ANSYS Advantage. Русская редакция №10 – Атомная энергетика

Óëó÷øåíèÿ è èçìåíåíèÿ â 12-é âåðñèè ANSYS

АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Èñïîëüçîâàíèå AUTODYN ïðè ðàñ÷åòå ñðåäñòâ çàùèòû

Èñïîëüçîâàíèå ANSYS ïðè àíàëèçå òðåùèí â êîðïóñå êëàïàíà

10'2009

ADVANTAGE

Содержание «ANSYS Advantage. Русская редакция» Инженерно*технический журнал

Технологии Новости компании ЗАО «ЕМТ Р».......................................................................... 2

Выходит 4 раза в год 10'2009 Учредитель: ЗАО «ЕМТ Р»

ANSYS Multiphysics Использование программного комплекса ANSYS AUTODYN при расчете средств защиты на воздействие от взрыва и баллистического удара ............. 5 Улучшения и изменения в версии ANSYS 12.0 .................................................. 11

Генеральный директор: Локтев Валерий

Над номером работали: Ларин Михаил Кабанов Юрий Хитрых Денис Юрченко Денис Переводчик: Юрченко Анна Интернет группа: Николаев Александр

Использование технологий ANSYS при анализе трещин в корпусе клапана ................................................................................................ 20 ANSYS расширяет возможности многодисциплинарных расчетов ................. 22 Оптимизация конструкции грот-мачты с целью снижения ее веса ................. 25

ANSYS CFD Новый 12-й релиз программных продуктов ANSYS CFX и ANSYS FLUENT ... 28 Моделирование теплообмена в каналах с интенсификаторами .................... 32 Оптимизация конструкции запорного клапана.................................................. 35 Использование ANSYS FLUENT для повышения эффективности обработки радиоактивных отходов..................................................................... 37 Исследование теплогидродинамических процессов в кабельных проводниках ИТЭР с применением FLUENT .............................. 39

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

Мастер-класс Мастер класс / Изучаем сами Жестко-податливый контакт в Workbench 2.0 ................................................... 41

Мастер класс / Вы спрашивали — мы отвечаем Обзор расширенных возможностей сеточного генератора ICEM CFD версии 12.0 ............................................................................................................ 44

Аппаратное обеспечение Параллельные вычисления в ANSYS Fluent ..................................................... 47

© 2009 ANSYS, Inc. © 2009 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 | 10'2009

Технологии

Новости компании ЗАО «ЕМТ Р»

2

Международное сотрудничество Компания ЗАО «ЕМТ Р» продолжает активно развивать международные связи в области аутсорсинга наукоемких инженерных расчетов. В 2008 году специалисты «Инженерного центра ЗАО «ЕМТ Р» в сотрудничестве с университетом Басков (Испания) и Политехническим университетом Мадрида (Испания) с помощью программного комплекса FLUENT выполнили цикл расчетных исследований по обоснованию снижения гидродинамической неустойчивости плоской турбулентной литиевой струи. Данная работа была выполнена в рамках оптимизации конструкции жидкометаллической литиевой мишени для материаловедческих проблем конструкционных материалов первого опытно-промышленного термоядерного реактора ITER (Франция). Обобщенные результаты расчетных исследований были представлены в виде научной статьи и доклада на 7-й международной конференции NUTHOS-7 по безопасности ядерных реакторов, которая прошла 5 — 9 октября 2008 года в г. Сеуле (Ю. Корея). Кроме этого, инженеры компании «ЕМТ Р» совместно со специалистами ЦКБ «Коралл» (г. Севастополь, Украина), провели расчет транспортировки полуплавучей буровой платформы ЛСП-1 для месторождения им. Юрия Корчагина в Каспийском море. В расчете были учтены характеристики волнения для данного времени года и региона, а также конструктивные особенности основания буровой установки и понтона. Исследование проводилось в расчетном комплексе ANSYS AQWA, что позволило избежать проведения натурных испытаний. Были рассмотрены гидродинамические эффекты, возникающие между близкорасположенными объектами на волнении, использованы новые возможности ANSYS AQWA с реализацией методики проведения подобных расчетов. В результате были получены как общие гидродинамические нагрузки относительно ЦТ всей конструкции, так и для каждого элемента корпуса в отдельности. Данные нагрузок для каждого случая волнения использовались при дальнейшем проведении ис-

www.ansyssolutions.ru

Ðàñ÷åò òðàíñïîðòèðîâêè ïîëóïëàâó÷åé áóðîâîé ïëàòôîðìû â ANSYS AQWA следований напряженно-деформированного состояния всей конструкции в целом. В январе 2009 года компания ANSYS, Inc. подвела итоги ежегодного конкурса «ANSYS

Ðàñ÷åò ôëàòòåðà ëîïàòîê îñåâîãî êîìïðåññîðà â ANSYS CFX

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Online Multiphysics Image Gallery Competition» (ранее он проводился под названием «ANSYS Wall Planner Calendar»). В этом году на конкурс мы представили задачу расчета флаттера лопаток компрессора авиационного двигателя, выполненный с использованием газодинамических пакетов ANSYS CFX и FLUENT, а также МКЭ-комплекса ANSYS Mechanical. Наш проект стал победителем в номинации «Best Multiphysics Image». Победителями конкурса были объявлены также следующие фирмы: Selex Communications (Италия), Camoplast Inc. (Канада), EPCOS NL (Голландия), Mott Macdonald (Великобритания) и др. Отметим, что это не первый успех компании «EMT P». В 2005 и 2006 г. г. мы также участвовали в конкурсе и оба раза одержали победу.

Московский государственный строительный университет (МГСУ), Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), Университет дружбы народов было им. Патриса Лумумбы (РУДН), Южный федеральный университет (ЮФУ), Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В.В. Куйбышева), Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского (ОмГУ), Орловский государственный технический университет (ОГТУ), Тольяттинский государственный университет (ТГУ), Уральского государственного технического университета (УГТУ-УПИ), Сумский государственный университет (СумГУ, Украина), Объединенный институт проблем информатики НАН Беларуси (г. Минск, Белоруссия) и мн. др. О некоторых из этих совместных проектах мы уже писали ранее.

Сотрудничество с ВУЗами Сотрудничество компании ЗАО «ЕМТ Р» и российских ВУЗов направлено на внедрение программ обучения специалистов инженерно-технического профиля современным технологиям проектирования и автоматизации инженерных расчетов, основанных на использовании программных CAE-комплексов компании ANSYS, Inc. В частности, в конце 2008 года компания «ЕМТ Р» сообщила о заключении договора по организации учебно-инновационного центра ANSYS-технологий на базе инженерного расчетного центра Самарского государственного авиационного университета (СГАУ). В рамках этого сотрудничества предусмотрена организация демонстрационной зоны достижений ANSYS, Inc. в области наукоемких технологий компьютерного моделирования, включая технологии высокопроизводительных вычислений на кластерах. Так же планируется организация технического сопровождения лицензионных пользователей ПО ANSYS, сопровождение процессов решения сложных научно-технических и инженерных задач на предприятиях Приволжского федерального округа, а также в глобальных российских и международных проектах. В целом, в текущем году компания «ЕМТ Р» значительно расширила количество технических ВУЗов России и СНГ, с которыми она взаимодействует в рамках своей университетской программы. К существовавшим раньше парнтерам-вузам Сибирскому федеральному университету (СФУ), Санкт-Петербургскому государственному политехническому университету (СПбГПУ), МГТУ им. Н. Э. Баумана и др. добавились Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (КАИ), Институт механики МГУ, Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина,

www.ansyssolutions.ru

Кроме этого, компания «ЕМТ Р» в качестве спонсора сессии приняла участие во 2-м Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых Российской Федерации «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах», который прошел в ноябре 2008 года в г. Уфе. Координатором проекта выступила ассоциация «Башкирская Ассоциация Экспертов» (Республика Башкортостан). На конкурс было заявлено более 50 работ, в январе 2009 г. были подведены итоги конкурса, а в конце февраля состоится награждение победителей.

