной по указанной поверхности массы, имитирующей, например, массу теплоизоляции или краски. Есть два варианта определения такой массы: пользователь задает общую массу или удельный вес.

Полезным нововведением для решения специфичных или научных задач послужит возможность создания пользовательской модели материала через графический интерфейс модуля Engineering Data — User Defined Material Model. Инструкция для пользователей добавлена в документацию Engineering Data User’s Guide (приложение B).

Нововведения представлены и в области работы с деревом создания модели. Так, для пользователей, работающих с множественными однотипными объектами в дереве или со сборками (созданными в Workbench), появилась возможность многоуровневого группирования объектов (рис. 2). Операция осуществляется через контекстное меню, вызываемое правой клавишей мыши. Причем в случае сборок можно настраивать автоматическое группирование в соответствии с исходной моделью, входящей в сборку.

Кроме того, при переименовании объектов в дереве пользователь теперь сможет переименовывать их группами, присваивая им общее имя с добавлением соответствующего номера.

Рис. 2. Группирование объектов дерева

Разработчики также расширили возможности по визуализации геометрической модели и обработке результатов. Добавлены новая функция и соответствующая ей панель, отвечающие за визуализацию разъединения элементов сборки (рис. 3).

Рис. 3. Разъединение элементов сборки

Рис. 4. Отображение результатов на балочных элементах

Существенной и полезной оказалась реализация в новой версии графического отображения результатов на балочных элементах (рис. 4), ранее доступного только в ANSYS APDL. Чтобы показать результаты непосредственно на модели, необходимо настроить выходные параметры решателя и включить отображение толщин оболочек и сечений балочных элементов.

Помимо отрисовки результатов на балочных элементах пользователь также сможет анализировать состояние затянутых болтов, заданных с помощью нагрузки Bolt Pretension. Данная функция доступна через инструмент Bolt Tool.

Задание контактов

Одним из самых существенных дополнений в области задания контактных взаимодействий можно назвать добавление в инструментарий специализированной команды, позволяющей автоматически создавать единую контактную поверхность для всех тел в сборке. Называется эта опция General Contact и реализуется с помощью команды GCGEN языка APDL. Такая функция может стать серьезным подспорьем при работе с большими сборками — несколько строк кода, вставленного через командную вставку (Command Snippet) в проект Mechanical, позволят автоматически определить все возможные контактные поверхности и построить одну общую, минимизировав возможность пользовательской ошибки. Дополнительные настройки помогут оптимально настроить автоматичес­кое определение контактов.

Обновление также затронуло стандартные настройки контактов и контактные алгоритмы. В новой версии Mechanical подобные изменения произведены с целью повышения устойчивости контактных алгоритмов, а следовательно, всего расчета в целом. Так, был изменен алгоритм пересчета жесткости контактного соединения в процессе расчета, а опция, отвечающая за эту настройку (Update Contact Stiffness), теперь по умолчанию будет всегда включена. Также пересмотрен алгоритм введения в расчет искусственного демпфирования. Теперь с увеличением числа итераций в решении коэффициент демпфирования будет уменьшаться, а при закрытии контакта хотя бы в одной точке — обнуляться.

Время автоматического определения контактных пар в больших сборках существенно сократилось благодаря использованию всех доступных процессоров компьютера. Например, в версии 16 Mechanical контакты в сборке более чем из 350 деталей определяются за 6 с (использовано четыре процессора) против 46 с, затрачиваемых в версии 15.

В некоторых случаях требуется максимально свести задачу к линейной с целью улучшения сходимости и сокращения времени расчетов. В таком случае может помочь новая контактная формулировка Beam Connection, специальной опцией добавленная к уже известному контактному типу Bonded (склейка). В данном соединении контактные элементы заменяются на балочные (рис. 5). Для балок круглого сечения нужно задать тип материала и радиусы сечений.

