ANSYS Advantage. Русская редакция №4 – Строительство

Зима 2007 Инженерно-технический журнал. Русская редакция

ОТ ИДЕЙ К РЕШЕНИЯМ ™

ГЛАВНАЯ ТЕМА:

Строительство Анализ причин обрушения конструкций покрытия СОК «Трансвааль-парк»

Нелинейные возможности ANSYS

Совместное использование ANSYS AQWA и ASAS в морском строительстве

зима 2007

От идей к решениям

Содержание «ANSYS Solutions. Русская редакция» Инженернотехнический журнал Выходит 4 раза в год Зима 2007 (4) Учредитель: ЗАО «ЕМТ Р» Генеральный директор: Локтев Валерий Руководитель проекта: Хитрых Денис ansys-editor@emt.ru Научный консультант: Басов Константин Над номером работали: Бутяга Сергей Ларин Михаил Плыкин Михаил Слюсаренко Андрей Чернов Александр Переводчики: Дорфман Александр Листопадов Дмитрий Интернетгруппа: Николаев Александр Адрес редакции 111672 Россия, Москва, ул. Суздальская, 46, Тел.: (495) 644-0608 Факс: (495) 644-0609 Тираж 1500 экз. Цена свободная

Новости и события 4-я Международная конференция пользователей ANSYS.................................. 2

Teхнологии Технологии/ANSYS Multiphysics Анализ причин обрушения конструкций покрытия СОК «Трансвааль-парк» ........................................................................................ 5 Расчетное обоснование НДС высотных многофункциональных комплексов .................................................. 13 Нелинейные возможности ANSYS....................................................................... 18

Технологии/CivilFEM Опыт применения ANSYS/CivilFEM в строительных расчетах для объектов г.Москвы......................................................................................... 21

Технологии/AQWA и ASAS Совместное использование ANSYS AQWA и ASAS в морском строительстве..................................................................................... 26

Технологии/CFX Моделирование взаимодействия жидких сред и элементов конструкций в ANSYS..................................................................... 31

Мастер-класс Мастер класс/Вы спрашивали — мы отвечаем Дистанционный запуск решателя в среде ANSYS Workbench.......................... 38 Параметрическое изменение сетки КЭ в среде ANSYS Workbench................. 40

Мастер класс/Изучаем сами Подготовка геометрической модели в PREP7 и DesignModeler для создания сетки гексаэдров............................................................................ 44 Построение гексаэдрической сетки в ANSYS ICEM CFD. Часть 2.................... 48

Вне рубрики Документация по ANSYS на русском языке....................................................... 52

© 2007 ANSYS, Inc. © 2007 ЗАО «ЕМТ Р»

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD, ASAS, AQWA являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании ANSYS, Inc. «От идей к решениям» является торговой маркой компании ЗАО «ЕМТ Р». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм. При использовании материалов журнала в любой форме ссылка на журнал «ANSYS Solutions. Русская редакция» обязательна.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

™

Новости Новости и события и события

4-я Международная конференция пользователей ANSYS

С 17 по 19 октября в Москве проходила очеред­ ная, уже четвертая по счету международная конференция пользователей ANSYS — «AN­ SYS Russia — 2006». Организаторами меро­ приятия выступили компании ЗАО «ЕМТ Р», авторизованный дистрибьютор и инженерноконсалтинговый центр ANSYS в России, и от­ деление корпорации ANSYS по Центральной и Восточной Европе. В конференции приняли участие 167 спе­ циалистов и руководителей из 76 предприятий, инженерно-технических и научно-исследова­ тельских центров, проектных институтов и учеб­ ных заведений, представляющих ключевые отрасли промышленности: ТЭК, авиастроение и космос, двигателестроение, транспортное машиностроение, судостроение, металлургию, гражданское строительство и др., — из России, Украины и Белоруссии. Сегодня компания ANSYS, Inc. является одним из лидеров среди разработчиков про­ граммных продуктов для инженерного анализа конструкций (CAE) и сопровождения научноисследовательских работ. Только за период с 2003-го по 2005 год ANSYS, Inc. приобрела не­ сколько разработчиков ПО и интегрировала их решения в среду ANSYS Workbench. Например, в начале 2005 года ANSYS, Inc. купила компа­ нию Century Dynamics, специализирующуюся на задачах нестационарной нелинейной динамики. А 1 мая 2006 года она официально объявила о завершении оформления сделки по приобре­ тению Fluent, Inc. — в прошлом главного кон­ курента ANSYS в области развития коммер­ ческих CFD-кодов. Среди партнеров ANSYS, Inc. — компании Ingeciber, Autodesk, Mathsoft, Moldflow, CoCreate, Robobat, Vistagy и др. Со вступительным словом к участникам конференции обратился генеральный дирек­ тор компании ЗАО «ЕМТ Р» Валерий Локтев. Он рассказал о значимости использования передовых решений ANSYS, способствующих внедрению инноваций в разработку и выпуск готовых изделий, а также совершенствованию технологий. Кроме того, был отмечен стреми­ тельный рост российского рынка CAE-систем и названы основные причины его привлекатель­ ности для инвестиций.

www.ansyssolutions.ru

Организаторы и участники 4-й Международной конференции ANSYS С докладами на конференции выступили специалисты ЗАО «ЕМТ Р», «Энергомаш (ЮК) Лимитед», ЗАО «Дигаз», Arbyte, ОАО «Запо­ рожтрансформатор», ФГУП «ОКБМ им. Афри­ кантова», ЦНИИ им. Крылова, ИТЦ «РУСАЛ», ВНИИЭФ, ФГУП «НПО машиностроения» и др. Особенно много докладов было посвящено программному комплексу ANSYS CFX. От­ метим доклады «Численное моделирование турбулентного течения в центробежном комп­ рессоре» П.Е.Смирнова, «Моделирование ка­ пельно-струйных течений в ANSYS CFX 11.0» Е.Ю.Кумзеровой (НТС, Санкт-Петербург) и пр. Наиболее интересные доклады конферен­ ции мы опубликуем в следующем номере жур­ нала «ANSYS Solutions». От компании ANSYS в конференции учас­ твовали управляющий директор компании ANSYS по Центральной и Восточной Европе г‑н George Schuerer, региональный директор компании ANSYS по продажам в развивающих­ ся странах г-н Bob Gilliver, менеджер по прода­ жам в Восточной Европе компании Fluent, Inc. г-н Thomas Willkommen и Phil Cheetham, дирек­ тор направления ANSYS-OFFSHORE. George Schuerer и Bob Gilliver любезно со­ гласились ответить на наши вопросы. Позвольте поприветствовать наших гостей от лица читателей и задать первый вопрос: какие события для компании ANSYS, Inc. в уходящем году вы считаете наиболее значимыми?

George Schuerer: Я думаю, что основ­ ным достижением является то, что ANSYS, Inc.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

продолжает проводить свою политику ведуще­ го разработчика программного обеспечения для инженерных и научных расчетов, и в этом смысле большое значение приобретает факт присоединения к ANSYS, Inc. компании Fluent, Inc. В настоящее время компания Fluent явля­ ется признанным лидером в области создания ПО для решения задач вычислительной гидро­ динамики. Таким образом, в ANSYS, Inc. прак­ тически удвоилось количество сотрудников, а доход компании вырос со 150 до 260 млн долл. Означает ли, что, приобретя Fluent, компания ANSYS переориентирует свой бизнес на аэрокосмическую и автомобильную отрасли, где CFD-технологии особенно востребованы?

G.S.: Слияние наших компаний следует понимать как объединение возможностей про­ граммных продуктов ANSYS и Fluent. Мы уже по­ лучили много положительных отзывов от наших клиентов, и это слияние только усилит наши по­ зиции на рынке. Что касается наших предпочте­ ний, то в компании ANSYS всегда существовало разделение бизнеса на несколько направлений: аэрокосмическое, автомобильное, нефтегазо­ вое, химическое и др. И мы гордимся тем, что ни один из этих сегментов не составляет более 20% нашего бизнеса, а следовательно, наши решения успешно применяются практически во всех отраслях промышленности. Какие направления развития комплекса ANSYS руководство компании считает наиболее перспективными?

G.S.: Основная концепция развития ANSYS заключается в дальнейшей интеграции всех про­ дуктов в рамках единой среды Workbench. Наши финансовые инвестиции распределены по че­ тырем основным направлениям. Во-первых, это аэро­космическая отрасль, в которой исполь­ зуются лицензии ANSYS Structural, Mechanical и продукты CFD-группы, которые могут вза­ имодействовать друг с другом посредством Workbench. Во-вторых, виртуальное моделиро­ вание, позволяющее проектировать изделия, ко­ торые требуют одновременного проведения не­ скольких типов расчетов: прочностного, анализа температурного состояния, гидродинамического и др. В‑третьих, мы вкладываем средства в раз­ работку новых, более быстрых методов расчета и обработки данных в пре- и постпроцессоре. Система становится все более легкой и удобной в использовании и, что не менее важно, позво­ ляет быстрее добиваться конечного результата. В-четвертых, мы развиваем направление сов­ местной работы различных расчетных групп над единым проектом. Эти четыре сбалансирован­ ных направления являются основой для даль­ нейшего развития продуктов ANSYS.

www.ansyssolutions.ru

Рабочий момент конференции В чем заключается, по вашему мнению, отличие российского рынка CAE от европейского?

Bob Gilliver: В целом мы не видим особых различий российского и европейского рынков CAE-систем. Единственное, что отличает его здесь, — это стремительный рост продаж. В Рос­ сии нашим надежным и многолетним партнером является компания ЗАО «ЕМТ Р», которую воз­ главляет Валерий Локтев. У нас есть здесь также несколько Verification Labs, созданных на базе ве­ дущих российских университетов, которые зани­ маются тестированием программных продуктов ANSYS (преимущественно CFD-группы). Существуют ли на данном уровне развития науки и техники какие-либо принципиальные ограничения, препятствующие более активному использованию CAE-систем?

B.G.: Одно из главных ограничений, с ко­ торым может столкнуться наш заказчик, свя­ зано с построения им вычислительной сети достаточного быстродействия. Современное оборудование позволяет создавать кластерные системы неограниченной мощности и решать вычислительные задачи практически любой степени сложности. ANSYS, Inc. является пер­ вой в мире компанией, которая преодолела ру­ беж в 100 млн степеней свободы.

Выступает George Schuerer, управляющий директор компании ANSYS по Центральной и Восточной Европе

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Новости и события

Bob Gilliver, региональный директор компании ANSYS (слева), и Александр Чернов, ведущий специалист ЗАО «ЕМТ Р» G.S.: Объективных причин, препятствую­ щих более широкому распространению ANSYS, не существует. Единственное ограничение — финансовые возможности заказчика. Ведь не­ достаточно просто купить лицензионное ПО и вычислительную технику — необходимо еще обучить персонал. Например, если говорить о нашем продукте ANSYS CFX, то мы давно пре­ одолели все сложности, связанные с математи­ ческой постановкой задачи, и наши заказчики уже применяют расчетные сетки, состоящие из 1 млрд элементов. Какие основные преимущества имеют программные продукты ANSYS перед конкурентами?

G.S.: Помимо уже перечисленных особен­ ностей, решения ANSYS имеют большое преиму­ щество в области высоконелинейных динами­ ческих расчетов. Как вы знаете, в прошлом году компания ANSYS, Inc. приобрела фирму Century Dynamics, которая специализируется именно на моделировании нелинейных задач. В области CFD-расчетов мы предлагаем теперь на выбор два лидирующих продукта: CFX и Fluent. Все

Выступает Thomas Willkommen, менеджер по продажам в Восточной Европе компании Fluent, Inc.

www.ansyssolutions.ru

наши продукты очень сильные, но мы к тому же обеспечиваем возможность их интеграции в еди­ ную расчетную среду ANSYS Workbench. На про­ тяжении последних пяти лет мы успешно претво­ ряем в жизнь концепцию интеграции продуктов, и это уже оценили наши пользователи, в том числе и российские. Для крупных компаний философия развития продуктов и их интеграция не менее важны, чем функциональность отдельных моду­ лей. Пока ANSYS, Inc. — единственная компания, которая достигла столь высокой степени интегра­ ции своих CAE-продуктов, благодаря чему мы ус­ пешно вытесняем конкурентов во всех отраслях. Одним из важных элементов стратегии ANSYS, Inc. является изменение последова­ тельности применения CAE-технологий при про­ ектировании новых изделий. Если еще десять лет назад доминировала практика поверочных расчетов, то сегодня концептуальный проекти­ ровочный CAE-расчет выполняется до деталь­ ного моделирования изделия. Это позволяет с минимумом итераций, а иногда и с первого раза спроектировать оптимальную конструкцию. Сле­ довательно, инновации заключаются в измене­ нии самой методики проектирования, что обес­ печивает сокращение времени проектирования и повышение доходности предприятия заказчи­ ка. С точки зрения инноваций больший вклад вносят все же расчетчики, а не конструкторы. Именно на стадии проектировочных расчетов задаются характеристики будущего изделия. Год назад компания Dassault Systemes приобрела пакет ABAQUS и на его основе создала свой новый бренд SIMULIA. Считаете ли вы целесообразной интеграцию CAEсистем с CAD? B.G.: Наша стратегия фокусируется на разработке ПО для инженерного анализа. Ин­ теграция ANSYS с какой-либо CAD-системой не является для нас приоритетной задачей — ее целесообразность мне кажется довольно спор­ ной. Дело в том, что геометрические модели для расчетов и изготовления, как правило, сильно различаются. В плане интеграции среда ANSYS Workbench предоставляет пользователю гораз­ до большие возможности. Другое дело — интег­ рация с PDM-системами. Например, ANSYS, Inc. разработала программный интерфейс с PDMсистемой Teamcenter фирмы UGS, который уже используется нашими заказчиками. В качестве примера можно привести россий­скую компа­ нию «Энергомаш (ЮК) Лимитед».

G.S.: Естественно, наши продукты могут обмениваться данными с CAD-системами, но, на наш взгляд, в тесной интеграции между CADи CAE-системами пока нет необходимости. Спасибо за ответы. Надеемся в будущем году вновь увидеть вас в России!

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

Анализ причин обрушения конструкций покрытия СОК «Трансвааль-парк» А.М.Белостоцкий, ЗАО «НИЦ «СтаДиО», МГСУ С.И.Дубинский, МГСУ

В рамках строительной экспертизы был выполнен анализ причин обрушения большепролетного здания спортивно-оздоровительного комплекса (СОК) «Трансвааль-парк». В настоящей статье мы расскажем об опыте применения ANSYS при численном моделировании поведения и сценариев обрушения системы «грунтовое основание — ж/б каркас — стальные колонны со связями — ребристая ж/б оболочка покрытия» СОК.

Математические модели: общее описание Программа расчетных исследований включала разработку и верификацию с помощью ANSYS следующих расчетных моделей сооружения СОК: • статическая модель, воспроизводящая геометрико-жесткостные, инерционные и нагрузочные характеристики системы «ме-

•

•

•

таллические колонны со связями — ребристая ж/б оболочка покрытия»; статическая модель системы «сооружение — грунтовое основание», учитывающая данные геологических изысканий и геодезических исследований; динамическая модель системы «колонны со связями — ребристая ж/б оболочка покрытия» для определения значимого спектра собственных частот и форм и для анализа влияния пульсационных ветровых, сейсмических, вибродинамических нагрузок; модель системы «колонны со связями — ребристая ж/б оболочка покрытия» для учета физической нелинейности (для железобетона — эффекты ползучести, растрескивания и др., для металла — пластичность и образование трещин) и геометрической нелинейности — большие перемещения оболочки покрытия;

Здание СОК «Трансвааль-парк» после обрушения конструкций покрытия (фото Владара Бондарева, «Новая газета»)

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

Рис. 1. Оболочечно-стержневая ANSYS-модель системы «ж/б оболочка — металлические колонны со связями» СОК «Трансвааль-парк». Ребристая ж/б оболочка покрытия (фрагменты) •

объемные твердотельные модели наиболее напряженных узлов системы покрытия, разрушение которых могло привести к частичному обрушению системы (верхние и нижние узлы металлических колонн, соединения горизонтальных связей-распорок Р1 с колоннами и закладными деталями в стенах, соединение связей С1 с колоннами, устойчивость колонн). По результатам верификационных расчетов можно сделать вывод о взаимном соответ­ ствии расчетных моделей ANSYS, Лира, СТАДИО и SCAD. Кроме того, стоит обратить внимание на следующие факторы, которые необходимо учитывать при выполнении подобного рода расчетов: • значимость температурных факторов; • достоверное численное определение эпюр стационарного ветрового давления для характерных направлений ветра;

•

•

•

необходимость учета динамических нагрузок вообще и пульсационных ветровых нагрузок в частности; определяющая роль эффектов физической (ползучесть бетона) и геометрической (большие перемещения оболочки) нелинейности в адекватном описании работы системы; подтвержденная расчетами возможность работы системы по схемам, отличным от принятой в проекте (в частности, шарнирное опирание колонн снизу и сверху): отрыв крайних колонн от нижней закладной; чрезмерно большие сдвигающие усилия и угрожающий уровень выявленных численно квазиупругих напряжений в верхнем узле колонн, которые могут привести к разрушению блюмса, сварных швов, массива бетона опорного контура оболочки. Все это требует привлечения нелинейных моделей поведения металлов и бетона.

