Новые возможности ANSYS Mechanical R17

Сергей Хрулев
Инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал»

Группа компаний «ПЛМ Урал», официальный партнер компании ANSYS, представляет вашему вниманию очередную статью из серии, посвященной решениям ANSYS версии 17.0. В данной публикации речь пойдет о нововведениях версии ANSYS 17.0 в области механики деформируемого твердого тела. Все вопросы относительно статьи и программного обеспечения вы можете задать нашим техническим специалистам на сайтах www.cae­expert.ru и www.cae­club.ru.

Интерфейс, построение сетки и работа с геометрией

В первую очередь поговорим об интерфейсе и общих нововведениях версии 17.0. Расширились возможности для создания именованных наборов с помощью критериев в окне Worksheet. В частности, появились критерии выбора тел по имени объекта и толщине, а также критерии выбора вершин и узлов по привязке к ребрам и элементам соответственно.

Среди общих удобных нововведений стоит отметить опцию поиска объекта в дереве Find In The Tree, которая быстро указывает местонахождение выбранного объекта в дереве и новые горячие клавиши для некоторых часто выполняемых операций. В частности, свои горячие клавиши получили такие опции, как Solve, Extend To Limits, Group и многие другие.

В целях экономии времени на переходах между продуктами в интерфейсе Mechanical появилась возможность отображения ориентации направлений волокон композитных материалов (рис. 1). Теперь для этого совсем не обязательно вновь открывать ANSYS Composite PrePost (ACP). 

Рис. 1. Ориентация волокон в Mechanical

Рис. 2. Создание деформированной геометрии

Еще совсем недавно процесс построения исходной геометрии на основе деформированной сетки из готового расчета был крайне трудоемким: имевшийся в Workbench метод работал в режиме тестирования и был довольно ограниченным по функционалу, более надежным считалось использование кода на APDL. Теперь же для этого больше не требуются ни APDL­скрипты, ни бета­опции. Можно просто воспользоваться связями на уровне проекта Workbench (рис. 2).

Более того, в новой версии можно просто экспортировать STL­файлы геометрии, сетки и результаты прямо из Mechanical для дальнейшей работы с ними (рис. 3).

Существенно более комфортной стала работа с инструментом секущей плоскости Section Plane: теперь для удобства ориентирования в сложных сборках появилась возможность добавления штриховки на разрезы (рис. 4).

Рис. 3. Экспорт деформированной геометрии

Рис. 4. Заштрихованное сечение

Рис. 5. Опция отображения By Body Connection

Рис. 6. Новое положение кнопок для работы с КЭ-сеткой

Добавились новые возможности по визуализации геометрии на основе принадлежности к телам. Еще появился инструмент для определения близко расположенных вершин в модели (рис. 5).

Работа с сеткой конечных элементов стала более удобной — на панель выбора добавлены новые кнопки для легкого переключения между выбором узлов, элементов, тел, поверхностей, линий и вершин (рис. 6). Больше не требуется искать эти опции в отдельной панели — все необходимое находится прямо перед глазами.

Настройки построения сетки по умолчанию в новой, 17­й версии позволяют получать сетку конечных элементов гораздо более высокого качества, чем прежде. В том числе улучшено разбиение тонких колец и поверхностей (рис. 7), разбитых оболочечными Shell­элементами.

Рис. 7. Улучшенное качество сетки, созданной по умолчанию

Построение сетки на платформе Linux теперь тоже выполняется гораздо быстрее!

Начиная с предыдущей версии в графическом интерфейсе ANSYS Workbench реализована функция динамического перестроения сетки конечных элементов (NLAD) через объект Nonlinear Aadaptive Region, подчас незаменимая при решении нелинейных задач с большими деформациями. В версии R17 данная опция получила дальнейшее развитие и усовершенствование (рис. 8). Увеличено количество используемых критериев для перестроения, а также снижены ограничения на их применение. Теперь, например, для 2D­анализа доступен критерий формы элементов.

Рис. 8. Опция динамического перестроения сетки

Балочные элементы, SpaceClaim и механика разрушения

В новой, 17­й версии ANSYS увеличена роль продукта SpaceClaim и проведена грандиозная работа по расширению возможностей Mechanical в области механики разрушения.

