ANSYS Advantage. Русская редакция №8 – Аэрокосмическая отрасль

Èñïîëüçîâàíèå modeFrontier äëÿ îïòèìèçàöèè êîíñòðóêöèè àâèàöèîííîé êàìåðû ñãîðàíèÿ

АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ОТРАСЛЬ

Ïðîåêòèðîâàíèå êîñìè÷åñêîé ïëàòôîðìû èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ

Ìîäåëèðîâàíèå ÿâëåíèé àýðîóïðóãîñòè ýëåìåíòîâ ñàìîëåòà íà òðàíñçâóêîâîé ñêîðîñòè

Мы вдохновляем Вас!

ЛЕТО 2008

ADVANTAGE

Содержание «ANSYS Advantage. Русская редакция» Инженерно*технический журнал Выходит 4 раза в год Лето 2008 (8) Учредитель: ЗАО «ЕМТ Р»

Технологии modeFRONTIER Использование modeFrontier для оптимизации конструкции авиационной камеры сгорания ................................................................................................... 2

ANSYS Multiphysics

Генеральный директор: Локтев Валерий

Методика расчета напряженно-деформированного состояния композиционных материалов .............................................................................. 11

Главный редактор: Хитрых Денис ansys-editor@emt.ru

Особенности проектирования размеростабильной космической платформы из композиционных материалов .................................................... 15

ANSYS CFD Над номером работали: Бутяга Сергей Ларин Михаил Чернов Александр Юрченко Денис

Моделирование явлений аэроупругости элементов самолета на трансзвуковой скорости .................................................................................. 20 Создание и верификация CFD-модели лопатки ГТД в сопряженной постановке ............................................................................................................ 23

Переводчик: Юрченко Анна

Численное исследование методов повышения качества стали с помощью CFD .................................................................................................... 26

Интернет группа: Николаев Александр

Расчет гидродинамики искусственного сердечного насоса............................. 28 Моделирование кавитации гребного винта в ANSYS Fluent ............................ 32

Адрес редакции 111672 Россия, Москва, ул. Суздальская, 46, Тел.: (495) 644-0608 Факс: (495) 644-0609 Тираж 1500 экз. Цена свободная

Моделирование течения многофазного потока в трубопроводе с ловушкой для конденсата ................................................................................. 34

Мастер-класс Обзор возможностей ANSYS ICEM CFD по исправлению дефектов геометрии .............................................................................................................. 36 Проектирование лопаточных машин. Часть 2 ................................................... 39

Вне рубрики Эффективное управление данными инженерного анализа в процессе разработки новых изделий .............................................................. 44 Инновационная стратегия проектирования ANSYS применительно к научным исследованиям и обучению в ВУЗах................................................ 47

© 2008 ANSYS, Inc. © 2008 ЗАО «ЕМТ Р» Перепечатка опубликованных материалов только с письменного разрешения редакции, за исключением кратких цитат в материалах информационного характера. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании ANSYS, Inc. «От идей к решениям» и «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками компании ЗАО «ЕМТ Р». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Технологии

Использование modeFrontier для оптимизации конструкции авиационной камеры сгорания в рамках проекта NEWAC1

2

Ing. Lorenzo Bucchieri, EnginSoft, l.bucchieri@enginsoft.it, Ing. Alessandro Marini, EnginSoft, a.marini@enginsoft.it, Ing. Fabio Turrini, AvioGroup, Fabio.turrini@aviogroup.com, Ing. Antonio Peschiulli, AvioGroup

Пример использования средств вычислительной гидродинамики (CFD) и многокритериального генетического алгоритма (MOGA) при разработке инновационного фронтового устройства с предварительным частичным испарением и перемешиванием топлива и воздуха (Partially Evaporated Rapid Mixing, PERM) для авиационных двигателей со средней степенью повышения давления

Введение В настоящее время в области создания перспективных авиационных двигателей ведутся активные работы по совершенствованию технологий снижения выбросов вредных веществ. К таким веществам относят в первую очередь двуокись углерода CO2, которая способствует усилению парникового эффекта в атмосфере Земли, оксиды азота NO и NO2, оксид углерода CO и несгоревшие углеводороды. Сегодня в Европе в рамках программы NEWAC разрабатываются прорывные высоко-

Ðèñ. 1. Ýìèññèÿ NOx ðàçëè÷íûìè äâèãàòåëÿìè 1

© Перевод и дополнения: Сергей Бутяга и Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р», 2008 г.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

3

Ðèñ. 2. Ýêîëîãè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ðàçëè÷íûõ êîìïîíîâîê ïî ïîêàçàòåëþ «Ðàñõîä òîïëèâà/Êîíöåíòðàöèÿ CO2» эффективные технологии малоэмиссионного горения на основе новых вариантов компоновки авиадвигателей. NEWAC является инициативной программой европейской группы производителей авиационных двигателей — EIMG (Engine Industry Management Group), которая объединяет ведущих европейских производителей авиационной техники, таких как Airbus, вместе с малыми и средними предприятиями и ведущими исследовательскими организациями. Вследствие того, что уровень эмиссии окислов азота определяется качеством подготовленной топливовоздушной смеси, ключевым элементом малоэмиссионных камер сгорания становится фронтовое устройство (горелка), выполняющая функции подготовки смеси. При использовании жидкого топлива в авиационных двигателях задача подготовки смеси усложняется из-за необходимости организации испарения впрыскиваемого топлива на коротком участке.

значительными трудностями при удовлетворении спроса на экономичные, безопасные и экологически безвредные воздушные перевозки. В Европе и США были инвестированы значительные средства на исследования по снижению негативного влияния воздушного транспорта на окружающую среду. На сегодняшний день существует ряд инновационных вариантов компоновок авиационных двигателей, способствующих улучшению экологических характеристик двигателя в целом, например схемы с вынесенным вентилятором (турбовентиляторный двигатель — Open-Rotor Engine или Propfan) или схемы с применением понижающих редукторов для привода вентилятора (Geared Turbofan). Собственно говоря, уже сейчас эти исследования дают доступ к технологиям, позволяю-

Искусство производства авиационных двигателей Общий объем роста авиаперевозок в течение следующих 20 лет составит в среднем около 5% в год. Данный прогноз настоятельно требует проработки вопросов экологической безопасности: газообразные и твердые выбросы от авиационных двигателей влияют на локальное ухудшение состояния воздуха вблизи аэропортов и увеличивают общее содержание в атмосфере парниковых газов, что ведет к глобальному изменению климата. Таким образом, Европейская гражданская авиация в будущем столкнется со

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 3a. Àâèàöèîííûé äâèãàòåëü ñ ïîíèæàþùèì ðåäóêòîðîì (Pratt & Whitney)

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Технологии ния не позволяют достигнуть целей, указанных в ACARE: снижение выбросов NOx и CO2, обеспечение выполнения обязательных показателей ACARE, разработки принципиально новых компоновок и отдельных ключевых узлов авиационного двигателя, «предельного» по термодинамическим показателям двигателя. Ведущие двигателестроительные компании (Rolls-Royce, Pratt & Whitney, Snecma, General Electric) имеют собственные программы развития технологий малоэмиссионного горения, а также подходы к последовательности замены одной технологии другой.

4

Ðèñ. 3á. GTF Pratt & Whitney

Ðèñ. 6. Êîíöåïöèÿ CLEAN-IRA (MTU) Ðèñ. 4. Òóðáîâåíòèëÿòîðíûé äâèãàòåëü (Propfan) Ä-27 (ÎÀÎ «Ìîòîð Ñè÷»)

Ðèñ. 5. Ïðîåêò VITAL (Snecma) щим улучшить рабочие характеристики отдельных узлов существующих авиационных двигателей. Однако, в целом, существующие ограниче-

www.ansyssolutions.ru

Цели и задачи ACARE разработала концепцию развития европейской аэрокосмической отрасли до 2020 года, которая включает целый перечень фундаментальных исследований, необходимых для создания авиационных и космических технологий нового поколения. В рамках перечня основных направлений исследований по разделу «Двигательные технологии» можно выделить следующие, относящиеся к проекту NEWAC: z снижение на 20% эмиссии CO2 на каждый пассажирокилометр при неизменном весе двигателя (см. рис. 2); z значительное сокращение эмиссии NOx в ходе цикла взлет-посадка (–80%), а также на крейсерском режиме (–60%) относительно стандартов, установленных CAEP/2 (см. рис. 1). Главным результатом NEWAC будет внедрение новых, полностью отработанных технологий, позволяющих в ходе цикла взлет-посадка снизить на эмиссию CO2 на 6% CO2 и эмиссию NOx на 16% относительно существующих стандартов выбросов CAEP/2. Результаты исследований будут реализованы в текущих и будущих проектах Евросоюза,

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

в особенности в программах EEFAE (–11% CO2, –60% NOx) и VITAL (–7% CO2), а также различных национальных программах. В результате можно будет добиться снижения выбросов CO2 на 20% и NOx на 80%, что даст возможность европейским производителям авиадвигателей достигнуть главных показателей, заложенных в ACARE SPA к 2020 году. Программа будет способствовать одновременному решению сразу нескольких конкретных задач: компромиссному увеличению параметров цикла рабочего процесса при сохранении высокой экономичности двигателя и кардинальном снижении выбросов вредных веществ. Сложность и высокая степень взаимосвязи рабочих процессов в авиационных двигателях приводят к тому, что любое конструктивное решение в двигателе является компромиссом в отношении его основных характеристик. Количество CO2 прямо пропорционально объему сжигаемого топлива, поэтому снижение суммарных выбросов двуокиси углерода в двигателе связано с повышением его экономичности. С другой стороны, повышение кпд двигателя обуславливает необходимость увеличения степени повышения давления в установке и соответственно температуры газа перед турбиной. Это в свою очередь сопровождается увеличением эмиссии окислов азота NOx. Чтобы избежать столкновения интересов при разработке новых инновационных компоновок, будут исследованы и проверены все варианты компоновок и отдельные ключевые компоненты авиадвигателей. Все работы будут базироваться на бедной схеме с предварительным испарением, которая, с точки зрения ограничений, наложенных на вес и стоимость двигателей, представляет собой многообещающую концепцию. С другой стороны, различные условия эксплуатации двигателей разных размеров потребуют доработки фронтового устройства и системы впрыска топлива. На основе этих разработок каждый из участников проекта NEWAC сможет также работать и по собственной программе исследований. Дополнительно к техническим достижениям, NEWAC позволит разработать технологию подготовки производства и поддержки поставщиков различных деталей авиадвигателей, включающую обучение и распространение информации во внутренних производственных структурах.

Преимущества процесса интеграции В соответствии с целями, определенными в ходе процесса интеграции, в рамках NEWAC проводятся многодисциплинарные расчетные исследования компрессоров, камер сгорания, внут-

www.ansyssolutions.ru

ренних систем охлаждения, вспомогательного оборудования, новых материалов и пр. Ключевым преимуществом интеграции всех разрабатываемых технологий в один исследовательский проект является то, что NEWAC предоставляет доступ не к локальным разработкам, применимым лишь к отдельным компоновкам двигателя, а к принципиальным решениям на уровне целого двигателя как единой технической системы.

Программа исследований EnginSoft в рамках проекта NEWAC на период 2006—2007 гг. Более десяти лет CFD-группа компании EnginSoft занимается проблемами горения. Особенно активно коллектив EnginSoft участвует в финансируемых Евросоюзом исследовательских проектах, специализирующихся на исследованиях технологий малоэмиссионного горения для авиационных двигателей, выбросы от которых составляют примерно 2% от общей эмиссии вредных веществ транспортных средств, промышленных предприятий и природных источников. Ранее EnginSoft принимала участие в таких международных проектах, как ANTLE, TATEF и CLEAN, в которых исследовались процессы теплообмена и горения. В этих исследованиях впервые были применены новые методики проведения оптимизации, заложенные в программном комплексе modeFRONTIER. Обладая большим опытом в области CAE (численное моделирование физических процессов, оптимизация конструктивных решений) компания EnginSoft является одним из ключевых партнеров проекта NEWAC. Компании EnginSoft отводится ведущая роль в разработке низкоэмиссионной одиночной камеры сгорания AVIO. Эта работа включает: z оптимизацию инновационной технологии подготовки и распыла топлива, так называемой PERM (Partially Evaporating Rapid Mixing — частично испаренная и перемешанная топливовоздушная смесь). Эта система может быть использована в двигателях со средней степенью сжатия 20<πk< 30. Фронтовое устройство PERM имеет внутренний завихритель для лучшего перемешивания топливовоздушной смеси и частичного испарения топлива. Одновременно конструкция PERM обеспечивает устойчивость пламени бедных топливовоздушных смесей и оптимальное положение факела; z детальную конструктивную проработку фронтового устройства, с упором на оптимизацию ее архитектуры;

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

5

Технологии z

6

совершенствование других элементов системы горения, таких как системы охлаждения и системы регулирования по топливу.

Инновационная система горения Концепция PERM основана на низкотемпературном сжигании бедной топливовоздушной смеси (ТВС). Более чем 70% воздуха, поступающего на вход в камеру сгорания, перемешивается с топливом и затем подводится в зону горения. Соответственно, вынужденно снижается расход воздуха, необходимый для охлаждения высокотемпературных элементов камеры сгорания. Процесс горения бедной ТВС состоит из подачи топлива, смешения с воздухом, частичного испарения топлива и, наконец, воспламенения и выгорания ТВС. Основной недостаток подобных систем связан с большой вероятностью само-

воспламенения ТВС и необходимостью получения условно однородной гомогенной смеси, поскольку любое несовершенство процесса перемешивания топлива и воздуха приводит к появлению более «богатых» и, следовательно, более горячих локальных областей в зоне горения, увеличивающих эмиссию окислов азота. Однако гомогенизации бедной ТВС имеет и обратную сторону, она значительно сокращает диапазон работы камеры сгорания. На малых и переходных режимах необходима «огневая» поддержка в зоне горения бедной гомогенной смеси путем организации дежурного пламени. Основная ступень КС по отношению к дежурной расположена вниз по потоку.

Ðèñ. 8. Ôðîíòîâîå óñòðîéñòâî, ðàçðàáîòàííîå â University of Karlsruhe

Система впрыска топлива Ðèñ. 7à. Ôðîíòîâîå óñòðîéñòâî PERM

Ðèñ. 7á. Ãåîìåòðèÿ ðàñ÷åòíîé îáëàñòè äëÿ PERM (AVIO)

www.ansyssolutions.ru

Впервые компания EnginSoft приняла участие в проекте NEWAC, когда занималась расчетами аэродинамики системы PERM, разработанной AVIO при участии University of Karlsruhe. Фронтовое устройство PERM представляет собой систему двух завихрителей с 16-ю радиальными каналами (рис. 7a): первичный завихритель для поддержания топливной пленки на кольцевой поверхности разделительной перегородки, и вторичный завихритель для дробления капель топливовоздушной смеси. Завихрители имеют одинаковое направление закрутки потока. Вышеприведенная схема характерна для топливных форсунок с малыми перепадами давления. Результаты численного моделирования в ANSYS CFX использовались для оценки качества перемешивания топлива с окислителем и размера и интенсивности рециркуляционной зоны, от которой зависит устойчивость пламени при изменении режимов работы камеры сгорания. Кроме этого отдельно рассматривался вопрос о влиянии геометрии рабочей области на работу фронтово-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

го устройства: на рис. 7 показана расчетная область, которая использовалась в исследованиях компании AVIO. В Karlsruhe моделирование было выполнено для отдельного фронтового устройства (рис. 8). В первом случае поток развивается свободно, в задаче Karlsruhe реализуется течение, близкое к канальному течению, вследствие того, что отношение диаметров форсунки и рабочей области составляет 2. В результате, и структура зоны циркуляционного течения также отличается в обоих вариантах. В расчетах AVIO она носит выраженный осесимметричный характер и намного уже, чем в задаче Karlsruhe. При этом в исследования AVIO расход воздуха между первичным и вторичным завихрителями перераспределился в отношении 1.12, а в Karlsruhe при тех же граничных условиях — в отношении 0.82. Таким образом, рабочие характеристики форсунки очень сильно зависят геометрии рас-

четной области и исходных граничных условий. И, наконец, анализ различных публикаций и работ, посвященных исследованию процессов в камерах сгорания авиационных двигателей, показал, что эти процессы носят, как правило, нестационарный характер, что обязательно должно быть отражено при постановке численного эксперимента. Однако, если пренебречь частотными характеристиками, то результаты стационарных расчетов очень хорошо коррелируют с осредненными по времени результатами нестационарных расчетов. Также большое внимание было уделено выбору модели турбулентности и определению границ ее применимости: сравнивались результаты расчетов при использовании высокорейнольдсовой k-ε модели и модели турбулентности Ментера.