Рис. 2. Стержневые КЭ (колонны, связи, ребра). Справа: верхний и нижний узлы колонны

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

«Тестовая» модель покрытия. Низшие собственные частоты колебаний, Гц №

ANSYS

СТАДИО*

Лира

Форма

1

0,7876

0,7628

0,780

0,7627

0,7876

Сдвиг

2

1,1691

1,1193

1,157

1,1190

1,1691

Поворот

3

1,5932

1,5687

1,579

1,5691

1,5932

Поворот

4

2,0502

2,0808

2,057

2,0927

2,0502

n**= 1, m***= 1

5

2,2774

2,3620

2,278

2,3122

2,2774

n = 2, m = 1

6

2,3616

2,5147

2,354

2,3848

2,3616

n = 3, m = 1

7

2,4630

2,6976

2,442

2,4673

2,4630

n = 4, m = 1

8

2,5682

2,8231

2,536

2,5613

2,5682

n = 5, m = 1

9

2,6035

2,9778

2,574

2,6179

2,6035

n = 3, m = 2

10

2,7524

3,1599

2,706

2,7161

2,7524

n = 6, m = 1

* 1-й столбец — среднестенные оболочечные КЭ, 2-й — тонкостенные КЭ Олмана, 3-й — тонкостенные КЭ с моментным ПНС. ** n — число полуволн в окружном направлении оболочки. *** m — число полуволн в радиальном направлении оболочки.

С учетом результатов верификации была разработана уточненная «унифицированная» многопараметрическая оболочечно-стержневая модель, воспроизводящая все особенности геометрии, свойств материалов и НДС системы «ребристая оболочка — колонны со связями» для стадий распалубки, завершения строительства и эксплуатации (рис. 1 и 2). Конечно-элементная модель содержит 30 «материалов»/сечений, около 15 тыс. узлов и 20 тыс. стержневых и оболочечных КЭ.

Калибровка моделей Стадия распалубки важна не только как формирующая начальное НДС, которое в значительной мере определяет поведение конструкции на последующих стадиях строительства и эксплуатации. Интерес также вызывает наличие натурных измерений прогибов, по которым можно «калибровать» математическую модель. Были рассмотрены линейно-упругие и нелинейные (растрескивание опорного контура, изменение жесткости верхнего узла колонн) задачи для стадии распалубки. В качестве нагрузок были заданы собственный вес конструкций и суточный температурный перепад; перголы отсут­ ствовали. В рамках линейно-упругих моделей растрескивание опорного контура и пониженная жесткость верхнего узла колонн моделировались приведенными характеристиками: Eбет = 30 000 МПа, Eоп.конт = 9000 МПа, J′блюмс = Jблюмс / 10. Основные результаты вариантных статических расчетов, выполненных в ANSYS и СТАДИО:

www.ansyssolutions.ru

прогибы оболочки достигают 125 мм (что близко к замеренной величине 134 мм) только за счет растрескивания бетона опорного кольца и прилегающей зоны 200-мм скорлупы, а при неучете этого фактора едва дотягивают до 80 мм. Расчеты, связанные с определением соб­ ственных частот и форм колебаний механических систем, являются наиболее информативными с точки зрения верификации моделей, поскольку, с одной стороны, интегрируют многие факторы и параметры расчетной модели, а с другой — позволяют выявить их различие. Первой рассматривалась грубая модель конструкции покрытия СОК для шарнирного соединения колонн-труб с жестким основанием и оболочкой при «начальном» значении модуля упругости бетона Eбет = 30 000 МПа — условно этап распалубки. Расчет динамических характеристик показал выраженную жесткостную диспропорцию оболочки покрытия и колонн со связями. Это видно по первым трем формам собственных колебаний расчетной модели конструкции, в которых оболочка в целом перемещается в горизонтальной плоскости (по первой форме собственных колебаний — поступательно, а по второй и третьей — вращательно) как твердое тело. Только начиная с четвертой формы оболочка начинает деформироваться в вертикальном направлении, как это принято в традиционном представлении о динамических деформациях оболочечных конструкций. Все используемые в верификационных испытаниях программные комплексы дали весьма близкие значения первых десяти соб­ственных

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

a

Б

Рис. 3. Расчет оболочки с колоннами и связями с учетом ползучести бетона: a — изменение во времени прогибов (мм; максимальный — красный, на биссектральной плоскости — синий и радиальное перемещение — зеленый) при учете ползучести в бетоне; б — прогибы (мм) для T = 120 дней частот при одинаковой последовательности соответствующих им форм колебаний (см. таблицу), что подтверждает идентичность расчетных моделей и достоверность полученных результатов. Выявленное расчетами низкое значение первой частоты указывает на необходимость проведения динамического расчета на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки, а плотный спектр собственных частот свидетельствует о возможности резонансных откликов системы на вибродинамические, сейсмические и виброакустические воздействия.

Стадии завершения строительства и эксплуатации Линейно-упругие модели от действия собственного веса, веса кровли с утеплителем, снеговой нагрузки и средней ветровой нагрузки для различных периодов строительства и эксплуатации СОК показали объяснимое нарастание перемещений, усилий и напряжений в критических несущих конструкциях по сравнению с учетом только собственного веса (этап распалубки). Для уточнения влияния изменения свойств железобетона необходим дополнительный анализ, позволяющий учитывать нелинейность деформирования бетона и арматуры, кинетику образования и раскрытия трещин в наиболее напряженных зонах, образование очагов разрушения в бетоне. При нелинейном моделировании бетона в ANSYS обычно применяется модель CONCRETE, которая описывает поведение хрупких материалов. При достижении любым главным напряжением растяжения поверхности разрушения возникает трещина и напряжения в этом направлении внезапно падают до нуля. При предельном сжатии возникает крошение. Для каждого глав-

www.ansyssolutions.ru

ного направления проводится проверка по критерию William-Warnke. Упрочнение не предполагается ни для растяжения, ни для сжатия. При анализе поведения конструкции при длительном загружении следует учитывать влияние реологических процессов и возникновение дополнительных деформаций ползучести для данных свойств бетона с учетом геометрии оболочки и влажности. Нелинейные расчеты, выполненные в ANSYS, показали теоретически объяснимое различие с результатами линейно-упругих расчетов. В частности: 1. Интенсивное нарастание перемещений и усилий в первые 40-50 дней после распалубки как проявление длительной ползучести, удовлетворительно согласующееся с доступными натурными наблюдениями.

2. Влияние геометрической нелинейности, особенно выраженное для зон оболочки с минимальными приведенными жесткостными характеристиками.

Рис. 4. Сжимающие напряжения (МПа) для T = 120 дней

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Рис. 5. Эквивалентные напряжения (МПа) в элементах, моделирующих арматуру в ребрах 3.

Вызванное вышеупомянутыми эффектами возрастание усилий в опорной системе, в частности в распорках Р1 (до 48-50 т). Заметим, что параметры НДС достигли угрожающе большого максимума как раз к 14 февраля 2004 года. В этот день был зафиксирован максимум снеговой нагрузки. Результаты линейно-спектральных расчетов системы на вибродинамические и сейсмические воздействия показали, что они могут быть исключены не только из числа версий разрушения, но и из набора значимых, требующих учета факторов. Полученные амплитуды динамических напряжений для наиболее нагруженных элементов системы находятся ниже порога чувствительности, то есть не вносят свой вклад в усталостную повреждаемость. Для оценки влияния разрушения критических, тяжело нагруженных зон/узлов конструкций покрытия на инициирование обрушения всей системы были построены и проанализированы вариантные расчетные модели системы «оболочка — колонны со связями».

Рис. 6. Трехмерная конечно-элементная модель системы «грунтовый массив — сооружение» СОК «Трансвааль-парк»

www.ansyssolutions.ru

Результаты статических расчетов по этим моделям показывают: • прогрессирующий характер разрушения всей системы при образовании радиальной трещины в опорном контуре; • существенную перегрузку соседних колонн при выходе колонны из опорного контура; • значимое перераспределение усилий в опорной системе при обрыве связей Р1. Реальные процессы разрушения, отраженные в рассмотренных статических моделях, носят сильно выраженный динамический характер и могут приводить к более значимым перегрузкам.

Система «грунтовый массив — сооружение» Сложный характер работы сооружения с переменными по площади жесткостями и нагрузками, необходимость учета реального рельефа и пространственного распределения различных грунтовых фракций делают обоснованным применение продвинутых моделей основания. В расчетах использовалась упруго-пластическая модель грунта Друкера-Прагера с известными из испытаний грунтов по ГОСТ механическими параметрами (модуль деформации, коэффициент Пуассона, угол внутреннего трения и удельное сцепление). Трехмерная конечно-элементная модель массива основания с учетом реального рельефа и слоистости показана на рис. 6. На разработанной суперэлементной модели комплексной системы «основание — фундаментная плита с каркасом — конструкции покрытия» СОК (суперэлемент 1 — грунтовый массив, 2 — фундаментная плита с каркасом, 3 — подсистема «ребристая ж/б оболочка — металлические колонны со связями») были проведены расчетные исследования НДС для различных этапов возведения фундаментной плиты, каркаса, оболочки и заполнения бассейнов. Рассмотрены все значимые варианты нагружения, а также их значимые линейные комбинации-сочетания. Расчеты показали: • удовлетворительное соответствие указанных результатов данным геодезических наблюдений, выполненных на стадии строительства объекта (максимальная осадка за период с начала до завершения строительства — до 25 мм); • возникновение неразрушающих (на порядок меньших), но и не пренебрежимо малых перемещений, деформаций, усилий и напряжений в подсистеме «металлические колонны со связями» покрытия в процессе строительства, ввода в эксплуатацию (монтаж технологических систем, возведение конструкций и заполнение бассейнов)

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

10

и самой эксплуатации (осушение/заполнение бассейнов и технологических систем), нарушающих симметрию расчетного НДС. Таким образом, выдвинутая сначала версия о решающем влиянии деформативности системы «грунтовое основание — ж/б фундаментная плита и каркас» на поведение и разрушение системы «ж/б оболочка — металлические колонны со связями» не нашла своего подтверждения. Были разработаны и исследованы уточненные объемные физически (ползучесть и трещинообразование бетона, пластичность и развитие трещин в металле блюмса и сварки), геометрически (большие перемещения, потеря устойчивости) и структурно (контакты элементов с трением и отрывом) нелинейные конечно-элементные модели критических узлов конструкции СОК, обеспечивающие анализ их напряженнодеформированного состояния, прочности, устой­ чивости и разрушения в рамках выдвинутых версий причин и сценариев разрушения.

Верхний узел колонн Для верхнего узла опорной колонны была по­ строена объемная КЭ-модель, содержащая приблизительно 40 тыс. узлов (для 1/2 части с учетом симметрии задачи), — рис. 7. Модель включала блюмс, ребра, закладную пластину, крышку трубы и сварные швы. Использовались конечные элементы второго порядка с промежуточными узлами (шестигранный двадцатиузловой и тетраэдральный десятиузловой), а также контактные элементы. С учетом доминирующего влияния на НДС изгибающего момента, возникающего от прогибов оболочки (кручения опорного контура), был рассмотрен именно этот нагружающий фактор. Результаты выполненных расчетных исследований для двух подтвержденных длин катетов сварного шва «блюмс — закладная пластина» (16 мм — по проекту, 22 мм — в некоторых «натурных» колоннах) с учетом раскрытия контактов «блюмс — закладная пластина» и «блюмс — боковые ребра» и возникновения пластических деформаций (приняты реальные диаграммы деформирования металла блюмса и сварных швов) позволяют: • определить зависимость угловой податливости этого узла (до его разрушения) от изгибающего момента, отличную от идеального шарнира и от защемления (в 10-50 раз меньше для этапов распалубки и эксплуатации), и использовать ее в расчетах системы «оболочка — колонны со связями»; • выявить реальное НДС и возможные механизмы разрушения.

www.ansyssolutions.ru

Рис. 7. Параметризованная трехмерная нелинейная конечно-элементная модель верхнего узла колонн Полученные результаты численного моделирования подтверждают и конкретизируют несовершенство проектного и реализованного вариантов верхнего узла колонн, «рабочее» состояние которого является либо докритическим с восприятием и передачей на колонны со связями значимого момента до 10-15 тсм), либо закритическим с разрушением по сварке или по телу блюмса, сопровождаемым мгновенным падением момента и динамическим нагружением системы.

Нижний узел колонн Была составлена также объемная КЭ-модель нижнего узла колонны, состоящая из 6 тыс. узлов (для 1/2 части модели с учетом симметрии задачи). Использовались конечные элементы второго порядка с промежуточными узлами,

Рис. 8. Эквивалентные напряжения (МПа) для М = 9,44 тсм

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

11

a

Б

Рис. 9. Оболочечное деформирование и потеря устойчивости колонны со связями СОК: a — перемещения наружной, внутренней и верхней точек колонны; б — эквивалентные пластические деформации, εmax = 19,8% а также контактные элементы. В качестве основных нагрузок были заданы сдвигающие усилия, которые по результатам расчетов достигли 400 кН и выше для эксплуатационного состояния, и угол поворота.

Устойчивость колонны со связями Были разработаны оболочечные модели колонны с двумя коробами с использованием восьмиузловых изопараметрических конечных элементов второго порядка, поддерживающих сдвиг. Верхняя и нижняя зоны колонны (блюмс с ребрами) моделировались жесткими стержневыми конечными элементами. Внизу были заданы условия шарнирного опирания, вверху и по границе коробов — заданные нагрузки и (или) перемещения. Задача решалась в физически (пластичность металла колонн) и геометрически (значимые перемещения) нелинейной по­ становке. Результаты расчетных исследований, представленные на рис. 9, свидетельствуют о том, что потеря устойчивости сжатой колонны с растянутыми связями Р1 происходит не по

традиционной стержневой форме при высокой критической нагрузке, а по сугубо оболочечной форме в зоне коробов (с изменением кольцевой формы сечения на сложную эллипсообразную c большим радиальным прогибом со стороны внешней стороны колонны) при весьма высоком уровне пластических деформаций при нагрузках, близких к заданным (0,96 — для варианта 1; 1,14 — для варианта 2).

Опорный ж/б контур оболочки Выполненное моделирование ребристой оболочки толщиной 70-100 мм пластинчато-оболочечными и стержневыми конечными элементами, по нашему мнению, является обоснованным. Тем не менее в условиях довольно высоких сжимающих напряжений на большей части площади необходим анализ прочности по растрескиванию в критических зонах стыка ребер и скорлупы на объемных моделях. Как показали проведенные тестовые расчеты, применение объемных элементов бетона даже при одном слое элементов по толщине возможно без потери точности.

a

Б

Рис. 10. Опорный контур: a — эквивалентные напряжения в арматуре и закладной пластине со стержнями (σmax = 69 МПа); б — растягивающие напряжения в оголовке (МПа)

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии При 10%-ной нагрузке (от полной нагрузки распалубки) выявлено резкое изменение жесткости системы, вызванное появлением большой зоны трещинообразования. Как показал анализ результатов расчетов, НДС бетонной части в нелинейной постановке существенно зависит от жесткости колонны со связями. Важным для общей жесткости системы является изгиб относительно слабо армированной зоны переменной толщины (от 200 до 500 мм). При 12-15%-ной нагрузке произошло резкое уменьшение жесткости системы, вызванное появлением большой зоны трещинообразования в опорном контуре (рис. 10).

12

Выводы В ходе экспертных исследований была подтверждена возможность разрушения сооружения СОК «Трансвааль-парк» по двум сценариям, связанным с ошибками проектирования: 1. Толчком к разрушению покрытия стало подготовленное всей статической и циклической историей нагружения разрушение одного из тяжело нагруженных узлов опорной системы или потеря устойчивости одной из колонн (вследствие больших пластических деформаций в зоне соединения с распорками), что привело к образованию, распространению и раскрытию субрадиальной трещины в оболочке. В завершающей стадии падающая оболочка потянула за собой всю опорную систему, не рассчитанную на такие нагрузки.