Лицензирование За последний год компания ЗАО «ЕМТ Р» значительно расширила свою клиентскую базу в авиационной и двигателестроительной отрас-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

3

Технологии настройке аппаратных средств и сертифицированному обучению, осуществляемому специалистами компании ЗАО «ЕМТ Р».

Финансовые успехи компании

4

Компании ЗАО «ЕМТ Р» вот уже несколько лет сопутствует финансовый успех. И этот год не стал исключением. Совокупный объем продаж в 2008 году впервые превысил 5 млн. $, что составляет 116% от запланированного. Благодаря успешной и профессиональной работе команды инженеров и менеджеров «ЕМТ Р», компания подтвердила в 2008 году свое членство в престижном клубе «ANSYS President Club 100», а по результатам четвертого квартала «ЕМТ Р» была признана лучшей (номинация «DOMINATOR Award») среди всех европейских партнеров ANSYS, Inc.

Ñðûâ íà ïåðåäíåé êðîìêå êðûëà

План мероприятий на 2009 год лях. В декабре 2008 г. компания «ЕМТ Р» подписала генеральное соглашение с Государственным научно-производственным ракетно-космическим центром «ЦСКБ-Прогресс» (ФГУП ГНПРКЦ ЦСКБ-Прогресс») о стратегическом партнерстве в области внедрения программных комплексов ANSYS. ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБПрогресс» является ведущим российским предприятием по разработке, производству и эксплуатации ракет-носителей среднего класса и автоматических космических аппаратов. В соответствии с условиями генерального соглашения, «ЕМТ Р» является генеральным подрядчиком в области консалтинга и внедрения лицензионного ПО ANSYS. Помимо этого, компания «ЕМТ Р» провела корпоративное лицензирование ПО ANSYS корпорации «ИРКУТ, объединяющей ведущих отечественных производителей и разработчиков в области авиастроения — Иркутский авиационный завод, Таганрогский Авиационный НаучноТехнический Комплекс им. Г. М. Бериева, ОАО «ОКБ им. А.С.Яковлева» и т. д. По состоянию на февраль 2009 г. на стадии завершения находится процесс лицензирования Авиационного научно-технического комплекс им. О. К. Антонова (Украина). Отдельно следует упомянуть о масштабном проекте по внедрению ANSYS для решения практических задач в области аэродинамики, гидродинамики и прочности авиационных конструкций в Центральном аэрогидродинамическим институтом им. профессора Н. Е. Жуковского (ФГУП ЦАГИ) — крупнейшем государственном научном авиационном центре России. В рамках сотрудничества планируется оказание услуг по лицензированию программных продуктов ANSYS, их технической поддержке, а также

www.ansyssolutions.ru

В 2009 году компания ЗАО «ЕМТ Р» планирует провести серию отраслевых семинаров в разных городах России под общим названием «Решения ANSYS для..». Мы приглашает вас принять участие в наших ближайших семинарах, которые состоятся 26 февраля и 15 апреля 2009 года в Москве — семинары «Решения ANSYS для атомной энергетики» и «Решения ANSYS для оборонной промышленности», соответственно. Дополнительно к этому, в этом году мы проведем семинары по следующим направлениям: электроника, электротехника и МЭМС (апрель 2009), турбомашиностроение (май 2009), судостроение (июнь 2009), нефтегазовая отрасль (октябрь 2009).

Ïðîöåäóðà íàãðàæäåíèÿ ïàðòíåðîâ ANSYS, Inc. Кроме этого, в конце первого квартала 2009 года в Москве состоится официальная презентация нового 12-го релиза программных продуктов ANSYS, Inc. Поскольку дата ее проведения пока окончательно не определена, рекомендуем вам внимательно следить за нашими электронными новостями, выходящими в формате «ANSYS eNews».

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Технологии

Использование программного комплекса ANSYS AUTODYN при расчете средств защиты на воздействие от взрыва и баллистического удара Георгий Белов, ЗАО «ЕМТ Р»

Численное моделирование быстропротекающих процессов позволяет получить дополнительную информацию о сложных физических явлениях, которая недоступна при экспериментальных методах исследований. В задачах высокоскоростного удара, проникания, взрыва, аэрогидроупругости и других нестационарных процессов, сопровождающихся высокими скоростями деформаций, широкое распространение получили программные комплексы, использующие явный метод решения уравнений механики сплошной среды. Наиболее перспективным подходом в проектировании защитных средств является комбинирование экспериментов и численного моделирования. Такой подход позволяет существенно сократить стоимость разработки и увеличить ее продуктивность. ANSYS AUTODYN — это программный комплекс нелинейного динамического анализа, который широко используется в оборонной отрасли и структурах национальной безопасности различных стран.

AUTODYN хорошо зарекомендовал себя в задачах баллистического нагружения композиционных материалов. Моделирование поведения таких материалов невозможно без учета сложного анизотропного упругопластического характера поведения, нелинейного характера ударно-волнового сжатия, а также анизотропного разрушения с эффектами прогрессирующего разупрочнения. Уникальные возможности AUTODYN по связи гидродинамических и прочностных решателей позволяют также моделировать комбинированное взрывное и осколочное воздействие на конструкции.

www.ansyssolutions.ru

Решатели ANSYS AUTODYN В ANSYS AUTODYN применяются явные методы численного интегрирования системы уравнений механики сплошных сред. Для моделирования сложных динамических процессов в AUTODYN имеется возможность совместного использования различных численных методов, наилучшим образом подходящих под специфику каждой из частей задачи. Так, например, в одной задаче один тип решателя может быть использован для расчета течений жидкости и газов, а другой — для расчета прочности конструкции. При этом организовано взаимодействие всех частей в пространстве и во времени в рамках единой программы. Решатели AUTODYN можно разделить на следующие категории: Лагранжевы • Эйлеровы • ALE (произвольный Лагранжево-Эйлеров • метод) SPH (метод сглаженных частиц) • Для правильного выбора того или иного решателя необходимо руководствоваться двумя критериями: точностью и производительностью. Лагранжевы решатели При подходе Лагранжа к описанию движения сплошной среды расчетная сетка является вмороженной в материал, она движется и деформируется совместно с ним. Лагранжевы решатели могут быть использованы как для областей из объемных элементов, так и для неконтинуальных структурных элементов — балок и оболочек (см. рис. 1). Лагранжевы решатели представляют собой наиболее точный и эффективный метод

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

5

Технологии объекты — точечные массы, которые способны к дальнейшему контактному взаимодействию с оставшимися элементами модели (см. рис. 2). Таким образом, область применения Лагранжевых решателей — это задачи с небольшими деформациями, а также со сложными граничными условиями.