Обтекатель-воздухозаборник

Ðèñ. 9. Îñåâàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ñêîðîñòè (AVIO)

Ðèñ. 10. Îñåâàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ñêîðîñòè (Karlsruhe)

www.ansyssolutions.ru

В современных авиационных двигателях воздух после компрессора, как правило, попадает на вход в преддиффузор или диффузор, в котором происходит торможение потока и частичное восстановление полного давления. Желание сделать камеру сгорания более компактной вынуждает разработчиков сокращать длину диффузорного участка, что ведет к увеличению суммарного угла его диффузорности, и, как следствие, может привести к возникновению в нем незапланированного отрыва потока. Для предотвращения этого явления часто используют схемы диффузора со стабилизированным отрывом, так называемые диффузоры с внезапным расширением (см. рис. 11). Расширяющаяся струя газа делится воздухозаборником на три части — во фронтовое устройство и в два кольцевых канала, наружный и внутренний. Воздух кольцевых каналов используется для разбития закрученных струй газа, выравнивания температурного поля на выходе из камеры сгорания и для охлаждения стенок жаровых труб. Были рассмотрены различные варианты конструкции воздухозаборника (см. рис. 13) для обеспечения минимально возможных гидравлических потерь давления и, соответственно, увеличения перепада давления на фронтовом устройстве и получения более равномерного профиля скорости на его входе. На рис. 14 показаны картины течения внутри камеры сгорания для различных вариантов конструкции обтекателей воздухозаборника. Для упрощения процедуры расчетов на этой стадии проекта они выполнялись в квазидвумерной постановке. При проведении этих исследований эффективным приемом является

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

7

Технологии

8

использование технологии многокритериальной оптимизации modeFRONTIER фирмы ESTECO. modeFRONTIER управляет входными переменными в ходе серий расчетов. Это позволяет получить оптимальное решение, отвечающее поставленным целям и наложенным при постановке задачи ограничениям. При данной постановке задачи были заданы следующие ограничения: z входные геометрические характеристики, определяющие конструкцию воздухозаборника (кривизна, длина, расположение); z параметрическое разбиение сетки, численное моделирование в CFX и процедура автоматической обработки результатов расчетов; z целями и ограничениями при проведении оптимизации являются также перепад давления на фронтовом устройстве и перераспределение вторичного воздуха по кольцевым каналам. При проведении оптимизации использовался алгоритм MOGA-II. Это эффективная реализация многокритериального генетического алгоритма (MOGA), которая при поиске решения использует технологию поиска и отбора только лучших оптимальных вариантов (т. н. элитизм). Элитизм позволяет выбирать лучшие возможные решения без учета локальных взаимодейс-

Ðèñ. 11. Ñõåìà êàìåðû ñãîðàíèÿ ñ êàíàëüíîñòðóéíûì äèôôóçîðîì твий между вариантами, т. е. без получения сходимости на локальном фронте оптимальных решений. MOGA-II требует определения всего лишь нескольких параметров при работе: количество популяций, кроссовер, селекция и мутация. Другие дополнительные параметры для работы алгоритма в целях надежной и эффективной работы алгоритма установлены в modeFRONTIER заранее. Логическая структура процесса оптимизации в modeFRONTIER, в который интегрированы скрипты ICEM CFD и ANSYS CFX, показана на рис. 12. После проведения оптимизации modeFRONTIER выдает несколько хороших кандида-

Ðèñ. 12. Ëîãè÷åñêàÿ ñòðóêòóðà ïðîöåññà îïòèìèçàöèè â modeFRONTIER

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

тов, представленных на рис. 13. Лучшим вариантом конструкции воздухозаборника является последняя конфигурация, поскольку в ней отсутствуют вторичные возвратные течения у стенок кольцевых каналов и обтекателей (рис. 14). Для ускорения процедуры оптимизации из расчетов была исключена жаровая труба и отверстия перепуска вторичного воздуха. Результаты, полученные в ходе двух мерных расчетов, являются основой для моделирования течения в камере сгорания в циклической постановке (рис. 15). Исследовалась только оптимальная 2D-конфигурация. Для корректного отображения структуры течения в камере сгорания на завершающей стадии проекта в расчетную область была включена жаровая труба и отверстия подвода вторичного воздуха (рис. 16). В отличие от типичной схемы организации процесса горения в авиационных камерах сгорания, в КС AVIO 70% воздуха из компрессора идет через фронтовое устройство, и только 30% используется для разбавления продуктов сгорания и для целей охлаждения. Кроме этого, из-за резкого снижения расхода вторичного воздуха, число поясов вторичных отверстий было уменьшено до одного. Таким образом, задача оптимизации была сведена к выбору оптимального расположения этих вторичных отверстий и их диаметра для обеспечения хорошего перемешивания и организации мощных зон с рециркуляционным движением газа. В будущих исследованиях необходимо будет рассматривать реагирующий поток, что увеличит сложность модели и число ограничений, например по эмиссии NOx и пр.

Заключение

Ðèñ. 13. Âàðèàíòû êîíñòðóêöèè âîçäóõîçàáîðíèêà, ðàññìîòðåííûå ïðè ìíîãîêðèòåðèàëüíîé îïòèìèçàöèè

www.ansyssolutions.ru

Программа NEWAC предоставила возможность разработки инновационной в области двигателестроения расчетной технологии, основанной на использовании modeFRONTIER. С этой методикой можно оценить большое количество виртуальных прототипов и выбрать лучшие из них, не выходя из рабочей среды modeFRONTIER. Это позволит избежать производства множества натурных вариантов изделий и значительно сэкономит время и стоимость разработок. В будущем планируется выполнение расчетных работ по следующим направлениям: оптимизация конструкции фронтового устройства, оптимизация перераспределения основного и вторичного воздуха, оптимизация непосредственно процесса горения с точки зрения улучшения экологических характеристик камеры сгорания и повышения стабильности ее работы на отдельных режимах.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

9

Технологии

10

Ðèñ. 15. Ðàñ÷åòíàÿ îáëàñòü ÊÑ áåç æàðîâîé òðóáû

Ðèñ. 16. Ðàñ÷åò òå÷åíèÿ âî âñåé êàìåðå ñãîðàíèÿ

Дополнительную информацию о проекте NEWAC вы можете получить на сайте www.newac.eu.

Ðèñ. 14. Ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ ïåðåä ôðîíòîâûì óñòðîéñòâîì è â êîëüöåâûõ êàíàëàõ

www.ansyssolutions.ru

Ñîêðàùåíèÿ ACARE: Åâðîïåéñêèé êîíñóëüòàòèâíûé ñîâåò â îáëàñòè ïðîâåäåíèÿ àâèàöèîííûõ èññëåäîâàíèé (Advisory Council for Aeronautical Research in Europe) ANTLE: Ìèíèìàëüíî âîçìîæíûé óðîâåíü âûáðîñîâ âðåäíûõ âåùåñòâ (Affordable Near-Term Low Emissions) CAEP: Àâèàöèîííûé êîìèòåò ïî çàùèòå îêðóæàþùåé ñðåäû (Committee for Aviation Environment Protection) EEFAE: Ýôôåêòèâíûé è ýêîëîãè÷åñêè áåçîïàñíûé àâèàöèîííûé äâèãàòåëü (Efficient, Environmentally Friendly Aero-Engine) ESTECO: EnginSoft TECnologie per l’Ottimizzazione MOGA: Ìíîãîêðèòåðèàëüíûé ãåíåòè÷åñêèé àëãîðèòì (Multi Objective Genetic Algorithm) NEWAC: Íîâàÿ êëþ÷åâàÿ êîíöåïöèÿ àâèàöèîííîãî äâèãàòåëÿ (NEW Aero Engine Core concept) OPR: Îáùèé ïåðåïàä äàâëåíèÿ PERM: Ïðåäâàðèòåëüíîå ÷àñòè÷íîå èñïàðåíèå è ïåðåìåøèâàíèå òîïëèâà è âîçäóõà (Partially Evaporated Rapid Mixing) SRA: Ñòðàòåãè÷åñêàÿ ïðîãðàììà èññëåäîâàíèé (Strategic Research Agenda) VITAL: Ýêîëîãè÷åñêè áåçîïàñíûé àâèàöèîííûé äâèãàòåëü (enVIronmenTALly Friendly Aero Engine)

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Технологии

Методика расчета напряженнодеформированного состояния композиционных материалов Я. М. Клебанов, А. Н. Давыдов, Самарский государственный технический университет, Е. В. Биткина, Филиал Самарского государственного технического университета, г. Сызрань

В работе рассмотрена методика создания адекватных конечно-элементных моделей композиционного материала КМ на основе экспериментального исследования их механических характеристик. Данная работа проведена с использованием микроподхода. Особенностью которого является то, что композит разделяют на матрицу и армирующий материал и рассматривают влияние внутренней структуры материала на его поведение. Объектом исследования выбран волокнистый стеклопластик. Напряженно-деформированное состояние при одноосном растяжении определено с учетом остаточных напряжений, которые возникают при охлаждении после отверждения. Получены результаты распределения напряжений и деформаций отдельно в компонентах стеклопластика. А на основании соотношений микромеханики КМ получена функциональная связь «напряжение — деформация» для исследуемого композита. Полученные решения сопоставлены с результатами эксперимента. В связи с интенсивным развитием вычислительной техники и численных методов в последнее время существенно расширились возможности исследований статической и динамической прочности сложных инженерных конструкций [1]. Однако не всегда можно достигнуть удовлетворительного решения, полагаясь лишь на высокую производительность компьютеров. Построение эффективных моделей сложных

www.ansyssolutions.ru

конструкций может быть выполнено с наибольшей достоверностью лишь с привлечением натурных экспериментов. При анализе сложных конструкций одна из центральных задач — построение на основе полученных экспериментальных данных математической модели объекта, т. е. идентификация рассматриваемого объекта. Под идентификацией обычно понимают построение математической модели на основе экспериментальных данных, которая с достаточной степенью точности описывает поведение исследуемого объекта. Отметим, что идентификация включает в себя три этапа исследования: z экспериментальное изучение поведения объекта; z построение математической модели; z проверку соответствия поведения объекта и модели. В течение последних лет было опубликовано значительное количество работ по применению метода конечных элементов (МКЭ) к исследованию конструкций с упругопластическими свойствами. Некоторые из этих работ непосредственно посвящены разработке численных методов расчета композиционных материалов. Эти исследования можно разделить на две группы. Для одной части расчетов применяли микроподход, для другой — макроподход. При микроподходе композит разделяли на матрицу и армирующий материал и, исходя из особенностей соединения матрицы и армирующего материала, рассматривали влияние внутренней структуры материала на его поведение. В случае макроподхода наполнитель и связующий материал рассматривали как одно целое.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

11

Технологии

12

Необходимо отметить, что микроподход — это моделирование композиционного материала. В свою очередь, макроподход — это моделирование конструкций из КМ, посредством использования усредненных характеристик слоя. Однако очевидные возможности композитов, которых можно достигнуть, используя микроподход, не всегда реализуются из-за отсутствия достаточной информации о компонентах КМ и их взаимодействии. Данная работа выполнена в рамках микроподхода. Её целью является отработка методики в создании адекватных конечно-элементных моделей композиционного материала на основе экспериментального исследования их механических характеристик. При экспериментальном изучении и описании свойств композитов приходится сталкиваться с трудностями, порожденными макроскопической анизотропией и неоднородностью. Это делает проблему изучения механических характеристик композитов значительно более сложной, чем для обычных однородных изотропных материалов. Возникающие трудности связаны с ростом, в зависимости от типа анизотропии, числа определяемых независимых характеристик и жесткими требованиями к выбору формы, размеров образцов и способа нагружения. Первый этап идентификации для стеклопластика был реализован с использованием известного накопленного опыта в области экспериментальных исследований, хорошо отработанной методики и техники в области проведения механических испытаний этой группы композиционных материалов. В связи с тем, что в данной работе для моделирования поведения композита использовался микроподход, сначала необходимо было получить характеристики материалов, совокупность которых образует композит. Получение таких данных представляет собой довольно трудоемкую задачу, что обычно является существенным препятствием при проведении большого числа расчетных работ. Она связана, в частности, с испытанием фенольноформальдегидного связующего на растяжение с целью получения функциональной зависимости «напряжение — деформация», которая использовалась для дальнейшего определения необходимых для расчета механических характеристик. Значительная трудоёмкость связана и с испытанием самого стеклопластика на растяжение, также выполняемая с целью получения функциональной зависимости «напряжение — деформация», которая в дальнейшем использовалась для сопоставления с результатами расчета. Это позволило авторам статьи судить об адекватности созданной конечно-элементной модели. Испыта-

www.ansyssolutions.ru

ния для определения механических характеристик стеклонитей, из которых состояла стеклоткань, не проводились в связи с достаточной изученностью данного вопроса и наличием обширной библиографии, базирующейся на фундаментальных теоретических и экспериментальных исследованиях. Числовые значения этих характеристик были взяты из работы [2].

Экспериментальное изучение механических характеристик КМ Образцы для испытаний стеклопластика на растяжение В качестве объекта исследования был выбран стеклопластик из стеклоткани Т-13 на основе бесщелочного алюмоборосиликатного стекла (ГОСТ 19170-73) на фенольно-формальдегидном связующем. Данный композит относится к классу термореактивных полимеров, которые являются наиболее востребованными на рынке авиа — космических материалов вследствие своих уникальных свойств, отвечающих высоким требованиям, предъявляемых космической программой. Данные образцы стеклопластика изготавливались в соответствии с технологическими рекомендациями на изготовление стеклопластика. Образцы для испытаний изготавливались из однонаправленного стеклопластика по ГОСТ 11262 (тип 3). Направление вырезки образцов — 450 к направлению армирования. Образцы для испытаний фенольноформальдегидного связующего на растяжение Эксперимент проводили на образцах связующего размерами в плане 250×13,2 мм и толщиной 6,3 мм, которые изготавливались в соответствии с технологическими рекомендациями на их изготовление. Образцы испытывались при нормальной температуре в количестве 2 штук. Испытания проводились на универсальной машине марки 1958У-10-1. В испытаниях очень большое внимание уделялось основным метрологическим характеристикам: точности приложения заданной нагрузки, точности измерения деформации растяжения. На основании проведенных испытаний были получены диаграммы растяжения образцов стеклопластика и фенольно-формальдегидного связующего. Проведенная экспериментальная работа, связанная с определением соответствующих механических характеристик самого стеклопластика и его компонентов, позволила перейти ко второму этапу идентификации, связанному с построением математической модели.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Создание конечно-элементной модели поведения композита по свойствам материалов волокон и матрицы Задача адекватного описания напряженно-деформированного состояния (НДС) ячейки КМ решалась с использованием методов имитационного моделирования на базе метода конечных элементов (МКЭ). Авторами статьи была создана модель КМ, состоящая из девяти идентичных ячеек, которые представляют собой фрагмент КМ из стеклоткани полотняного переплетения на фенольно-формальдегидном связующем. Данный выбор был обусловлен тем, что на границе модели накладываются усредненные значения напряжений (рис. 1). Нагружение средней ячейки отвечает условиям ее взаимодействия с соседними. Таким образом, условия нагружения средней ячейки в модели приближаются к условиям нагружения ячейки реального композита. Дальнейшее увеличение количества ячеек нецелесообразно в связи с резким возрастанием числа конечных элементов. Помимо этого авторы применили метод подмоделей для получения более точных результатов расчета. Из всей модели была выделена центральная ячейка, для которой было проведено перестроение сетки (в сторону ее измельчения) и выполнен более подробный анализ НДС соответствующей части конструкции. Применение данной методики показало хорошую согласованность с результатами, полученными для девяти ячеек. В данной задаче была выбрана аппроксимация 8-узловым объемным элементом с линейной базисной функцией при достаточной дискретизации модели. Стеклянные волокна рассматривались как ортотропный материал с упругими свойствами, а полимерная матрица — как изотропный материал с упруго-пластическими свойствами. Моделировалось растяжение данной ячейки композита (рис. 1) под углом 450 к схеме армирования. Вид переплетения нитей представлен на рис. 2. На гранях рассматриваемой модели КМ использовались специальные поверхностные конечные элементы, которые позволили задавать распределенную нагрузку в любом направлении. Одно ребро закреплялось по всем направлениям во всех узлах ребра, а на диаметрально противоположное ему ребро накладывались специфические граничные условия, благодаря которым перемещение узлов данного ребра происходило только по диагонали. Был проведен анализ существующих экспериментальных данных по определению влия-

www.ansyssolutions.ru

ния деформаций на монолитность стеклопластиков, который показал, что для основного объема материала гипотеза сплошности сохраняется практически до разрушения. Ввиду этого для создания методов расчета на прочность можно считать материал сплошным на всех стадиях нагружения [3]. Данная гипотеза позволила решать задачу без введения контактных элементов, что значительно сокращает время решения. Задача решалась двумя шагами по нагрузке. Первый шаг позволил получить технологические остаточные напряжения [4], возникающие в композите при его остывании от температуры 165 0С, при которой происходит «рождение» данного КМ, до температуры 22 0С, при которой проводились испытания данного КМ на растяжение. Второй шаг позволил смоделировать непосредственно условия рассматриваемого деформационного процесса — растяжения.