2. Сначала произошла потеря устойчивости гибкой ж/б ребристой оболочки (вслед­ствие больших перемещений, вызванных в том числе проявлением эффекта ползучести бетона под действием весовой и снеговой нагрузок), сопровождаемая образованием локальных и магистральной трещин. А после раскрытия указанной и, возможно, кольцевой магистральной трещин падающая оболочка потянула за собой всю опорную систему. Архитектурное инженерно-техническое и административно-бюрократическое сообщества должны усвоить, что эффективное, не ограничивающее свободу творчества архитектора решение задач обеспечения надежности и без­опасности уникальных сооружений возможно только силами квалифицированных специалистов-расчетчиков с применением математического моделирования и численных методов, реализованных в современных программных комплексах. Эти математические модели должны сопровождать объекты на всех этапах их жизненного цикла (проектирования, строительства, эксплуатации, ремонта и реконструкции), обеспечивая адекватный анализ и прогноз их состояния в составе информационно-диагностических систем мониторинга.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

Расчетное обоснование НДС высотных многофункциональных комплексов А.М.Белостоцкий, С.Б.Пеньковой, ЗАО «НИЦ «СтаДиО» В.В.Орехов, ООО «МИГГ» Д.К.Каличава, ООО «Профпроект» С.И.Дубинский, ООО «ГК Техстрой»

В статье приводится методика и обобщаются результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) высотного многофункционального комплекса (заказчик и автор проекта — ООО «Профпроект», главный конструктор — Д.К.Каличава). Работы выполнены с учетом повышенных требований МГСН 4.19-2005 [1]. В качестве основного инструмента расчетных исследований использовался программный комплекс ANSYS [2]. Участок строительства проектируемого высот­ ного комплекса расположен в пределах флюви­ огляциальной равнины, осложненной склоном засыпанного оврага на северо-западе участка. Насыпь сложена суглинками, перекопанными с песком, с обломками кирпича, бетона, осколка­ ми стекла, со щепой древесины и т.п. Под на­ сыпными грунтами залегают суглинки, глины мягкопластичной и тугопластичной консистен­ ции, супеси пластичные и пески пылеватые, мелкие, средней плотности и плотные влажные и водонасыщенные. К настоящему моменту часть грунтового основания под центральной зоной здания усиле­ на сваями «РИТ». Для устранения возможного крена здания и его чрезмерной осадки в рас­ сматриваемом конструктивном решении фун­ дирования основания предполагается дополни­ тельное устройство буронабивных свай. Объемно-планировочные и конструктивные решения не имеют прямых аналогов: попереч­ ное сечение (план) здания имеет эллипсовидную форму, для высотной части здания принята пе­ рекрестно-стеновая диафрагменная схема несу­ щих конструкций. Пространственная жесткость и устойчивость всего жилого комплекса обеспечи­ ваются совместной работой вертикальных моно­ литных диафрагм жесткости, лестничных и лиф­

www.ansyssolutions.ru

товых блоков, объединенных жесткими поэтаж­ ными монолитными железобетонными дисками перекрытий. На уровне нижних этажей (–3, –2 и –1) к зданию примыкает подземная автостоянка, которая отделена деформационным швом. Фундамент высотной части здания пред­ ставляет собой коробчатую конструкцию эллип­ совидной формы. Высота конструкции — 4,6 м. Она включает нижнюю монолитную железо­ бетонную плиту полигонально-эллипсовидной формы (размер ≈ 102,7Ѕ35,03 м, толщина — 1,200 м) и верхнюю плиту (толщина — 0,4 м). Плиты соединены между собой ребрами жест­ кости (монолитными железобетонными стенами толщиной 0,6, 0,4 и 0,25 м). Для повышения жес­ ткости здания и равномерной передачи нагрузок на фундаментную плиту по периметру наружных стен на уровне –3‑го этажа устраиваются контр­ форсы толщиной 0,4 м. Колонны с сечением 575Ѕ600 мм, располо­ женные по торцам здания, возводятся с –3-го по 40-й этаж. На –2‑м и –1‑м этажах по перимет­ ру здания расположены колонны с сечением 300Ѕ500 мм. Шахты лифтов выполняются из монолитного железобетона толщиной 250 мм. Лестничные клетки — из монолитного железо­ бетона со сборными маршами. Толщина стен лестничных блоков — 250 мм. Рассмотрены следующие варианты вы­ сотного комплекса: одно- и двухподъездный, с плитным и плитно-свайным коробчатым фунда­ ментами. Помимо ANSYS расчеты НДС здания были выполнены в альтернативных програм­ мных комплексах. Рассматривались статичес­ кие вертикальные и ветровые нагрузки с уче­ том взаимодействия с грунтовым основанием [3-5]. При этом коэффициенты постели эквива­ лентного неоднородного винклеровского осно­ вания для вариантов плитного и плитно-свайно­ го фундаментов принимались по результатам расчетных конечно-элементных исследований

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

13

Технологии

14

a

Б

Рис. 1. Конечно-элементная модель расчетной области: а — размеры расчетной области, б — участок грунтового основания под фундаментной плитой Плитный фундамент

Плитно-свайный фундамент

a

Б

Рис. 2. Распределение коэффициентов постели (т/м3) под фундаментной плитой (из результатов расчета по модели Ю.К.Зарецкого) трехмерной системы «коробчатый фундамент — грунтовый массив (нелинейная модель Ю.К.Зарецкого)» [7] (рис. 1 и 2). Параметры мо­ дели Зарецкого, сформулированной в рамках теории пластического течения с упрочнением, определяются при стандартных стабилометри­ ческих испытаниях грунта по траекториям раз­ давливания [6, 8]. Также были рассмотрены сейсмическое воз­ действие и варианты локальных разрушений не­ сущих конструкций, регламентированные МГСН 4.19-2005. Расчетный анализ послед­ствий этих разрушений позволяет оценить устойчивость здания против прогрессирующего обрушения. На рис. 3 показаны оболочечно-стержне­ вые модели двухподъездного варианта здания, построенные в комплексе ANSYS. Для моделирования колонн и балок ис­ пользовались конечные элементы типа BEAM4, а для представления стен, фундаментных плит и плит перекрытий — КЭ-оболочки «средней» толщины SHELL63 [2]. Разработанные расчетные модели адек­ ватно отражают жесткостные и инерционные свойства и параметры нагрузок строительных конструкций и основания высотного здания. Об

www.ansyssolutions.ru

этом свидетельствует и вычислительная раз­ мерность построенных КЭ-моделей — более 88 тыс. узлов (более 528 тыс. степеней свободы) и 106 тыс. конечных элементов. Результаты расчетов для системы «пространственный каркас — неоднородное винклеровское основание» высотного здания пред­

Рис. 3. Конечно-элементная модель высотного здания

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Плитный фундамент

Плитно-свайный фундамент

Вертикальные перемещения в нижней плите фундамента UZ (м) Uzmax = 36,8 мм, Uzmin = 13,9 мм

Uzmax = 98,0 мм, Uzmin = 67,4 мм

Давления под подошвой нижней плиты фундамента PZ (кПа) Pzmax = 709,8 кПа, Pzmin = 300,9 кПа

Pzmax = 1597 кПа, Pzmin = 25,4 кПа

Рис. 4. Сравнительный анализ НДС плитного и плитно-свайного фундаментов: вес + полезная нагрузка + статический ветер 250° ставлены на рис. 4 и 5. Показаны выборки мак­ симальных значений параметров НДС, картины деформированного состояния и собственных форм колебаний, а также изополя/изолинии уси­ лий (сил, моментов) и давлений для статических и ветровых нагрузок и их расчетных сочетаний. Расчеты, выполненные в ANSYS 9.0, под­ тверждены выборочными расчетами в програм­ мных комплексах СТАДИО и MicroFE. С помощью блочного метода Ланцоша определены значимые собственные частоты (fi < 0,95 Гц) и формы колебаний системы «обо-

лочечно-стержневые конструкции — динамическое винклеровское основание» высотного здания (рис. 5 и табл. 1). Таким образом установлено, что при каж­ дом горизонтальном направлении ветрового воз­ действия значимо реализуется лишь одна форма с частотой, меньшей критериальной fi < 0,95 Гц. Расчеты ветровых полей и эпюр давления на здание были выполнены в программном ком­ плексе CFX-Flo. Поля расчетного ветрового дав­ ления получены для различных углов направле­ ния ветра. Следует отметить, что суммарная рас­

Таблица 1. Низшие собственные частоты (Гц) и формы колебаний здания Одноподъездное

Двухподъездное

№ формы

ANSYS

MicroFE

ANSYS

СТАДИО

1

0,353

0,39

0,318

0,319

1-я изгибно-консольная (по оси минимальной жесткости) с докруткой

2

0,429

0,42

0,339

0,343

1-я крутильная консольная

3

0,822

0,96

0,396

0,401

1-я изгибно-консольная по оси максимальной жесткости

4

1,644

1,63

1,420

1,431

2-я крутильно-консольная

www.ansyssolutions.ru

Описание

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

15

Технологии

f1 = 0,318 Гц (0,369 Гц)

f2 = 0,339 Гц (f2 = 0,394 Гц)

f3 = 0,396 Гц (f3 = 0,455 Гц)

f4 = 1,420 Гц (f4 = 1,629 Гц)

16

Рис. 5. Низшие собственные частоты (Гц) и формы колебаний здания (в скобках — значения при массе, соответствующей полной нагрузке) четная ветровая нагрузка для характерных углов (например, 80-100°, сemax =1,53) удовлетворитель­ но согласуется с соответствующими интеграль­ ными характеристиками для наиболее близкого по геометрии случая, описанного в Приложении 4 СНиП 2.01.07-85. «Нагрузки и воздействия», — аэродинамическим коэффициентом сeнорм = 1,4. При этом выявлено, что наиболее повреждаю­ щим, то есть дающим максимальную нагрузку на

здание, является угол 250°. Расчетные горизон­ тальные перемещения верха здания при угле об­ текания 250° достигают 28 мм от действия стати­ ческой составляющей и 32,3 мм от динамической составляющей ветровой нагрузки. Некоторые численные результаты при вер­ тикальной и полной нагрузке для плитного и плитно-свайного вариантов фундамента пред­ ставлены в табл. 2.

Таблица 2. Сравнение плитного и плитно-свайного вариантов здания №

Плитный фундамент

Расчетный параметр по X по Y по Z

Плитно-свайный фундамент

Максимум

Минимум

Максимум

Минимум

21,9 40,3 134,5

1,2 0,7 89,6

22,1 35,3 75,5

14,2 11,9 41,2

1

Перемещения покрытия, мм

2

Осадки фундаметной плиты, мм

98,0

67,4

36,8

13,9

3

Давление под подошвой, кПА

709,8

300,9

1597

25,4

4

Моменты в нижней плите фундамента Mx, кН м/м

753,1

–1337

978,1

–1440

5

Моменты в нижней плите фундамента My, кН м/м

860,1

–995,1

926,4

–986,6

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

17

a

Б

Рис. 6. Расчетные осадки и коэффициенты постели фундамента: а — без учета жесткости верхнего строения, б — с учетом жесткости Анализ перемещений, внутренних усилий и напряжений в несущих конструкциях здания по­ казал, что все изученные проектные варианты высотного здания удовлетворяют нормативным условиям деформативности и прочности. Поэто­ му критерии окончательного выбора варианта конструкции лежат вне прочностного поля. Из результатов выполненных расчетов стало понятно, что для адекватного численно­ го представления НДС грунта и строительных конструкций анализ системы «основание — небоскреб» следует проводить в рамках единой модели с учетом реальных распределительных и нелинейных свойств грунтового массива и всех значимых стадий строительства и эксплу­ атации. Об этом, в частности, свидетельствуют ви­ димые различия в распределении осадок и дав­ ления под подошвой фундаментной плиты, по­ лученные по модели «коробчатый фундамент — трехмерный нелинейный грунтовый массив (модель Ю.К.Зарецкого)» и по эквивалентной модели «пространственный каркас — неоднородное винклеровское основание». Как показали результаты суперэлемент­ ного моделирования в ANSYS, учет жесткости верхнего 40-этажного строения оказывает наи­ большее влияние на осадку здания при исполь­ зовании плитного фундамента (максимальная осадка сокращается приблизительно на 30%). При этом прогибы фундамента уменьшаются, а распределение коэффициента постели основа­ ния под фундаментной плитой становится более равномерным (рис. 6). Построенная единая суперэлементная мо­ дель должна быть положена и в математичес­

www.ansyssolutions.ru

кую основу системы мониторинга состояния высотного комплекса. Кроме того, планируется интеграция нелинейной модели грунта [6] в про­ граммный комплекс ANSYS. Список использованных источников 1. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве. МГСН 4.19-2005. М.: ФГУП ЦПП, 2006.

2.

ANSYS 9.0. User’s Guide. Canonsburg, 2004.

3. Белостоцкий А.М. Построение эффективных простран­ ственных моделей для статического и динамического расчета систем «сооружение — основание»/Труды ЦНИИСК им. Кучеренко. 1990. С. 175-180.

4. Белостоцкий А.М., Белый М.В. Суперэлементные алгоритмы решения пространственных нелинейных статических и динамических задач большой размерности. Реализация в программном комплексе СТАДИО и опыт расчетных исследований/Труды XVIII международной конференции BEM&FEM-2000. С-Пб., 2000. С. 65-69.

5. Белостоцкий А.М. Численное моделирование состояния высотных зданий и комплексов в контексте обеспечения техногенной безопасности мегаполиса / Труды конференции «Особенности проектирования и строительства жилых и общественных высотных зданий». С-Пб.: ЛенНИИПроект, 2006. С. 65-67.

6. Зарецкий Ю.К. Вязко-пластичность грунтов и расчеты сооружений. М: Стройиздат, 1988.

7. Орехов В.В. Комплекс вычислительных программ «Земля-89»//Исследования и разработки по компьютерному проектированию фундаментов и оснований. Новочеркасск, 1990.

8. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М.: МНТКС, 1996.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

Нелинейные возможности ANSYS

18

Achuth Rao, руководитель направления, ANSYS, Inc.

Нелинейные эффекты встречаются во многих инженерных задачах и, без­ условно, являются существенными для понимания поведения моделируемой конструкции или системы. Программный комплекс ANSYS обладает широкими возможностями, которые могут быть ис­ пользованы для решения подобного рода задач.

Изменение состояния, или нелинейные контактные задачи Существует довольно много разнообразных конструкций, которые демонстрируют нелинейное поведение, зависящее от состояния. Изменение состояния может быть непосредственно связано с нагрузкой или определяться некоторой внешней причиной. Ситуации, предусматривающие контакт, встречаются во многих нелинейных приложений. Свойства контакта типа разделения и скольжения с трением вводят в расчет нелинейность.

Геометрические нелинейности При существенных перемещениях изменение геометрической формы конструкции может вызвать нелинейный отклик. Геометрические нелинейности характеризуются большими перемещениями и (или) поворотами. Расчет задач с малым отклонением и деформацией предполагает, что перемещение является довольно малым, а получаемое изменение жесткости — незначительным. При расчете задач с большими деформациями, напротив, учитывается изменение жесткости, которое появляется вследствие изменения формы элементов и их ориентации. Возможность учета больших деформаций доступна для большинства элементов объемного НДС (включая все элементы с большими деформациями), так же как и для большинства балок и оболочек. Кроме того, ANSYS поддерживает два других типа геометрических нелинейностей: изменение жесткости при приложении нагрузки и изменение жесткости вращающегося тела. Для тонкостенных сильно нагруженных конструкций, например кабелей и мембран,

www.ansyssolutions.ru

жест­кость в направлении из плоскости конструкции может существенно зависеть от напряженного состояния в ее плоскости. Изменение жесткости является связью между напряжениями в плоскости и поперечной жесткостью. Изменение жесткости вращающегося тела ослабляет матрицу жесткости вращающегося тела в связи с динамическими массовыми эффектами. Настройка аппроксимирует эффекты изменения геометрических размеров, обусловленных большими перемещениями периферии, при расчете с малыми перемещениями. Изменение жесткости вращающегося тела используется совместно с начальными напряжениями, вызванными центробежной силой вращающегося тела.