6

Эйлеровы решатели В Эйлеровых решателях используются расчетные сетки, которые жестко зафиксированы в пространстве. Движение среды формируется перетеканием материалов из ячейки в ячейки, как показано на рис. 3.

Ðèñ. 1. Ëàãðàíæåâû ñåòêè

Ðèñ. 3. Ðàñ÷åò óäàðíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ äâóõ òåë íà Ýéëåðîâîé ñåòêå

Ðèñ. 2. Ïðîöåäóðà èñêóññòâåííîé ýðîçèè ýëåìåíòà ñ ñîõðàíåíèåì ìàññû расчета нелинейных задач динамического нагружения конструкций. Благодаря отсутствию математически сложных операций транспорта материала сквозь сетку, эти методы существенно превосходят по быстродействию Эйлеровы методы. Кроме этого, Лагранжева формулировка позволяет наиболее просто и естественным образом решать проблемы с граничными условиями, контактами, поведением материалов с реологическими свойствами и пр. Основным недостатком Лагранжевых методов является чрезмерные искажения и «запутывание» расчетной сетки при больших деформациях, приводящие к катастрофическим потерям точности в этих областях, а иногда и к полному прекращению расчета. В AUTODYN эта проблема может быть частично решена при использовании искусственного алгоритма эрозии, который удаляет из расчета чрезмерно деформированные элементы. При удалении элемента его массово-инерционные характеристики сохраняются и преобразуются в самостоятельные

www.ansyssolutions.ru

Такой подход позволяет избежать проблем, связанных с искажением сетки. Поэтому Эйлеровы решатели идеально подходят для расчетов течений среды с большими деформациями, в особенности течений жидкостей и газов. При этом появляются трудности при описании свободных поверхностей, границ раздела сред и расчетов материалов с реологическими свойствами. Кроме того, процедуры адвекции приводят к негативным явлениям в виде численной дисперсии и диффузии. Поэтому для получения определенного уровня точности необходимо использовать существенно более мелкую сетку, чем при Лагранжевом подходе. В AUTODYN включены два типа Эйлеровых решателей: – Многокомпонентный Эйлеров решатель: базовый Эйлеров решатель, предназначенный для моделирования течений нескольких материалов. Позволят вычислять полный тензор напряжений, включая упругопластическое поведение и разрушение материалов.

– Однокомпонентный специализированный Эйлеров решатель для расчетов воздушных ударных волн: метод второго порядка точности, известный так же под названием Euler-FCT (Flux Corrected Transport). Метод позволяет рассчитывать только течения одного материала без прочности с уравнением состояния совершенного газа. Метод обладает повышенным быстродействием и низкой степенью вычислительной дисперсии.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Произвольный Лагранжево-Эйлеров решатель (ALE) ALE, как и Лагранжев метод использует сетки, движущиеся совместно с материалом. При этом он сочетает лучшие стороны Лагранжевого и Эйлерового подходов. Использование Эйлеровых алгоритмов сводится к выравниванию и исправлению расчетной сетки. Выравнивание сетки позволяет избежать процедуры искусственной эрозии и может быть эффективно использовано для задач взрывного нагружения конструкций. При чрезмерно больших деформациях выравнивание не всегда способно компенсировать накопленные искажения, поэтому в задачах удара и проникания этот метод не получил широкого распространения. Метод сглаженных частиц (SPH) В AUTODYN включен бессеточный Лагранжев метод сглаженных частиц SPH (Smooth Particle Hydrodynamics). Основной областью его применения является расчет высокоскоростных взаимодействий, а также моделирование разрушения и фрагментации хрупких материалов, таких как керамика, бетоны и пр. Основным достоинством метода SPH является возможность расчета течений с произвольными деформациями при сохранении преимуществ Лагранжевого подхода.

Взаимодействие решателей В AUTODYN существует два типа взаимодействий для расчетных областей: контактное взаимодействие и Лагранжево-Эйлерово связывание. Контактные взаимодействия для лагранжевых сеток (твердые тела, оболочки, балки, SPH частицы) реализованы как для режима свободного скольжения, так и с учетом трения. Благодаря процедурам автоматического поиска и обновления контактных поверхностей (для задач с эро-

Ðèñ. 4. Ðàñ÷åò ïðîíèêàíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì àëãîðèòìà èñêóññòâåííîé ýðîçèè

www.ansyssolutions.ru

зией) программный комплекс ANSYS AUTODYN является высокоэффективным средством расчета ударно-проникающих воздействий. Лагранжево-Эйлерово связывание позволяет реализовать двухстороннее взаимодействие лагранжевых и эйлеровых сеток в пространстве и во времени. При внедрении лагранжевой сетки в эйлерову область на эйлевой сетке в зоне контакта формируется подвижное граничное условие. В свою очередь, на контактной границе лагранжевой части со стороны эйлеровой сетки возникают соответствующие силовые факторы (см. рис. 5).

Ðèñ. 5. Ê îïèñàíèþ Ëàãðàíæåâî-Ýéëåðîâà ñâÿçûâàíèÿ Уникальной особенностью программного комплекса AUTODYN является возможность сочетания в одном расчете алгоритмов контакта и Лагранжево-Эйлерового связывания, что позволяет проводить комплексный анализ комбинированного нагружения конструкций на действие ударно-волновых и осколочных воздействий. В качестве примера использования этой технологии, на рис. 6 показан процесс детонации заряда ВВ в цилиндрической оболочке вблизи пластины-мишени. После нагружения оболочки детонационной волной происходит ее дробление и прорыв продуктов детонации в зазоры (рис. 6б). После ударно-волнового нагружения пластины продуктами детонации (рис. 6c) летящие осколки оболочки наносят ей дополнительные повреждения (рис. 6д). Кроме этого, в AUTODYN имеются дополнительные возможности анализа, которые включают: интерактивное проведение и визуализацию расчетов; интерполяцию по решателям (результаты решений одним методом могут использоваться в решении задач другим методом); интерполяцию по топологии (результаты 1D и 2D расчетов могут использоваться в 3D расчетах); специальные алгоритмы (автоматический контакт, адаптивные сетки, связывание решателей, создание пользовательских опций); обширную библиотеку моделей и свойств материалов.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

7

Технологии

8

À Á  à Ðèñ. 6. Ðàñ÷åò êîìáèíèðîâàííîãî âçðûâíîãî è îñêîëî÷íîãî íàãðóæåíèÿ ïëàñòèíû Стремительное увеличение мощности вычислительных ресурсов за последние годы позволяет использовать явный решатель в задачах любых отраслей промышленности: оборонной, аэрокосмической, горнодобывающей, перерабатывающей и др. Программный комплекс ANSYS AUTODYN включен в среду ANSYS Workbench, что позволяет проводить интегрированные инженерные расчеты в единой среде.