SpaceClaim Direct Modeler (SCDM) — это интегрированный в Workbench CAD­пакет, обладающий огромными возможностями в области создания, редактирования и чистки 3D­моделей. В частности, с его помощью можно существенно уменьшить время, требуемое для работы с балочными конструкциями, а именно — значительно облегчается преобразование твердотельной модели в балочную и оболочечную, а также создание твердотельной подмодели (используется опция Clip Volume) — рис. 9.

Рис. 9. Подмоделирование с помощью SpaceClaim

Еще в предыдущей версии было реализовано графическое отображение результатов на балочных элементах, ранее доступное только в ANSYS MAPDL. В новой же, 17­й версии появилась возможность быстро анализировать балки с помощью пользовательских сечений и, в том числе, обрабатывать результаты (рис. 10).

Рис. 10. Балочные элементы с пользовательским сечением

Рис. 11. Создание произвольной трещины Arbitary Crack

Существенное расширение функционала, среди прочего, коснулось и механики разрушения. Во­первых, был переименован инструмент для создания поверхностной полуэллиптической трещины — вместо общего обозначения Crack он называется Semi­Elliptical Crack. Новое название теперь более полно отражает суть этого объекта. Во­вторых, ANSYS R17 позволяет использовать поверхности произвольной формы для моделирования трещин при помощи нового инструмента Arbitary Crack (рис. 11). Вокруг произвольной трещины строится только тетра­сетка. Также серьезно возросли возможности постпроцессинга в области механики разрушения (напряжения, J­интеграл по линии трещины).

Более того, для любого типа трещины (а их на данный момент три: Semi­Elliptical Crack, Arbitrary Crack или Pre­Meshed Сrack) можно получить и отобразить Material Force по трем направлениям (X, Y, Z), T­Stress, а также C*­интеграл. Все эти объекты можно найти на панели Fracture Tool в новой версии. Также существенно повысилась точность вычисления уже имевшихся в прошлых версиях типов результатов (рис. 12).

Также стоит отметить еще одно очень важное нововведение в области механики разрушения — в новой версии теперь есть возможность создавать вокруг полуэллиптической трещины (Semi­Elliptical Crack) тетра­сетку. Реализовано это через опцию Tetrahedrons в поле Mesh Method в настройках объекта трещины. При этом опции Front Element Size и Growth Rate служат для редактирования итоговой сетки в трещине, а зона влияния Fracture Affected Zone вокруг трещины не создается (рис. 13).

Рис. 12. Обработка результатов задач механики разрушения

Рис. 13. Создание тетра-сетки вокруг полуэллиптической трещины

Рис. 14. Приложение давления прямым методом

Появилась возможность прикладывать нормальное давление напрямую с помощью настройки Applied By — Direct. По умолчанию же давление реализуется при помощи поверхностных элементов, что в новой опции отражено как Applied By — Surface Effect. Нововведение позволяет приложить давление к берегам трещины напрямую через графический интерфейс — раньше для этого обязательно нужна была вставка на APDL (рис. 14). Учет этого давления позволяет получать более точные результаты по параметрам механики разрушения при расчете, например, сосудов давления. Данный подход поддерживается как в стационарном, так и в нестационарном расчетах в модулях Static Structural и Transient Structural соответственно.

Высокопроизводительные вычисления и расчет колебаний

Новая версия ушла далеко вперед по скорости решения задач. Теперь увеличение числа используемых ядер до 1024 приводит к впечатляющему ускорению решения (рис. 15) по сравнению с предыдущей, 16­й версией.

Нововведения не обошли стороной и динамические расчеты. Стал более скоростным решатель Block Lanczos — теперь он работает быстрее и допускает распараллеливание. Соответственно связанные с ним расчеты на основе метода разложения по собственным формам теперь требуют меньше времени (рис. 16).