Физические нелинейности (нелинейное поведение материала) Нелинейная связь напряжений с деформацией чаще всего является основной причиной нелинейного поведения конструкции. В реальных конструкциях напряженно-деформированное состояние меняется со временем и зависит от истории нагружения (как и в случае упругопластической деформации), длительности приложения нагрузок (ползучесть) и от условий окружающей среды (например, от температуры).

ANSYS учитывает многие факторы, определяемые свойствами материала, которые могут вызвать изменение жесткости конструкции в процессе численного расчета, в том числе анизотропию, нелинейную связь напряжения с деформацией, зависимость от времени, скорость деформаций и некоторые сложные физические явления типа пьезоэлектричества или термоэлектрических явлений (эффектов Зеебека и Пельтье).

Устойчивость методов вычислений Для расчета вышеперечисленных нелинейных задач в комплексе ANSYS применяется метод Ньютона-Рафсона, в котором невязки усилий (разница между восстановленными усилиями и приложенными нагрузками) используются для выполнения линейного расчета. ANSYS проверяет сходимость для усилий, перемещений или иных критериев. Если условие сходимости не вы-

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

полняется, то происходит обновление матрицы жесткости и затем производится новый расчет. По умолчанию ANSYS предлагает несколько методов улучшения сходимости, например поиск на линии, автоматическое назначение шага нагрузки и деление шага пополам. В особых случаях, например при нелинейной устойчивости, комплекс ANSYS предлагает альтернативную итерационную схему — метод длины дуги. Это позволяет избежать точек бифуркации и отслеживать разгрузку.

19

Новые возможности ANSYS В последних версиях комплекса ANSYS содержатся расширенные возможности по расчету нелинейных задач для применения вышеперечисленных типов нелинейных свойств. Рассмотрим их подробнее. Непосредственное изменение сетки — при расчете задач с большими деформациями искажение сетки снижает точность расчета, вызывает проблемы сходимости и в конечном счете может привести к преждевременному прекращению расчета. Изменение сетки позволяет пользователю восстановить искаженную сетку и продолжить расчет. В документации к комплексу ANSYS есть глава о том, когда нужно выполнять изменение сетки, как выделять область, в которой оно производится, и как менять сетку в выделенной области (областях). В ходе изменения сетки комплекс ANSYS по мере необходимости обновляет базу данных, создает контактные элементы, передает граничные условия и нагрузки из исходной сетки и автоматически аппроксимирует все вычисленные переменные (узловые и элементные результаты) для новой сетки. Далее расчет продолжается с новой сеткой, с достигнутым равновесием, основанным на аппроксимированных значениях переменных. Диагностика нелинейных задач — сред­ ства диагностики нелинейных задач в комплексе ANSYS помогают обнаруживать причины несходимости нелинейных задач. Как правило, ими являются: • существенное искажение формы элементов; • наличие в элементах узлов с почти нулевыми значениями коэффициентов матрицы жесткости на главной диагонали (в нелинейных задачах); • чрезмерные приращения пластических деформаций или деформаций ползучести; • элементы, в которых не удовлетворяются смешанные u-P-ограничения. Отслеживание нелинейных невязок — в рамках диагностики нелинейных задач комплекс ANSYS позволяет отслеживать невязки метода

www.ansyssolutions.ru

Визуализация нелинейных невязок метода Ньютона-Рафсона Ньютона-Рафсона в ходе итераций нелинейных расчетов. Графическое отображение остаточных усилий дает возможность определять области с высокими остаточными усилиями, что полезно при наличии проблем со сходимостью в середине шага нагрузки, когда модель имеет большое количество контактных поверхностей и иных нелинейностей. Отслеживание нелинейных невязок позволяет сосредоточиваться на нелинейностях в интересующей области, а не иметь дело с полной моделью. Диагностика нелинейных задач также позволяет выявлять элементы, в которых нарушаются отдельные критерии сходимости, например приращение деформаций пластичности и ползучести и т.п. Опция отслеживания истории нелинейных процессов позволяет контролировать вызывающие интерес результаты в ходе расчета в режиме реального времени. Перед вызовом расчета пользователь может запросить такие узловые данные, как перемещения или усилия реакции в определенных узлах, а также графическое отображение элементных узловых данных, на-

Результаты моделирования нелинейного поведения резинового чехла рычага переключения передач

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

20

Графическое отображение процесса сходимости пример напряжений и деформаций в определенных элементах. Расчет визга тормоза — метод вычисления собственных значений (частот) с учетом демпфирования QR теперь подходит для использования в задачах с нелинейным трением, в которых может быть получена несимметричная матрица жесткости. Примером задачи такого типа является расчет визга тормоза, в котором комбинация контактных элементов комплекса ANSYS и метод вычисления собственных значений (частот) QRDAMP обеспечивают удобное в работе, эффективное средство для определения непостоянных частот. Комплекс ANSYS предлагает двухшаговую процедуру, в которой нелинейная несимметричная жесткость, обусловленная фрикционным скольжением в статическом расчете, включается в расчет собственных частот. В расчете визга тормоза эффект коэффициента трения (как и другие параметры) может различаться, что позволяет видеть изменение частот и связь между ними. Это может помочь в определении того, какие частоты являются непостоянными и создают звуковой дискомфорт. Связь сред — при взаимодействии различных сред расчет связанных сред по определению является нелинейным. Взаимодействие между разными средами обычно воспринимается в виде нагрузок или изменения жесткости иной среды. Оно порождает связанную систему нелинейных уравнений. Комплекс ANSYS предлагает два типа связи сред: прямую и последовательно соединенные среды. Прямой метод обычно предполагает использование одного расчета, в котором задей­ ствуются типы элементов связанных сред, содержащие все необходимые степени свободы. Связь поддерживается при помощи вычисления матриц элементов или векторов нагрузки

www.ansyssolutions.ru

элементов, включая все необходимые члены. В качестве примера можно привести расчет нескольких сред при помощи элементов PLANE223, SOLID226 и SOLID227. Пользователь может определить свойства материалов для этих элементов, чтобы моделировать взаимодействие типа пьезоэлектричества, пьезосопротивления, эффектов Зеебека и Пельтье и пьезотеплового. Последовательный метод предполагает два или более последовательных расчетов, каждый из которых выполняется для отдельной среды. Метод вычислений для различных сред (Multi-field) комплекса ANSYS, применимый для большого класса задач взаимодействия сред, является автоматизированным средством для последовательного расчета связанных задач. Он основан на предпосылке, что каждая среда является областью со своей независимой геометрической моделью и сеткой. Нагрузки от связей автоматически передаются между сетками при расчете. Данный метод можно использовать для задач статических, вынужденных колебаний и переходных процессов в зависимости от требований механики. При последовательном (или смешанном последовательном и одновременном) расчете может применяться любое число полей (сред). Метод вычислений для нескольких сред ANSYS Multi-field (программный код MFXMultiple) используется для расчета физических полей (сред) при наличии лицензий на комплексы ANSYS Multiphysics и ANSYS CFX. В методе вычислений применяется итерационное связывание, в котором каждая среда рассчитывается одновременно или последовательно, а каждое матричное уравнение решается отдельно. Метод вычислений предполагает выполнение итерационного расчета для каждой среды до тех пор, пока нагрузки, передаваемые между средами, не сойдутся. В дополнение к некоторым из недавних улучшений, упомянутых в данной статье, разработчики комплекса ANSYS продолжают развивать его нелинейные возможности. Следующая версия комплекса ANSYS будет иметь расширения в таких областях, как контактные нелинейности (контакт линии с поверхностью, модель зон когезии при помощи контактных элементов), физические нелинейности (материал Гурсона (Gurson), анизотропная гиперупругость), элементная, или геометрическая, нелинейность (оболочки высших порядков, армированные элементы) и методы повышения сходимости (стабилизация). Перевод статьи выполнен К.Басовым в 2006 году специально для журнала «ANSYS Solutions. Русская редакция».

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

Опыт применения ANSYS/CivilFEM в строительных расчетах для объектов г.Москвы М.В.Прошин, канд. техн. наук, Т.В.Исайкова (МГСУ)

Этой статьей мы открываем серию публикаций, посвященных программному комплексу ANSYS/CivilFEM, ориентированному на решение широкого круга задач промышленного, гражданского, транспортного и гидротехнического строительства. Программа представлена базовым модулем CivilFEM INTRO и дополнительными специальными модулями: мосты и нелинейности, геотехнический модуль, модуль преднапряженного бетона. Объекты строительного проектирования в Москве и в других крупных городах-мегаполисах с каждым годом становятся все более сложными с конструктивной точки зрения. Этому способствуют многофункциональность зданий и сооружений, повышение их этажности, необходимость освоения подземного пространства, трудности строительства из-за условий плотной городской застройки и уменьшения количества удобных строительных площадок. В этом контексте программный комплекс ANSYS/CivilFEM вполне удовлетворяет запросам проектировщиков и позволяет выполнить весь спектр строительных задач: от расчета сложных пространственных надземных конструкций здания или сооружения до решения геотехнических задач, таких как расчет крепления котлована, расчеты различных фундаментов, устойчивости склона с сооружением, фильтрационные расчеты и пр. В настоящей статье рассмотрен опыт применения программного комплекса CivilFEM для решения задач строительного проектирования. Все расчеты были выполнены компанией ЗАО «ЕМТ Р» и МГСУ в рамках пилотных проектов, НИР, а также при адаптации расчетных процедур CivilFEM к нормам проектирования и условиям РФ [2-12]. Московский опыт использования комплекса ANSYS/CivilFEM касается расчетов по обоснованию проектов зданий, имеющих, как правило, высотную и стилобатную части, несколько подвальных этажей и расположенных на нескаль-

www.ansyssolutions.ru

ных основаниях. Часть проектов была связана с высотными зданиями (высотой более 75 м) [3]. Для таких зданий сразу вырисовывается целый набор проектных задач. Это, с одной стороны, геотехнические задачи разной степени сложности, а с другой — задачи расчета НДС строительных конструкций во взаимодействии с основанием. В числе таких задач можно перечислить: • определение НДС грунтовых оснований на предмет расчета по I и II группам предельных состояний; • определение НДС строительных конструкций зданий и сооружений на предмет расчета по I и II группам предельных состояний с учетом грунтового основания; • расчеты устойчивости оснований зданий и сооружений по кругло-цилиндрическим и ломаным поверхностям обрушения; • расчет ограждения глубоких котлованов по I и II группам предельных состояний включительно и прогноз дополнительных деформаций окружающей застройки при их возведении и дальнейшем строительстве зданий; • расчеты коэффициентов постели грунтовых оснований плитных и других фундаментов. Таким образом, большая часть решаемых с помощью CivilFEM задач так или иначе связана с грунтовыми основаниями. Следует отметить, что до недавнего времени расчетчики были лишены возможности в полном объеме решать задачи геотехники (геомеханики, механики грунтов, оснований и фундаментов) и каждый из них по-своему приспосабливал для этих целей программы типа ЛИРА, SCAD и др. В то же время использование исключительно геотехнических программных комплексов, таких как Рlaxis или FLAC 3D, обедняет арсенал расчетчика, работающего в области промышленного и гражданского строительства. Как правило, геотехнические комплексы оснащены достаточными (для своих задач), но не выдающимися средствами подготовки геометрии КЭ-моделей проектируемых сооружений. Кроме того, со­временные задачи строительного проектиро-

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

21

Технологии

22

Рис. 2. КЭ-модель основания высотного здания с приведенной (сплошной) высотой подвальной части

Рис. 1. Многофункциональный высотный комплекс «Вертикаль»: Hmax = 180 м, среднее давление под подошвой фундаментной плиты — 10 кг/см2 вания обладают сложной топологией и для их решения требуется большой набор разнообразных конечных элементов последних поколений. В этом отношении ANSYS/CivilFEM находится на самом современном уровне, а после интеграции в среду ANSYS Workbench его возможности по работе с геометрией модели возрастут на порядок. Существует большой перечень строительных задач, которые могут быть решены с помощью базового модуля комплекса ANSYS/ CivilFEM — CivilFEM INTRO, а также путем использования специальных модулей, которые в настоящее время находятся на стадии тестирования: мосты и нелинейности, геотехнический модуль, модуль преднапряженного бетона. В первую очередь это относится к проверкам проектирования по российским строительным нормам (нагрузки и воздействия, бетон и железобетон, металлические (стальные) конструкции, сейсмика) [6-9]. Постановка таких задач может быть различной относительно свойств конструкций и основания, а также всего набора возможных нагрузок и воздействий, включая динамические и особые виды воздействий. Нами были проведены расчеты оснований зданий, в том числе высотных, на Ленинском проспекте и на Беговой улице на предмет определения осадок фундаментов, их неравномерностей и кренов. Расчет НДС основания зданий

www.ansyssolutions.ru

Рис. 3. Изополя осадки основания высотного здания под фундаментной плитой при нагружении до природного напряженного состояния проводился с учетом приведенной высоты железобетонной сплошной плиты, эквивалентной по моменту инерции сечений подвальной части здания, на условное воздействие в виде реактивной эпюры под фундаментной плитой. Таким образом, предстояло решить две задачи: об основании и о верхнем строении здания с основанием в виде коэффициента постели фундаментной плиты (рис. 1-6). Все вышеуказанные расчеты проводились с различной деформируемостью оснований на этапах повторного нагружения до природного напряженного состояния и нагружения сверх природного. Расчет основания высотного здания на Беговой улице выполнялся в упругопластической постановке по модели Друккера-Прагера (см. рис. 4-6). Проводились также расчеты НДС конструкций 24-этажных (двух- и трехсекционных) зданий со стеновым железобетонным каркасом с основанием в виде коэффициента постели на целый ряд воздействий, в том числе на ветровое воздействие и на внезапное появление карстовой 6-метровой воронки (рис. 7-9).

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

23

Рис. 4. КЭ-модель надземной части здания высотного комплекса на Беговой улице (Москва)

Рис. 7. Трехсекционное 24-этажное жилое здание с подземным гаражом

Рис. 5. КЭ-модель основания и подземной части здания высотного комплекса, приведенная к плите сплошного сечения

Рис. 8. Расчет ветровых нагрузок на высотное здание в ANSYS CFX

Рис. 6. Изополя осадки основания до природного напряженного состояния

Рис. 9. Осадка фундаментной плиты

На рис. 8 приведены результаты расчета обтекания 24-этажного жилого здания, строящегося в московском районе Строгино. Расчет был выполнен в программном комплексе ANSYS CFX на базе КЭ-модели здания, построенной в ANSYS/ CivilFEM. Результаты этого расчета использовались для задания ветровых нагрузок при последующих расчетах в CivilFEM, например на рис. 9 приведены изополя осадки фундаментной плиты. Расчет коэффициента постели грунтового основания для фундаментов любой геометрии в плане — это еще один пример того, как можно

www.ansyssolutions.ru

использовать возможности опции напластования грунтов CivilFEM. Подобный расчет (рис. 10) проводился для фундаментных плит приведенного по моменту инерции поперечного сечения для высотных зданий по Ленинскому проспекту и по проспекту Маршала Жукова (Москва) и показал хорошее совпадение с результатами расчета основания в трехмерной постановке по коэффициенту постели основания Сz (отношение реактивного давления под фрагментом фундаментной плиты к осадке этого фрагмента).