Примеры практического применения ANSYS AUTODYN Моделирование действия взрывных устройств, заложенных в автомобилях Взрывы автомобилей, начиненных взрывчатым веществом и используемых террористами, приводят к многочисленным жертвам и разрушениям. Правительства многих стран финансируют программы по предотвращению подобных террористических актов. В качестве средств защиты предлагается возведение заграждений и стенок, отклоняющих ударную волну при взрывах бомб в автомобилях, припаркованных в непосредственной близости от здания. Для расположения критически важных объектов рекомендуется выбирать территорию, находящуюся в непосредственной близости от склонов холмов и возвышенностей. Кроме этого, установка взрывоустойчивых окон позволяет предотвратить разрушительное действие осколков и обломков. Перед внедрением данные рекомендации должны быть проверены экспериментально. Следует отметить, что по-

www.ansyssolutions.ru

добные эксперименты трудноосуществимы и опасны. Их следует проводить на территориях, удаленных от мест проживания, что также является проблемой в силу ограниченности земельных ресурсов. Кроме этого, в условиях взрыва необходимо защищать чувствительные приборы и камеры, которые могут выйти из строя. В подобных ситуациях на помощь приходят технологии компьютерного моделирования. В данном случае в ANSYS AUTODYN моделировался взрыв грузовика, который перевозил 4000 кг взрывчатой смеси нитрата аммония и дизельного топлива (см. рис. 7). Характеристики смеси рассчитывались на эйлеровой сетке, а грузовика и контейнера — на лагранжевой. Взаимодействие между полем взрыва и контейнером рассчитывалось с использованием двухстороннего алгоритма Лагранжево-Эйлерова связывания. Моделировалось возникновение ударной волны и образование осколков из грузовика и контейнеров. Кроме этого, рассчитывался ущерб, причиненный зданию при комбинированной нагрузке от ударной волны и осколочного воздействия. Выполненные расчеты выявили некоторые особенности поведения продуктов детонации при множественном взрыве контейнеров, а также разрушения стен под воздействием осколков и обломков автомобиля. Установлено, что действие взрыва несколько усилилось из-за отражения продуктов детонации от плиты, которая служила опорой для контейнеров со взрывчатой смесью. Моделирование прострела пулей защитного шлема Основной задачей в разработке перспективных средств индивидуальной защиты является разработка таких комплексов, которые бы при попадании могли задерживать пули и осколки, причиняя при этом незначительные ушибы, и давая возможность солдатам самостоятельно эвакуироваться с поля боя. Пока такие системы являются перспективой на будущее, и для их создания требуются многолетние исследовательские и конструкторские работы. Сегодняшний этап исследований заключается в разработке и изучении новых материалов, способных существенно повысить уровни защитных свойств и комфорта ношения. Разработка средств защиты является комплексной задачей, потому что мало только остановить пулю, нужно еще защитить тело от травмы посредством распределения энергии пули на большую площадь защитного средства. Кроме этого, средства поражения не ограничиваются только пулями стрелкового оружия, но и включают осколочные взрывные системы, и в том числе и самодельные. На голову и шею человека приходится около 12% поверхности тела, однако во время боя

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

9

Ðèñ. 7. Äåòîíàöèÿ åìêîñòåé ñ âçðûâ÷àòîé ñìåñüþ è õàðàêòåð íà÷àëüíîé ñòàäèè ðàçðóøåíèÿ êóçîâà àâòîìîáèëÿ именно на этот участок приходится более 25% поражающих воздействий. В связи с этим использование защитного шлема во время боя является критически важным. В настоящее время защитные шлемы изготавливают из легких композитных волокнистых материалов, таких как, арамидные волокна (KEVLAR®, Twaron®), полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (Spectra®, Dyneema®), фенилбензобистиазол (Zylon®), что повышает уровень комфорта и безопасности данных изделий. Достижение необходимой степени защиты для разрабатываемых перспективных шлемов требует проведения многочисленных баллистических испытаний. Это приводит к существенным финансовым и временным затратам, особенно при отработке нескольких прототипов конструкции из различных материалов. Использование численного моделирования позволяет существенно снизить стоимость разработки за счет сокращения объема экспериментальных исследований, а также улучшить понимание физических явлений, отвечающих за эффективность защитных свойств разрабатываемого изделия.

AUTODYN располагает мощными средствами для моделирования поведения композитов в широком диапазоне уровней нагружений. Описание поведения анизотропных композитных материалов при высокоскоростном баллистическом ударе требует более углубленного изучения физико-механических свойств по сравнению с обычными изотропными. Для решения квазистационарных прочностных задач существует упругая линейная ортотропная прочностная модель, обычно сочетаемая с линейным уравнением состояния. В задачах, где существенную роль играют ударно-волновые эф-

www.ansyssolutions.ru

фекты, ортотропная упругая модель может сочетаться с нелинейным уравнением состояния. Нелинейная зависимость напряжения от деформации может быть описана моделью пластического течения с предельной поверхностью квадратичной формы и дополнена анизотропной моделью хрупкого разрушения, либо кинетической моделью зарождения и накопления поврежденностей. Для описания поведения анизотропных композитных материалов при высокоскоростном баллистическом ударе совместно с Институтом им. Эрнста Маха (EMI) при поддержке Европейского космического агентства (ESA) разработана анизотропная модель механического поведения композитного материала с учетом нелинейной необратимой сжимаемости. В данной модели учитывается анизотропность, анизотропное усталостное разрушение материала, расслоение, плавление, испарение, а также совместное поведение при изменение формы и объема. На рис. 8 показано экспериментальное оборудование для определения прочностных характеристик композитного материала KEVLAR® с эпоксидным связующим, а также результаты сравнительного анализа испытаний и расчетов с использованием данной расчетной модели. Сопоставление данных показывает, что модель в части прочностных свойств адекватно описывает все характерные стадии нагружения образца: ортотропное упругое поведение, пластическое течение и процесс ортотропного разупрочнения и разрушения. В дальнейших расчетах рассматривалось воздействие на шлем стандартной девятимиллиметровой оболочечной пули весом приблизительно 8 г и состоящей из медной оболочки и свинцового сердечника. Хотя кинетической

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Технологии

10

Ðèñ. 8. Ýêñïåðèìåíòàëüíîå îáîðóäîâàíèå è ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé îáðàçöà ìàòåðèàëà KEVLAR® ñ ýïîêñèäíûì ñâÿçóþùèì энергии пули недостаточно для пробивания шлема, возникающие при ударе деформация и расслоения внутренних слоев могут причинить травму головы. Расчет бокового удара пули со скоростью 360 м/с позволяет провести анализ деформаций участка шлема и пули и выработать конструктивные меры по снижению уровня опасных воздействий. Численное моделирование подтвердило, что шлем из композитного материала может выдержать простел 9-мм оболочечной пули при скорости 358 м/с. При этом пуля существенно деформируется при ударе и впоследствии разрушается, что еще больше снижает ее проникающую способность в корпус шлема. Несмотря на то, что пуля не может пробить шлем, она обладает достаточным импульсом и кинетической энергией для деформирования внутренней поверхности шлема. Результаты расчетов показали, что влияние пули на внешнюю и внутреннюю поверхность шлема увеличивается с возрастанием скорости пули, которое приводит к расслоению волокон материала. При

Ðèñ. 9. Âçàèìîäåéñòâèå 9 ìì ïóëè ñî øëåìîì

www.ansyssolutions.ru

этом показатели деформации материала выходят за рамки безопасных уровней. Проведение подобных расчетов возможно в отношении других средств бронезащиты.