Ðèñ. 1. Ìîäåëü êîìïîçèòà, ñîñòîÿùàÿ èç äåâÿòè ÿ÷ååê

Ðèñ. 2. Ïåðåïëåòåíèå íèòåé Таким образом, имеющиеся результаты экспериментальных исследований стеклопластика и численные результаты расчета позволяют провести третий этап идентификации и тем самым завершить данную процедуру идентификации.

Обсуждение результатов Так как испытания проводились на образцах КМ, состоящего из десяти слоев, перед авторами статьи стояла задача: беря за основу результа-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

13

Технологии

14

Ðèñ. 3. Äèàãðàììà ðàñòÿæåíèÿ ñòåêëîïëàñòèêà σ-ε ïðè íîðìàëüíîé òåìïåðàòóðå ты решения, полученные для соответствующей модели композита, и используя известные теории и методы механики КМ, с помощью соотношений, учитывающих специфические особенности армированных материалов, получить функциональные связи между напряжениями и деформациями для реального композитного материала [5, 6].

À

Á

На основании данных соотношений микромеханики КМ была получена функциональная связь «напряжение — деформация» для исследуемого композита. На рис. 3 показана зависимость деформаций от соответствующих растягивающих напряжений. На кривую нанесены теоретические точки, полученные в результате численного решения уравнений краевой задачи. Это позволило проследить, как согласуются опытные и теоретические результаты. Помимо этого представляют определенный интерес результаты распределения напряжений и деформаций отдельно в компонентах стеклопластика. На рис. 4 приведены некоторые результаты расчета. Таким образом, эксперименты обнаружили удовлетворительное совпадение с результатами расчета по формулам микромеханики композитов, что позволяет использовать данную конечно-элементную модель для оценочных расчетов.

Â

Ðèñ. 4. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà: à — èíòåíñèâíîñòü íàïðÿæåíèé â ñâÿçóþùåì ìàòåðèàëå; á — èíòåíñèâíîñòü ïîëíûõ äåôîðìàöèé â àðìèðóþùåì ìàòåðèàëå; â — èíòåíñèâíîñòü íàïðÿæåíèé â ÊÌ

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

А результаты распределения напряжений и деформаций, полученные с помощью расчетов на базе МКЭ, позволяют увидеть наиболее нагруженные и опасные места в КМ. Получить же такие результаты с помощью натурных испытаний — весьма трудоемкая и сложная задача. А это является очень важным моментом в понимании условий зарождения разрушения в КМ, армированных волокнами. Из приведенных расчетов видно, что вследствие различий модулей Юнга, коэффициентов Пуассона и коэффициентов термического расширения у волокна и матрицы, когда композит в целом подвергается изменению температуры или простому одноосному нагружению, то в силу условий неразрывности на микроуровне возникает сложное напряженно-деформированное состояние. Поскольку реальные слоистые пластики имеют многонаправленное армирование, то полученные результаты подтверждают точку зрения, что основная причина начала разрушения — расслаивание по границе раздела волокно — матрица от растяжения. Следует также отметить, что изменение температуры в любую сторону относительно равновесного состояния тоже вызывает растягивающие напряжения на поверхности раздела.

Таким образом, подобного рода исследования могут быть основой для анализа причин эксплуатационных разрушений. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1. Íàó÷íûå îñíîâû ïðîãðåññèâíîé òåõíèêè è òåõíîëîãèè / Ã. È. Ìàð÷óê, È. Ô. Îáðàçöîâ, Ë. È. Ñåäîâ è äð. — Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1986. — 376 ñ.

2. Ñòåêëÿííûå âîëîêíà / Àñëàíîâà Ì. Ñ., Êîëåñîâ Þ. È., Õàçàíîâ Â. Å. è äð.; Ïîä ðåä. Àñëàíîâîé Ì. Ñ. — Ì.: Õèìèÿ, 1979. — 256 ñ., èë.

3. Þ. Ì. Òàðíîïîëüñêèé, À. Ì. Ñêóäðà. Êîíñòðóêöèîííàÿ ïðî÷íîñòü è äåôîðìàòèâíîñòü ñòåêëîïëàñòèêîâ. Èçä-âî «Çèíàòíå», Ðèãà, 1966.

4. Ìîëîäöîâ Ã. À., Áèòêèí Â. Å., Ñèìîíîâ Â. Ô., Óðìàíñîâ Ô. Ô. Ôîðìîñòàáèëüíûå è èíòåëëåêòóàëüíûå êîíñòðóêöèè èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ. — Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 2000. — 352 ñ.

5. Îñíîâû ïðîåêòèðîâàíèÿ è èçãîòîâëåíèÿ êîíñòðóêöèé ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / Âàñèëüåâ Â. Â., Äîáðÿêîâ À. À., Äóä÷åíêî À. À., Ìîëîäöîâ Ã. À., Öàðàõîâ Þ. Ñ. — Ì.: ÌÀÈ, 1985. — 218 ñ., èë.

6. Ñòðîèòåëüíàÿ ìåõàíèêà ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ: Ó÷åáíèê äëÿ àâèàöèîííûõ ñïåöèàëüíîñòåé âóçîâ / È. Ô. Îáðàçöîâ, Ë. À. Áóëû÷åâ, Â. Â. Âàñèëüåâ è äð.; Ïîä ðåä. È. Ô. Îáðàçöîâà. — Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1986. — 536 ñ. èë.

Особенности проектирования размеростабильной космической платформы из композиционных материалов, предназначенной для установки оптической аппаратуры Е. В. Биткина, Филиал Самарского государственного технического университета, г. Сызрань О. Г. Жидкова, ОАО «Пластик», г. Сызрань Одним из перспективных фундаментальных направлений развития науки и техники является освоение и использование космического пространства для решения ряда задач: космическая и наземная связь, энергетика, радиоастрономия, космические исследования и производство.

www.ansyssolutions.ru

Среди наиболее важных требований, предъявляемых к конструкциям современных летательных аппаратов, объектов космического базирования, можно назвать: минимальную массу, максимальную жесткость и прочность узлов, максимальный ресурс работы конструкций в условиях

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

15

Технологии

16

эксплуатации, высокую надежность. В значительной мере перечисленные требования к конструкции обеспечиваются техническими идеями, реализованными для создания конкретной конструкции, выбором материала и совершенством технологии изготовления конструкции из данного материала. Одним из типов космических размеростабильных конструкций являются высокоточные оптические приборы, которые используются для обеспечения безопасности космических летательных аппаратов, исследования земной поверхности и космического пространства и в других целях. Оптические приборы в космосе должны сохранять положение своей оси с высокой степенью точности, гарантирующей высокую степень разрешения при наблюдении за объектами. Для обеспечения этого требования используют разные типы несущих конструкций (рис. 1).

Ðèñ. 1. Ðàçìåðîñòàáèëüíàÿ ïëàòôîðìà ñ ðàçìåùåííûìè íà íåé îïòè÷åñêèìè ýëåìåíòàìè ñïåöàïïàðàòóðû Стремление получить наивысшие эксплуатационные характеристики привело к разработке и использованию в космических конструкциях композиционных материалов. Преимущества космических конструкций из композиционных материалов по сравнению с конструкциями из традиционных материалов наиболее оправданы в тех случаях, когда необходимы низкий коэффициент теплового расширения, небольшая масса, высокие прочность и жесткость. Однако высоких потенциальных возможностей и высокой размеростабильности КМ становится недостаточно для изготовления высокоточных формостабильных конструкций. Проблема, связанная с технологией производства размеростабильных космических конструкций и их основных элементов из композиционных материалов, заключается в получении

www.ansyssolutions.ru

рабочих поверхностей конструкций, исключающих, во-первых, коробление под действием термонапряжений в процессе их изготовления и, во-вторых, удовлетворяющих деформативности и прочности в условиях их эксплуатации. Таким образом, для решения вопросов, связанных с созданием размеростабильных конструкций, работающих в условиях открытого космоса, совместно с разработкой и оптимизацией технологических процессов изготовления необходимо проведение дополнительных исследований и разработок. В настоящее время в области проектирования деталей и узлов из композиционных материалов происходит преодоление у разработчиков «психологического барьера» недоверия к новым материалам, разработаны основные принципы оптимального проектирования конструкции из композиционных материалов, осваиваются инженерные методы расчета конструкций с использованием компьютерной техники и современных программных комплексов. Современный уровень требований по размерной точности и стабильности крупногабаритных космических оптических систем менее 0,1 мм/м в условиях циклического изменения температуры от минус 150 °С до плюс 150 °С не может быть достигнут без использования специализированной системы регулирования температуры или анализа и синтеза свойств композиционного материала, позволяющих за счет заданного коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР) обеспечить размерную стабильность оптической структуры. Традиционно задача получения размеростабильной конструкции панельного типа решается посредством достижения термически нейтральной системы. Однако такой переход не всегда может быть реализован для трехслойных конструкций ввиду ограниченных возможностей многонаправленной оптимизации схемы армирования обшивок, содержащих относительно небольшое количество слоев композиционного материала. Для обеспечения размерной точности такого класса конструкций требуются новые проектные методы, основанные на нестандартном подходе к трактовке геометрической стабильности изделия и определению оптимальных по термическим деформациям композиционных структур. Целью данной работы является анализ размеростабильности углепластиковой конструкции, предназначенной для установки оптических элементов спецаппаратуры. Представленная в статье трехслойная размеростабильная платформа конструктивно состоит из двух обшивок, замкнутых по периметру, а в качестве заполнителя используются уста-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

новленные в определенном порядке углепластиковые цилиндрические элементы (рис. 2).

Ðèñ. 2. Îáùèé âèä êîíñòðóêöèè ïëàòôîðìû Данная конструкция была предложена как альтернативный вариант традиционным трехслойным конструкциям, в качестве заполнителя которых используются алюминиевые или стеклопластиковые соты или решетчатый заполнитель с заданным размером ячейки. Важной стороной вопроса рационального проектирования конструкций из композитов является умение определять то начальное напряженно-деформированное состояние в элементах конструкций из КМ, которое в них формируется при изготовлении, поскольку в силу своей природы и методов изготовления, связанных с использованием повышенных температур (для проведения процесса отверждения), волокнистые композиты являются самонапряженными системами. В них образуются технологические остаточные напряжения и деформации, которые вызываются особенностями их механических и теплофизических свойств (анизотропия), неоднородностью структуры (волокно и матрица), использованием различного материала в слоях, взаимодействием с ограничительной (формующей) технологической оснасткой, другими технологическими факторами. При этом следует отметить, что максимальные остаточные деформации складываются из деформаций, вызванных технологическими погрешностями при изготовлении, т. е. короблением обшивок и сборкой, а также — из деформаций, возникающих в процессе эксплуатации конструкции. Предложенное в данной статье конструктивное решение размеростабильной платформы, с цилиндрическими элементами в качестве заполнителя, позволяет минимизировать технологические погрешности в части неплоскостности и непараллельности наружных поверхностей

www.ansyssolutions.ru

обшивок. Это обусловлено тем, что, с точки зрения анализа сборки, точность, предъявляемая к плоскостности и параллельности поверхностей элементов заполнителя — трубкам, обработка которых осуществляется на станке с ЧПУ, обеспечивается точностью обработки инструмента и составляет несколько микрон. Образующиеся в процессе изготовления в слоистом композиционном материале остаточные напряжения, в отдельных случаях приводящие к разрушению слоев, необходимо учитывать при рациональном выборе укладки слоистого КМ. С учетом необходимости обеспечения высоких термомеханических характеристик и с точки зрения технологичности для изготовления несущих слоев платформы была принята структура композита с продольной и косой укладкой слоев (0/+50°/–50°/–50°/+50°/0)n на основе углеродной ленты ЛУ-П-0.1 и связующего ЭНФБ. Анализ и расчет элементов конструкции платформы проводится с использованием теории слоистых сред. Учитывая, что углепластиковые панели работают в упругой стадии, необходимо назначать допуски на углы разориентации, возникновение которых возможно при нарушении углов армирования при выкладке слоев. Результаты проведенного исследования показывают, что для укладки (0/+50°/–50°/–50°/ +50°/0)n наиболее критичной является разориентация всех косых слоев. Значительно меняется КЛТР в продольном направлении, модули упругости в продольном и поперечном направлениях изменяются в пределах (1÷6)%, КЛТР в поперечном направлении изменяется в пределах (9÷10)%. При разориентации продольных слоев композита модули упругости в поперечном и продольном направлениях меняются в пределах (0,1÷0,2)%, КЛТР в продольном направлении — в пределах 2%, КЛТР в поперечном направлении меняется незначительно. Были рассмотрены расчетные схемы различных вариантов конструкции платформы для обшивок с выбранной схемой армирования и трех видов заполнителя: цилиндрические элементы в качестве заполнителя (с элементами и без элементов подкрепления), решетчатый заполнитель, заполнитель из алюминиевых сот. За критерий проектирования была принята стабильность геометрической формы. Из многообразия внешних факторов, влияющих на размерную устойчивость, было выделено температурное поле. Т. к. температурное воздействие приводит к отклонению профиля платформы от исходного состояния и быстро ухудшает ее функциональные характеристики, была поставлена задача — для данных конструктивных вариан-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

17

Технологии

18

тов провести также анализ воздействия перепада температур на размерную стабильность. Для оценки размеростабильности платформы принят перепад температур между верхней и нижней обшивками ΔТ = 20 °С. Данный перепад возникает вследствие энерговыделения приборов, установленных на одной из обшивок платформы. В качестве примера рассмотрим расчетный случай «конструкция с цилиндрическими элементами в качестве заполнителя без элементов подкрепления». В данном примере решена связанная тепловая и прочностная задачи. Тепловые поля конструкции платформы накладываются в качестве узловой нагрузки при проведении анализа НДС. Аппроксимация конструкции была проведена с использованием элементов типа SHELL, учитывающими такие внутренние силовые факторы, как мембранное растяжение-сжатие и изгиб. Верхняя и нижняя обшивки, а также замыкающая их поверхность представлены элементами оболочки с толщиной 4 мм, в свою очередь, для трубок также выбрана аппроксимация элементами SHELL, только с толщиной 1 мм. Схема конечно-элементного разбиения платформы представлена на рис. 3.

тепловой задачи конечно-элементная сетка была более «грубой», по сравнению с сеточным разбиением в случае прочностной задачи. Следует отметить, что минимизация числа конечных элементов при решении тепловой задачи не привела к количественному ухудшению картины результатов расчета. Прочностная задача требовала более «густой» дискретной сетки. В связи с этим был применен метод субмоделирования, который позволил перенести результаты теплового решения на новое «уточненное» сеточное разбиение в прочностной задаче. Граничные условия, которые накладывались на модель платформы, показаны на рис. 4. Проведенный термопрочностной расчет позволил получить следующие результаты, часть из которых представлена на рис. 5—8.

