ANSYS 8.0: обзор новых возможностей

Сергей Дубинский

Новые возможности ANSYS 8.0 для решения различных задач

Процедуры решения

Функциональность

Сегодня, пожалуй, не найдется ни одного квалифицированного инженера, который бы ничего не слышал об ANSYS. Система конечно-элементных расчетов АNSYS стала поистине эталоном CAE. В последние несколько лет ее развитие происходит особенно быстро — по два релиза в год. Каждая новая версия существенно отличается от предыдущей. В данной статье речь пойдет о том новом, что получила версия ANSYS 8.0.

22-23 октября в ГК «Измайлово» прошла 1-я международная конференция «Масштабированные и интегрированные решения ANSYS для промышленных предприятий, инжиниринговых, проектно-конструкторских и научно-исследовательских центров», организованная ЗАО «ЕМТ Р» — официальным дистрибьютором и инженерным центром ANSYS. Представители более 60 ведущих предприятий России и стран СНГ в течение двух дней ознакомились с возможностями и дальнейшими перспективами развития ANSYS, делились опытом практического применения ANSYS. Директор по региональным продажам в странах Европы Дэвид Веллингтон (David Wellington) и инженер сервисной службы Стивен Уорнам (Steven Varnam) представили новую версию ANSYS 8.0, которая поставляется клиентам с конца октября текущего года. В рамках данной статьи представим вкратце основные принципиальные отличия этой версии от предшествующих. Полный перечень отличий приведен на сайте www.ansys.msk.ru.

Новые возможности ANSYS 8.0 для решения различных задач

Прочность

• Существенно доработан интерфейс контактных задач. Новая кнопка в ANSYS Standard Toolbar обеспечивает легкий доступ к Contact из многих процессоров. Расширены возможности Contact Wizard, увеличено число параметров, которые могут быть введены через Contact Wizard и Contact Manager. Contact Wizard позволяет легче задавать поверхностные ограничения (для MPC) и эффективнее связывать детали в сборке. Панель Сreate в Contact Wizard включает опцию автоматического создания симметричных контактных пар. Есть возможность просмотреть результаты контактных задач прямо из Contact Manager вместо стандартного постпроцессора. Новая кнопка в Contact Manager позволяет легко менять местами contact и target для выбранных пар. Для типов элементов «поверхность-поверхность» (CONTA171…CONTA174) и «узел-поверхность» (CONTA175) введены новые алгоритмы, не требующие подбора контактной жесткости. Реализованы метод множителей Лагранжа для нормальной жесткости со штрафной функцией в тангенциальной плоскости (KEYOPT(2) = 3), а также классический метод множителей Лагранжа Pure Lagrange Multiplier (KEYOPT(2) = 4).

• При контакте ребер солидов или оболочечных элементов доступна новая опция MPC (KEYOPT(5) = 4 для TARGE170), позволяющая обнаружить контакт между ребром и target в пределах зоны поиска pinball region. Возможны моделирование сборок shell-shell, solid-shell и контакт ребер solid edge.

• Введено новое многоточечное ограничение MPC184 с опциями соединения Joint. Теперь элемент представляет собой кинематическое ограничение общего вида на базе множителей Лагранжа. Набор опций MPC184, включавший ранее лишь жесткие балку и стержень, дополнен скользящим ограничением (ползун), сферическим ограничением, универсальным соединением universal joint и поворотным соединением revolute joint. Опции поддерживаются в линейных и нелинейных задачах с большими поворотами и/или деформациями.

• ANSYS теперь поддерживает модальный синтез (Component Mode Synthesis, CMS). На первом этапе определяется динамическое поведение каждого компонента. ANSYS формирует динамические характеристики полной модели. CMS позволяет рассчитать частоты очень больших систем (таких как самолет или ядерный реактор), когда различные части разрабатываются отдельными исполнителями и даже коллективами. Упрощен пересчет при малых модификациях. Для очень больших моделей CMS позволяет разбить решение на несколько задач. Специальный Superelement manager позволяет легко проводить генерацию, использование и расширение. Упрощается сборка и просмотр результатов для различных суперэлементов.

• Возможна автоматическая генерация суперэлементов. Команда SEGEN упрощает создание суперэлементов и указание главных DOF. Опция Preview позволяет просматривать созданные домены (далее преобразуемые в СЭ) и master DOF, так что вы можете скорректировать их перед генерацией.

• Модальный солвер QRDAMP теперь поддерживает несимметричную матрицу демпфирования одновременно с демпфированием, задаваемым командами DMPRAT и MDAMP.

• При циклосимметрическом анализе для линейных статических задач можно вводить нагрузки, не повторяющиеся исключительно циклически. Опция CYCOPT,COMBINE создает единый набор узлов и элементов полной 360-градусной модели для удобства просмотра результатов в постпроцессоре.

• Усовершенствован подбор графиков поведения материалов по эксперименту. Дополнен интерфейс; поддерживаются новые гиперупругие материалы, ползучесть и вязкоупругость.

• Опция Shape Memory Alloy позволяет моделировать суперупругое поведение сплавов с памятью формы при изотермическом нагружении.