Заключение В статье представлены примеры расчетов в AUTODYN воздействий прострелов и взрывов на различные объекты и средства индивидуальной защиты. Сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными по-

Ðèñ. 10. Äåôîðìàöèè âíåøíåé è âíóòðåííåé ñòîðîí øëåìà ïîñëå óäàðà ïóëè казывает, что использование программного комплекса AUTODYN позволяет не только точно рассчитывать отдельные задачи динамического нагружения конструкций, но и способствовать более качественному изучению и лучшему пониманию происходящих физических процессов, что позволяет вырабатывать наиболее перспективные пути улучшения защитных характеристик конструкций. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1.

Malcolm S. Cowler, Xiangyang Quan, Bence Gerber.

Analysis of the Response of Body Armor to Blast, Fragment and Projectile Loading using ANSYS® AUTODYN®. 2nd International Conference on Design and Analysis of Protective Structures, Singapore, 13 — 15 November 2006.

2.

Bence Gerber, Tham C. Yang. Making an impact.

ANSYS ADVANTAGE. Vol. II, Issue 4, 2008.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Технологии

Улучшения и изменения в версии ANSYS 12.0 11

В начале 2009 года выйдет очередной 12-й релиз расчетного комплекса ANSYS. В этом релизе появится много новых возможностей и улучшений, наиболее значимые из которых мы и рассмотрим в данной статье.

Контактные задачи Улучшения в производительности решения контактных задач В 12-й версии реализован новый алгоритм определения контактов, который значительно ускоряет процесс поиска в зависимости от сложности расчетной модели. Время на решение моделей с контактными элементами и вычисление объектов результатов для контактных задач снизилось в среднем на 50%. Данные результатов расчета для контактных элементов для статуса контакта «far field» больше не будут записываться в базу данных результатов, что значительно уменьшит размер файла результатов. Новые опции TRIM и UNSE доступны для команды CNCHECK. Эти опции могут быть использованы для исключения или отмены выбора контактных и ответных элементов, которые находятся в начальном положении далеко друг о

друга (far field). Это повышает эффективность решения задач для контактов с малым скольжением и для больших сборок, особенно для режима распараллеливания решателя Distributed ANSYS. Новая опция для сборок из объемных и оболочечных моделей (KEYOPT(5) = 5 для ответного контактного элемента TARGE170) улучшает распределение напряжений в месте пересечения оболочек и объемов. Улучшено автоматическое определение связей для сборок вида «поверхность — поверхность» (KEYOPT(5) = 0 для ответного контактного элемента TARGE170). Теперь сама программа выбирает тип связи (constraint type), который наиболее эффективен для данной контактной задачи. В связи с этим могут быть значительные отличия в выводе результатов решения контактной задачи (contact output) в 12-й версии в сравнении с 11-й. Коэффициент демпфирования по жесткости (BETAD или MP, DAMP) более не используется для контактных элементов с формулировкой штрафных функций при полном переходном анализе. Это позволит получать более точное решение, особенно при вычислении контактных сил.

Ðèñ. 1. Óëó÷øåíèÿ â ïðîèçâîäèòåëüíîñòè ðåøåíèÿ êîíòàêòíûõ çàäà÷ (ïðèìåð ðàñ÷åòà ìàíæåòû)

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Технологии

12

Граничные условия для абсолютно жесткой ответной контактной поверхности (Rigid Target) В предыдущих версиях ANSYS можно было задавать граничные условия только для ведущего узла (pilot node) абсолютно жесткой ответной поверхности контактных элементов Rigid Target, и только ведущий узел соединял с другими элементами всю абсолютно жесткую ответную поверхность контактных элементов. Эти ограничения будут сняты в 12-й версии. Теперь граничные условия можно задавать для любых узлов абсолютно жесткой ответной поверхности контактных элементов, и они могут соединяться с другими элементами. Это улучшение позволит применять абсолютно жесткие ответные контактные элементы для описания абсолютно жестких тел. Моделирование абсолютно жестких тел с использованием абсолютно жестких ответных контактных поверхностей (Rigid Target Surfaces) В 12-й версии будет существенно упрощено определение абсолютно жестких тел при расчете кинематики. В предыдущем релизе при определении абсолютно жесткого тела необходимо было использовать два типа элементов, контактные и ответные. В 12-й версии можно просто задать абсолютно жесткую ответную поверхность (набор узлов ответных элементов и один ведущий узел) для описания абсолютно жесткого тела. Такой подход имеет очевидное достоинство: необходимо определять лишь тип ответного элемента. При этом значительно уменьшится размер файлов *.DB, *.ESAVE и *.RST. Кроме этого, добавлен раздел POINT для описания ответных сегментов к существующему набору ответных сегментов для контактных элементов TARGE169 и TARGE170. Этот тип ответного сегмента может быть определен для абсолютно жесткого тела, где нет предопределенного узла (predefined node), и может быть использован для задания граничных условий (сосредоточенных нагрузок, ограничений перемещений и пр.) в этой точке. Дополнительная опция для контактной задачи — учет давления проникающей жидкости Теперь можно задать давление проникающей среды (pressure penetration loads) для расчетной модели, окруженной зоной течения, которая может проникать в зону контакта в зависимости от статуса контакта. Можно задавать давление проникающей среды для 2-D и 3-D контактных элементов «поверхность — повер-

www.ansyssolutions.ru

хность» (CONTA171, CONTA172, CONTA173, и CONTA174) и ассоциированных с ними ответных элементов. Этот новый тип нагрузки применим для контактных пар «деформируемое тело — деформируемое тело» или «абсолютно жесткое тело — деформируемое тело», позволяющих малое или значительное разделение поверхностей контакта.

Ðèñ. 2. Ó÷åò äàâëåíèÿ ïðîíèêàþùåé ñðåäû Для задания давления проникающей среды необходимо указать давление среды (fluid pressure), начальные точки проникания (fluid penetration starting points), критерий проникания среды (fluid penetration criterion) и продолжительность проникания (fluid penetration acting time). Задание трения зависимого от среды В 12-й версии для коэффициента трения могут быть заданы зависимости от температуры, времени, нормального давления, расстояния скольжения , или относительной скорости скольжения. Допустимы комбинации более чем двух параметров для задания зависимостей, например, температуры и расстояния скольжения. Эта опция применима как для ортотропного, так и для анизотропного трения. После определения данных в виде таблиц трения (TB, FRIC), с помощью команды TBFIELD задаются значения переменных, непосредственно за командой TBDATA, которая задает данные для описания трения. Пользовательская модель трения В 12-й версии можно использовать пользовательскую подпрограмму USERFRIC для задания пользовательской модели трения для двумерных и трехмерных контактных элементов (CONTA171, CONTA172, CONTA173, CONTA174, CONTA175, CONTA176, CONTA177, CONTA178). Для активации пользовательской модели трения необходимо использовать команду TB, FRIC с опцией TBOPT = USER для задания свойств трения.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Коэффициент демпфирования (damping coefficient) является входным параметром для определения размера зоны, где происходит разделение материала. Он должен быть меньше, чем размер минимального шага по времени для выполнения баланса энергий в процессе разрыва контакта между максимальной силой сцепления и значением максимального разделения поверхностей контакта.