Ðèñ. 4. Êîíå÷íî-ýëåìåíòíàÿ ìîäåëü ïëàòôîðìû ñ ãðàíè÷íûìè óñëîâèÿìè, èñïîëüçóåìàÿ ïðè ïðîâåäåíèè ïðî÷íîñòíîãî àíàëèçà

Ðèñ. 3. Ñõåìà êîíå÷íî-ýëåìåíòíîãî ðàçáèåíèÿ ïëàòôîðìû, èñïîëüçóåìàÿ ïðè ïðîâåäåíèè òåïëîâîãî àíàëèçà При решении тепловой задачи (стационарный режим) для построения конечно-элементной модели элементов конструкции платформы использовался четырехузловой тепловой элемент оболочки SHELL57, степенью свободы которого является температура (в каждом узле). А при решении прочностной задачи — четырехузловой прочностной элемент SHELL63. Свойства материала платформы приняты квазиизотропными. Дискретизация модели проводилась с учетом некоторых правил, позволяющих обеспечить эффективность расчетов. При решении

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 5. Ðàñïðåäåëåíèå ñóììàðíûõ ïåðåìåùåíèé â ìîäåëè ïëàòôîðìû В данной работе была также проведена оптимизация различных вариантов исполнения размеростабильной платформы для разных толщин обшивок по критерию «прочность-масса». Выполненный анализ показал, что с точки зрения минимизации массы наиболее оптимальным является вариант изготовления платформы с

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Ðèñ. 6. Ðàñïðåäåëåíèå ñóììàðíûõ ïåðåìåùåíèé â çàïîëíèòåëå

Ðèñ. 7. Èíòåíñèâíîñòü ïîëíûõ äåôîðìàöèé, âîçíèêàþùèõ â ìîäåëè ïëàòôîðìû

Ðèñ. 8. Èíòåíñèâíîñòü íàïðÿæåíèé, âîçíèêàþùèõ â ìîäåëè ïëàòôîðìû трубчатыми элементами в качестве заполнителя при толщине оболочек платформы 4 мм. Проведенный анализ различных вариантов конструкций размеростабильной платформы (конструкция с углепластиковыми цилиндрическими элементами в качестве заполнителя без подкрепляющих ребер в заполнителе и с

www.ansyssolutions.ru

использованием подкрепляющих ребер; конструкция с заполнителем в виде решеток; конструкция с сотовым заполнителем) показал, что целенаправленная размеростабильность платформы может быть достигнута необходимым сочетанием термоупругих характеристик, зависящих от структуры композита (характеристики компонентов, их объемного содержания, схемы армирования и конструктивного выполнения (характер и дискретность расстановки цилиндрических элементов и ребер подкрепления — в конструкции с цилиндрическими элементами в качестве заполнителя; ориентация ребер решетки — в конструкции с решетчатым заполнителем)). На основании данного анализа НДС различных вариантов исполнения конструкции платформы можно сделать вывод, что наиболее предпочтительным (по всем параметрам) вариантом исполнения может быть конструкция с цилиндрическими элементами в качестве заполнителя (с подкрепляющими элементами или без них). Данная работа была выполнена с помощью программного комплекса ANSYS, использование которого при проектировании размеростабильных конструкций космического назначения позволяет получать результаты высокой точности, а мощные средства оптимизации облегчают проектирование оптимальной конструкции по различным, в том числе комплексным, критериям. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1. Ìîëîäöîâ Ã. À., Áèòêèí Â. Å., Ñèìîíîâ Â. Ô., Óðìàíñîâ Ô. Ô. Ôîðìîñòàáèëüíûå è èíòåëëåêòóàëüíûå êîíñòðóêöèè èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ. — Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 2000. — 352 ñ.

2. Îñíîâû ïðîåêòèðîâàíèÿ è èçãîòîâëåíèÿ êîíñòðóêöèé ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / Âàñèëüåâ Â. Â., Äîáðÿêîâ À. À., Äóä÷åíêî À. À., Ìîëîäöîâ Ã. À., Öàðàõîâ Þ. Ñ. — Ì.: ÌÀÈ, 1985. — 218 ñ., èë.

3. Ñòðîèòåëüíàÿ ìåõàíèêà ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ: Ó÷åáíèê äëÿ àâèàöèîííûõ ñïåöèàëüíîñòåé âóçîâ / È. Ô. Îáðàçöîâ, Ë. À. Áóëû÷åâ, Â. Â. Âàñèëüåâ è äð.; Ïîä ðåä. È. Ô. Îáðàçöîâà. — Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1986. — 536 ñ. èë.

4. Êëèìàêîâà Ë. À., Ïîëîâûé À. Î., Ìàðêèí Î. Â. Òåðìîñòàáèëüíàÿ îïîðíàÿ ïëàòôîðìà èç ïîëèìåðíûõ êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ äëÿ êîñìè÷åñêîãî òåëåñêîïà. Æóðíàë «Êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû â ïðîìûøëåííîñòè». ßëòà, 2005. Ñ 66-68.

5. Ñîâðåìåííûå êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû. Ïîä ðåä. Ï. Êðîêà è Ë. Áðîóìàíà. Ïåð. ñ àíãë. — Ì., 1978.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

19

Технологии

Моделирование явлений аэроупругости элементов самолета на трансзвуковой скорости1

20

L. Cavagna, G. Quaranta, P. Mantegazza, Politecnico di Milano, Италия, D. Marchetti, M. Martegani, Aermacchi SpA, Италия

При больших дозвуковых скоростях полёта, ускорении самолета и переходе с дозвуковой скорости на сверхзвуковую качественно изменяется физическая картина обтекания летательного аппарата: вблизи тела возникают скачки уплотнения, которые взаимодействуют с пограничным слоем и вызывают отрыв потока от поверхности тела. Следовательно, изменяется и распределение давления по телу. При моделировании таких режимов обтекания практически важной становится задача о колебаниях упругой конструкции летательного аппарата (ЛА) — флаттер. Основная цель подобных исследований состоит в определении критической скорости флаттера, отделяющей устойчивые режимы колебаний от неустойчивых. Появление флаттера в трансзвуковых условиях можно приблизительно рассчитать при помощи классических потенциальных методов [1]. В рамках исследовательского проекта в Политехническом институте Милана [2] была разработана численная модель аэроупругости деформируемых элементов самолета на транс-

Ðèñ. 1. Êîíòóðû äàâëåíèÿ íà ïîâåðõíîñòè ó÷åáíîòðåíèðîâî÷íîãî ñàìîë¸òà M346 1

звуковом режиме. Особое внимание было уделено созданию среды, которая содержала бы все основные физические явления, так как проектирование самолета подразумевает выполнение большого количества расчетов для разных вариантов его конструкции. Разработанная методика была опробована при разработке нового поколения учебно-тренировочного самолёта M346. Ядро решателя аэроупругости было реализовано во FLUENT посредством пользовательского программирования. Доступ к расчетным переменным и работа с результатами расчетов

Ðèñ. 2. Ýëåìåíòû êîíñòðóêöèè ËÀ, ïîäâåðæåííûå ôëàòòåðó (âåðõíèé ðèñóíîê) è ðåçóëüòèðóþùàÿ ñåòêà äëÿ çàäà÷è ñ âîçðàñòàíèåì àìïëèòóäû âèáðàöèé (íèæíèé ðèñóíîê)

© Перевод: Денис Юрченко, ЗАО «ЕМТ Р», 2008 г.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

также были реализованы с помощью средств пользовательского программирования (UDF). Расчеты напряженно-деформированного состояния упругих элементов ЛА были выполнены в программном комплексе ANSYS, который успешно применяется в аэрокосмической отрасли на протяжении многих лет. Реализация раздельного решения задачи взаимодействия жидкости и твердого тела (FSI) требует описания метода передачи перемещений из анализа НДС конструкции и аэродинамических сил из аэродинамического расчета. При этом для каждого анализа используется своя расчетная сетка. Модели для расчета аэродинамики и напряженно-деформируемого состояния существенно отличаются и часто являются несовместимыми, это особенно проявляется в промышленности, где модели обычно идут из различных отделов. В численной модели расчета аэроупругости, разработанной в политехническом институте Милана, процедура передачи данных из одной модели в другую основана на методе наименьших квадратов [3]. Этот метод применим для сложных геометрических конфигураций и, в отличие от многих других методов интерполяции данных, он обеспечивает сохранение количества движения и энергии, передаваемых между CFD и конечно-элементными моделями. Это является ключевым фактором обеспечения стабильности при расчете таких явлений, как флаттер. В самом деле, генерация или диссипация «паразитной» энергии, возникающей из-за применения различных схем интерполяции, может повлиять на стабильность расчета. Оценка условий возникновений флаттера и появления неустойчивости, основанная на анализе линеаризованных решений, необходима для сертификации аэроупрогого состояния фюзеляжа. В случае существенных нелинейностей в поле скоростей, необходимо оценить стабильность каждого перемещения, связанного с соответствующей точкой равновесия аэроупругой системы. Следовательно, любой планер может потенциально принять различное устойчивое состояние. Однако, если нет резких изменений в поле скоростей, целесообразно рассматривать линеаризацию в окрестности отдельного режима полета, соответствующего устойчивому состоянию в соседних точках, которые характеризуются малым отличием в массе и жесткости и, следовательно, малыми изменениями в состоянии планера. В работе [4] для исследования стабильности использовался численный эксперимент, в котором устойчивость определялась при помощи анализа нарастания или затухания кривой динамической реакции. Такой подход требует чрез-

www.ansyssolutions.ru

вычайно много времени для реализации, так как необходимо проводить большое число вариантных расчетов, чтобы охватить весь диапазон условий возникновения флаттера. С другой стороны, подход, основанный на использовании CFD для аэродинамического моделирования при трансзвуковых скоростях, является более предпочтительным и промышленно ориентированным. В классическом расчете флаттера результаты, полученные при таком подходе, являются линеаризированной моделью относительно частоты или интервала времени, которые могут быть использованы как эффективный инструмент для оценки границы устойчивости и анализа реакции при динамическом нагружении. Из соображений исключения возможных источников ошибок должна быть реализована также и процедура дублирующего расчета в сопряженной нелинейной постановке. Эта альтернативная процедура может быть использована для верификации точек неустойчивости, полученных при использовании упрощенного линеаризированного подхода. Для этих целей можно достаточно просто реализовать прямое интегрирование по времени на основе слабосвязанного раздельного алгоритма. Для моделирования структурных деформаций планера расчетная сетка CFD-модели должна модифицироваться на каждом временном шаге, чтобы соответствовать новой форме планера. Деформация сетки существенно замедлет процесс CFD-расчета. Для повышения скорости счета было решено отказаться от нелинейных моделей деформации сетки. Вместо этого использовалась упругая аналогия для описания деформируемой сетки. Сетка представлялась как некий линейный упругий континуум с локальным модулем Юнга, пропорциональным минимальному размеру каждого элемента. Структурная аналогия предоставляет гибкие возможности по выбору свойств материала, которые будут влиять на характер деформации сетки. Более того, посредством деления жидкостного объема на отдельные зоны процесс деформации можно настроить подбором соответствующих свойств материала. В результате получился очень гибкий и устойчивый алгоритм деформации сетки. Структурная модель представляла собой набор форм колебаний. Для ускорения счета была исследована линеаризация задачи, посредством суперпозиции деформаций сетки CFD-модели, рассчитанных для каждой формы колебаний. Все деформации сетки, связанные с каждой формой колебаний, рассчитывались один раз и сохранялись в базе данных. Особое внимание необходимо уделить описанию движения основных поверхностей,

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

21

Технологии

22

Ðèñ. 3. ßâëåíèå óìåíüøåíèÿ ñêîðîñòè ôëàòòåðà íà òðàíñçâóêå õîðîøî îïèñûâàåòñÿ ðàçðàáîòàííîé ìîäåëüþ àýðîóïðóãîñòè

Ðèñ. 5. Ôðàãìåíòû ðàñ÷åòíîé ñåòêè è ïðèìåð íåêîíôîðìíîãî èíòåðôåéñà

Ðèñ. 4. Ðåçóëüòàòû ìîäàëüíîãî àíàëèçà äëÿ êðûëà AGARD 445.6 ïðè ÷èñëå M = 0.678 è F. I. = 0.34 (âåðõíèé ðèñóíîê) è 0.5 (íèæíèé ðèñóíîê) так как вращение поверхности может изменить топологию области решения CFD-модели. Качественное описание таких условий в идеале требует перестроения расчетной сетки в процессе нестационарного счета, при этом такой подход существенно увеличивает время счета. Для эффективного преодоления этой трудности использовались неконформные интерфейсы. Это позволило отдельным ячейкам области решения вблизи подвижных поверхностей деформироваться отдельно от всей расчетной сетки. Разработанная методика моделирования аэроупругости была применена к крылу AGARD 445.6, которое является классической тестовой задачей аэроупругости [5]. Результаты расчета, полученные при помощи разработанной методи-

www.ansyssolutions.ru

ки, хорошо согласуются с экспериментальными исследованиями трансзвукового режима обтекания ЛА. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1.

Isogai K.: On the Transonic-dip Mechanism of Flutter of a Sweptback Wing. AIAA Journal, 17: 735-795, 1979.

2.

Cavagna L., Quaranta G., Ghiringhelli G. L. and Mantegazza P.: Efficient Application of CFD Aeroelastic Methods Using Commercial Software. In International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics IFASD-2005, Munich, Germany, June 28 — July 1 2005.

3.

Quaranta G., Masarati P. and Mantegazza P.: A Conservative Mesh-free Approach for Fluidstructure Interface Problems. Papadrakakis, M., Oñate, E. and Schrefler, B., Editors, in International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering, CIMNE, Santorini, Greece, 2005.

4.

Melville R.: Nonlinear Mechanisms of Aeroelastic Instability for the F-16. AIAA Paper 2002-0871, January 2002.

5.

Yates E.C.: AGARD Standard Aeroelastic Configurations for Dynamic Response. I wing 445.6.

R 765, AGARD,1985.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Технологии

Создание и верификация CFD-модели лопатки ГТД в сопряженной постановке Денис Юрченко, к. т. н., ЗАО «ЕМТ Р»

Газотурбинные двигатели (ГТД) являются сложными и наукоемкими изделиями, в которых наиболее термонапряженным элементом считается рабочая лопатка. Постоянное стремление к повышению кпд современных ГТД обусловливает увеличение температуры и давления на входе в лопаточный аппарат, что в свою очередь приводит к необходимости более точного и подробного расчета температурного поля лопатки. Это важно для контроля предельных локальных температур и температурных градиентов, что определяет напряженнодеформированное состояние лопатки, которая часто работает в условиях с предельнодопустимыми напряжениями. Для расчета теплового состояния лопаток ГТД существует ряд традиционных методик, основанных на задании граничных условий третьего рода на поверхностях теплообмена лопаток, известных из экспериментальных исследований и представленных в виде критериальных зависимостей, проведении гидравлического расчёта охлаждающего тракта при помощи экспериментально известных коэффициентов местного гидравлического сопротивления. И, наконец, на разбиении тела лопатки на отдельные зоны, в пределах которых для усредненных теплофизических характеристик и коэффициентов теплоотдачи рассчитываются средние температуры. При использовании таких методик тепловой и гидравлический расчёты осуществляются раздельно. Коэффициенты теплоотдачи должны быть известны или получены с помощью ряда специальных и дорогостоящих экспериментов для конкретной системы охлаждения в необходимом диапазоне режимных и геометрических параметров. Таким образом, вследствие усреднения температур, коэффициентов теплоотдачи и теплофизических характеристик по отдельным зонам лопатки традиционные методики не позволяют определять с высокой точностью локальные перегревы, а также напряжения и деформации, что часто является проблемой для инженеров-про-

www.ansyssolutions.ru

ектировщиков. Это утверждение справедливо даже при использовании критериальных зависимостей для расчета локального теплообмена на поверхности лопатки, так как существует проблема определения точки перехода режима течения, которая может приводить к ощутимым ошибкам при расчете теплообмена. Более того, поскольку традиционные методики не позволяют проводить совместный учет особенностей газодинамических процессов при наружном обтекании и внутреннем охлаждении лопатки и теплопроводности в теле лопатки (сопряженные задачи теплообмена), то при проектировании новых изделий есть риск получения неверных решений. В последние годы интенсивно развиваются так называемые CFD (Computational Fluid Dynamics) методы (методы вычислительной гидродинамики), основанные на современных компьютерных технологиях, новейших математических моделях процессов переноса, а также эффективных и высокоточных численных алгоритмах. Разработанные CFD-программы позволяют строить CFD-модели, которые являются физико-математическим представлением исследуемого объекта и/или процесса, основанным на численном решении системы уравнений Навье-Стокса, реализованным, как правило, в среде компьютерной программы. Такие CFD-модели разрабатываются, в том числе, и для расчета теплового состояния лопаток ГТД в сопряженной постановке, что подразумевает расчет теплообмена на границе между жидкостью и твердым телом при граничных условиях четвертого рода (условиях сопряжения). Теплообмен между жидкостью и твердым телом в сопряженной постановке определятся из совместного решения уравнений переноса и энергии в области жидкости и уравнения теплопроводности в области твердого тела. Под разработкой CFD-модели подразумевается процесс компьютерного представления таких составляющих CFD-модели, как геометрия исследуемого объекта, расчетной сетки рассматриваемой