Рис. 5. Соединение тел с помощью балочных элементов

Разработчики продолжили развивать недавно введенные в интерфейс команды и функции, отвечающие за моделирование трещин и анализ параметров механики разрушения. В новой версии программного продукта расширены возможности метода Contact Debonding, основанного на технологии CZM (Cohesive Zone Modeling — модель связующего материала), который позволяет моделировать разделение контактных поверхностей. Добавленные новые модели материала для CZM доступны в Engineering Data. Также изменен алгоритм вычисления жесткости соединения при разрыве связей и при обратном смыкании берегов трещины. В том числе пользователь может настроить контакт так, чтобы после закрытия трещины связи между элементами восстанавливались (CZM Healing).

Работа с сеткой конечных элементов

Шагом вперед для решения задач неявными методами в статической постановке стало добавление разработчиками в графический интерфейс функции, зачастую незаменимой в решении нелинейных задач с большими деформациями, — а именно функции динамического перестроения сетки конечных элементов (КЭ). В терминологии ANSYS она называется Mesh Nonlinear Adaptivity (NLAD) и представлена в интерфейсе через команду Nonlinear Adaptive Region, доступную в ветке Static Structural (рис. 6).

Рис. 6. Команды Nonlinear Adaptive Region в дереве проекта

Суть данной функции заключается в уменьшении размера ячейки сетки КЭ на указанном в команде объекте непосредственно во время расчета при достижении некими контрольными параметрами (энергия, искривленность элементов) своего критического значения. Перестроение сетки КЭ происходит на подшагах расчета. В команде настраиваются как критерии запуска перестроения, так и возможность активации/деактивации команды на определенных шагах расчета. Кроме того, Nonlinear Adaptive Region можно добавлять в расчет не только перед его началом, но и после его расхождения, используя точки рестарта (их количество контролируется программой по умолчанию или может быть задано перед началом расчета).

Применение динамического перестроения сетки в нелинейном расчете позволяет решать задачи, не сходящиеся при исходной неизменяемой сетке КЭ, и призвано сократить время вычислений с одновременным повышением их точности.

Результаты расчета отображаются на сетке, соответствующей данному моменту времени (рис.  7).

Рис. 7. Изменение результата расчета в процессе перестроения сетки

Ранее точечное изменение сетки КЭ в Mechanical было невозможно по причине отсутствия соответствующих инструментов. Приходилось менять глобальные и добавлять локальные настройки сетки и производить ее перестроение. Теперь же в версии 16 пользователю доступен специализированный набор инструментов, добавляемый в дерево проекта под видом объекта с именем Mesh Edit. Данный объект наряду с командами, позволяющими вручную или автоматически сливать узлы сеток, принадлежащих разным телам, содержит также команду для перемещения узлов сетки — Node move (рис. 8).

Рис. 8. Объект Mesh Edit и команды для работы с узлами сетки КЭ

С помощью команды Node move пользователь может выбирать и перемещать узлы сетки. Таким образом, можно улучшать качество определенных конечных элементов. У команды имеется своя панель инструментов, позволяющих управлять процессом редактирования, отменяя предыдущее или все сделанные изменения. Эффективность перемещения узлов может быть повышена путем отслеживания качества элементов в режиме реального времени. Для этого разработчики сделали возможным графическое отображение выбранного параметра качества элементов, доступного в Mesh Metrics. Таким образом, при перемещении узла сетки цвета соседних элементов будут перерисовываться динамически в соответствии с их новыми показателями качества (рис. 9).

Рис. 9. Редактирование сетки КЭ с одновременным отображением качества элементов

Также при применении команды Node Move возможно не только перемещение нужного узла вручную на экране, но и указание соответствующих новых координат.

Далеко не во всех ситуациях требуется структурированная сетка, которая иногда создается по умолчанию. Сделать сетку неструктурированной теперь можно с помощью нового подхода к созданию структурированных сеток на гранях. Вместо функции Mapped face meshing появился инструмент под названием Face Meshing, содержащий в качестве одной из настроек пункт Mapped Mesh, который при желании всегда можно выключить.

Существенные изменения произошли и с методом построения сетки Multizone. Назовем некоторые из них:

• в версии 16.0 изменен тип неструктурированной сетки Tetra. Теперь типов такого рода два: Tetra и Tetra/Pyramid;
• поверхности источников и приемников сетки при их ручном определении теперь можно выбрать через именованные наборы.