Элементы и технологии для учета нелинейного поведения

Ðèñ. 3. Ïðèìåð çàäàíèÿ ïîëüçîâàòåëüñêîé ìîäåëè òðåíèÿ Выявление и удаление избыточных граничных условий Если для степеней свободы расчетной модели задать избыточные граничные условия, то это приведет к переопределенности задачи, что выразится в проблемах со сходимостью решения или в неточных результатах решения. В 12-й версии избыточные граничные условия автоматически удаляются, и выдается соответствующее сообщение с предупреждением. Кроме этого, есть возможность отображения удаленных избыточных граничных условий в постпроцессоре POST1. Контакт с возможностью отслеживания сохранения энергии и импульса При нестационарном динамическом расчете с контактом, когда контактная и ответная поверхности взаимодействуют друг с другом с ненулевыми относительными скоростями, очень важным аспектом является соблюдение закона сохранения импульса и энергии для контактной поверхности. В 12-й версии опции сохранения энергии и импульса для контакта доступны для двумерных и трехмерных контактных элементов. Для их активации необходимо использовать опцию impact constraints (KEYOPT(7) = 4 для контактных элементов). Разрыв контактирующих поверхностей Возможность разрыва контактирующих поверхностей (debonding) в 11-й версии реализована для неразрывного типа контакта (bonded contact). В 12-ю версию в технологию разрыва контактирующих поверхностей были внесены существенные дополнения. Теперь опция разрыва контакта (debonding feature) поддерживает два дополнительных типа неразрывного контакта: без разделения (no separation contact) с возможностью скольжения (KEYOPT (12) = 2) и неразрывный контакт (KEYOPT(12) = 3).

www.ansyssolutions.ru

Трехмерный элемент дискретного армирования Новый тип элемента REINF264 дискретного армирования используется для дополнительного армирования стандартных типов элементов: трехмерных стержневых элементов, балок, объемных элементов и оболочечных элементов. Этот элемент применяется для моделирования армирующих волокон с произвольной ориентацией. Каждое волокно моделируется отдельно в виде лонжерона (spar), свойства которого описывается только одноосной жесткостью.

Ðèñ. 4. Äîïîëíèòåëüíîå àðìèðîâàíèå ñòàíäàðòíûõ ýëåìåíòîâ Элемент REINF264 позволяет описывать следующие типы поведения: только растяжение (трос) и только сжатие (зазор). Можно задать несколько армирующих волокон для одного элемента REINF264. Координаты узлов, степени свободы и уравнения связей для элементов REINF264 идентичны используемым базовым элементом. Для элемента REINF264 можно задать: пластичность, увеличение жесткости при наличии нагрузки, ползучесть, большие перемещения и поддержку больших деформаций. Новые элементы Pipe и Elbow К новому поколению элементов в ANSYS также относятся PIPE288 и PIPE289. В этих элементах

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

13

Технологии Элементы PIPE288, PIPE289 и ELBOW290 поддерживают и другие современные нелинейные возможности, такие как, например, нелинейная стабилизация.

14

Внешние гидродинамические нагрузки В элементах типа PIPE в текущем релизе упрощена процедура задания волновых нагрузок. Под волновыми нагрузками в данном случае подразумевается совокупность сил волнения и течения. Для их идентификации создан новый класс команд: Оcean Сommands (OCxxxxxx). Для определения подобных нагрузок к участку из PIPE-элементов необходимо использовать команду SOCEAN.

Ðèñ. 5. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ ýëåìåíòîâ PIPE288 è PIPE289

Ðèñ. 7. ×åòûðåõóçëîâîé òåòðàýäðè÷åñêèé ýëåìåíò SOLID285

Ðèñ. 6. Ìîäåëèðîâàíèå èçãèáîâ òðóá хорошо обусловлены нелинейные свойства материалов и учтена гиперэластичность для неметаллических труб. Они могут быть использованы как в 2D, так и 3D расчетах. Кроме этого, в них существенно расширены возможности по определению граничных условий и описанию геометрических параметров. Следует отметить, что PIPE288 и PIPE289 используют балочное приближение и не учитывают деформации в поперечном сечении. Элемент ELBOW290 позволяет моделировать изгибы в трубах, используя теорию кривых поверхностей с большим набором функций Фурье для описания дуги. Он может быть использован и при нелинейной постановке задачи. Кроме этого, в этом элементе учитывается деформация в поперечном сечении (в отличие от PIPE элементов). Помимо традиционных материалов, с помощью ELBOW290 можно описать трубы из композитов.

www.ansyssolutions.ru

Несмотря на то, что элементом PIPE59 также поддерживаются внешние гидродинамические нагрузки, элементы PIPE288 и PIPE289 в сочетании с новым классом команд Оcean Сommands значительно расширяют спектр решаемых задач и представляют полностью нелинейные возможности. Четырехузловой тетраэдрический элемент с возможностью стабилизации давления В ANSYS добавлен новый 4-х узловой элемент SOLID285 первого порядка со смешанной формулировкой метода mixed u-P. Элемент позволяет вычислять линейные перемещения и учитывать гидростатическое давление. Элементу SOLID285 присущи более практичные критерии качества формы элементов и отказа генерации сетки. Благодаря этому упрощается процесс генерации сетки, особенно нерегулярных сеток для моделей, импортированных из CAD/CAM пакетов. Кроме этого, данный элемент может быть использован в расчетах с большими деформациями. Элемент SOLID285 пригоден для стандартных моделей материалов, включая несжимаемые материалы. Он может быть использован со всеми про-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

двинутыми моделями материалов. Для этого элемента маловероятна переопредленность уравнений. Элемент поддерживает нелинейную стабилизацию. Обобщенные осесимметричные элементы В 12-й версии появилось новое поколение осесимметричных объемных элементов SOLID272 и SOLID273, в которых для описания перемещений в окружном направлении в качестве функций интерполяции используется ряды Фурье. Эти элементы могут быть использованы в самых разных видах расчетов, в том числе в таких, где необходимо учитывать геометрические нелинейности. Они также все виды граничных условий и напряженно-деформированного состояния. Элемент SOLID272 определяется 4-мя узлами в главной плоскости, а узлы в окружном направлении создаются автоматически на базе 4-х узлов главной плоскости. Элемент SOLID273 — это объемный элемент c квадратичной формулировкой в главной плоскости, который хорошо подходит для создания нерегулярных сеток в главной плоскости. Он определяется 8-ю узлами в главной плоскости, а узлы в окружном направлении создаются автоматически на базе 8-и узлов, расположенных в главной плоскости. Для этих элементов число узлов зависит от числа плоскостей узла (KEYOPT(2)). Каждый узел имеет три степени свободы: перемещения в узлах в x, y и z направлениях. Кроме этого, для них допустима вырожденная треугольная форма на главной плоскости. Рассматриваемые элементы поддерживают следующие свойства: пластичность, гиперупругость,