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

24

Рис. 11. Результаты расчета устойчивости основания высотного здания (Москва, просп. Маршала Жукова) методом Феллениуса Рис. 10. Изополя коэффициента постели по плану фундаментной плиты высотного здания (Москва, просп. Маршала Жукова) Такие расчеты очень популярны среди проектировщиков зданий, поскольку позволяют убрать из рассмотрения грунтовое основание и заменить его совокупностью податливостей для части конечных элементов модели здания или сооружения. Однако это не всегда правомерно для зданий повышенной ответственности. С помощью геотехнического модуля ­ANSYS/ CivilFEM можно выполнять анализ устойчивости склонов и откосов, используя результаты МКЭрасчетов НДС в плоской постановке или классические методы потери устойчивости склонов и откосов по кругло-цилиндрическим и ломаным поверхностям обрушения: метод Феллениуса, Бишопа и Янбу (обычный и модифицированный) и др. Мы использовали геотехнический модуль CivilFEM для оценки устойчивости ряда оснований зданий, в том числе высотных, расположенных на склоне. Такие расчеты особенно актуальны, поскольку они предписаны российскими нормами проектирования оснований [5, 11]. Необходимость производить расчет основания по первому предельному состоянию при его значительной неоднородности по свойствам заложена в старом СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений» и в новом СП 50-101-2004 [11] и может потребовать выполнения вышеуказанных расчетов и для ситуации основания без склона, когда аналитические методы расчета устойчивости основания некорректны. На рис. 11 показаны результаты расчета устойчивости по кругло-цилиндрическим поверх­ ностям обрушения оснований высотного здания методом Феллениуса. Расчеты и проектирование шпунтовых ограж­дений для строительных котлованов (расчет гибких подпорных стен) в ANSYS/CivilFEM

www.ansyssolutions.ru

Рис. 12. Сечение котлована и его шпунтового ограждения являются еще одной сильной стороной этого программного комплекса. Он позволяет пользователю выполнить нелинейный анализ поэтапного возведения (выемка или обратная засыпка) проектируемого сооружения. На рис. 12 и 13 показана схема шпунтового ограждения котлована (из стальных труб) с двумя ярусами подкосов на втором и шестом этапах выемки котлована. На рис. 14 представлена эпюра изгибающих моментов на последнем, 6-м этапе выемки котлована. Здесь подкосы условно моделировались анкерами такого же наклона, что и наклон подкосов из стальных труб — при естественном предположении, что стальные трубы подкосов будут сжаты, а не растянуты, как анкерные тяги. Аналогичные результаты достаточно быстро могут быть получены для ограждений из шпунтовых труб (свай) или «стены в грунте» для практически любых существующих подкрепляющих конструкций. На рис. 15-16 показаны эпюры усилий в конструкции шпунтовой трубы с распоркой.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

25

a

Б

Рис. 13. а — 2-й этап выемки грунта из котлована; б — 6-й этап выемки грунта из котлована

Рис. 14. Эпюра изгибающих моментов (6-й этап)

Рис. 15. Продольное усилие в распорке

Рис. 16. Эпюры изгибающих моментов в шпунтовой трубе с распоркой

www.ansyssolutions.ru

Вышеупомянутые расчеты в г.Москве являются массовыми, поэтому они включены в учебные программы студентов МГСУ, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство». В заключение еще раз отметим, что комплекс ANSYS/CivilFEM представляет собой высокоэффективный инструмент для расчетов и строительного проектирования конструкций и оснований. Он обладает громадными возможностями при детальном освоении и дальнейшей адаптации к отечественным нормам проектирования и, что немаловажно, позволяет сблизить отечественную и общемировую строительные инженерные школы. Список использованных источников 1. Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки. Л.: Стройиздат, 1974. 192 с.

2. Жилые и общественные здания: Краткий справочник инженера-конструктора/ Под ред. проф. Ю.А. Духовичного. М.: Стройиздат, 1991. 656 с.

3. МГСН 4.19-2005. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданийкомплексов в городе Москве. М.: ГУП «НИАЦ», 2005. 126 с.

4. МГСН 2.07-01. Основания, фундаменты и подземные сооружения. М.: ГУП «НИАЦ», 2003. 108 с.

5. Основания, фундаменты и подземные сооружения: Справочник проектировщика/М.И.Горбунов-Посадов, В.А.Иль­ичев и др.; Под общ. ред. Е.А.Сорочана и Ю.Г.Трофименкова. М.: Стройиздат, 1985. 480 с.

6. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия/ Госстрой России. М.: ФГУП ЦПП, 2005. 44 с.

7. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции/ Госстрой России. М.: ФГУП ЦПП, 2003. 90 с.

8. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения. Основные положения и пособие к нему/ Госстрой СССР. М.: ФГУП ЦПП, 2006. 53 с.

9. СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах/ Минстрой России. М., 1996. 53 с.

10. СНиП 2.02.02-85*. Основания гидротехнических сооружений. М.: Стройиздат, 1986.

11. СП 50-101-2004. Свод правил по проектированию и строительству: Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. М.: ФГУП ЦПП, 2005.

176 с.

12. СП 50-102-2003 Свод правил по проектированию и строительству: Проектирование и устройство свайных фундаментов. М.: ФГУП ЦПП, 2005. 109 с.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

Совместное использование ANSYS AQWA и ASAS в морском строительстве

26

В мировой энергетике все более актуальным станосится разработка месторождений нефти и газа на шельфе. При реализации таких дорого­стоящих проектов цена ошибки является очень большой и составляет миллионы долларов. Именно поэтому уже на самых ранних этапах развития морской нефтегазодобычи компании, занимающиеся инжинирингом в этой области, начали разрабатывать специализированное программное обеспечение (ПО), основное назначение которого — моделирование поведения элементов конструкций морских сооружений под воздействием неблагоприятных факторов внешней среды. Далее мы расскажем об истории создания ПО для расчета морских сооружений, которое в настоящее время предлагается на рынке компанией ANSYS, Inc. Одним из пионеров в области создания специализированного ПО для проектирования морских сооружений является компания WS Atkins — ее программы ASAS-LAUNCH и AQWA-FLOAT стали стандартом в «морском» проектировании и используются множеством компаний, например EXXON, DNV и Bureau Veritas. Программа AQWA была создана в середине 1970-х годов, когда Англия занялась разработкой нефтегазовых месторождений в Северном море. Это не самое простое место для эксплуатации подобных сооружений, поэтому они должны отвечать более серьезным требованиям по сравнению с теми, что строятся в более благоприятных климатических усло­виях. Наиболее популярной конструкцией в то время было опорное основание (jacket) — металлическое жесткое основание сквозного типа, состоящее из набора трубчатых конструкций, затопляемых водой, и имеющее вес до 20 тыс. т. Эти большие конструкции обычно собирались на земле, затем грузились на баржу и доставлялись к месту установки. Далее опорное основание сгружалось с баржи и вставала на место планируемой установки на морском дне.

www.ansyssolutions.ru

Транспортировка эксплуатационной платформы к месту установки В 80-х годах наметилась тенденция строительства морских добывающих платформ на глубоководном шельфе вследствие истощения месторождений на мелководье. Компания WS Atkins обратилась к правитель­ству Великобритании, и оно согласилось выдать кредит на разработку нового программного обеспечения на базе FLOAT/LAUNCH. В первую очередь необходимо было создать новые модели, включающие системы позиционирования (постановки морских сооружений на якоря), а также рассчитать такие модели, которые, наряду с трубчатыми, включали бы другие элементы, поскольку экономичес-

Плавучая добывающая платформа

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

кая целесообразность эксплуатации платформ с каркасным основанием заканчивалась на глубине моря 450 м. Работа завершилась созданием семейства моделей, названного AQWA suite. С середины 90‑х годов программа AQWA начала лицензироваться на коммерческой основе, а чуть позже в нее был добавлен графический интерфейс (рис. 1). Что касается программного комплекса ASAS, то он появился на свет несколькими годами раньше AQWA — в 1971-м. Примерно в это же время на рынок вышел другой ныне хорошо известный продукт — ANSYS. Но, в отличие от

Интересно отметить, что около половины нефтегазовых сооружений в Северном море были рассчитаны с помощью данной программы (рис. 2).

27

Рис. 2. Расчетная модель транспортировки jacket в ANSYS ASAS К 2001 году персонал WS Atkins вырос с 2400 человек до 14 тыс., и стало понятно, что бизнесу по разработке программного обеспечения некомфортно в компании, которая занимается преимущественно консалтинговой деятельностью. В результате AQWA и ASAS были выставлены на продажу. Приобрела бизнес WS Atkins компания Century Dynamics, Inc., которая в январе 2005 года стала частью ANSYS MBU (Mechanical Business Unit).

Рис. 1. Графический интерфейс AQWA ANSYS, который всегда позиционировался как универсальное ПО, комплекс ASAS изначально был ориентирован на решение целевых задач морского строительства на континентальном шельфе. Позднее возможности ASAS были значительно расширены: обновились расчетные модели волновых нагрузок, нагрузок от течения, добавились анализ усталости от нерегулярного волнового нагружения и взаимодействие типа «морской грунт — закрепление свай платформы». В результате комплекс ASAS приобрел свой современный вид и стал называться ASAS Offshore.

Объекты морского строительства, рассчитываемые в ASAS и AQWA На рис. 3 показано, как глубина моря влияет на конструкцию морских нефтедобывающих сооружений. Крайняя слева конструкция на рис. 3а — это основание со стальным каркасом (jacket), являющееся наиболее распространенным типом морской платформы. По мере выработки месторождений нефти на континентальном шельфе все большее значение приобретали альтернативные концепции строительства, такие как глубоководное строительство.

a

Б

Рис. 3. Типы конструкции нефтедобывающей платформы в зависимости от глубины моря: a — сооружения с опорой на дно; б — сооружения, заякоренные тросами (с натяжением)

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

28

Рис. 4. Расчетная модель в FEMGV Крайняя слева на рис. 3б платформа типа SPAR (платформа на вертикальном буе), она широко используется при добыче нефти и газа в Мексиканском заливе на участках с глубиной до 1000 м. Справа на рис. 3б показано судно системы FPSO, которое обычно применяется на больших глубинах, а также при разведывательном бурении. Кроме того, AQWA и ASAS используются при проектировании других конструкций неф­тедобывающих платформ: самоподъемных буровых платформ (Jack-up), морских эксплуатационных оснований с гравитационным фундаментом (Concrete gravity based platform), плавучих эксплуатационных систем FPSO, полупогружных платформ с натяжными опорами (TLP), полупогружных буровых платформ (Semisubmersible platform). Рассмотрим более подробно особенности программных комплексов ANSYS AQWA и ASAS. Комплекс ANSYS ASAS — это апробированная и доказавшая свою состоятельность технология для проектирования и расчета конст­ руктивных элементов буровых комплексов и добывающих платформ. В ANSYS ASAS Offshore включены модули для задания волновой нагрузки, расчет взаимодействия «свая — опора — грунт», расчет на ресурс с учетом спектрального волнового и ветрового воздействия. По модулям эти возможности распределены следующим образом: • ASAS-WAVE/MASS вычисляет волновую нагрузку и добавленную массу на трубчатые затопленные каркасные опорные части платформ. Эта возможность распространяется как на мелководные участки шельфа, так и на глубоководные участки; • SPLINTER рассчитывает схемы «свая — опора — почва» и «свая — почва»; • FATJACK вычисляет усталостные по­вреж­ дения и срок службы опорных частей и

www.ansyssolutions.ru

Рис. 5. Пример отображения ГУ для связанного расчета опорной части платформы в постпроцессоре ASAS-VISUALIZER верхних строений каркасных морских платформ с помощью детерминированных и спектральных (вероятностных) методов; • WINDSPEC проводит анализ усталости трубчатых конструкций (буровой мачты, крана на платформе) при воздействии ветровой нагрузки. Заметим, что изначально ASAS Offshore создавался как специализированный расчетный комплекс для оценки сложных ферменных металлоконструкций таких как опорные части платформ, самоподъемных буровых платформ, других подводных сооружений. Расчетные модели ASAS могут быть созданы в препроцессорах: ANSYS PREP7, FEMGV и MSC PATRAN (рис. 4 и 5). Конечно-элементные модели можно также описывать в текстовом файле с определенным форматом представления данных. В комплексе ANSYS ASAS реализована интегрированная база данных. Это означает, что результаты расчета, полученные из разных модулей ASAS, записываются в общую базу данных (рис. 6). При расчете ферменных конструкций, опирающихся на дно, и плавучих объектов различа-

Рис. 6. Общая схема взаимодействия модулей ANSYS ASAS

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

29

Рис. 7. Схема взаимодействия модулей при расчете каркасных оснований (jacket)

ТАКР «Баку» — страж морских владений СССР

Рис. 8. Блок-схема процесса расчета полупогружной платформы

Катер российского Черноморского флота

Рис. 9. Схема взаимодействия модулей при решении связанной задачи ют два подхода: линейный и нелинейный (конструкции, работающие в зоне пластических деформаций). Для каждого вида расчетов можно написать блок-схему взаимодействия модулей (рис. 7-9). Результаты расчета волновых нагрузок в ASAS могут быть переданы в качестве граничных условий в программный комплекс ANSYS. Картина создаваемых судном волновых колебаний довольно сложна. Выделяют носовые и кормовые группы продольных и поперечных волн. Носовые продольные волны обусловлены повышением давлением около носовой части судна, которое вызывает местный подъем воды. Эти волны являются короткими и при незначи-

www.ansyssolutions.ru

Судно системы FPSO тельной дисперсии способны самостоятельно перемещаться на значительные расстояния. Кормовые продольные волны несколько меньше по размерам, чем носовые, и их образование

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

30

Кильватерный след связано с взаимодействием струй воды, обтекающих судно по бортам. Поперечные кормовые волны образуются за срезом кормы. Как правило, обтекание судна носит турбулентный характер. Турбулентное течение само по себе является стохастичным и не имеет прямого аналитического решения. Однако в носовой части судна, как правило, присутствует участок ламинарного течения. Таким образом, численное моделирование обтекания судна осложняется необходимостью «предсказания» ламинарно-турбулентного перехода. В современных CFD-пакетах существует несколько типов моделей турбулентности, созданных на основе различных допущений. Расчет волновых явлений в них требует от инженера достаточного опыта и квалификации. При этом для большинства задач морского строительства результаты моделирования турбулентных течений являются избыточными. Как мы уже отмечали, волны при определенных условиях могут перемещаться из одного конца океана в другой, сохраняя свою длину. В этом они очень похожи на радиоволны, которые при движении также не теряют своей кинетической энергии. Если посмотреть на энерговыделения на поверхности, находящейся на достаточном расстоянии от источника волн, то видно, что энергия, полученная, например, в преобразователе волновой энергии, зависит от волнового поля вдали от объекта. И наоборот, преобразователь волновой энергии может служить хорошим источником волн вдали от него. Снова напрашивается сравнение с объектами радиотехники: хорошая принимающая антенна является и хорошей передающей. Волновое поле, возникшее на удалении от объекта, является значимым фактором и в морском строительстве, поскольку оказывает

www.ansyssolutions.ru

непосредственное влияние не только на эксплуатационные добывающие установки, но и на их систему позиционирования. Учитывая стоимость морских добывающих систем (например, плавучая эксплуатационная система Schiehallion компании British Petroleum вместимостью 950 тыс. баррелей нефти приносит доход более 3 млрд фунтов стерлингов в год), понятно, почему на рынке морского строительства программы, способные рассчитывать воздействие волнового поля на объекты, получили самое широкое распространение. Всего в мире насчитывается порядка 100 компаний, которые используют подобное программное обеспечение. До недавнего времени ведущими разработчиками подобных программных комплексов были компании Det Norske Veritas (WADAM) и Century Dynamics, Inc. (AQWA). Отметим, что, хотя оба программных комплекса разрабатывались независимо друг от друга, точность их результатов очень высока. В индустрии морского строительства прототипы используются редко, условия работы платформ зачастую бывают очень суровыми, поэтому безопасность морских сооружений для персонала и окружающей среды выходит на первый план.

ANSYS AQWA и ASAS применяются для оценки надежности морских эксплуатационных платформ и танкеров при воздействии таких факторов окружающей среды, как волны, течение, ветра, дрейфующие льдины и пр. При помощи этих программ проводятся расчеты нагрузок на опорное основание при транспортировке и установке на точку бурения (см. верхний рисунок на стр. 26). Решаются типичные геотехнические задачи. В заключение приведем возможные схемы взаимодействия ANSYS AQWA/ASAS с другими программными продуктами компании ANSYS, Inc.: • AQWA Diffraction может применяться для передачи давлений и перемещений конструкции в модель ANSYS (лицензии Multiphysics, Structural); • ASAS может служить для расчетов, которые нельзя выполнить в традиционном ANSYS, например связанного расчета водо­отделяющей колонны при волновом воздействии; • APDL может использоваться для подготовки моделей, рассчитываемых в AQWA и ASAS. Статья подготовлена специалистами компании ЗАО «ЕМТ Р» по материалам обзора Phil Cheetham.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

Моделирование взаимодействия жидких сред и элементов конструкций в ANSYS Ф.Ментер (F.Menter), М.Кунтц (M.Kuntz), ANSYS Germany GmbH, Патрик Шарки (Patrick Sharkey), ANSYS UK Сергей Якубов, НТС, Россия

В статье описываются возможности FSIтехнологий ANSYS, ориентированные на нефтегазовые приложения. В частности, рассказывается об опыте применения ANSYS Multiphysics при проектировании водоотделяющей колонны плавучей буровой установки. Приводятся результаты сравнения численных расчетов с известными аналитическими решениями и результатами экспериментов, например для случая вихревого возбуждения цилиндра при поперечном обтекании.