• Расширен вывод результатов для типов элементов 180x при больших перемещениях. Можно вывести или нарисовать узловые и элементные результаты как в начальной глобальной системе координат, так и в текущих локальных.

• Типы 180x применяют улучшенную формулировку mixed u-P для почти несжимаемых гиперупругих материалов. Доработанный алгоритм лучше отслеживает поведение при высокой степени несжимаемости.

• Для игнорирования изгибной жесткости оболочек с конечными деформациями SHELL181 введена новая опция.

• Стержневые элементы BEAM188/BEAM189 значительно доработаны как по функциональности, так и в плане ввода сечений: при KEYOPT(3) = 2 элемент рассматривается как балка Тимошенко с квадратичными функциями формы, что повышает точность. Возможен ввод сложного сечения, переменного по длине элемента (новый тип TAPER для SECTYPE). Введен специальный Manager для упрощения задания пользовательского сечения.

• Введена особая команда ENDRELEASE для элементов BEAM188/BEAM189, позволяющая управлять стесненной депланацией на стыке элементов.

• Доработана визуализация составного (из нескольких материалов) поперечного сечения.

• Новая команда ETCONTROL позволяет управлять формулировкой для выбранных элементов. Рекомендации основываются на типах КЭ, характере напряженного состояния и моделях материалов элемента.

• Графики «пластические деформации — напряжения» могут быть заданы для нелинейных моделей пластичности в элементах 180х. Пластические свойства можно задавать как функцию температуры.

• Введены новые типы SHELL208 и SHELL209 (двух- и трехузловой соответственно) с тремя степенями свободы в узле для моделирования тонких и среднетолстых осесимметричных оболочек. Элементы разработаны для линейных и нелинейных задач с большими поворотами и/или деформациями и позволяют учесть изменения толщины, «следящий» эффект давления, а также моделировать многослойные оболочки.

Связанные расчеты

В ANSYS 8.0 появилось множество усовершенствований, касающихся многодисциплинарных связанных расчетов:

• Введен новый Multifield Solver. Каждая дисциплина physics рассматривается как поле (Field) с независимой разбивкой и параметрами. Каждое поле определяется группой типов элементов. Зоны передачи нагрузок соответствуют поверхностям и/или объемам. Поля связываются через вектор нагрузок. Каждое поле может иметь различные типы анализа, различные солверы, опции расчета и различную дискретизацию сетки. Возможна передача как поверхностных, так и объемных нагрузок. Форма неконструкционных элементов может автоматически адаптироваться. Для каждого поля могут создаваться независимые файлы результатов. Переход от поля к полю выполняется автоматически.

• Новая команда MORPH более эффективно управляет автокоррекцией разбивки, чем команды DAMORPH, DVMORPH и DEMORPH. Она применима ко всем типам элементов и к формам.

• Введена дополнительная поддержка MpCCI. Можно выполнять аэрогидроупругий расчет с помощью MpCCI на 32-битной платформе Linux. Для Linux следует запустить MPICH как MPI software. Интерфейс MpCCI (Mesh-based parallel Code Coupling Interface) связывает ANSYS со сторонним CFD-пакетом (например, c CFX-5) и позволяет передавать значения в переходной зоне, даже если сетки несогласованы.

• Возможен импорт результатов из CFX.

• Введены новые пьезорезистивные элементы второго порядка PLANE223, SOLID226 и SOLID227, которые также обладают расширенными пьезоэлектрическими свойствами, поддерживают специальные нагрузки и новые модели материалов.

Электромагнетизм

• Начиная с ANSYS 8.0, возможно определение траекторий электромагнитных частиц командой PLTRAC, EMAG при одновременном существовании электростатического и электромагнитного полей.

• ANSYS поддерживает циклические граничные условия для магнитостатики. Возможно применение существующих циклосимметрических алгоритмов (вместо макроса PER-BC2D) для приложения периодических граничных условий.

• Возможен вывод изоповерхностей плотности проводящего тока в ВЧ-расчетах.

• Возможно применение контактных элементов «поверхность-поверхность» (CONTA171, CONTA172, CONTA173, CONTA174) для моделирования магнитного контакта двух тел с рассогласованными сетками (например, воздушная прослойка в системе «ротор-статор») или для моделирования зазора без создания в нем разбивки.

• Расширена возможность расчетов ионной оптики.

CFD

В ANSYS 8.0 значительно расширились возможности гидрогазодинамического CFD-расчета:

• Руководство CFD Flotran Analysis Guide преобразовано в новый документ ANSYS Fluids Analysis Guide, содержащий информацию о CFD FLOTRAN и о расчетах тонкого передающего слоя Тhin Film Fluid. В будущем документ будет дополнен информацией о CFX.

• Декларировано стратегическое партнерство CFX и ANSYS c последующей заменой модуля FLOTRAN на CFX.