Ðèñ. 8. Íîâûå îñåñèììåòðè÷íûå ýëåìåíòû SOLID272 è SOLID273

www.ansyssolutions.ru

увеличение жесткости при наличии нагрузок, большие перемещения, большие деформации. Они также поддерживают смешанные формулировки для расчета деформаций плохо сжимаемых упругопластических материалов и плохо сжимаемых или несжимаемых сверхупругих материалов. Для этих элементов с помощью команд SECTYPE и SECDATA можно задать любую ось в качестве оси симметрии: необходимо лишь определить четырехгранники или треугольники на плоскости. Переопределение двумерной области для перегенерации сетки В 12-ю версию добавлены два новых метода для операции переопределения двумерной области для перегенерации сетки: Перегенерация сетки с использованием • опции Generic (CDB) New Mesh. В новом релизе ANSYS появилась возможность использовать метод Generic New Mesh для сеток, построенных во внешних сеточных генераторах, например, ANSYS ICEM CFD, при ручном переопределении двумерной области для перегенерации сетки (Manual Rezoning). Использование метода Generic New Mesh предоставляет больше возможностей по контролю над сеткой. При сильном искажении сетки для выполнения операции rezoning (перегенерации сетки) может оказаться недостаточным стандартных возможностей встроенного генератора сетки PREP7. Для использования сетки, созданной в других сеточных генераторах, она должна быть сохранена в формате *.cdb. При этом не требуется наличия файла *.iges с описанием геометрической модели. Обычно новая сетка в формате файла *.cdb создается на основе топологии фасеточной геометрии двумерной области, для которой нужно провести перегенерацию сетки. Перегенерация сетки c использованием • опции разделения сетки Remeshing Using Mesh Splitting.

12-я версия ANSYS позволяет вручную разделять существующую сетку в процессе перегенерации сетки для лучшей сходимости нелинейного решения или получения более точного решения. Разделение сетки (Mesh splitting) увеличивает число степеней свободы расчетной модели. Эта опция может быть использована для сгущения (измельчения) сетки в местах зазоров контактных пар, а также в тех случаях, когда методы ANSYS-Generated Mesh и Generic Third-party New Mesh дают неудовлетворительные результаты.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

15

Технологии

16

Ðèñ. 9. Ïåðåãåíåðàöèÿ ðàñ÷åòíîé ñåòêè Операция разделения проводится для выбранных двумерных элементов. В противном случае она будет применена ко всем элементам в сетке. Все описанные методы перегенерации сетки, как правило, применяются для элементов PLANE182 и PLANE183, а также для элементов CONTA171, CONTA172, и TARGE169 при решении контактных задач. Улучшения в основных оболочечных элементах В 12-й версии оболочечные элементы SHELL181, SHELL281, SHELL208, и SHELL209 используют новый алгоритм нелинейного обновления толщины, который более точно описывает реальные свойства материала. Применение этого алгоритма улучшает сходимость решения. Также доступна опция, использующая унаследованный алгоритм для обновления толщины. Для оболочечного элемента SHELL281 в 12-й версии доступна новая формулировка криволинейных оболочек, которая позволяет кор-

Ðèñ. 10. Îáíîâëåíèå òîëùèíû îáîëî÷å÷íûõ ýëåìåíòîâ

www.ansyssolutions.ru

ректно объединять эффекты начальной кривизны оболочек и растяжения мембран при обновлении кривизны оболочки. Применение новой формулировки позволяет получить более точные результаты, особенно в тех случаях, когда необходимо учитывать влияние толщины оболочки. Для элементов SHELL181, SHELL281, SHELL208, SHELL209 и SOLSH190 в новом релизе в качестве выходных данных (output) будут доступны следующие переменные: линеаризированные напряжения, включая мембраны, изгиб, амплитуды напряжений. Эти переменные напрямую доступны для операций постпроцессинга в виде данных элементов SMISC. Новые данные вывода по результатам расчетов особенно полезны для верификации расчетного кода. Кубическая функция формы (Cubic Shape Option) для элемента BEAM188 Для элемента BEAM188 добавлена опция активации кубической функции формы (опция KEYOPT(3) = 3). Эта опция добавляет два внутренних узла в схему интерполяции. Так же как и при использовании квадратичной функции формы, опция кубической функции формы используется в тех случаях, когда элемент ассоциирован с конусообразным поперечным сечением. Не используйте эту опцию, если элемент используется как ребро жесткости, а также для подкрепления моделей с оболочечными элементами 1-го порядка. Кроме этого, для этого элемента реализовано линейное распределение изгибающих моментов.

Линейная динамика Расчет шума при торможении В 12-й версии доступны два новых метода расчета шума при торможении: линейный декрементный с QR-разложением метод расчета собственных частот и форм колебаний (linear QR damped), и метод расчета собственных частот и форм колебаний по частям предварительно напряженной конструкции (partial prestressed modal). Эти методы включают частичный расчет для элементов (команда PSOLVE ) при стационарном расчете трения, вместо применения стандартного итерационного метода Ньютона — Рафсона.

Ðèñ. 11. Ðàñ÷åò øóìà ïðè òîðìîæåíèè

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Линейный декрементный метод лучше использовать в тех случаях, когда эффекты увеличения жесткости при наличии нагрузок не очень критичны, а частичный расчет собственных частот и форм колебаний предварительно напряженной конструкции лучше применять в задачах, в которых необходимо учитывать эффект увеличения жесткости при нагружении.

17

Модели материалов и механика разрушения Некоторые свойства материалов недоступны через средства графического интерфейса ANSYS GUI. Связанные расчеты В 12-ю версию расчетного комплекса ANSYS включены новые элементы для связанного расчета механики деформируемого твердого тела с учетом степени свободы «давление» — внутреннее давление в пористой среде. Элемент CPT212 является двумерным элементом с 4-мя узлами. Он предназначен для связанного расчета с дополнительной степенью свободы «давление» для узлов с билинейным распределением перемещений. Элемент CPT213 является двумерным элементом с 8-ю узлами. Он используется для связанного расчета с дополнительной степенью свободы «давление» для узлов с квадратичным распределением перемещений. Элемент 2-го порядка CPT217 является трехмерным элементом с 10-ю узлами и используется для связанного расчета с дополнительной степенью свободы «давление» для узлов с квадратичным распределением перемещений. Элемент CPT215 является трехмерным 8ми узловым элементом и предназначен для связанного расчета с дополнительной степенью свободы «давление» для узлов с квадратичным распределением перемещений. Элемент 2-го порядка CPT216 является трехмерным элементом с 20-ю узлами и используется для связанного расчета с дополнительной степенью свободы «давление» для узлов с квадратичным распределением перемещений. Все новые элементы для связанного расчета могут быть использованы на нерегулярных сетках. Модель Ананда Модель Ананда (Anand) для задания вязкопластичности предлагает объединенную модель пластичности, которая подразумевает отсутствие комбинаций с другими моделями материалов (в отличие от моделей Perzyna и Peirce, которые требует комбинацию моделей материалов). В модели Ананда используется опция пластичности, зависящая от скорости деформаций. Она может быть применена для следующих эле-