Введение Конструкции морских нефтепромысловых сооружений подвержены разнообразным нагрузкам от ветра, течения, волнения, льда и пр. Недоучет части из них может привести к техногенной катастрофе, подобной той, что произошла в Мексиканском заливе в 2005 году. Наиболее очевидная область, где FSI может найти широкое применение, — расчет вибраций отдельных элементов конструкции морской платформы, возбуждаемых потоком жидкости

вследствие отрыва вихрей от поверхности этих объектов (так называемое вихревое возбуждение). В основном это касается тел цилиндрической формы, например в буровой установке это водоотделяющая колонна, внутри которой расположена буровая колонна. В процессе проектирования морских платформ различного назначения возникает немало проблем. Во-первых, в конструкции любой платформы всегда присутствуют элементы, которые по размеру значительно отличаются друг от друга (на несколько порядков). Во-вторых, детали даже относительно небольших размеров могут воздействовать на поток жидкости и изменять его структуру. Соответственно появляются дополнительные вибрации, возбуждаемые потоком вследствие пульсаций давления и скорости. Ударная нагрузка от океанских волн может быть рассчитана и в ANSYS, однако основная сложность заключается в том, что поля поверх­ ностных и ветровых волн носят случайный характер. Кроме того, следует учитывать влияние числа Рейнольдса (Re) на характер обтекания при его изменении в широком диапазоне по глубине океана. И наконец, на практике водоотделяющая колонна представляет собой не прямую, а зачастую сильно изогнутую трубу, что приводит к изменению угла атаки по длине колонны. Несмотря на перечисленные трудности, возможности CFD далеко не исчерпаны и могут быть расширены за счет использования параллельных вычислительных систем. Далее мы рассмотрим все эти вопросы ­более подробно. Начнем с общего описания процесса обтекания цилиндра и причин возникновения гидродинамических вибраций труб.

Численное моделирование

Морское бурение

www.ansyssolutions.ru

Моделирование турбулентности При малых значениях числа Рейнольдса (Re) цилиндр обтекается ламинарным потоком. С уве-

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

31

Технологии

32

a

б

Рис. 1. Обтекание цилиндра при различных Re: a — отрыв ламинарного пограничного слоя (низкие значения Re); б — критический режим обтекания (Re ~ 2·105) личением Re течение в следе за цилиндром становится неустойчивым, начинает формироваться трехмерная структура следа. При Re > 105 ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный и характер обтекания цилиндра качественно изменяется: точка отрыва резко смещается в направлении течения потока (относительно ламинарного отрыва). В целом турбулентность оказывает значительное влияние на общий уровень сопротивления цилиндра и размер области вихреобразования. Поэтому важно выбрать правильную модель турбулентности для корректного моделирования процесса перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный и для определения точек отрыва. Сложность конструкций любых морских сооружений, подобных плавучей платформе типа SPAR, налагает определенные требования к разрешению сетки у стенки даже в случае решения осредненных по Рейнольдсу уравнений движения вязкой жидкости (RANS). Хотя все характерные особенности таких течений со сложной структурой следа могут быть корректно смоделированы и при LES-подходе (моделирование крупных вихрей), в данном случае следует признать его избыточность. В работе [1] приводится количественная оценка ресурсов компьютера, необходимых для LES в диапазоне высоких Re. При моделировании обтекания колонны даже при низких Re использование LES потребовало бы подробнейшей расчетной сетки по направлению движения потока для расчета трехмерной структуры вихрей. В нашем случае можно говорить как минимум о 50 расчетных узлах по длине хорды (диаметру колонны), что делает невозможными все расчеты на базе LES сложных объектов с большим количеством деталей. Очевидно, что в этой ситуации целесообразно применение моделей класса RANS. В 2004 году Menter и Langtry [2] предложили новую переходную модель турбулентно­ сти, которая учитывает все основные явления, сопровождающие процесс перехода. На рис. 1 показана картина течения для характерных режимов поперечного обтекания цилиндра.

www.ansyssolutions.ru

Хотя все расчеты, о которых мы расскажем далее, были выполнены при относительно низких числах Re (докритический режим обтекания), многие инженерные задачи нефтегазового профиля, например любые FSI-приложения при высоких Re, можно решить только с помощью переходной модели турбулентности. Технология FSI Комплекс ANSYS Multiphysics содержит специальные многодисциплинарные элементы, которые позволяют напрямую решать связанные задачи теплообмена, электромагнетизма, гидродинамики и прочности (SOLID69, FLUID142 и др.). Второй вариант подразумевает итерационную процедуру решения и использование парных элементов, таких как тепловой — структурный, магнитный — тепловой и пр. Такой подход получил в ANSYS название MFS и является наиболее часто используемым. В отдельных случаях для сопряжения ANSYS Mechanical и ANSYS CFX применяется особая разновидность решателя ANSYS Multi-field — MFXANSYS/CFX. На рис. 2 показана общая схема итерационного взаимодействия решателей. Обмен данными между связанными решателями осуществляется через специальные пор-

Рис. 2. Схема взаимодействия ANSYSи CFX-решателей

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Таблица 1 Класс

x

y

Грубая

51

11

Средняя

101

21

Точная

201

41

Рис. 3. Конфигурация расчетной модели ты. Характер выполняемых операций (импорт или экспорт данных) определяется текущим состоянием портов. Внешний цикл (MF Time Step) описывает протекание процесса решения во времени, а внутренние циклы (Stagger Iteration) контролируют сходимость ANSYS- и CFX-решений и управляют процессом обмена данных. Такая неявная процедура сопряжения двух решателей иногда затрудняет получение точного и устойчивого решения FSI-задачи. Решатели ANSYS Structural и CFX могут быть запущены как одновременно, так и друг за другом при выполнении внутреннего цикла. В FSI зависимыми переменными являются перемещение и сила, действующая на элемент поверхности. Для ускорения моделирования задача может быть распараллелена.

Примеры задач Балка в сужающемся канале В данном тесте исследовалось течение в сужающемся канале с балкой. Для этой задачи известно аналитическое решение для полей скорости, давления и перемещений балки [3]. Расчетная область была образована двумя каналами с регулируемой высотой. Каналы были разделены гибкой стенкой — балкой. Скорость потока на входе в первый и второй каналы была различной, что привело к возникновению разницы давлений снизу и сверху от балки, которая вызвала перемещение балки в направлении более низкого давления.

Рис. 4. Перемещение балки: сравнение результатов моделирования с аналитическим решением [3]

www.ansyssolutions.ru

На рис. 3 показана конфигурация исследуемого канала. Основные геометрические размеры канала: h1 = 0,02 м; h2 = 0,04 м; длина L = 0,75 м. Упругие свойства материала балки: модуль Юнга E = 2Ѕ1011 Н/м2 и коэффициент Пуассона μ = 0,3. Рабочая жидкость — вода с температурой 25 °C плотностью ρ = 997 кг/м3 и вязкостью η = 889,9Ѕ10-6 кг/м/с. На входе в канал был задан профиль скорости, соответствующий полностью развитому ламинарному течению: , где uave = 0,008 м/с — средняя скорость потока на входе в канал. В табл. 1 представлены параметры расчетных сеток. На рис. 4 показано перемещение балки при вышеописанных условиях. Результаты численного моделирования сравнивались с аналитическим решением. Отметим хорошую корреляцию результатов на средней и точной сетках. Вихревое возбуждение цилиндра Прежде чем перейти к анализу реальных конструкций морских сооружений, изучим природу возникновения и характер гидродинамических вибраций на таком простом примере, как обтекание плоского цилиндра. Мы приведем результаты сравнения численных расчетов с известными экспериментальными данными Anagnostopoulos и Bearman [4], Khalak и Williamson [5], а также обсудим устойчивость предложенного Menter и Kuntz [6] алгоритма деформируемых подвижных сеток. Некоторое несовпадение с данными экспериментов может быть объяснено различиями в Rе, жесткости пружины, коэффициенте затухания и массе. Заметим, что выполненный расчет не является полностью связанным, так как в нем отсут­ ствовали деформации цилиндра. Колебания цилиндра могут быть представлены в виде нестационарного движения твердого тела с одной степенью свободы (рис. 5). Уравнение движения цилиндра под действием гидродинамических сил и при наличии демпферной связи имеет следующий вид: .

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

33

Технологии

34

Данное уравнение можно решить непо­ средственно в ANSYS CFX, используя возможности внутреннего языка CEL (CFX Expression Language). Дальнейшие исследования FSI-технологии ANSYS на основе представленной динамической системы (см. рис. 5) связаны с использованием элементов упругого демпфера. Тестовые расчеты были выполнены при постоянном числе Re = 1×104 на двух различных 2D-сетках, содержащих приблизительно 13,5 и 65 тыс. элементов соответственно. На начальной стадии численных расчетов мы использовали ламинарную модель течения, так как при Re ~ 1×104 пограничный слой на цилиндре является ламинарным, хотя течение в следе турбулентно и неустойчиво. В дальнейших расчетах, чтобы снять это противоречие, мы применяли переходную модель турбулентности. На рис. 6 сравниваются экспериментально полученные зависимости относительной амплитуды колебаний цилиндра (y/D) от безразмерной скорости потока (U/fnD) с результатами численного моделирования на двух различных сетках — точной и грубой. Здесь U — скорость потока, D — диаметр цилиндра, fn — свободная частота колебаний системы «цилиндр — упругий демпфер». При моделировании на грубой сетке прогнозы для численных характеристик системы хорошо согласуются с экспериментальными данными при низких значениях безразмерной скорости и имеют большую погрешность в области высоких значений, где CFD завышает значение максимальной амплитуды колебаний. Для варианта с точной сеткой продемон­ стрировано вполне удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными во всем диапазоне, однако наблюдается небольшое завышение амплитуд колебаний. Это еще раз подчеркивает важность сеточного разрешения при решении подобного рода связанных задач. Заметим, что в рамках данной работы мы не проводили исследования оптимальной размерности расчетной сетки. Вибрация цилиндра определяется структурой течения потока в ближнем следе цилиндра (рис. 7). При малых скоростях амплитуда колебаний невелика и за цилиндром образуются два одиночных вихря, вращающихся в разные стороны (2S‑форма). С ростом скорости амплитуда колебаний достигает своего максимального значения, наблюдаются качественные изменения в структуре следа, связанные с образованием дорожки, вихри которой располагаются в шахматном порядке (2Р-форма).

www.ansyssolutions.ru

Рис. 5. Динамическая система Водоотделяющая колонна В заключительной части статьи представлены результаты тестирования FSI-технологии ANSYS на основе имеющихся экспериментальных данных [7] для конструкции, имитирующей условия работы реальной водоотделяющей колонны (рис. 8). Рабочий интервал Re = 2500÷25 000. Длина колонны — 13,12 м, диаметр — 0,028 м. Нижняя часть колонны длиной 6,5 м испытывает нагрузку от течения, верхняя часть колонны находится в защитной камере, заполненной стоячей водой. Изгибная жесткость колонны равна 29,9 Н·м2, осевая жест­кость — 5,88Ѕ106 Н, вес конструкции в по­ гру­женном состоянии — 12,1 Н/м. В [7] приведено большое количество примеров расчета подобной геометрии, однако практически везде использовалась теория плоских потенциальных течений со всеми ее ограничениями. По мнению авторов, настоящая

Рис. 6. Сопоставительный анализ результатов численного моделирования (∆ — грубая сетка,  — точная сетка) с экспериментальными данными (+)

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

35

Рис. 7. Завихренность при разной безразмерной скорости потока работа является первой, в которой выполнено полноценное моделирование FSI в трехмерной постановке. Исследование воздействия потока жидкости на колонну было проведено для следующих условий: скорость буксировки — 0,16 м/с, сила натяжения колонны — 405 Н. Информация о расчетной сетке представлена в табл. 2. На стенках были определены следующие граничные условия: на бакe — граничное условие с проскальзыванием, на колонне — стенка без трения. Шаг по времени ∆t = 0,02 с, при этом полный период колебаний включал 30‑60 шагов.

Рис. 8. Схема экспериментальной установки

www.ansyssolutions.ru

Таблица 2 Число узлов

Общее число узлов

№

в поперечном сечении

по длине колонны

1

5700

25

138 290

2

5700

50

276 260

Модель в ANSYS состояла из элементов типа SOLID185 и содержала 145 узлов в поперечном сечении и 100 узлов вдоль оси. Следует отметить, что колонна в ANSYS моделировалась как сплошной цилиндр, в то время как в эксперименте это была полая труба с

Рис. 9. Граничные условия в виде ограничений на степени свободы

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Технологии

36

a

Рис. 10. Картина обтекания колонны. Сечения закрашены полным давлением определенной начинкой. Из-за этого упрощения было невозможно получить соответствующие параметры жесткости колонны. Поэтому был задан модуль Юнга E = 9,55Ѕ109 Па. По крайней мере, это позволило привести в соответствие осевую жесткость конструкции. На рис. 10 показана картина обтекания колонны. Хорошо видны отличия в структуре следа на разной высоте колонны. На рис. 11 показаны осредненные перемещения колонны вдоль потока и огибающие колебаний колонны для разных сеток. Большое несоответствие в поведении расчетных кривых и экспериментальной [7] можно объяснить несоответствием осевой жесткости колонны и модуля упругости. Опыт показывает, что количество сеточных узлов в поперечном сечении тоже влияет на точность определения величины сопротивления колонны при боковых перемещениях. На рис. 11 можно выделить слабо выраженную четвертую моду, первая и вторая моды не рассматривались.

www.ansyssolutions.ru

б Рис. 11. Относительные перемещения: a — осредненные перемещения, б — огибающие колебаний

Рис. 12. Огибающая поперечных колебаний Подобные наблюдения были сделаны также Willden и Graham [8].

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

колебаний колонны по высоте (колонны) при ее перемещениях поперек и вдоль потока.

Рис. 13. Кривые распределения среднеквадратичного отклонения амплитуд колебаний: а — смещение колонны вдоль потока, б — поперек потока В расчетах была исследована зависимость результатов от размерности сетки. Более точная сетка показала лучшее совпадение с данными эксперимента и более заметную разницу в осевом направлении. На рис. 12 представлена огибающая поперечных колебаний. Получено хорошее соответ­ст­вие экспериментальным данным. Это несколько неожиданно, учитывая неудовлетворительные результаты для вибраций колонны вдоль потока. На рис. 13 показано распределение среднеквадратичного отклонения (RSM) амплитуд

www.ansyssolutions.ru

Список использованных источников 1.

Spalart, P.R., Jou, W-H., Strelets, M., Allmaras, S.R. Comments on the Feasibility of LES for Wings and on a Hybrid RANS/LES Approach. Advances in DNS/LES; Proc.

1st AFOSR International Conference on DNS/LES/ Louisiana Tech University; Eds C. Liu, Z. Liu, L. Sakell. 1997.

2.

Menter, F.R., Langtry, R.B., Likki, S.R., Suzen, Y.B., Huang, P.G., Völker, S. A Correlation based Transition Model using Local Variables. Part 1. Model Formulation ASME-GT200453452. ASME TURBO EXPO 2004. Vienna, 2004.

3.

Wang, X. Analytical and Computational Approaches for some Fluid-Structure Interaction Analyses // Computers & Structures. 1999. № 72. Р. 423-433.

4.

Anagnostopoulos, P., Bearman, P.W. Response characteristics of a vortex-excited cylinder at low Reynolds Numbers // Journal of Fluids and Structures. 1992. № 6. Р. 39-50.

5.

Khalak, A., Williamson, C.H.K. Dynamics of a Hydroelastic Cylinder with Very Low Mass and Damping // Journal of Fluids and Structures. 1996. № 10. Р. 455-472.

6.

Kuntz, M., Menter, F. Aerodynamic Simulations on Moving Grids. IFASD 2005, International Symposium on Aeroelasticity and Structural Dynamics. München, 2005.

7.

Chaplin, J.R., Bearman, P.W., Huera Huarte, F.J., Pattenden, R.J. Laboratory Measurements of Vortex-Induced Vibrations of a Vertical Tension Riser in a Stepped Current.

Proc. FIV2004. Paris, 2004.

8.

Willden, R.H.J., Graham, J.M.R. CFD simulations of the vortex-induced vibrations of model riser pipes. OMAE200567197, OMAE 2005. Halkidiki, 2005.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

37

Мастер-класс

Вы спрашивали — мы отвечаем

38

Дистанционный запуск решателя в среде ANSYS Workbench Sheldon Imaoka, инженер технической поддержки ANSYS, Inc.