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

23

Технологии

24

геометрии исследуемого объекта, граничных условий и физических свойств материалов исследуемого объекта, модели турбулентности, а также параметров численного решения системы уравнений Навье-Стокса. При использовании CFD-технологий появляется возможность использования полной трехмерной геометрической модели лопатки без упрощений. При этом нет необходимости упрощать физические процессы течения и взаимодействия газов с телом лопатки. Поля температур исследуемой лопатки, а также основанные на них поля напряжений и деформаций могут рассчитываться в любом количестве локальных точек, необходимом инженеру-проектировщику. Таким образом, CFD-модели теплового состояния лопаток ГТД в сопряженной постановке лишены недостатков, присущих традиционным методикам расчета температур отдельных зон лопатки, и потенциально обладают более высокой точностью, а также значительно большей информативностью. Поэтому вычислительный эксперимент на основе CFD-моделей приближается по своим качествам к натурному эксперименту, а сами модели часто называют виртуальными стендами. CFD-модели, или виртуальные стенды, обладают потенциальными возможностями дополнения или замены натурных стендов или натурных экспериментов для получения новых данных по теплообмену, в частности в виде критериальных зависимостей, что является весьма важным на практике. Однако при применении таких моделей для проектирования и оптимизации параметров ответственных деталей и узлов ГТД важным является вопрос проверки и обеспечения адекватности таких моделей реальным процессам, происходящим в деталях и узлах. Эти процедуры называют верификацией модели, настройкой или идентификацией и т. д. параметров модели. Обычно под идентификацией подразумевается способ выбора такой структуры и (или) значений параметров разработанной CFD-модели, для которых расчетные характеристики близки к характеристикам, известным из натурного эксперимента или представленных в литературе. В научной литературе для верификации модели в основном используют экспериментальные данные измерений температур, давлений, скоростей, расходов газов в каналах и др. на моделируемых лопатках ГТД. При отсутствии экспериментальных данных для моделируемого изделия, вопрос обеспечения адекватности CFD-модели теплового состояния изделия становится очень актуальным. Использование CFD-моделей при построении новых критериальных зависимостей для

www.ansyssolutions.ru

À

Á

 Ðèñ. 1. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà: à — ïîëå êîýôôèöèåíòîâ òåïëîîòäà÷è íà âíåøíåé ïîâåðõíîñòè ëîïàòêè; á — íà ïîâåðõíîñòè êàíàëà îõëàæäåíèÿ; â — ïîëå òåìïåðàòóð ëîïàòêè

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

расчета теплоотдачи сложных деталей также является важным научным вопросом. Была разработана трехмерная CFD-модель теплового состояния рабочей охлаждаемой лопатки ГТД при трансзвуковом течении газа в межлопаточном канале и течении воздуха в оребренном канале охлаждения лопатки в двухсторонней сопряженной постановке, которая позволила получить подробные поля температур, давлений, скоростей в области решения, а также поля коэффициентов теплоотдачи на теплообменных поверхностях лопатки. Разработана методика верификации CFDмоделей теплового состояния исследуемых объектов в сопряженной постановке, не требующая обязательного наличия экспериментальных температурных измерений в отдельных точках исследуемого объекта, а позволяющая использовать представленные в литературе критериальные зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи на поверхностях теплообмена. Разработанная методика носит общий характер и применима к любым CFD-моделям в сопряженной постановке. Проведена верификация модели теплового состояния охлаждаемой лопатки ГТД по теплообмену в межлопаточном канале и гидравлическому сопротивлению системы охлаждения лопатки. Отметим, что отличие эмпирически полученных величин коэффициентов теплоотдачи от полученных при помощи CFD-модели не превышает 17%, а величина гидравлического сопротивления системы охлаждения, рассчитанная по традиционной методике, на 3.1% отличается от полученной в CFD-модели. Сравнение поля температур в среднем сечении исследуемой лопатки ГТД, полученного при помощи CFD-модели с экспериментальными значениями, показало, что максимальное отличие величин температуры не превышает 1.5% (до 11 °С). Значения расходов в канале охлаждения и межлопаточном канале сравнивались с экспериментальными данными, отличие не превышало 1.5%. Проведен качественный анализ гидродинамики в канале охлаждения и межлопаточном канале лопатки ГТД, который показал существование всех основных вихревых структур и закономерностей при течении газов в модели охлаждаемой лопатки ГТД, что также подтверждает адекватность разработанной модели. При расчете напряженно-деформируемого состояния рассматриваемой лопатки использовалось полученное при помощи CFDмодели поле температур охлаждаемой лопатки ГТД (для учета термических расширений), а также учитывалось действие массовых сил в

www.ansyssolutions.ru

25

Ðèñ. 2. Ïîëå òåìïåðàòóð â ñðåäíåì ñå÷åíèè îáëàñòè ðåøåíèÿ результате вращения лопатки с частотой 50000 об/мин. Также, используя такой подход, представляется возможным учесть и гидродинамические силы, действующие на профиль лопатки, однако в данном расчете они не учитывались. Таким образом, подобный подход к расчету лопаток ГТД позволяет провести все этапы расчета: гидродинамический, тепловой, прочностной и, следовательно, полностью замкнуть процесс проектирования лопатки ГТД.

Ðèñ. 3. Äåôîðìèðîâàííîå ñîñòîÿíèå ëîïàòêè ÃÒÄ âñëåäñòâèå òåðìè÷åñêèõ ðàñøèðåíèé è äåéñòâèÿ ìàññîâûõ ñèë ïðè âðàùåíèè ëîïàòêè ñ ÷àñòîòîé 50000 îá/ìèí

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Технологии

Численное исследование методов повышения качества стали с помощью CFD

26

Laszlo Nagy, Tamas Regert, Tamas Lajos, Budapest University of Technology, Будапешт, Венгрия; Arpad Szelig, Dunaferr Company, Дунауйварош, Венгрия

Производство высококачественной стали является многоступенчатым процессом. После начального периода нагрева, перемешивания и химической реакции в конвертерной печи расплавленная смесь поступает в ковш. Далее в смесь добавляются легирующие составляющие, а газообразные и твердые загрязняющие агенты удаляются посредством процедуры очистки. Как правило, при легировании и очистке через ковш пропускается аргон в виде пузырьков газа для равномерного перемешивания смеси. Газ поступает с днища ковша, и поднимающаяся

Ðèñ. 1. Ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ âíóòðè êîâøà ïðåäñòàâëåíà â âèäå öâåòíûõ òðàåêòîðèé ïîòîêà (â çàâèñèìîñòè îò âðåìåíè ïðèñóòñòâèÿ). Ñèíèå çîíû îòíîñÿòñÿ ê ðàííåé òðàåêòîðèè ñòðóè àðãîíà, à êðàñíûå çîíû ïîÿâèëèñü ïîñëå íåñêîëüêèõ ïåòåëü öèðêóëÿöèè. «Ìåðòâàÿ» çîíà íàõîäèòñÿ òàì, ãäå áûë èäåíòèôèöèðîâàí ñëàáûé ïîòîê: âîçëå äíèùà êîâøà è íàïðîòèâ ñòðóè àðãîíà

www.ansyssolutions.ru

при этом струя пузырьков вызывает циркуляционные потоки, которые играют очень важную роль в определении качества конечного продукта — стали. Вследствие высоких температур расплавленного металла и отсутствия возможности непосредственного доступа к содержимому ковша, вычислительная гидродинамика (CFD) является полезным инструментом для исследования физических процессов в ковше и визуализации структуры потока при таких условиях. В 2006 году специалисты компании Dunaferr Co. использовали CFD для исследования процессов перемешивания и очистки металла в металлургическом ковше. Для корректного моделирования структуры восходящих завихренных потоков аргона в уравнения были введены дополнительные источники моментов, локализованные в областях завихрения газа. Было проанализировано поведение групп пузырьков в жидкости с учетом плавучести. Эта сила зависит от относительного объема пузырьков аргона в стали, т. е. от удельного массового расхода газа аргона, локального давления, вертикальной скорости стали и относительной скорости пузырьков. Разработанная модель также учитывает нагрев газа и увеличение размеров пузырьков по мере их подъема. Модель была верифицирована путем измерения времени подъема пузырьков аргона как в перемешиваемой, так и в неперемешиваемой (статической) стали. Следует отметить, что в ковше большая часть поверхности расплавленной стали покрыта слоем шлака. Этот слой выполняет несколько важных функций. Он предохраняет сталь от окисления и слишком быстрого охлаждения, а также «захватывает» твердые загрязняющие агенты, такие как частицы окиси алюминия. Вследствие большей вязкости они значительно крупнее частиц стали. Слой шлака можно смо-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

27

Ðèñ. 2. Ïîëå âåêòîðîâ ñêîðîñòè âíóòðè êîâøà. Õîðîøî âèäíî, ÷òî öèðêóëÿöèÿ ïðîèñõîäèò äàæå íà çíà÷èòåëüíîì óäàëåíèè îò âõîäíîãî ñîïëà делировать достаточно точно, представив его в виде твердой стенки. Однако поднимающаяся смесь аргона и стали в области струи прорывается сквозь слой шлака и формирует открытую зону на поверхности стали. Через это отверстие в поверхности шлака аргон уходит в прилегающий воздух, а жидкая смесь остается открытой. Диаметр такого отверстия зависит от скорости потока аргона, и для его определения необходимо использовать модель свободной поверхности. Течение со свободной поверхностью сначала было смоделировано в двумерной постановке, а затем были созданы более строгие трехмерные модели, позволяющие исследовать характеристики нестационарного потока в расплавленной стали в присутствии струи газа, легирующих примесей и шлаковых агентов. Размеры открытых областей были рассчитаны для широкого диапазона расхода аргона. При этом результаты вычислений достаточно хорошо согласовывались с экспериментальными данными. По результатам первоначальных CFD-расчетов были локализованы «мертвые» зоны, т. е. зоны с низкими скоростями потоков, которые ухудшают процесс перемешивания расплавленного металла. Такие зоны были обнаружены даже в случае, когда скорость потока аргона была значительна увеличена. В дополнение к исследованию траекторий движения потоков были построены поверхности, которые отображают различные уровни турбулентности в ковше. Турбулентность дает существенный вклад в процесс перемешивания, и поэтому эти характеристики помогают определить границы, в которых одиночная струя ар-

www.ansyssolutions.ru

гона приводит к интенсивному перемешиванию. Результаты CFD-моделирования также использовались для определения времени, необходи-

Ðèñ. 3. Âñëåäñòâèå âûñîêèõ òåìïåðàòóð ðàñïëàâëåííîãî ìåòàëëà è îòñóòñòâèÿ âîçìîæíîñòè íåïîñðåäñòâåííîãî äîñòóïà ê ñîäåðæèìîìó êîâøà, âû÷èñëèòåëüíàÿ ãèäðîäèíàìèêà (CFD) ÿâëÿåòñÿ ïîëåçíûì èíñòðóìåíòîì äëÿ èññëåäîâàíèÿ ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â êîâøå

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Технологии

28

мого для достижения однородного распределения легирующих элементов, добавленных в расплавленный металл из различных точек ввода. Эти результаты позволяют сравнивать эффективность различных точек ввода легирующих материалов. Помимо этого, была рассмотрена еще одна модель, позволяющая описать процесс «захвата» частиц окиси алюминия в период перемешивания. В качестве начальных условий предполагалось, что крошечные частицы диаметром от 5 до 10 мкм равномерно распределены по объему стали. Траектории этих частиц зависели от подъемной силы и от степени турбулентности, вызванной струей аргона. Когда частицы достигали нижней поверхности слоя шлака, они захватывались и удалялись из расплавленного металла. На основе серии расчетов были выведены соотношения для скорости захвата как функции времени очистки, скорости потока газа и диаметра частицы. Эти соотношения в настоящее время используются для определения важных технологических параметров в ковшовой металлургии.

Ðèñ. 4. Èçîïîâåðõíîñòè êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè òóðáóëåíòíîñòè âíóòðè êîâøà. Âèäíî êàê ýòà ýíåðãèÿ óìåíüøàåòñÿ ïî ìåðå óäàëåíèÿ îò ñòðóè ãàçà âñëåäñòâèå ïðîöåññîâ äèôôóçèè è äèññèïàöèè. Òóðáóëåíòíîñòü äàåò ñóùåñòâåííûé âêëàä â ïðîöåññû ïåðåìåøèâàíèÿ, ïðîèñõîäÿùèå â êîâøå

Расчет гидродинамики искусственного сердечного насоса Исследователи Кливлендского Клинического Фонда (Cleveland Clinic Foundation) используют ANSYS CFX для совершенствования технологии изготовления медицинских катетеров и ротаци-

онных насосов для пациентов с заболеваниями сердца. Подобные насосы поддерживают кровоток в теле пациента в период ожидания трансплантации сердца или во время других хирурги-

Ðèñ. 1. Ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ íà âõîäå â íàñîñ

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

29

Ðèñ. 2. Òðàåêòîðèè ïîòîêà âáëèçè ñòåíêè. Âèõðåîáðàçîâàíèÿ âîçëå íàðóæíîãî êðàÿ âïóñêíîãî òðàêòà ческих процедур. Катетерные насосы разработаны для поддержания кровотока в течение относительно ограниченного периода времени. Для их установки обычно используют бедренную артерию. Ротационные насосы разработаны для постоянного поддержания кровотока, иногда в течение месяцев, и они в буквальном смысле заменяют функцию сердца как кровяного насоса. Кливлендский Клинический Фонд обладает богатейшим опытом в области исследования искусственного сердца. Фонд существует уже более полувека. Доктор Willem J. Kolff в 1957 году впервые имплантировал искусственное сердце собаке. Сегодня использование методов вычислительной гидродинамики (CFD) позволяет разрабатывать искусственное сердце завтрашнего дня, которое будет меньше и безопаснее для пациентов. CFD позволяет исследователям визуализировать структуру течения крови внутри насоса и, соответственно, минимизировать потенциальные проблемы с потоком крови, которые могут угрожать жизни пациентов.

Катетерные насосы В 2005 году в Lerner Research Institute (LRI) инженер-исследователь Markus Lorenze выполнил работы по оптимизации конструкции катетерного насоса с диаметром колеса 4 мм и частотой вращения 60000 об/мин. Кроме колеса конструкция насоса включает также статорную часть и два постоянных магнита, работающих как подшипники в передней и задней частях насоса. Кровь поступает через переднюю часть насоса и выталкивается с боков под углом около 45 градусов. По мнению Lorenze такая конструкция явля-

www.ansyssolutions.ru

ется наилучшей для поддержания приемлемого уровня касательных напряжений в насосе, чтобы избежать возможности разрушения красных кровяных телец. Если такое происходит, то пациент страдает от анемии и других проблем, связанных с повреждением клеток крови. Повреждение клеток крови является функцией уровней напряжений и длительности их воздействия. Если время воздействия мало, то можно допустить и более высокие уровни напряжений. Кроме этого, разработчики насосов должны избегать любых конструкций с зонами пониженных скоростей или с рециркулирующими потоками внутри насоса. Они вызывают застой крови, потенциально ведущий к опасному для жизни свертыванию крови. При проектировании Lorenze и его команда использовали программные комплексы BladeGen и ANSYS CFX, разработанные компанией ANSYS Inc. Первая стадия проекта состояла в разработке конструкции впускного неподвижного тракта, обеспечивающего минимальное падение давления, которое могло бы повредить клетки крови. Кроме этого решалась задача оптимизации поля течения на входе во вращающееся колесо. Данные, полученные при моделировании течения в статоре, позволили разработчикам LRI усовершенствовать лопасти миниатюрного колеса и подобрать оптимальный угол установки лопасти. Для оптимизации конструкции насоса инженеры LRI использовали сочетание натурных испытаний прототипа и компьютерного моделирования течения в насосе. Сначала специалисты Parametric Technology Corp. построили объ-

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Технологии

30

Ðèñ. 3. Îòîáðàæåíèå ñòðóêòóðû òå÷åíèÿ â òðàêòå íàñîñà â âèäå âåêòîðîâ. Íàñîñ áûë ñêîíñòðóèðîâàí òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ìèíèìèçèðîâàòü óðîâíè êàñàòåëüíûõ íàïðÿæåíèé è îáðàçîâàíèå âèõðåé, êîòîðûå óâåëè÷èâàþò âðåìÿ ïðåáûâàíèÿ êðîâè â íàñîñå емную модель насоса в Pro/Engineer. Далее эта модель была использована для создания стереолитографической модели прототипа насоса. Прототип позволил исследователям получить основные характеристики базовой конструкции

насоса. Однако испытания прототипа оказались действительно полезными только для оценки общей работоспособности насоса. «С помощью CFX мы смогли визуализировать поле течения внутри насоса, — сказал Lorenze. — Вначале мы

Ðèñ. 4. Ïîëíàÿ ìîäåëü íàñîñà, âêëþ÷àþùàÿ âïóñêíîé òðàêò è âûõîäíóþ ÷àñòü

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

31

Ðèñ. 5. Âíåøíèé âèä ñåòêè â ìåðèäèîíàëüíîì ñå÷åíèè âïóñêíîãî òðàêòà íàñîñà. Õîðîøî âèäíû ïðèçìàòè÷åñêèå ñëîè âîçëå ñòåíêè, íåîáõîäèìûå äëÿ êîððåêòíîãî ðàñ÷åòà õàðàêòåðèñòèê òóðáóëåíòíîãî ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿ обнаружили вихри ниже лопастей насоса по течению. Это являлось проблемой, поскольку увеличивало время пребывания крови в насосе и ухудшало общие эксплуатационные характеристики». «Результаты анализа также использовались для оптимизации конструкции лопастного колеса с тем, чтобы уровни касательного напряжения внутри насоса, а также время нахождения потоков крови в насосе, были минимизированы, — добавил Lorenze. — Клетки крови, подверженные высоким уровням касательного напряжения в течение длительного времени, могут быть повреждены или уничтожены». Первоначальная модель насоса включала только статор и ротор. Общая длина модели катетера составляла около 170 мм, наружный диаметр колеса равнялся ~4 мм. Окончательная гибридная сетка состояла примерно из 900000 узлов и более чем из 3-х миллионов тетраэдрических элементов. Однако для получения результатов, которые хорошо бы коррелировали с экспериментальными результатами, было важно включить в модель геометрию впускной и выпускной частей насоса. Использовалась SST-модель турбулентности и схема аппроксимации высокого порядка. Для достижения сходимости потребовалось 400 итераций и 20 часов вычислений на 4-х процессорах с частотой 2 ГГц.