И наконец, следует отметить расширение возможностей исправления некачественной геометрической модели прямо в интерфейсе Mechanical — улучшение инструментария для создания виртуальных ячеек — Virtual Topology. Добавлены три новых режима работы наряду с автоматическим и ручным: Custom, Repair и Simplify. Первый режим позволяет подробно настраивать различные параметры, по которым будет производиться поиск объектов для создания виртуальных ячеек. Суть второго и третьего режимов заключается в повторении алгоритмов аналогичных функций из DesignModeler’а.

Работа со сборками

Возможность объединять различные инженерные (содержащие модели материалов, геометрию и сетку КЭ) системы в сборки появилась в предыдущем релизе программного пакета. В новой версии продукта продолжилось расширение функционала данной операции. Например, включена поддержка многоуровневых сборок, где сборки низкого уровня становятся подсистемами новой сборки. Кроме того, теперь поддерживается объединение в одной сборке деформируемых и абсолютно жестких (Rigid) тел.

Рис. 10. Новый вид дерева проекта сборки

Рис. 11. Ориентация элементов сборки с помощью Worksheet по локальным системам координат

Изменился общий вид дерева проекта сборки (рис. 10):

• объекты виртуальной топологии и сеточные соединения (Mesh Connection) из исходных моделей не переносятся в статистику сборки, но присутствуют в самой геометрии;
• системы координат тел сборки, а также контакты и именованные наборы (Named Selections), определенные в подсистемах, стали доступны в дереве. Причем названные объекты именуются и в соответствии названием группируются с исходной инженерной моделью.

Поскольку все контакты, заданные в подсистемах, переносятся в сборку, пользователю остается задавать только контакты между самими собираемыми телами. Для этого разработчики добавили уникальную опцию для настройки контактных взаимодействий — автоматическое определение контактов между деталями. Однако при этом всегда остается возможность задавать контакты между телами в подсистемах, если это не было сделано ранее.

В версии 16 упрощен процесс соединения и ориентации в пространстве деталей сборки. Редактировать положение деталей теперь можно в окне Worksheet, доступном в ветке Model (рис. 11). В таблице указываются исходные системы координат на деталях и целевые — те, с которыми будут совмещены исходные системы вместе с соответствующими им телами.

Помимо вышесказанного разработчиками переработаны алгоритмы создания сборок, за счет чего существенно повышена производительность работы с ними. Так, время создания сокращено в 2­3 раза (рис. 12).

Модули решения динамических задач

Помимо обновления систем и функций, зачастую общих для различных типов анализов, разработчики не оставляют без внимания и конкретные расчетные модули и типы анализа. Значимая часть изменений и дополнений, представленных в 16­й версии программного пакета, приходится на различные типы динамического анализа, в частности на гармонический анализ вращающихся роторов. Для анализа вынужденных колебаний роторов с дисбалансами в новом релизе представлен соответствующий тип нагрузки Rotating Force (рис. 13).

Рис. 13. Дисбалансы в гармоническом анализе вращающегося ротора

Данная команда работает с полным (Full) гармоническим анализом и с включенными настройками, учитывающими гироскопические эффекты (Coriolis Effect). Амплитуда силы может быть задана двумя способами: напрямую через величину в ньютонах или в виде некого дисбаланса массы, измеряемого, например, в граммах. Координаты приложения силы или массы также задаются в команде.

Важным дополнением, также расширяющим функции расчета динамики роторов в модальном и гармоническом анализе, является возможность моделирования подшипников (Bearing), жесткость и демпфирование которых зависит от скорости вращения ротора.

Еще одним нововведением в плане нагружения конструкций стала возможность возбуждать колебания с помощью виброускорения, воздействующего на заданное граничное условие (закрепление). Такую функцию разработчики добавили в объект Acceleration (рис. 14). Функция доступна в гармоническом (Harmonic) и нестационарном (Transient) анализах при решении методом суперпозиции собственных форм (MSUP).

Рис. 14. Задание виброускорения, действующего на основание конструкции

Кроме нагрузки Acceleration для гармонического анализа обновлена нагрузка Force — сила. Изменение заключается в возможности задания частотно зависимой фазы для определения нагрузки в комплексном пространстве. График зависимости задается так же, как и для табличных нагрузок, — через переключатель Constant/Tabular.