Современные возможности ANSYS позволяют пользователю одновременно решать несколько задач — как локально на рабочей станции, так и на удаленном сервере. Расчетный модуль ANSYS Workbench (WB) поз­ воляет запускать на решение на локальном компьютере или на удаленном сервере сразу несколько задач. Для задания способа решения можно использовать либо настройки ветки Solution дерева проекта в модуле Simulation (WB), либо менеджер управления расчетом ANSYS Workbench Remote Solution Manager. По умолчанию все задачи в WB запускают­ ся на решение в синхронном режиме. Это озна­ чает, что при запуске модели на выполнение расчета из экранного меню будут ­ рассчитаны только выбранные переменные и для них же ав­ томатически будут выведены результаты. Опции настройки синхронного решения по­ казаны на рис. 1. Если в поле Run Process on указано Local Machine, значит выбран синхрон­ ный тип решения (synchronous solution). В этом же окне можно задать количество процессоров, применяемых при решении; по умолчанию — два процессора (при их наличии). Этот метод используется обычно в тех случаях, когда пользователь имеет только одну

Рис. 1. Просмотр настроек синхронного типа решения

www.ansyssolutions.ru

лицензию ANSYS, а также в случае, если, на­ пример, требуется решить одну задачу с не­ сколькими вариантами граничных условий или наоборот. Тогда пользователь должен выбрать «родительский» каталог и последовательно про­ извести расчет нескольких вариантов. Асинхронный тип решения (asynchronous solution) позволяет решать задачи на удален­ ных серверах. На данный момент пользователь может выбрать одну из трех конфигураций асин­ хрон­ного типа решения WB: • прямое решение на компьютере с операци­ онными системами UNIX или Linux; • решение на ANSYS Workbench cluster; • решение с применением программного обеспечения Platform LSF. Как показано на рис. 2, при решении на удаленном сервере с ОС UNIX или Linux в поле Run Process on необходимо выбрать WB cluster. В поле RSM Web Server следует указать local­ host, а в поле Assignment поменять значение на Server.

Рис. 2. Характерные настройки опций удаленного решения на компьютерах с ОС UNIX или Linux

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

При применении этого метода на удален­ ном сервере должно быть задано имя сервера (hostname) под управлением ОС UNIX/Linux, а также информация для входа в систему (login information). Метод WB cluster подразумевает исполь­ зование нескольких компьютеров, объединен­ ных в кластер, под управлением ОС Windows. (Подробнее см. руководство «ANSYS Workbench Products Remote Solution Manager Configuration Guide», раздел «Installation and Configuration Guides».) При этом используются службы IIS (In­ ternet Information Services) и .NET (Microsoft .NET Framework). Компьютер, настроенный на пре­ доставление Web service, должен работать под управлением ОС Windows Server 2003 или более поздней версии. Он получает запросы на реше­ ние задач на компьютерах, объеденных в вычис­ лительный кластер. Постановка задач в очередь и присвоение идентификаторов происходят на сервере Web service. Пользователь может ра­ ботать с файлами модуля Workbench Simulation на другом компьютере и проводить мониторинг и запрос постановки задач на решение (monitor/ submit jobs) на компьютере с Web service. Пользователь также может воспользоваться специальным программным продуктом Platform LSF фирмы Platform Computing (www.platform.com), позволяющим организовать управ­ление постанов­ кой в очередь задач на вычислительных серверах. Следует отметить, что асинхронный тип решения на удаленных вычислительных узлах обладает рядом неоспоримых достоинств: • решение проводится на удаленном вычис­ лительном сервере, поэтому компьютер пользователя в этот момент свободен и может использоваться для других целей; • текущая расчетная модель модуля Workbench Simulation может быть сохране­ на и закрыта, и пользователь может начать работать с новой расчетной моделью; • в зависимости от числа лицензий и кон­ фигурации Workbench cluster в работе одновременно могут находиться сразу не­ сколько задач, что значительно сокращает время на поиск нужного решения; • при наличии лицензий ANSYS Prep-Post пользователь может независимо от про­ цесса расчета заниматься пре- и постпро­ цессингом. Однако есть ряд моментов, которые следу­ ет учитывать в случае применения асинхронного типа решения: • для запуска решения на удаленном вы­ числительном сервере требуется дополни­ тельная лицензия ANSYS; • не поддерживаются некоторые виды анали­ зов, например термопрочностной. Нельзя

www.ansyssolutions.ru

использовать специальные опции по нахож­ дению сходимости (объект Convergence). (Подробнее см. следующий раздел справки ANSYS Workbench 10.0: Simulation Help → Using Simulation Features → Synchronous and Asynchronous Solutions); • важно помнить, что во время выполнения решения пользователь не может изменять входные параметры — это позволяет из­ бежать несоответствия между моделью и результатами; • для корректной работы этой вычислитель­ ной среды необходимо ее правильно скон­ фигурировать. Еще одна опция — это возможность ком­ бинировать оба рассмотренных типа решения. Менеджер управления удаленным решением (RSM) может быть использован локально, что позволит пользователю решать несколько задач для разных расчетных моделей WB. Пользователь может наблюдать за работой RSM. Для этого он должен вызвать диспетчер задач Windows и нажать правой кнопкой мыши на иконку ANSYS в верхнем правом углу пане­ ли Windows Tasks. Далее в выпадающем меню необходимо выбрать команду open job status. После этого на экране появится панель ANSYS solution status monitor со списком запущенных, завершенных и стоящих в очереди задач. Поль­ зователь может работать с двумя переменными: вычислительный сервер и указатель очеред­ ности. Здесь вычислительный сервер выступа­ ет в значении или локальной рабочей станции, или удаленного компьютера (компьютеров) под управ­лением ОС UNIX/Linux. Если у пользователя есть два физических процессора/два ядра и он хочет запустить одно­ временно на решение две задачи, то для этого он должен создать дополнительный виртуаль­ ный сервер с именем LocalHost2 (произвольное имя). Кроме того, требуется определить еще две переменные: MachineName и Enabled (рис. 3). Очереди можно представить как группу серверов, работающих над решением задач. Если пользователь собирается решать за­ дачу локально, то следует сохранить установку по умолчанию — local. Для одновременного решения двух задач на двухпроцессорной/двухъядерной машине не­ обходимо открыть очередность задач и с помо­ щью опции Assigned Servers активировать оба вычислительных сервера: localhost и LocalHost2. После этого можно локально использовать RSM. При этом следует указать Run Process on = WB cluster и RSM Web Server = localhost. Имя очере­ ди должно соответствовать приведенному выше (то есть local). Необходимо также задать значе­ ние переменной License to Use.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

39

Мастер-класс

40

Рис. 4. Панель Running Jobs Status

Рис. 3. Задание дополнительного виртуального сервера для одновременного решения двух задач на локальной двухпроцессорной/двухъядерной рабочей станции Как только задачи будут отправлены на решение, они будут поставлены в очередь в ло­ кальную RSM. Пользователь может сохранить модель и выйти из Workbench Simulation либо начать работу с новой моделью. Если в иконке RSM диспетчера задач Win­ dows выбрать режим оповещения (desktop alert), то на экране появится отдельная небольшая па­ нель со списком запущенных задач (рис. 4). Задачи будут решаться в директории с идентификатором имени ce_ (здесь «_» — по­

рядковый номер) в системной директории Win­ dows для хранения временных файлов (обычно TEMP). После окончания счета можно перейти к процессу просмотра результатов. В дополнение к перечисленным достоин­ ствам этого метода необходимо отметить воз­ можность одновременного запуска на расчет двух задач на двухпроцессорном компьютере под ОС Windows. Это не означает, что мы должны открыть две разные расчетные модели в модуле ANSYS Workbench Simulation. Следовательно, появляются дополнительные свободные ресурсы оперативной памяти при работе с большими моделями. В заключение — несколько замечаний: • пользователь не может выйти из своей учет­ ной записи или выключить компьютер до тех пор, пока не завершится процесс счета; • обязательно должны быть запущены сле­ дующие RSM-приложения: WBProcStat.exe и JMService.exe.

Параметрическое изменение сетки КЭ в среде ANSYS Workbench Александр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р»

Мы продолжаем знакомить наших читателей с улучшениями и обновлениями в программных продуктах ANSYS версии 11.0. И в данной статье рассмотрим новые возможности модуля FE Modeler среды ANSYS Workbench 11.0 по параметрическому изменению сетки КЭ. В качестве аппаратной платформы и операционной системы была выбрана конфигурация, представленная на рис. 1. Отметим, что на странице проекта (Project) сре­ ды ANSYS Workbench реализовано подключе­ ние баз данных КЭ-моделей не только «родных» программных продуктов ANSYS, но и сторонних, таких как ABAQUS и NASTRAN (рис. 2). Далее в примере мы будем работать с КЭмоделью, построенной в ANSYS, но то же самое

www.ansyssolutions.ru

можно проделать и с КЭ-моделями ABAQUS и NASTRAN.

Рис. 1. Информация об ОС и аппаратной платформе

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

41

Рис. 5. Указание поверхностей, принадлежащих группе выбора NS_map1 Рис. 2. Импорт КЭ-моделей

Рис. 6. Передача КЭ-модели в модуль FE Modeler

Рис. 3. Геометрическая модель, созданная в модуле DesignModeler

Рис. 7. Выбраны поверхности элементов компонента NS_map1

Рис. 4. Конечно-элементная модель В качестве геометрической модели мы будем использовать параметрическую твердо­ тельную модель DesignModeler (рис. 3). На рис. 4 показана сетка КЭ, созданная в расчетном модуле DesignSimulation на основе модели DesignModeler.

www.ansyssolutions.ru

Обратите внимание на две именован­ ные группы выбора (раздел дерева Named ­Selections) NS_map1 (рис. 5) и NS_map2, которые были созданы для получения сетки «О»‑типа в районе отверстий. Эти группы вы­ бора в дальнейшем будут переданы в PREP7 традиционного интерфейса ANSYS как ком­ поненты с узлами сетки КЭ, принадлежащи­ ми выбранным поверхностям в Component Manager. Далее КЭ-модель загружается в модуль FE Modeler (рис. 6). В FE Modeler можно получить детальную информацию о КЭ-модели: типы элементов, их количество, используемые материалы, контакт­

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Мастер-класс

42

a

Рис. 10. Сгенерированные поверхности, обтягивающие КЭ-модель, — Skin Detection Tool Component

Б Рис. 8. Создание компонента в FE Modeler: выбраны поверхности элементов, принадлежащие компоненту NS_otv1

Рис. 11. Выбрано тело, созданное геометрическим синтезом КЭ-модели

Рис. 9. Раздел дерева Geometry Synthesis, в котором описываются операции геометрического синтеза ные элементы, тела, компоненты, граничные усло­вия и пр. Мы не будем подробно останавливаться на всех функци ональных возможностях FE Modeler и рассмотрим только следующие воп­ росы: параметрическое изменение сетки КЭ и передача измененной сетки в препроцессор PREP7. Как уже было замечено, именованные группы выбора для поверхностей распознаны в

www.ansyssolutions.ru

Рис. 12. Задание направления и величины смещения поверхности отверстия с помощью вектора модуле FE Modeler как компоненты Components (в терминах PREP7) (рис. 7). В FE Modeler можно создать дополнительные компоненты, предва­

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

43

Рис. 13. Окно Parameter Manager рительно выбрав узлы, поверхности элементов или элементы (рис. 8). Теперь рассмотрим самую интересную осо­ бенность модуля FE Modeler, связанную с воз­ можностью параметрического изменения сетки КЭ. Традиционно КЭ-модель создается на базе геометрической модели, но в FE Modeler реа­ лизован обратный подход. Этот модуль на базе существующей КЭ-модели создает геометри­ ческую модель, как бы «обтягивая» КЭ-модель поверхностями (рис. 9). Эта технология была разработана фран­ цузской компанией CADOE и реализована в программном продукте ParaMesh. Несколько лет назад ANSYS приобрел CADOE и теперь ис­ пользует ее идеи в своих модулях на платформе ANSYS Workbench (рис. 10). Следующий шаг — создание начальной геометрии Initial Geometry (рис. 11). После этого необходимо создать объект Target Configuration, над которым будут выпол­ няться операции параметрического изменения. В нашем примере мы переместим одно из от­ верстий на новое место. Операцию переноса поверхности отверстия можно выполнить двумя способами: либо задав приращение по ортам, либо указав направление перемещения (и его величину) с помощью век­ тора (рис. 12), определенного посредством двух узлов КЭ-модели. После выполнения этой операции в менед­ жере управления параметрами Parameter Manager среды ANSYS Workbench появится новый параметр ParaMesh.Parametr.1, описывающий операцию перемещения (рис. 13). Для подтверждения изменения геометрии необходимо в Parameter Manager указать такое же значение параметра, что и в дереве проекта, а затем нажать кнопку синхронизации.

www.ansyssolutions.ru

Рис. 14. Обновленная геометрия

Рис. 15. Открытие в странице проекта измененной КЭ-модели

Рис. 16. Традиционный интерфейс PREP7 После этого происходит обновление объ­ екта Parameterized Mesh и на экране появляется изображение измененной геометрии, показан­ ное на рис. 14. Далее необходимо обновить КЭ-модель, для чего следует нажать кнопку Update FE Modeler Mesh (рис. 15). Теперь мы можем открыть перестроенную КЭ-модель в традиционном интерфейсе PREP7 ANSYS (рис. 16).

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Мастер-класс

Подготовка геометрической модели в PREP7 и DesignModeler для создания сетки гексаэдров

44

Александр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р» Вопрос о разбивке геометрических моделей на конечные элементы (КЭ) преимущественно гексаэдрической формы возникает в ряде расчетных случаев: нелинейные задачи, контактные задачи, а также большие по размерности расчетные модели. Сразу же оговоримся, что сходимость таких задач не всегда зависит от формы элемента: комплекс ANSYS решает задачи по расчету НДС конструкций элементами 2-го порядка в форме тетраэдра с достаточной точностью. В случае больших расчетных моделей легко убедиться, что использование гексаэдров в разы уменьшает число расчетных элементов в сравнении с тетраэдрами, а это означает сущест­ венное ускорение и упрощение расчета. Для разбивки модели на сетку КЭ можно использовать: • универсальный сеточный генератор ANSYS ICEM CFD; • средства препроцессора PREP7 в традиционном графическом интерфейсе ANSYS (Tcl/Tk);

Рис. 1. 3D-модель тройника

www.ansyssolutions.ru

•

генератор сетки расчетного модуля DesignSimulation среды ANSYS Workbench. В этой статье мы рассмотрим варианты применения CAD для подготовки геометрической модели перед разбивкой на КЭ гексаэдрической формы в PREP7 и использование средств модуля DesignModeler среды ANSYS Workbench. В качестве исходной геометрической модели мы выбрали несимметричный тройник круглого сечения, построенный в CAD-пакете Autodesk Inventor (рис. 1). Модель не является

Рис. 2. Операция экспорта геометрической модели в модуль Simulation

Рис. 3. Внешний вид сетки тетраэдров

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Рис. 4. Результаты выполнения операции Split Part стандартизованной и не может служить для профессионального использования в качестве элемента трубопроводной арматуры. Проанализируем возможные действия для генерации сетки. Самым простым, но и самым неправильным будет напрямую передать модель из Autodesk Inventor в расчетный модуль DesignSimulation (рис. 2), а затем разбить ее на сетку КЭ в автоматическом режиме, используя лишь средства загущения сетки в наиболее нагруженных зонах (рис. 3). Мы не беремся обсуждать правильность такого подхода, поэтому предложим несколько иные способы получения эффективной разбивки этой модели на сетку КЭ. Первое, что бросается в глаза, — наличие у модели двух плоскостей симметрии. Следовательно, в Autodesk Inventor можно получить сектор модели, воспользовавшись операцией Split с опцией (Method) Split Part (рис. 4). Далее необходимо выбрать сеточный генератор, в котором мы будем создавать сетку КЭ. Для начала рассмотрим генератор препроцессора PREP7. Здесь возможны два варианта: мы

Рис. 5. Набор полученных объемов

www.ansyssolutions.ru

можем преобразовать исходную модель в набор регулярных объемов непосредственно в CADсистеме или применить для этих целей средства препроцессора PREP7. Перед созданием отдельных твердотельных объемов (образующих сборку в CAD-системе) следует выполнить топологический анализ исходной геометрической модели на предмет ее «расчленения» на более простые тела (объемы), к которым применима операция Sweep. При моделировании необходимо избегать граней объемов, в которых касательная стремится к нулю. На рис. 5 показана сборка объемов (отдельные объемы раскрашены в разные цвета), созданная в Autodesk Inventor. После импорта модели в ANSYS (перед этим модель была сохранена в формате ACIS) необходимо «склеить» объемы, то есть выполнить операцию Glue, в результате чего совпада-

Рис. 6. Операция «склеивания» геометрических объектов Glue

Рис. 7. Визуализация объемов в PREP7

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

45

Мастер-класс

46

ющие элементы геометрии будут объединены (рис. 6 и 7). Далее для созданных объемов необходимо выбрать тип конечного элемента, исходя из вида предполагаемого анализа и пространственной топологии. В данном случае были выбраны два типа объемных КЭ: 20-узловой гексаэдр и 10-узловой тетраэдр. На рис. 8-9 показаны настройки диалоговых панелей MeshTool и Sweep Options, необ-

ходимых для создания узлов и конечных элементов на основе объемов. Признак Tet mesh is nonsweepable… позволяет создавать тетраэдры в объемах, к которым неприменима операция вытягивания (Sweep) (см. рис. 9). В результате построенная гибридная сетка будет иметь вид как на рис. 10. Теперь рассмотрим вариант построения структурированной сетки в модуле DesignSimulation (DS) среды ANSYS Workbench. Для создания осесимметричной модели тройника используем опцию Symmetry модуля DesignModeler (DM) — рис. 11.