обратной связи активного контроля. Собственно насос состоит из лопастного колеса, имеющего необычную конструкцию, которая содержит все вращающиеся узлы насоса. Также имеется мотор-статор, статор на магнитных подшипниках с внутренним регулированием и спиральный корпус. Два постоянных магнита внутри лопастного колеса и шесть обмоток с медной проволокой в статоре объединены для создания бесщёточного двигателя постоянного тока для привода насоса. В настоящее время испытания прототипов обоих насосов помогают определить объем происходящего гемолиза, и оба насоса подготовлены для испытаний на животных, что является первым шагом к их коммерческому использованию.

Ротационные насосы Новые конструкции ротационных насосов или насосов для долговременной поддержки работы сердца также проектируются с использованием CFD-технологий. В отличие от присутствующих в настоящее время на рынке устройств, разработка LRI не требует датчиков положения или

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 6. Âåêòîðû ñêîðîñòè èëëþñòðèðóþò ïîëå òå÷åíèÿ â òðåõ èçìåðåíèÿõ

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Технологии

Моделирование кавитации гребного винта в ANSYS Fluent

32

Shin Hyung Rhee, Huiying Li, Fluent Inc., Takafumi Kawamura, University of Tokyo, Токио, Япония

Явление кавитации* ухудшает характеристики движителя, повреждает поверхности гребных винтов (кавитационная эрозия), создает шум и вибрации корпуса судна. Однако с повышением нагрузки на винты возникновение кавитации неизбежно. Поэтому определение влияния кавитации становится даже более важной задачей, чем улучшение характеристик движителя в целом. Натурные испытания позволяют получить ценные сведения о физике процесса кавитации при различных условиях, но стоимость подобных работ достаточна велика. Математические модели процесса кавитации разрабатываются уже на протяжении двух десятилетий. Условно их можно разделить на две группы: однофазное моделирование с отслеживанием определенных критериев, определяющих вид движения, например, числа кавитации, и многофазное моделирование. Модели первой группы подходят для моделирования течения жидкости без учета вязкости. Модели второй группы используются при моделировании вязких потоков, для которых решаются осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса. Они позволяют учесть эффект сжимаемости газа, турбулентные пульсации, расширение и сжатие кавитационного пузырька. Кавитационная модель, заложенная в программный комплекс Fluent, основана на популярной модели Singhal [1]. Данная модель учитывает эффекты первого порядка, такие как изменение фазы, динамика кавитационного пузырька (с учетом действия сил поверхностного натяжения) и неконденсируемые газы. Кроме этого существует возможность учета эффекта проскальзывания между жидкой и газообразной фазами. В качестве объекта для верификации модели кавитации был выбран четырехлопастной

гребной винт MP 017 (рис. 1), спроектированный в University of Tokyo (Япония). Полученные для данного винта кавитационные характеристики оказались лучше технических требований, предъявляемых MAU для данного класса гребных винтов.

Ðèñ. 1. 3D-ìîäåëü ãðåáíîãî âèíòà MP 017 Расчетная область имела следующие геометрические размеры: протяженность входного участка равнялась ~1.5D, где D — диаметр пропеллера; длина выходного участка составляла ~3.5D. Моделировалась только одна лопасть винта, соответственно был вырезан сектор в 90° и на боковых поверхностях установлено условия периодичности потока. Гибридная сетка размерностью порядка 187 тыс. элементов была построена с помощью сеточных генераторов GAMBIT и TGrid (рис. 2).

* Кавитация — процесс образования в движущейся жидкости парогазовых полостей с последующим их «схлопыванием». При попадании в область повышенного давления кавитационный пузырек не всегда схлопывается: он может лишь уменьшиться в размерах. Если пузырек содержит достаточно много газа, то, достигнув минимальных размеров, он начинает снова расти и, таким образом, совершает несколько циклов затухающих колебаний. Если в пузырьке мало газа, то под действием повышенного давления размеры пузырька быстро уменьшаются, а схлопывание пузырька сопровождается гидравлическими ударами — кавитационной эрозией.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Поверхность лопасти разбивалась треугольными элементами. На кромках лопасти и в области сопряжения лопасти и втулки использовалась более мелкая сетка (с базовым размером ~0.001D). Остальные поверхности были разбиты более крупными элементами (~0.1D). Кроме этого на поверхности лопасти и втулке были сгенерированы четыре слоя призм. Высота первой призмы равнялась приблизительно 10-5 D, что соответствует диапазону y+ от 3 до 50. Все остальное пространство было разбито тетраэдрическими элементами с Stretching Ratio ~1.1.

Òàáëèöà 1. Ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ìîäåëèðîâàíèÿ è íàòóðíûõ èñïûòàíèé Óñëîâèÿ KT (èçìåð.)

KT (ñìîäåë.)

KQ (èçìåð.)

KQ (ñìîäåë)

J = 0.2 è σ = 2.0 0.297 0.289 0.0376 0.0384

Что хорошо отображено на диаграмме, построенной по результатам натурных испытаний и численного эксперимента (см. рис. 3).

Ðèñ. 3. Ãðàôèêè çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòîâ óïîðà ãðåáíîãî âèíòà (KT) è êðóòÿùåãî ìîìåíòà (KQ) îò ÷èñëà êàâèòàöèè σ

Ðèñ. 2. Âíåøíèé âèä ïîâåðõíîñòíîé ñåòêè äëÿ 1/4 ìîäåëè ãðåáíîãî âèíòà Были установлены соответствующие граничные условия для моделирования течения вокруг вращающегося винта в спокойной воде: на входе был задан равномерный поток с интенсивностью турбулентности порядка 1%, на поверхностях лопасти и втулки задано условие прилипания, на выходе — условие проскальзывания. Основная цель моделирования состояла в определении коэффициентов упора (KT) и крутящего момента (KQ) гребного винта как функций числа кавитации: σ = (p — pv)/(0,5ρv2), где p — давление в окружающей жидкости, pv — давление газа внутри пузырька (давление насыщенного пара). Результаты расчета сведены в таблицу 1. Здесь J — есть отношение скорости набегающего потока к значению окружной скорости на конце лопасти. Кавитация гребного винта служит причиной снижения его тяги. Значения KT, и KQ падают при росте числа кавитации выше σ = 2.0.

www.ansyssolutions.ru

При значениях J = 0.2 и σ = 2.0 была получена весьма хорошая сходимость результатов компьютерного моделирования и эксперимента (рис. 4—5). Однако в численных расчетах каверна замыкалась на профиле лопасти, тогда как в эксперименте каверна заканчивалась за телом (т. н. суперкавитация) и присутствовали вихревые жгуты. Причиной этому может служить недостаточный уровень дискретизации сетки в районе кромок лопастей.

Ðèñ. 4. Âèçóàëüíîå ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ÷èñëåííîãî ýêñïåðèìåíòà è íàòóðíûõ èñïûòàíèé Результаты натурных испытаний подтвердили адекватность построенной математической модели обтекания лопасти гребного винта с учетом явления кавитации. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1.

A. K. Singhal, M. M. Athavale, H. Y. Li, Y. Jiang, J. Fluids Eng. Trans., ASME, 2002, V. 124, p. 617-624.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

33

Технологии

Моделирование течения многофазного потока в трубопроводе с ловушкой для конденсата

34

Justin Penrose and Phil Stopford, ANSYS, Inc.

В 2004 г. нефтяная компания BG Group обратилась к специалистам Genesis Oil & Gas Consultants с целью оценки потенциальной возможности увеличения производства газа на ее месторождении Мискар в Габесском заливе (Тунис). По результатам комплексных исследований стало очевидно, что главным узким местом в системе стала ловушка для конденсата, расположенная в конце трубопровода в Мискаре, на береговом терминале Hannibal. Ловушка для конденсата представляет собой шесть сепарационных труб, в которых под действием силы тяжести происходит разделение двух фаз: добытого газа и жидкого конденсата. Газ поступает вверх, в газовыпускной патрубок, а более тяжелая жидкость попадает сквозь короткие стояки в длинные патрубки для жидкости, где происходит ее накопление. Если волна газожидкостной смеси за 20-минутный период после

ежедневной чистки трубопровода слишком велика, то жидкость может перелиться в газовыпускной патрубок, вызывая таким образом проблемы ниже по потоку. Поэтому сотрудникам Genesis Oil & Gas необходимо было узнать, имеет ли существующая ловушка для конденсата пропускную способность, которая позволяет справиться с большими потоками газа и жидкости. Если нет, то необходимо будет построить новую ловушку для конденсата стоимостью более 25 миллионов долларов.

Ðèñ. 2. Âíåøíèé âèä ðàñ÷åòíîé ñåòêè äî àäàïòàöèè

Ðèñ. 1. Ïîñòóïàþùèé èç òðóáîïðîâîäà ïîòîê ðàñïðåäåëÿåòñÿ êîëëåêòîðîì ïî øåñòè ñåïàðàöèîííûì ïàòðóáêàì ëîâóøêè äëÿ êîíäåíñàòà. Áîëåå ëåãêèé ãàç ïîïàäàåò ââåðõ â êîëëåêòîð, ïðîõîäÿ ê âûïóñêíîìó îòâåðñòèþ, òîãäà êàê æèäêîñòü ïðîòåêàåò âíèç ÷åðåç ñòîÿêè è ïîïàäàåò â âîäÿíûå ïàòðóáêè

www.ansyssolutions.ru

Для оценки пропускной способности ловушки для конденсата специалисты Genesis попросили компанию ANSYS смоделировать поведение нестационарного двухфазного потока жидкости в системе. Для моделирования течения двухфазного потока использовалась модель Эйлера ANSYS CFX, которая позволяет достаточно точно предсказать возможность переливания жидкости и проследить движение газожидкостной поверхности раздела через трубопроводную систему. Обычно узким местом в подобных расчетах является размерность расчетной сетки, которая значительно увеличивает время

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

35

Ðèñ. 3. Ïðèìåð íåñòàöèîíàðíîé àäàïòàöèè ñåòêè íà ãðàíèöå ðàçäåëà ãàç-æèäêîñòü: ñèíèé öâåò îòîáðàæàåò ãàç, êðàñíûé — æèäêîñòü

Ðèñ. 4. Ñðàâíåíèå ìàêñèìàëüíîé âûñîòû æèäêîñòè äëÿ ñóùåñòâóþùåé ñêîðîñòè ïîòîêà è ñêîðîñòè ïîòîêà, óâåëè÷åííîé íà 45%.  îáîèõ ñëó÷àÿõ íå ïðåäñêàçûâàåòñÿ ïåðåëèâàíèå æèäêîñòè â ãàçîâûé êàíàë расчета в случае нестационарного процесса. Тем не менее, если использовать адаптацию сетки только на границе раздела двух фаз, можно уменьшить общий размер сетки на порядок. Пиковые уровни жидкости рассчитывались для скорости газожидкостного потока в существующем трубопроводе и для скорости потока, увеличенной на 45%. Было установлено, что максимальная высота жидкости в сепарационных патрубках значительно возрастает при увеличении скорость потока, однако не было обнаружено катастрофического переливания жидкости в газовыпускной патрубок. В результате был сделан вывод, что существующая ловушка для конденсата сможет справиться с возросшей пропускной способностью трубопровода. Инновационный характер данной работы был признан, когда тунисская команда компании BG, включая и авторов данной статьи, получила премию BG GROUP Chief Executive Innovation Awards Scheme за 2004 год.

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 5. Íà ôîòîãðàôèè ëîâóøêè äëÿ êîíäåíñàòà íà òåðìèíàëå «Ãàííèáàë» õîðîøî âèäíà âïóñêíàÿ òðóáà è êîëëåêòîð, à òàêæå êîðîòêèå ñåïàðàöèîííûå ïàòðóáêè íàä çíà÷èòåëüíî áîëåå äëèííûìè ïàòðóáêàìè äëÿ ñáîðà æèäêîñòè

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Мастер класс

Обзор возможностей ANSYS ICEM CFD по исправлению некачественной геометрии

36

Kevin Dewey, ANSYS, Inc., Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р»

После импорта геометрии из CAD-пакета в сеточный генератор ICEM CFD довольно часто обнаруживаются некоторые дефекты в исходной геометрии: «теряются» галтели и фаски, образуются дополнительные наружные клиновидные поверхности или внутренние поверхности, неприсоединенные поверхности или совпадающие поверхности. Большая часть этих дефектов являются некритичными и могут быть устранены с помощью специальных инструментов ICEM CFD для лечения некачественной геометрии. Далее мы подробно рассмотрим эти средства ICEM CFD на примере геометрии литейной формы, полученной посредством лазерного сканирования (рис. 1).

Ðèñ. 2. Âèçóàëèçàöèÿ äåôåêòîâ ïîâåðõíîñòåé â ICEM CFD

Ðèñ. 1. Èñõîäíàÿ 3D ìîäåëü ëèòåéíîé ôîðìû ñ äåôåêòàìè Для начала попробуем напрямую восстановить топологию исходной геометрии с помощью команды Geometry→Repair→Build Topology. Результат выполнения этой операции показан на рис. 2. Обратите внимание на появившиеся желтые ребра, которые свидетельствуют о наличии в модели разрывов (дырок) в отдельных поверхностях. Теперь очевидно, что отсканированная геометрия содержит значительные дефекты и для их устранения необходимо использовать допол-

www.ansyssolutions.ru

нительные возможности ANSYS ICEM CFD, которые выделены в отдельный модуль под названием Mesh Prototyper. Для начала сориентируем модель по осям глобальной системы координат ICEM CFD. Для этого создадим на поверхности основания литейной формы три точки в произвольных местах, затем построим еще три дополнительных точки с координатами (0,0,0), (0,0,1), (1,0,1). Теперь с помощью команды Geometry→Transformation→ Translate and Rotate привяжем модель к глобальной системе координат (укажите связь между 3 точками на модели и точками с заданными координатами (опция 3 points→3 points)).