• Введены принципиально новые расчеты тонкого передающего слоя жидкости (Thin Film Fluid). На основе теории смазки теперь можно определить характеристики демпфирования для таких приложений, как акселерометры, микрозеркала, переключатели, когда демпфирование выполняется тонкими зазорами (воздушными прослойками). Элементы тонкого передающего слоя Thin Film Fluid могут применяться при моделировании поведения жидкости в малых зазорах между конструкциями, движущимися по отношению к зазору нормально (сжатие, Squeeze Film Effect) или тангенциально (скольжение, Slide Film Effect). Новые элементы FLUID136, FLUID138 и FLUID139 позволяют моделировать сжатие, микроканалы, а также скольжение. Могут быть вычислены параметры релеевского демпфирования и коэффициенты модального демпфирования для последующего прочностного динамического расчета.

• Большие изменения формы жидкой области при аэрогидроупругом взаимодействии (FSI) могут значительно ухудшить форму элементов и привести к срывам автокоррекции разбивки в задачах с движущимися телами. Во избежание этого разбивку следует повторить, для чего введен специальный алгоритм Remeshing.

Теплообмен

Расширились возможности ANSYS 8.0 и в плане тепловых расчетов:

• Введены дополнительные опции теплопередачи конвекцией в расчетах турбин.

• Стало возможно моделирование коэффициентов теплоотдачи для вращающихся двигателей в элементах поверхностных эффектов SURF151 и SURF152.

ANSYS LS-DYNA

• Версия 8.0 ANSYS LS-DYNA поддерживает версию LS-DYNA 970.

• Введен новый десятиузловой тетраэдр SOLID168, который предназначен для нерегулярных сеток, возникающих при загрузке моделей из CAD/CAM. В прежних версиях появлялись вырожденные элементы с завышенной изгибной жесткостью. Теперь можно разбить на SOLID168 криволинейные зоны сложной модели без потери точности. Другим важным достоинством SOLID168 является совместимость разбивок ANSYS Workbench и ANSYS LS-DYNA.

• Более гибкой и удобной стала работа с частями (Part). Возможно присвоение указанного номера компоненту элементов или текущим выбранным элементам. Номера частей включены в листинг, а также могут визуализироваться.

• Поддерживается новая модель материала MAT_COMPOSITE_MSC.

Процедуры решения

ANSYS 8.0 обладает новыми возможностями управления решением:

• Значительно расширены средства диагностики в процессе нелинейного решения. Новая команда NLDIAG позволяет без проблем определить зоны больших невязок и выяснить причины отсутствия сходимости, сохраняя невязки метода Ньютона-Рафсона в файле. Для рисования невязок можно применить PLNSOL. Команда NLDPOST создает компоненты из элементов, нарушающих заданный критерий на данной итерации (или итерациях). С помощью команды NLHIST можно просмотреть интересующие результаты одновременно с решением. Создано отдельное окно мониторинга.

• ANSYS 8.0 поддерживает два новых распределенных солвера, помимо DDS. Солверы DPCG и DJCG быстрее и надежнее решают широкий круг задач и требуют памяти меньше, чем DDS. Для всех трех солверов необходима особая лицензия Parallel Performance for ANSYS.

• Применяя команду HBMAT процессора AUX2, можно записать полные матрицы конструкции K, M, C в формат Harwell-Boeing для передачи в NASTRAN.

• Для моделей с большим числом уравнений связывания и совместности CP и CE теперь требуется примерно на 70% меньше памяти. Результаты решения хранятся в памяти в процессе решения, значительно уменьшая время доступа к базе данных.

• Доработан Sparse-солвер для разреженных матриц — теперь он сообщает высвободившиеся в процессе решения степени свободы (zero pivot) и более эффективно их обрабатывает. Благодаря улучшениям в порядке обработки уравнений, скорость решения для типовых нелинейных задач выросла минимум на 20%.

Функциональность

Расширились функциональные возможности ANSYS 8.0:

• Доработано архивирование геометрической модели. Команда CDWRITE теперь поддерживает формат ANSYS Neutral File (ANF) наряду с IGES. Формат ANF с успехом применяется CAD-коннекторами. Расширены опции SOLID и COMB команд CDWRITE и CDREAD.

• Введен новый модуль постпроцессинга результатов по поверхности. Появилась возможность интерполировать узловые результаты на несколько заданных пользователем поверхностей. Поверхность может быть поперечным сечением, заданным рабочей плоскостью либо сферой заданного центра и радиуса. Можно выполнять математические операции над этими поверхностными результатами для расчета важных параметров: полной силы и средних напряжений в сечении, полного заряда в закрытом объеме, скорости движения массы жидкости, магнитного потока, теплопотока через сечение и т.д. Возможны архивирование, рисование и листинг этих результатов, а также их загрузка в массивы APDL.

• Введена опция «Любимый материал» в Material GUI для сокращенного именования групп часто используемых свойств материалов. Можно ввести обозначения типа Steel или Metal Plasticity.

• Доработан Component Manager для улучшения процессов создания, визуализации и оперирования с компонентами.

• Введена новая опция скрытия символов граничных условий на невидимых поверхностях.

• ANSYS 8.0 позволяет теперь использовать 4- и 5-размерные массивы и таблицы. Можно создать массив на основе X, Y, Z и других первичных переменных, таких как температура, время и т.д. Введена команда *TAXIS для упрощения ввода осей таблиц.

«САПР и графика» 11'2003