Рис. 8. Настройки панели MeshTool Рис. 11. Результаты выполнения операции Symmetry В результате этой операции будут сгенерированы все необходимые данные для корректного задания осесимметричных граничных условий в расчетном модуле DS (рис. 12).

Рис. 9. Настройки панели Sweep Options

Рис. 12. Область симметрии в DS

Рис. 10. Гибридная сетка КЭ, построенная на совокупности объемов

www.ansyssolutions.ru

Технология разбиения модели на sweepable-объемы в DM чем-то похожа на ту, что мы использовали в Autodesk Inventor для создания сборки и генерации сетки КЭ в PREP7. Однако следует напомнить, что модуль DS и PREP7 используют абсолютно разные генера-

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

торы сетки (см. статью «Особенности создания сетки КЭ на платформе Workbench» в журнале «ANSYS Solutions. Русская редакция» № 1 (1), осень 2005), поэтому возможны некоторые различия в последовательности выполняемых операций. Например, для генератора сетки DS не так критичны острые углы на ребрах поверхностей, ограничивающих объемы, а кроме того, он менее требователен к местам сопряжения поверхностей. На рис. 13 показана геометрическая модель, созданная в модуле DM для генератора сетки DS.

47

Рис. 15. КЭ-модель тройника в модуле DS

Рис. 13. Sweepable-объемы, построенные в DM

• •

•

•

Отличительные особенности этой модели: операция Symmetry была применена для двух плоскостей; для разделения модели использовалась как операция Slice (с опциями Slice Off Faces и Slice by Plane), так и операция моделирования со значением опции Operation — Slice Material. мы стремились создать такие простые объемы, чтобы они имели точно совпадающие друг с другом поверхности сопряжения; для отверстий были подготовлены от­дель­ ные объемы для применения опции Mapped Face Meshing (регулярная сетка вокруг отверстий) (рис. 14).

Перед генерацией сетки были использованы средства коррекции КЭ-модели: задание размера элемента для выбранных объемов и задание структурированной разбивки (с указанием числа делений). В результате была получена КЭ-модель, которая на 80% состоит из 20-узловых гексаэдров. Эта сетка вполне пригодна для расчетов, хотя и имеет некоторые недостатки (рис. 15). На рис. 16 показан улучшенный вариант КЭ-модели тройника, построенный инженером, профессионально владеющим средствами PREP7 традиционного графического интерфейса ANSYS. Как видно из рисунка, модель целиком состоит из элементов гексаэдрической формы.

Рис. 16. Вид регулярной сетки, построенной в PREP7

Рис. 14. Опция Mapped Face Meshing

www.ansyssolutions.ru

Эта сетка получилась более качественной, чем сетка на рис. 10, так как при ее создании использовались дополнительные операции геометрического моделирования PREP7.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Мастер-класс

Построение гексаэдрической сетки в ANSYS ICEM CFD Часть 2

48

Михаил Плыкин, ЗАО «ЕМТ Р»

Мы продолжаем начатую в первом номере журнала за 2006 год серию статей, посвященную проблеме создания сетки гексаэдров в ANSYS ICEM CFD. Для начала вспомним основные этапы построения гексаэдрической сетки: 1. Импорт геометрии в ANSYS ICEM CFD. 2. Распределение по компонентам поверхностей, связанных с граничными условиями.

3. Создание базовой блочной структуры командой экранного меню Blocking → Create Block.

4. Разделение блочной структуры Split Block и назначение ассоциативных связей между блоками и геометрическими объектами — Associate.

5. Выполнение операции Pre-Mesh для получения предварительной сетки.

6. Перенос сетки в основной интерфейс и конвертация в формат решателя. Основная сложность при построении гексаэдрической сетки заключается в получении адекватной геометрии блочной структуры. Критериями качества служат стандартные параметры скошенности граней и отношения сторон. В зависимости от типа анализа, в котором будет

использоваться построенная сетка, конкретные значения этих параметров могут меняться, но общий принцип остается. Рассмотрим подробнее основные операции над блоками. В закладке Blocking дерева модели находится меню Create Block. С помощью команды этого меню Initialize Block осуществляется начальное построение блочной структуры. Необходимо выбрать тип создаваемого блока — он может быть трехмерным (3D), двумерным и поверхностным. Также можно указать геометрические объекты, вокруг которых будет построен блок. Функция From Vertices/Faces позволяет создать блок, указав его вершины или две противоположные грани.

Указание вершин

Указание граней

3D-блоки делятся, в свою очередь, на три типа: стандартный Hexa, вытянутый Swept и вырожденный Degenerate. Ниже представлены примеры построения подобных блоков. Нестандартные типы блоков применяются в таких местах геометрии, где невозможно создать блок с восемью вершинами.

Degenerate-блок

www.ansyssolutions.ru

Swept-блок

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

Операция Extrude Faces является аналогом CAD-команды «Выдавливание». Оставшиеся две команды меню Initialize Block позволяют преобразовывать блочную структуру из трехмерной в двумерную и наоборот. В меню Split Block находятся операции по разделению блоков. Команда Split Block делит блок(и) по направлению.

Команда O-grid Block создает на базе блока специальную структуру. В зависимости от примененных опций получаются различные сочетания блоков.

методом является связь ребра блока с линией. По умолчанию все внешние ребра блока и грани проецируются на ближайшую поверхность. Цвет ребра блока определяет тип ассоциации. Зеленый цвет указывает, что ребро привязано к геометрии, белый (или черный) означает связь с поверхностью, а голубой показывает свободные (внутренние) ребра.

В ходе выполнения операций ассоциирования можно выбирать сразу несколько объектов — как геометрических, так и формирующих блочную структуру. После указания необходимых ассоциаций их можно проверить. Для этого в дереве модели в закладке Blocking—Edges необходимо выбрать пункт Show Associations. Стрелками будут показаны направления между гранями блоков и геометрией. В ходе данных операций почти всегда возникает необходимость переместить вершины блока. Все необходимые инструменты для этого содержатся в меню Move Vertex: передвижение узлов по отдельности или группами, фиксация координат при передвижении или указание направления перемещения. Рассмотрим несколько характерных примеров построения гексаэдрической сетки.

Исходная модель Создадим базовый блок Blocking → Create Block.

О-сетка

С-сетка

L-сетка

Операции ассоциативного связывания геометрии и блочной структуры объединены в меню Associations. Между различными элементами геометрии и блочной структуры можно назначить связь. Самым распространенным

www.ansyssolutions.ru

Базовый блок

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

49

Мастер-класс Переходим в меню Split Block → O-grid Block и выбираем блок Select Block. Дополнительно необходимо указать грани блока, на которые мы хотим вывести O-сетку, — опция Select Face.

50

ется, а помещается в специальный неактивный Part с именем VORFN, что делается для связи блочных параметров в модели. В случае необходимости можно безвозвратно удалить блок — для этого нужно указать опцию Delete permanent. В нашем примере мы должны удалить центральный блок и получить следующую структуру:

Результат операции Для более четкого понимания того, зачем мы выделяем грани блока, рассмотрим несколько типичных ситуаций.

Выбраны блок и одна из сторон — получилась С‑сетка

Теперь укажем еще одну сторону — получится L‑сетка Этот же принцип выделения сторон можно применять и к трехмерным блокам. Иногда в ходе создания блочной структуры требуется удалить блок. Данная операция осуществляется с помощью команды Blocking → Delete Block. По умолчанию в ходе этой операции блок физически не удаля-

www.ansyssolutions.ru

Затем выполним операцию Associations → Edge to Curve и спроецируем ребра блоков на соответствующие кривые геометрии. Для более точной привязки блочной структуры к геометрии разделим дополнительно блоки Split Block в трех местах. В исходной геометрии в этих местах присутствуют кривые, на которые мы можем спроецировать ребра блоков.

После ассоциации ребер, возможно, потребуется передвинуть узлы вдоль кривых. Используйте для этой цели команды меню Move Vertex. Для получения предварительной сетки Pre-Mesh нужно задать размеры элементов в блочной структуре. Для этого можно воспользоваться как методом переноса размеров от поверхностей к блокам, так и непосредственным заданием размеров на ребрах блока. Первый способ является сильно упрощенным, поэтому мы будем использовать второй способ — более функциональный и точный. В меню Blocking → Pre-Mesh Params зада­ ются параметры сетки на ребрах блоков. Самым распространенным является метод задания количества узлов на ребре и закона распределения. В пункте Nodes задается количество узлов на ребре блока. Также есть возможность задания неравномерной сетки по направлению. Для

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

этого нужно указать параметры в начале и в конце ребра и коэффициенты роста размеров. Рядом с окном, где задается значение, показано текущее значение параметра. Параметры с индексом 1 относятся к началу ребра, с индексом 2 — к концу ребра. Начало и конец ребра определяются направлением стрелки на ребре. Параметр Spacing — это размер элемента, Ratio — коэффициент роста размера. Также можно воспользоваться функциями распределения размеров меню Mesh Law.

После задания размеров элемента можно сгенерировать предварительную сетку. Перейдем в дереве модели в закладку Blocking. Правой кнопкой вызывается контекстное меню, где определяется видимость сетки Solid/Wire или Wireframe и указывается тип проецирования (по умолчанию Project face). Для просмотра сетки нужно включить видимость пункта Pre-Mesh в дереве. После изменения параметров сетки, статуса проецирования объектов и любого другого изменения необходимо заново сгенерировать предварительную сетку. В результате всех перечисленных операций на торцах трубы мы получим такую структура, как показана на рис. а. Сетка исказилась в местах, где соединяются два соседних ребра, спроецированных на одну кривую.

a www.ansyssolutions.ru

Б

Для устранения этого явления необходимо построить О-сетку внутри трубы. В меню Split Block → O-Grid Block выбираем все блоки и указываем две торцевые стороны (на входе и выходе трубы). После операции Pre-Mesh сетка на торцах трубы будет выглядеть подобным образом (рис. б). В ходе построения блочной структуры любой блок или несколько блоков могут быть скопированы и перенесены на другую геометрию. При изменении исходной геометрии также можно импортировать файл с расширением *.blk из исходного проекта и, скорректировав ассоциации элементов, создать новую гексаэдрическую сетку. Для создания рабочей сетки из предварительной, необходимо выбрать тип преобразования сетки. Доступны два режима: неструктурированная сетка (опция Convert to Unstruct Mesh) или блочно-структурированная сетка (опция Convert to MultiBlock Mesh). Полученную сетку можно экспортировать в любой решатель, доступный в меню Output-select solver. В заключение хотелось бы дать несколько рекомендаций.

1. В процессе создания сложной блочной структуры сохраняйте не только весь проект, но и отдельно файлы *.blk. Это позволит при обнаружении ошибки на предыдущих этапах построения блочной структуры легко вернуться на несколько шагов назад.

2. Несмотря на то что строить блочную структуру можно методом как сверху вниз, так и снизу вверх, более устойчивым является первый метод.

3. При создании сетки в сборке блоки, находящиеся в разных деталях, необходимо помещать в отдельные компоненты Parts. В этом случае поверхностные элементы в местах контакта создадутся автоматически.

4. После преобразования сетки в стандартный формат обязательно проведите анализ качества сетки. Это позволит определить не только элементы низкого качества, но и элементы с отрицательным объемом, которые получаются обычно при некоррект­ ных ассоциациях на сложной геометрии и требуют обязательного изменения.

5. Если геометрия содержит закругления, отверстия, галтели или просто плавные переходы, попробуйте применить в этом месте один из типов О-сетки. Подобный тип сетки также применяется для разрешения пограничного слоя в задачах вычислительной гидродинамики.

6. Для получения дополнительной информации посетите сайт ansys.msk.ru.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007

51

Вне рубрики ДОКУМЕНТАЦИЯ ПО ANSYS НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ ОБЗОР ANSYS, 71 с.

52

Глава 1. Глава 2. Глава 3. Глава 4.

Новости комплекса ANSYS 9 Геометрический процессор Распределенные вычисления Средства импорта

USER GUIDE OPERATIONS, 103 с. Глава 1. Глава 2. Глава 3. Глава 4.

Глава 5. Глава 6. Глава 7.

Введение в руководство Среда ANSYS Вызов сеанса работы Использование графического интерфейса Графическое указание Настройка комплекса ANSYS Использование протокола команд

USER Elements Reference, 99 с. Глава 1. Содержание Глава 2. Общие свойства элементов

USER GUIDE BASIC (часть 1), 407 с. Глава 1.

Глава 2. Глава 3. Глава 4. Глава 5. Глава 6.

Предварительная информация об использовании комплекса ANSYS Приложение нагрузок Проведение расчета Обзор постпроцессоров Основной постпроцессор (POST 1) Постпроцессор просмотра результатов по времени (POST 26)

USER GUIDE BASIC (часть 2), 299 с.

Глава 6. Постпроцессор просмотра

результатов по времени (POST 26) Глава 7. Расчет задач устойчивости Глава 8. Вызов средств графики Глава 9. Общие настройки графики Глава 10. Режим Power Graphics Глава 11. Создание изображений

геометрических объектов Глава 12. Создание изображений

геометрических результатов Глава 13. Построение графиков Глава 14. Аннотации Глава 15. Анимация Глава 16. Внешняя графика Глава 17. Создание отчета Глава 18. Управление файлами Глава 19. Управление памятью и конфигурация

USER GUIDE ADVANSED, 405 с. Глава 1. Глава 2. Глава 3.

Глава 4. Глава 5.

Оптимизация проекта Топологическая оптимизация Создание проекта на основе случайных чисел Вариационная технология Построение адаптивных сеток

www.ansyssolutions.ru

Глава 6. Расчет циклически

симметричных задач Глава 7. Расчет НДС в локальных зонах Глава 8. Использование суперэлементов Глава 9. Синтез форм компонентов Глава 10. Динамика жесткого тела

и интерфейс ANSYS-ADAMS Глава 11. Рождение и смерть элементов Глава 12. Объекты. Программирование

пользователем, нестандартное

использование комплекса Глава 13. Параллельные вычисления

USER GUIDE MODELING, 521 с.

Глава 1. Обзор методов создания моделей Глава 2. Постановка задачи Глава 3. Системы координат Глава 4. Создание геометрических моделей Глава 5. Импорт геометрических моделей (IGES) Глава 6. Создание сети КЭ на основе

геометрической модели Глава 7. Исправление модели Глава 8. Прямая генерация узлов и элементов Глава 9. Модели трубопроводов Глава 10. Управление нумерацией элементов Глава 11. Связь узлов и уравнения ограничений Глава 12. Объединение и архивирование

USER GUIDE STRUCTURAL (часть 1), 421 с.

Глава 1. Обзор методов расчета МДТТ Глава 2. Расчет статических задач МДТТ Глава 3. Расчет собственных колебаний Глава 4. Расчет вынужденных колебаний Глава 5. Расчет переходных динамических

процессов Глава 6. Спектральные расчеты Глава 7. Расчет задач устойчивости Глава 8. Расчет нелинейных задач МДТТ Глава 9. Аппроксимация кривой

деформирования Глава 10. Моделирование уплотнений

USER GUIDE STRUCTURAL (часть 2), 495 с.

Глава 11. Контактные задачи Глава 12. Механика разрушения Глава 13. Композиты Глава 14. Усталость Глава 15. Расчет статического НДС Глава 16. Расчет балок Глава 17. Расчет оболочек

ANSYS Parametric Design Language APDL, 193 с.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007