Ðèñ. 3. Ðåçóëüòàò âûðàâíèâàíèÿ ìîäåëè ïî îñÿì êîîðäèíàò

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Далее с помощью команды Facet Tools→ Dynamic Tracking восстановим некоторые базовые кривые (см. рис. 4). Для этого необходимо с помощью курсора последовательно выбрать узлы, лежащие в соответствующей плоскости, и замкнуть полученную кривую. Теперь следует восстановить коническую поверхность центрального отверстия. Т. к. это поверхность вращения, то для ее создания необ-

37

Ðèñ. 6. Ïðèìåð ïîñòðîåíèÿ ïîâåðõíîñòè âðàùåíèÿ

Ðèñ. 4. Âîññòàíîâëåíèå áàçîâûõ êðèâûõ ñ ïîìîùüþ îïåðàöèè Dynamic Tracking (DT)

Ðèñ. 7. Ïðèìåð âûïîëíåíèÿ îïåðàöèè Refill

Ðèñ. 5. Ðåçóëüòàò âûïîëíåíèÿ îïåðàöèè DT ходимо использовать команду Geometry→ Create Surface→Surface of Revolution (рис. 6). Для восстановления недостающего участка конической поверхности отверстия можно использовать альтернативный метод Facet Tools→ Repair Surface→Fill Surface (рис. 7). Следует отметить, что данная операция может быть применена только к гладким поверхностям. Кроме этого дефект поверхности, подобный тому, который изображен на рис. 8, можно устранить с помощью операции Facet Tools→ Repair Surface→Drop Surface. С помощью этой команды мы можем создать «заплатку» в виде четырехугольника, которая закроет разрывы в поверхности. Для исправления незначительных дефектов геометрии, например отверстий небольшого диаметра, можно использовать комбинированный подход. Сначала мы должны с помощью операции Trim Surface создать контур в виде многоугольни-

www.ansyssolutions.ru

ка вокруг отверстия и обрезать по контуру базовую поверхность. Затем для восстановления утраченной поверхности мы можем использовать операцию Facet Tools→Repair→Fill Surface. Довольно часто бывает необходимо выделить определенные поверхности в отдельную группу (Part). Для этого следует использовать команду Geometry→Create Faceted→Modify Surface→Move to New Surface (рис. 10). Далее рассмотрим еще один типичный дефект отсканированной геометрии, когда ребра фасеток поверхностной сетки неспроецированы на ограничивающие кривые (рис. 11).

Ðèñ. 8. Äåôåêò â ïëîñêîé ïîâåðõíîñòè

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Мастер класс

38

Ðèñ. 11. Íåñïðîåöèðîâàííûå ðåáðà ôàñåòîê — åùå îäèí òèïè÷íûé äåôåêò ãåîìåòðèè

Ðèñ. 9. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ êîìáèíèðîâàííîãî ïîäõîäà äëÿ èñïðàâëåíèÿ íåçíà÷èòåëüíûõ äåôåêòîâ Для проецирования ребер фасеток на кривую следует использовать команду Facet Tools→ Smooth Edges→Align to Curve: сначала мы указываем поверхность, затем выбираем все нужные ребра фасеток и далее указываем кривую, на которую будут спроецированы ребра (рис. 12). После исправления всех дефектов геометрии можно перейти к процессу генерации поверхностной сетки. Для начала необходимо задать глобальный размер элементов. Для этого переходим в закладку Facet Tools→Set Global Mesh Sizes и задаем следующие значения параметров меню Global Mesh: Scale Factor = 1, Max Element = 1, Natural Size (Enabled) = 0.25. Теперь определим размеры элементов на отдельных поверхностях: Facet Tools→Set Surface Mesh Sizes. Сначала выделим все поверх-

Ðèñ. 10. Ãðóïïèðîâàíèå ôàñåòîê è ïåðåíîñ èõ â îòäåëüíûé Part

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 12. Ðåçóëüòàò âûïîëíåíèÿ îïåðàöèè Align to Curve ности и установим значение Maximum size = 1. Затем выберем только маленькие отверстия и укажем для них Maximum size = 0.25. В заключение, для центрального отверстия установим значение Maximum size = 0.5. После выполнения всех указанных операций можно генерировать сетку. Для этого переходим в закладку Facet Tools→Create Mesh, оставляем все значения параметров по умолчанию и нажимаем Apply. В этой статье мы рассмотрели лишь небольшую часть возможностей ANSYS Mesh Prototyper по лечению некачественной геометрии. Также следует отметить, что для указанных целей в отдельных случаях предпочтительнее использовать ANSYS TGrid. Выбор того или иного программного средства зависит от качества исходной геометрии, т. е. от количества дефектов, которые необходимо исправить. Рабочий файл, который использовался для обзора базовых возможностей Mesh Prototyper (CastCover.stl), можно скачать с сайта www. ansys.msk.ru (раздел Демо-центр). Для загрузки Mesh Prototyper необходимо запустить ICEM CFD с ключом -app meshpro (рис. 13).

Ðèñ. 13. Çàïóñê Mesh Prototyper ÷åðåç êîìàíäíóþ ñòðî÷êó

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Мастер класс

Проектирование лопаточных машин Часть 2 Денис Хитрых, к. т. н., ЗАО «ЕМТ Р»

В первой части статьи (см. №5, 2006) мы рассказали об основных возможностях специализированных модулей ANSYS CFX для проектирования лопаточных машин: BladeModeler и TurboGrid. Во второй части статьи мы детально рассмотрим процесс расчета радиальной турбины в этих программных комплексах. Кроме этого, мы опишем процедуру построения расчетной модели турбины в ANSYS CFX: задание граничных условий, определение свойств рабочего тела, настройка решателя и пр. Вопрос моделирования задачи флаттера лопаток турбины будет рассмотрен в следующем номере журнала ANSYS Advantage.

Введение В настоящей статье мы расскажем о ключевых этапах моделирования течения в проточной части радиальной газовой турбины, а также построим основные кривые, характеризующие эффективность работы турбомашины. Для работы нам потребуются следующие программные продукты: BladeGen, TurboGrid (или CFX Mesh), а также ANSYS CFX (версии 11.0). Кроме этого, мы опи-

шем процедуру многовариантного расчета турбины с использованием DesignXplorer. Расчетная модель имеет размерность в 414 тыс. элементов и 192 тыс. узлов. Внешний вид турбины показан на рис. 1.

Создание геометрии в BladeGen В данном примере мы пропустим этап построения геометрии лопаточной машины. Мы будем использовать уже готовую параметризованную модель турбины. Запускаем BladeGen и открываем файл «Radial Turbine Rotor_m.bgd». На экране появятся 4 окна (рис. 2). В первом окне показано меридиональное сечение турбины, во втором — профили лопаток, третье окно предназначено для задания углов установки лопаток и четвертое окно — для задания изменения толщины лопаток. Далее экспортируем созданную геометрию в сеточный препроцессор TurboGrid: File→Export→TurboGrid Input Files. Присваиваем соответствующим файлам следующие имена: «hub.curve», «shroud.curve» и «profile. curve». Кроме этого в отдельный файл с расширением *.inf будет сохранена информация о числе лопаток, оси вращения, размерности модели и файлах *.curve.

Сеточный препроцессор TurboGrid

Ðèñ. 1. Âíåøíèé âèä êðûëü÷àòêè

www.ansyssolutions.ru

Запустим TurboGrid из страницы проекта Workbench (Start TurboGrid). И затем откроем файл проекта TurboGrid (TG) — «Radial_Turbine_ Rotor_m_100K.tst». На экране отобразится расчетная сетка для одного межлопаточного канала турбины, которая была сгенерирована в TG на предварительном этапе (рис. 3). Черным цветом отдельно выделена сетка в среднем сечении радиальной турбины. С левой стороны расположено дерево проекта (рис. 4), через которое можно получить доступ ко всем поверхностям, образующим геометрию проточной части турбины: к поверхности втулки, обода, входа/выхода, поверхностям лопаток, границам периодичности. Кроме этого,

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

39

Мастер класс

40

Ðèñ. 2. Ðàáî÷åå îêíî ïðîåêòà BladeGen

Ðèñ. 4. Äåðåâî ïðîåêòà TG

Ðèñ. 3. Âíåøíèé âèä ñåòêè, ñãåíåðèðîâàííîé â TurboGrid здесь же выбирается топология сетки (J, H, H/J/ C/L) и задается количество расчетных узлов. Также в дереве модели можно редактировать величину радиального зазора (рис. 5). На рис.

6а и 6б показаны варианты геометрии турбины с разными радиальными зазорами, 0.1 и 0.3 см соответственно.

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 5. Ïàíåëü âûáîðà âåëè÷èíû ðàäèàëüíîãî çàçîðà

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

ничное условие «периодичность»: Periodicity→Insert→Periodic Pairs.

Mesh→

41

À

Á

Ðèñ. 6. Ãåîìåòðèÿ êðûëü÷àòêè ñ ðàçíûìè ðàäèàëüíûìè çàçîðàìè: σ = 0.1 ñì (à), σ = 0.3 ñì (á) После генерации сетки необходимо сохранить файл сетки (*.gtm) и файл настроек проекта (*.tst).

DesignModeler Теперь следует открыть в DesignModeler файл «Radial_Turbine.agdb» с геометрией всей турбины (рис. 7), включая входной направляющий аппарат (ВНА). Обратите внимание, что отдельные части конструкции турбины имеют статус suppress, т. е. исключены из расчета. Так как на предыдущем этапе мы уже построили сетку для проточной части крыльчатки, то её тоже следует перевести в категорию suppress. Таким образом, нам осталось разбить только область ВНА. Для нее мы построим неструктурированную сетку из тетраэдров в CFX-Mesh.

Ðèñ. 8. Äåðåâî ïðîåêòà CFX-Mesh Во-вторых, для корректного использования пристеночных функций мы должны обеспечить определенный уровень дискретизации сетки вблизи профиля лопаток, а также втулки и кожуха. Сгенерировать призматический подслой в CFXMesh можно с помощью команды Inflation: Mesh→ Inflation→Insert→Inflated Boundary (рис. 9).

Ðèñ. 9. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ êîìàíäû Inflation â CFX-Mesh Кроме этого, перед генерацией сетки будет полезно «объединить» поверхности втулки и кожуха в одну поверхность (операция Virtual Topology). В этом случае мы получим на обеих поверхностях идентичные сетки.

Ðèñ. 7. Ãåîìåòðèÿ ïðîòî÷íîé ÷àñòè êðûëü÷àòêè è ÂÍÀ

CFX-Mesh Откройте файл «Radial_Turbine.cmdb». Слева в дереве проекта выберите строчку Mesh и нажмите на правую кнопку мыши. В выпадающем меню выберите пункт Edit in CFX-Mesh. На экране с левой стороны появится новое дерево, как показано на рис. 8. Теперь рассмотрим более подробно настройки CFX-Mesh, которые необходимо использовать при генерации сетки для проточной части ВНА. Во-первых, необходимо указать поверхности, на которых задается гра-

www.ansyssolutions.ru

CFX-Pre Теперь перейдем непосредственно к работе с препроцессором CFX-Pre в режиме Turbomachinery (рис.10). В панели Basic Settings в строке Machine Type выберите Radial Turbine (рис. 11). Настройки остальных опций оставьте по умолчанию. Нажмите на кнопку Next. На экране появится панель Component Definition. Наводим курсор на пустое белое поле и нажимаем правую кнопку мыши. Далее в выпадающем меню New Component в поле Name набираем IGV и выбираем тип Stationary («статор»). В строке Mesh указываем

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Мастер класс

42

Ðèñ. 10. Çàãðóçêà CFX-Pre â ðåæèìå Turbomachinery путь до файла с сеткой для входного направляющего аппарата — файл «Radial_Turbine.cmdb». Поскольку изначально сетки для статора и ротора были смещены относительно друг друга, то необходимо выровнять их по одной линии. Для этого мы переходим в раздел Passages and Alignment и нажимаем кнопку Edit. В поле Theta Offset вбиваем –27 (градусов) и подтверждаем выполнение операции нажатием на кнопку Done.

Ðèñ. 11. Âûáîð â CFX-Pre òèïà ëîïàòî÷íîé ìàøèíû После этого снова нажимаем на белое поле Component Definition и создаем новый компонент под именем Turbine («ротор»). Выбираем тип Rotating и указываем частоту вращения 30.000 об/ мин. В строке Mesh указываем путь до файла с сеткой для крыльчатки — файл «Radial_Turbine_ m_100k.gtm». Далее нажимаем на кнопку Next. Теперь перейдем непосредственно к заданию свойств рабочего тела и расстановке граничных условий. В поле Fluid выбираем Air Ideal Gas, в качестве модели турбулентности указываем SST-модель. В разделе Boundary Templates ставим галочку напротив P-Total Inlet Mass Flow Outlet и устанавливаем следующие значения переменных: P-Total = 6.21918e6 [Pa]; T-Total = 1033.18 [K]; Mass Flow = Per Component; Mass Flow Rate = 12 [kg s^–1]; Flow Direction = Cylindrical Components; Inflow direction = 0, –1, 1.

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 12. Ãåîìåòðèÿ ðàñ÷åòíîé îáëàñòè (ñëåâà ïîêàçàíà îñü âðàùåíèÿ) òèïà ëîïàòî÷íîé ìàøèíû В разделе Solver Parameters в закладке Convergence Control выбираем Physical Timestep и устанавливаем значение 0.0001. В дальнейшем, при решении задачи оптимизации, шаг по времени будет у нас функцией частоты вращения. Кроме этого, необходимо выбрать тип интерфейса для связи неподвижной области с областью вращения. В нашем случае мы выбираем тип Stage (циклическая постановка). При циклической постановке параметры течения осредняются в окружном направлении на границе раздела статора и ротора, и изменение параметров происходит только в меридиональном сечении. Отметим, что интерфейс Stage нечувствителен к положению статора относительно ротора. Далее нажимаем Next. Теперь можно перейти к работе с препроцессором CFX в стандартном режиме (см. рис. 13).

Ðèñ. 13. Çàãðóçêà CFX-Pre â ñòàíäàðòíîì ðåæèìå Создадим дополнительно несколько выражений, которые нам потребуются для корректировки отдельных граничных условий: DelP = areaAve(Pressure)@IGV Inlet — areaAve(Pressure)@Turbine Outlet; NumberRotorBlades = 10; Pin = areaAve(Pressure)@IGV Inlet;

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Pout = areaAve(Pressure)@Turbine Outlet; RotationalSpeed = 30000 [rev min^-1]; RotorPassOutletMassFlow = TotalMassFlow/ NumberRotorBlades; TotalMassFlow = 120 [kg s^-1]; Tspin = (0.1*60)/((RotationalSpeed/1[rad])*(2*pi)). Вначале отредактируем настройки домена Turbine. В поле напротив Angular Velocity вместо числового значения частоты вращения подставим выражение Rotational Speed. Затем в настройках граничного условия Turbine Outlet этой же расчетной области в поле Mass Flow Rate подставим выражение RotorPassOutletMassFlow (см. рис. 14).

раем выражение RotationalSpeed и нажимаем на правую кнопку мыши. Выбираем строку Use as DX Parameter. Повторяем то же самое и для выражения TotalMassFlow. И, наконец, переходим в раздел Solver Control и используем для задания шага по времени выражение Tspin. Сохраняем файл определения CFX под именем «Demo.cfx» и загружаем постпроцессор CFX-Post.

CFX-Post В постпроцессоре открываем панель Quantitative и создаем новое выражение PdropTot для расчета перепада давления между входным и выходным сечениями: PdropTot = massFlowAve(Total Pressure )@IGV Inlet — massFlowAve(Pressure)@ Turbine Outlet. После этого наводим курсор мыши на это выражение, нажимаем на правую кнопку мыши и выбираем строку Use as DX Parameter. Далее сохраняем файл настроек CFX-Post под именем «Demo.cst». Закрываем CFX-Post.

DesignXplorer

Ðèñ. 14. Ïðèìåð ðåäàêòèðîâàíèÿ ÃÓ На этом подготовку расчетной модели для моделирования течения в проточной части радиальной турбины можно считать завершенной. Однако для настройки модели под решение задачи оптимизации необходимо выполнить еще одно действие: мы должны определить частоту вращения и массовый расход в качестве переменных DesignXplorer. Для этого в дереве модели переходим в раздел Expressions, далее выби-

Требуется подобрать такую оптимальную частоту вращения (и, соответственно, расход воздуха), чтобы она удовлетворяла заданному перепаду давления между входным и выходным сечениями турбины. При этом конечные значения частоты вращения и массового расхода воздуха не должны отличаться от начальных значений более чем на 10%. Вопрос решения задачи оптимизации с помощью DesignXplorer мы рассмотрим в следующем номере журнала ANSYS Advantage. Все необходимые файлы, ссылки на которые приводятся в настоящей статье, можно скачать с сайта www. ansys.msk.ru (раздел Демо-центр).