Зачастую при решении задач вынужденных колебаний удобно задавать интервал изменения частоты не на обычной шкале, а, например, на логарифмической или в терминах октавных полос. В версию 16 добавлена такая возможность. Настроить частотную шкалу можно теперь в настройках гармонического анализа (рис. 15).

Рис. 15. Выбор масштаба частотной оси в гармоническом анализе

Как видно из рис. 15, напротив параметров минимальной и максимальной частот, а также количества интервалов, на которые разбивается частотный диапазон, появились переключатели, означающие возможность параметризации этих величин.

В дополнение к вышеназванным новым возможностям разработчики добавили специальные инструменты, функции и уникальные настройки, облегчающие и ускоряющие анализ результатов и расширяющие функционал программы. Ниже приведены примеры некоторых из таких нововведений:

• во всех динамических анализах, за исключением анализа переходных процессов (Transient), поддерживается инструмент Spring Probe, который позволяет выводить различные (в  зависимости от типа анализа) результаты для созданных в модели пружин;
• гармонический анализ (Harmonic) в новой версии поддерживает применение абсолютно жестких тел (Rigid Body);
• в гармоническом анализе теперь поддерживается вывод пользовательских результатов — User Defined Results;
• таблицы с коэффициентами участия и эффективными массами в модальном анализе могут выводиться отдельно. Для этого нужно в Solution Information — Solution Output выбрать пункт Participation Factor Summary;
• в спектральном анализе (Response Spectrum) при выводе результатов расчета, учитывавшего эффект от отброшенных масс (Missing Mass Effect), можно запрашивать поля скоростей и ускорений.

Остальные типы анализа

Модуль анализа устойчивости Eigen Buckling в новой версии совмещает в себе возможность проведения как линейного, так и нелинейного расчетов. Идея такого подхода заключается в проведении соответствующего статического анализа, всегда предшествующего расчету устойчивости. Таким образом, теперь можно провести анализ устойчивости с учетом всех типов нелинейностей: нелинейность материала, большие деформации и контакты, меняющие статус (рис. 16).

Рис. 16. Проведение анализа устойчивости с учетом нелинейностей

Следующее изменение в области решения специфических задач произошло с алгоритмами решения задач износа. В первую очередь следует отметить совмещение алгоритмов расчета износа и адаптивного перестроения сетки. Такой подход позволяет считать задачи с большой степенью износа и повысить качество результатов расчета. Суть подхода заключается в запуске адаптивного перестроения сетки на подшаге при достижении параметром износа заданного критического значения (рис. 17).

Рис. 17. Результат расчета износа с адаптивным перестроением сетки

Кроме того, подобный критерий может быть использован для прерывания расчета.

Нововведения появились и в температурном анализе (Thermal). Комплекс мероприятий, включающий настройку поведения конечных элементов (Model Type — Thermal Fluid) и задание соответствующих граничных условий и нагрузок (Mass Flow Rate и Convection Fluid), позволит пользователю упрощенно смоделировать течение жидкости с теплообменом. Идея данной операции заключается в применении одномерных элементов FLUID116 для моделирования потока жидкости (рис. 18).

Второе нововведение, касающееся температурного и термо­электрического анализов, заключается в добавлении возможности указывать области с линейной периодической симметрией через Symmetry Region. Это позволит как в температурном, так и в конструкционном анализе рассматривать не всю модель, а только ее повторяющийся элемент, если таковой можно выделить в модели.

Рис. 18. Моделирование потока жидкости с учетом теплопередачи и передача результатов температурного расчета в прочностной

Заключение

Компания ANSYS, без сомнения, не останавливается на достигнутом и будет дальше улучшать свои программные продукты, благодаря чему задачи разработки и оптимизации сложнейших устройств будут упрощаться. Группа компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам­Урал», в свою очередь, продолжит информировать читателей не только о новинках в линейке продуктов компании ANSYS, но и об опыте использования пакета, приемах работы и многих других особенностях применения программных продуктов ANSYS. 

Найти дополнительную информацию о продуктах компании ANSYS и задать нашим специалистам вопросы можно на наших сайтах: 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 10`2014