Рис. 15. Существенное ускорение решения в версии R17

Рис. 16. Относительный прирост скорости при увеличении числа задействованных ядер

В версии R17 реализована очень полезная возможность проводить преднапряженный Full Harmonic­анализ с учетом циклической симметрии. Теперь, как и во многих других типах расчетов, можно пользоваться этим видом симметрии для уменьшения размеров задачи. Еще появилось частотно­зависимое нагружение, то есть амплитуда приложенной нагрузки в новой версии может варьироваться по мере прохождения частотного диапазона. Сам же указываемый диапазон с этого релиза можно задавать не только в линейной шкале, но и в логарифмической, октавными полосами. Также в MSUP (Mode Superposition — метод разложения по собственным формам) Harmonic теперь нет ограничений на число шагов, и появилась возможность задавать кинематическое возбуждение (рис. 17).

Спектральные методы Response Spectrum и Power Spectral Density в новой версии стали быстрее и допускают распараллеливание (рис. 18).

Рис. 17. Гармонический расчет с учетом циклической симметрии

Рис. 18. Ускорение решения задачи спектральными методами

Рис. 19. Новая модель подшипника скольжения

Рис. 20. Пример решения задачи с новой моделью подшипника и учетом больших перемещений

Среди прочих нововведений появилась новая модель подшипника скольжения (рис. 19): элемент COMBI214 теперь поддерживает уравнение Рейнольдса в предположении вязкого несжимаемого ламинарного течения с кавитацией. Реализовано пока что только через APDL (рис. 20).

Прочие улучшения

В данной публикации также стоит упомянуть несколько других важных нововведений. Это импорт данных, новые материалы и расширение функционала метода суперэлементов (CMS).

ANSYS 17.0 предлагает возможность автоматического преобразования моделей печатных плат из ECAD (при помощи DesignModeler) в расчетные модели для Mechanical, необходимые для прочностных и тепловых расчетов (рис. 21). Данные о материалах теперь также могут быть перенесены из ECAD.

В новой версии проделана серьезная работа по расширению функционала программы в области геофизических расчетов. Появились модели материалов Mohr­Coulomb (модель Мора­Кулона), Jointed Rock, Cam­Clay и Drucker­Prager Concrete. Использование новых материалов пригодится для расчетов механики фундаментов, укладки штабелей, прокладки туннелей, экскавационных работ, осадки и уплотнения грунта.

Также улучшена работа моделей пористых материалов. Теперь поддерживаются нелинейные модели пористого материала, расчет течения среды через пористый материал, геостатического равновесия, задание начального состояния. Реализована анизотропная проницаемость, что очень полезно при моделировании биологических материалов — мышц, сухожилий и т.д.

Рис. 21. Модель печатной платы для ANSYS Mechanical

Рис. 22. Изменение формы в ходе отверждения

Некоторые детали, изготовленные из композитных материалов, отверждаемые в автоклавах, могут приобретать остаточное коробление и внутренние самоуравновешенные остаточные напряжения. Для решения этой проблемы в пакет ANSYS добавлен новый продукт Composite Cure Simulation, который рассчитывает изменения формы детали в процессе отверждения, а также позволяет сформировать рекомендации, позволяющие соблюдать технологические допуски (рис. 22).

Задание структуры ламината композитного изделия в ACP теперь можно автоматизировать при помощи Excel. Для этого достаточно составить файл по определенной форме с информацией о выкладке (рис. 23).

При помощи метода суперэлементов (CMS) в новой, 17­й версии, в задачах, включающих и жесткие и деформируемые детали (рис. 24), можно использовать явный решатель Rigid Body Dynamics, что существенно снижает требуемое расчетное время. В результате становятся существенно проще и вычислительно доступнее модели различных механизмов с учетом податливости звеньев.

Рис. 23. Импорт выкладки композитного материала из Excel

Рис. 24. Метод суперэлементов в задачах динамики абсолютно жестких тел

Заключение

Без сомнения, версия 17.0 не является последней, и команда ANSYS будет и дальше совершенствовать свое детище. А это означает, что нас ждут новые инструменты и возможности для решения задач разработки и оптимизации сложнейших устройств, а также еще более дружелюбный интерфейс и многое другое! Группа компаний «ПЛМ Урал» обязательно 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 сайтах: www.cae­expert.ru — новостной сайт с описанием продуктов ANSYS и расписанием вебинаров; www.cae­club.ru — портал и форум для пользователей ANSYS. 

САПР и графика 2`2016