Новости и события 6-я конференция пользователей ANSYS 28—30 октября 2008 г. в Москве в Гостиничном комплексе «Измайлово» состоится 6-я конференция пользователей программного обеспечения ANSYS. К участию в конференции приглашаются ведущие специалисты, инженеры-расчетчики, научные работники, руководители и представители компаний в области энергомашиностроения, приборостроения, судостроения, авиации, аэрокосмоса, ВПК, промышленного и гражданского строительства из России, стран Балтии и СНГ. Принять участие в 6-й конференции можно как в качестве

www.ansyssolutions.ru

слушателя, так и выступить с докладом об опыте успешного применения программных продуктов ANSYS. Докладчикам необходимо связаться с организационным комитетом, согласовать тему и предоставить тезисы доклада. Последний срок подачи докладов — 10 октября 2008 г. Организаторы конференции: компания «ЕМТ Р» — авторизованный дистрибьютор, инженерно-консалтинговый и учебный центр ANSYS в России и отделение корпорации ANSYS по Центральной и Восточной Европе — ANSYS Germany Gmbh. Связаться с оргкомитетом конференции можно по телефону (495) 644-06-08.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

43

Вне рубрики

Эффективное управление данными инженерного анализа в процессе разработки новых изделий1

44

Развитие новых технологий численного моделирования приводит к активному обмену расчетными данными между участниками проекта, поэтому предприятие заинтересовано в структурировании этих данных и организации хранения и санкционированного доступа к этой информации. В последнее время стала очевидна тенденция эволюции систем инженерного анализа (CAE) из средств расчетов в отдельном проектном или исследовательском подразделении предприятия в одну из частей процесса разработки нового изделия и составляющую жизненного цикла изделия. Сегодня многие компании по всему миру активно применяют технологии компьютерного моделирования в процессе проектирования новых изделий. Инженерный анализ активно интегрируется в процесс проектирования новых изделий и формируется устойчивая потребность не только в развитии расчетных возможностей (создание математических моделей для расчетов сложных физических процессов, упрощение процессов расчетов), но и в системах управления расчетными данными. В функции этих систем входит обеспечение обмена данными между расчетными подразделениями, разграничение прав доступа к информации, обеспечение наполнения базы знаний для расчетов типовых конструкций и создание системы экспертного анализа проектных решений. Для задач такого класса часто применяю термин «Управление расчетными данными и процессами» — Simulation Process and Data Management (SPDM). Системы управления процессами расчетов и управления расчетными данными SPDM являются ответом на возникающие потребности профессиональных инженеров-расчетчиков. Основные усилия в развитии подобных систем

в настоящий момент направлены на обеспечение прав доступа: сотрудники, обладающие правом доступа к соответствующей информации, должны иметь возможность получить доступ к нужным данным в любое время. Достаточно часто на практике при отслеживании процесса проведения инженерных расчетов данные остаются у постановщика задач или инженера, которые непосредственно занимались решением этой задачи, и поэтому обычно по завершении проекта все данные остаются на жестких дисках их рабочих компьютеров. По данным последних исследований, проведенных Collaborative Product Development Associates (CPDA), 47% всех данных результатов расчетов хранятся на жестких дисках рабочих станций инженеров. Этот ценный объект интеллектуальной собственности обычно безвозвратно теряется в случае ухода специалиста из коллектива компании. По опыту хорошо известно, что постороннему инженеру иногда бывает трудно разобраться в расчетах его кол-

Ìåòîäû óïðàâëåíèÿ äàííûìè

1

По материалам статьи Michael Engelman (ANSYS, Inc.) «Putting Engineering Knowledge to Work». Статья подготовлена к публикации Алесандром Черновым.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

леги и использовать его наработки в своих целях. В результате расчеты, аналогичные по подходам и методикам, приходится делать заново, вместо того, чтобы сделать небольшие изменения и дополнения в уже существующие расчетные модели. Все это приводит в результате к потере производительности труда и рабочего времени. В связи с глобализацией мировой экономики в современных международных компаниях процесс разработки новых изделий инженерными подразделениями проходит в разных географических зонах (часовых поясах) и длится круглые сутки (все 24 часа). Вследствие этого очень важным аспектом деятельности становится организация эффективного взаимодействия и связи между подразделениями, работающими в разных часовых поясах. Поэтому обеспечение эффективного взаимодействия и обмена данными является одной из характерных функций подобной модели ведения инжинирингового бизнеса.

боты коллектива, оптимизировать процесс разработки новых изделий и, в результате, выпустить более качественное конкурентоспособное изделие.

45

Èíôîðìàöèÿ î ðàñïðåäåëåíèè äàâëåíèÿ âîêðóã ïðîôèëÿ èçâëå÷åíà ñ ïîìîùüþ ñðåäñòâ EKM èç ôàéëà ðåçóëüòàòîâ CFX Корпоративная база знаний является важной частью потенциала компании для инноваций и получения преимущества в конкурентной борьбе за рынок. Создание, накопление и управление системой инженерных экспертных знаний компании очень важно для её потенциала в инновационной деятельности.

Ìåòîäû îáìåíà çíàíèÿìè Неэффективный обмен информационными данными является существенной проблемой для инженерных подразделений компании, начиная с рядового инженера, который пытается понять причинно-следственную связь конструктивных изменений, появляющихся в технических заданиях и технических решениях, поступающих к нему из смежных инженерных подразделений компании, до руководителей. Использование специализированных средств позволяет обеспечить доступ всех участников проекта (для всех уровней организационной структуры компании) к необходимым им текущим данным расчета, независимо от уровня их технической компетенции. Это может существенно улучшить эффективность ра-

www.ansyssolutions.ru

Ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ íåñêîëüêèõ ðàñ÷åòîâ Создание экспертной базы знаний компании позволит рядовым инженерам применять знания, полученные специалистами-экспертами во время предыдущих разработок, в своей работе и обеспечит преемственность обмена знаниями и опытом между специалистами разной специализации. Реализация средств управления расчетными данными и создание базы знаний методик решенных задач создают рабочую среду управления процессами инженерного анализа и минимизируют финансовые затраты и трудоемкость.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Вне рубрики

46

Управление расчетными данными и процессами в этом контексте является специализированной частью общей концепции управления жизненным циклом изделия (PLM). Эти специализированные возможности позволяют управлять всеми аспектами жизненного цикла изделия от технического задания на разработку, проектирования, выпуска конструкторской и технологической документации, производства, технического обслуживания и сопровождения. Реализованные на текущий момент системы управления жизненным циклом изделия не обладают инструментарием, который необходим расчетным подразделениям, в связи со спецификой самих расчетных данных. Это связано с тем, что текущая реализация систем управления жизненным циклом изделия и как составная их часть системы технического документооборота (PDM) ориентированы на извлечение атрибутов документов. Поэтому задачи управления расчетными данными SPDM не выполняются этими системами в требуемом расчетными подразделениями объеме.

Ýòàïû ïðîöåññà âûïîëíåíèÿ ðàñ÷åòà ìîãóò áûòü ïðåäñòàâëåíû â âèäå ãðàôè÷åñêîé äèàãðàììû. È â äàëüíåéøåì êàæäûé èç øàãîâ ðåøåíèÿ ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí äëÿ ñîçäàíèÿ ìåòîäèêè ðåøåíèÿ çàäà÷ Данные в расчетных системах более сложные и содержат намного больше информации в сравнении с обычными документами, с которыми и работают текущие реализации PLM/PDM систем. В связи с этим реализация системы управления расчетными данными SPDM в дополнение к реализованным системам управления жизненным циклом изделия PLM позволит наиболее полно решить задачи управления всеми данными жизненного цикла изделия. Реализованные в первой версии программного продукта ANSYS Engineering Knowledge Manager (EKM) технологии предназначены для полноценного решения следующих задач: хра-

www.ansyssolutions.ru

нение и управление расчетными данными, учет и аудит данных, поиск и восстановление данных, генерация отчетов и проведение сравнения данных, автоматизация процессов, создание базы знаний для типовых видов расчета и создание системы экспертного анализа проектных решений.

EKM — это среда для работы с расчетными данными (SPDM). Она построена на webтехнологиях и предназначена для размещения на web-ресурсах всей расчетной информации. Эта среда содержит в себе средства управления и организации рабочих мест. По усмотрению пользователя при развертывании сервера приложений и хранилища данных можно использовать как бесплатные технологи с открытым кодом, так и коммерческие программные продукты. Обеспечивается взаимодействие между всеми ресурсами. Возможности, реализованные в этой системе управления расчетными данными, позволяют интегрировать программные продукты компании ANSYS, Inc. в единую рабочую среду, включая автоматическое извлечение и управление всей атрибутивной информацией из файлов данных, созданных в программных продуктах ANSYS при помещении их в архив хранилища. Идеология, реализованная в ANSYS EKM, делает ее открытой системой для управления любыми типами расчетных кодов собственной разработки и других разработчиков. Более того, это масштабируемое решение, которое может быть эффективно использовано как в рамках отдельных расчетных подразделений, так и в рамках коллективов инженеров крупных компаний. Эта система создавалась группой разработчиков ANSYS, имеющих непосредственное отношение к разработке систем инженерного анализа, и поэтому учитывалась вся специфика работы с расчетными данными. Технологии, реализованные в ANSYS EKM, направлены на упрощение процесса проведения инженерных расчетов, начиная от индивидуальных рабочих мест расчетчиков, совместной работы над проектом в рамках расчетных подразделений и эффективного взаимодействия в рамках всего предприятия. Возможности этой системы позволят коллективам разработчиков новых изделий, основываясь на многолетнем опыте профессиональных знаний в своей области, эффективно использовать их при создании численных моделей проектируемых изделий. Добавление возможностей ANSYS EKM в линейку программных продуктов ANSYS позволит эффективнее реализовывать цели «инновационной» стратегии проектирования — Simulation Driven Product Development.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

Вне рубрики

Инновационная стратегия проектирования ANSYS применительно к научным исследованиям и обучению в ВУЗах1 Обучающиеся сегодня в ВУЗах студенты и аспиранты в будущем станут квалифицированными инженерами и учеными. Разрабатываемое компанией ANSYS, Inc. программное обеспечение может быть использовано как специализированный инженерный курс в учебном процессе, что позволит будущим инженерным кадрам быть готовым воспользоваться современным программным обеспечением для инженерного анализа при разработке новых изделий. Это особенно важно, если учесть, что ученым-исследователям необходимо создавать новые технологии.

ANSYS предлагает два варианта типов лицензий: коммерческие лицензии и учебно-исследовательские (для ВУЗов). Основные отличия между ними — это цели их использования. Коммерческие лицензии на программные продукты предназначены для использования коммерческими компаниями и организациями, в которых все результаты расчета будут являться интеллектуальной коммерческой собственностью этих компаний. Лицензии для ВУЗов предназначены для обучения и некоммерческих исследований (результаты расчетов не являются интеллектуальной собственностью ВУЗа). Различия в целях применения позволяют ANSYS предлагать лицензии для ВУЗов по гораздо более низкой цене, чем коммерческие лицензии, что согласуется с мировой практикой выделения фондов для ВУЗов. Также отличается и состав лицензий ANSYS для ВУЗов от коммерческих лицензий: отличаются названия лицензий и содержание файлов лицензий. Лицензии для ВУЗов содержат комплекс расчетных технологий, в отличие от коммерческих лицензий, в которых для большинства возможностей, содержащихся в лицензиях для ВУЗов, необходимо приобретать дополнительные лицензии. В одной лицензии для ВУЗов включены возможности, предоставляемые более чем

10 коммерческими лицензиями. Число лицензий может варьироваться, например, 5, 25, 50 лицензий. Число используемых лицензий считается от числа загруженных сессий отдельными пользователями. За некоторыми исключениями программные продукты для ВУЗов реализованы аналогично коммерческой версии. Например, для 11-й версии программных продуктов ANSYS существует как коммерческая реализация, так и учебно-исследовательская. В процессе работы рабочая среда расчетных комплексов для ВУЗов выглядит аналогично рабочей среде коммерческой реализации. Например, пользователь, запустивший сессию работы с использованием лицензии для ВУЗов, включающей в себя расчетные возможности комплексной коммерческой лицензии ANSYS Multiphysics, будет работать в таком же графическом интерфейсе, рабочей среде, инструментами препроцессинга, постпроцессора и технологиями решателей, что и в коммерческой реализации. Такой подход в перспективе позволяет легко переходить специалистам от исследовательской деятельности в ВУЗах к работе в коммерческих структурах. В большинстве случаев пользователи лицензий для ВУЗов располагают большими расчетными возможностями, чем среднестатистические пользователи коммерческих лицензий. Расчетные возможности лицензий ANSYS 11.0 для ВУЗов включают в себя возможности коммерческих лицензий: ANSYS Multiphysics, ANSYS CFX, ANSYS ICEM CFD, ANSYS TAS и ANSYS AUTODYN, а также обширный набор возможностей импорта геометрических моделей из самых популярных CAD-систем. В текущей реализации Fluent-лицензии для ВУЗов не входят в состав лицензий для ВУЗов версии 11.0, но часть их возможностей будет интегрирована в версии для ВУЗов программных продуктов ANSYS 12.0. В результате этого будет создан набор лицензий для ВУЗов, включающих

1 По материалам статьи Paul Lethbridge «Simulation-Driven Teaching and Research», ANSYS, Inc. Статья подготовлена к публикации Алесандром Черновым.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008

47

Вне рубрики

48

в себя все основные расчетные технологии, предлагаемые ANSYS. Основная идея заключается в том, чтобы предоставить высшей школе доступ к обширному комплексу расчетных технологий, не покупая отдельные расчетные модули для различных областей физики и средств создания расчетных моделей, без ущерба к комплексности подхода и возможности масштабирования решения.

быть использованы как в целях обучения, так и для исследований. Эти группы лицензий не имеют ограничений на размерность решаемых задач, предоставляя неограниченные вычислительные возможности исследователям для соискания научных степеней. Группа лицензий Toolbox позволяет использовать решателям программных продуктов высокопроизводительные вычисления (HPC) и специализированные возможности препроцессинга.

Òàáëèöà îãðàíè÷åíèé ðàçìåðíîñòåé (êîëè÷åñòâî óçëîâ) äëÿ ðåøàòåëåé äëÿ ãðóïïû ëèöåíçèé Academic Teaching Лицензии ANSYS для ВУЗов структурно разделены на четыре основных семейства: Teaching, Research, Associate и Toolbox. Каждая группа лицензий имеет свою специфику использования и расчетные возможности. Группа лицензий для обучения (Teaching) занимает самую низкую ценовую нишу и включает в себя расчетные возможности программных продуктов начального уровня, которые предназначены для обучения в учебных классах. Лицензии для обучения (Teaching) имеют ограничения на размерности решаемых задач, которые зависят от областей физики, с максимальными уровнями размерности для специфических областей физики, таких как электромагнитный анализ и вычислительная гидродинамика. Ïðèìå÷àíèÿ 1. Ñòàíäàðòíûå «Mechanical» ýëåìåíòû äëÿ ñâÿçàííîãî àíàëèçà èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ðåøåíèÿ ñâÿçàííûõ çàäà÷ (ÍÄÑ + òåìïåðàòóðíîå ñîñòîÿíèÿ è ò. ä.).

2. Äëÿ ëèöåíçèé DesignSpace è TAS íåò îãðàíè÷åíèé ïî ðàçìåðíîñòè.

3. Äëÿ AUTODYN îãðàíè÷åíèå ïî ðàçìåðíîñòè ñîñòàâëÿåò 10 000 óçëîâ äëÿ 2D- è 50 000 óçëîâ äëÿ 3D-ïîñòàíîâîê çàäà÷.

4.

Research è Associate íå èìåþò îãðàíè÷åíèé íà ðàçìåðíîñòü çàäà÷ 5. Äëÿ ýëåìåíòîâ h-type îãðàíè÷åíèÿ ýêâèâàëåíòíû îãðàíè÷åíèÿì ïî óçëàì. Òàêæå äëÿ ýëåìåíòîâ p-type åñòü îãðàíè÷åíèÿ (òîëüêî äëÿ structural è electrostatics êëàññà çàäà÷), è îíè ñîñòàâëÿþò ¼ îò îãðàíè÷åíèé ïî óçëàì. Группы лицензий Research и Associate имеют различия в условиях применения и могут

www.ansyssolutions.ru

Êëàññèôèêàöèÿ ANSYS Academic ëèöåíçèé Каждая из разновидностей лицензий для ВУЗов может быть приобретена с определенным количеством рабочих мест, где под рабочим местом понимается активная сессия одного из программных продуктов. Например, лицензия на 25 рабочих мест (task) позволяет пользователям в локальной сети загрузить 25 сессий программных продуктов. При этом допустимы любые сочетания используемых программных продуктов из доступных лицензий. Лицензии для ВУЗов являются сетевыми плавающими для локальной сети (LAN), с одним сервером лицензий. Сами программные продукты могут быть установлены на любое число рабочих мест в локальной сети, но число одновременно загруженных сеансов работы с программными продуктами ограничено числом приобретенных лицензий (1, 5, 25, 50 и т. д.). Лицензии ANSYS широко используется в ВУЗах по всему миру для обучения и для научных исследований. Лицензии Academic ANSYS используются в тысячах университетах в более чем 60 странах мира сотнями тысяч пользователей.

ANSYS Advantage. Русская редакция | Лето 2008