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 12. Ìîäåëü Äðóêåðà-Ïðàãåðà ñ ó÷åòîì ïîëçó÷åñòè ментов: PLANE182 и PLANE183 (за исключением случая расчета плоского НДС), SOLID185, SOLID186, SOLID187, SOLSH190. Модель Друкера-Прагера с учетом ползучести В 12-й версии можно решать задачи, используя дополненную модель материала Друкера-Прагера (EDP), для пластических деформаций, которые не зависят от времени, включая учет эффекта ползучести. Новые возможности активируются командой TB,EDP (задание модели пластичности). Для определения закона ползучести следует использовать команду TB,CREEP. Модель материала Бергстрома-Бойса Модель материала Бергстрома-Бойса (Bergstrom-Boyce) используется для описания свойств эластомеров и задается командой TB,BB. Модель предполагает неупругий отклик только для разрушения сдвигом, который определяется изохорным потенциалом энергии деформации. Модель применима для следующих элементов: PLANE182, PLANE183, SOLID185, SOLID186, SOLID187, SOLSH190.

Ðèñ. 13. Ýëàñòè÷íûå ñòåíêè êðîâåíîñíûõ ñîñóäîâ Учет разупрочнения при циклическом нагружении эластомеров В ANSYS для модели материала OgdenRoxburgh может применяться опция псевдо-уп-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Технологии

18

ругого поведения (команда TB,CDM,,,,PSE2) для описания разупрочнения при циклическом нагружении резинотехнических изделий (эффект Mullins). Типичной областью применения этой модели являются наполненные полимеры. Этот эффект наиболее ярко проявляется когда отклик изделия на разгрузку при циклическом нагружении является более податливым, чем на нагрузку. В результате зависимость «напряжения/деформации» носит гистерезисный характер, как результат необратимых изменений в материале. Опция учета эффекта Mullins может быть использована с любой из несжимаемой изотропной гиперупругой моделью (все TB,HYPER опции со значением параметра TBOPT = BLATZ или TBOPT = FOAM). Модель основана на данных максимального значения последней нагрузки, где нагрузка определяет энергию деформации для первичного гиперупругого материала. В случае возрастания предыдущей максимальной нагрузки будет возрастать влияние эффекта Mullins на изменение первичного гиперупругого состояния модели материала. При значении нагрузки ниже максимальной предыдущей нагрузки, эффект Mullins не учитывается. Начальное состояние Определение начального состояния относится к состоянию конструкции в начале расчета. Обычно принимают допущение, что в начальном состоянии конструкция не является деформированной и нагруженной. Однако такие идеальные условия не всегда применимы для реальных расчетов. В ANSYS существует возможность определить «сложное» начальное состояние, т. е. можно задавать начальные напряжения и начальные деформации. Дополнительно к этому, в 12-й версии можно задавать начальные пластические деформации. Пользовательское задания свойств материала в зоне упругих деформаций В текущем релизе доступен новый интерфейс для задания пользовательских свойств материала в зоне упругих деформаций. Подпрограмма user_tbelastic позволяет определять свойства материала в зоне упругих деформаций, зависящих от температуры или координат. Эта подпрограмма задает в точках интегрирования элементов «пользовательские» свойства материала в зоне упругих деформаций. Свойства материала задаются применительно к системе координат элементов. В команду TB,ELASTIC добавлена опция «USER», которая позволяет загружать пользовательскую подпрограмму.

www.ansyssolutions.ru

Связанный анализ Решатель для связанных задач (Multifield Solver) Для решателя связанных задач доступна опция сходимости решения. В команде для задания критерия сходимости MFCONV появилось новое поле MINREF для задания минимально допустимого значения переменной reference value, которое рассчитывается программой. Для некоторых видов расчетов нагрузки на интерфейсе могут быть очень малы, например, нагрузки на интерфейсе в третьем направлении, когда трехмерный расчетный код используется при решении двумерной задачи. Опция решателя MINREF может быть использована для ограничения сходимости решения при очень малых значениях. Свойства материалов Для элементов связанного расчета PLANE223, SOLID226 и SOLID227 доступны новые опции для задания моделей материалов. Упругие свойства материала и коэффициенты демпфирования могут быть заданы как функции от частоты и/или температуры для проведения полного гармонического анализа (команды TB,ELASTIC и TB,DAMP). Кроме этого, можно задавать электрическое сопротивление материала для выполнения пьезоэлектрического или термо-пьезоэлектрического анализов (команда MP,RSVX). Учет эффектов предварительно нагруженной конструкции При использовании элементов PLANE223, SOLID226 и SOLID227 в 12-й версии можно учитывать эффекты предварительного нагружения конструкции совместно с пьезоэлектрическими, электропластическими, термопрочностными и др. эффектами. Опция учета толщины Опция задания толщины в 12-й версии доступна для электростатического элемента PLANE121 и для электрического элемента PLANE230 (опция KEYOPT(3) = 3). Режим распараллеливания решателей Distributed ANSYS Решатель в режиме распараллеливания Distributed ANSYS в 12-й версии поддерживает элементы для высокочастотного электромагнитного анализа при использовании элементов 1-го порядка HF119 и HF120.

Решатели Расчет собственных частот и форм колебаний Для расчета собственных частот и форм колебаний (модальный анализ) доступен новый специ-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

•

Ðèñ. 14. Óñêîðåíèå ðàñ÷åòîâ ñîáñòâåííûõ ÷àñòîò è ôîðì êîëåáàíèé ализированный решатель Supernode solver (команда MODOPT,SNODE). Этот решатель применяется для расчета большого числа форм колебаний (до 10.000) для одного расчета. В нем реализованы технологии, используемые в методе Block Lanczos (LANB), однако он требует меньше системных ресурсов для операций ввода/вывода при расчете более 200 форм колебаний. Высокопроизводительные вычисления Для обеспечения максимальной эффективности использования многоядерных процессоров в рабочих станциях, решатель ANSYS в режиме распараллеливания многоядерных процессоров на системной шине теперь поддерживает многие операции пре- и постпроцессинга, включая обработку графики и другие ресурсоемкие операции по работе с данными. Кроме этого, при работе в режиме распараллеливания на кластере Distributed ANSYS для систем, работающих на многоядерных процессорах, на ведущем узле кластера ANSYS в12-й версии использует новые возможности режима shared-memory parallel для операций, которые не относятся к процессу решения. Улучшения для режима распараллеливания решателя в кластере (Distributed ANSYS Enhancements) Перечислим основные улучшения в 12-й версии для режима распараллеливания: Поддержка высокочастотного электромаг• нитного анализа. Новые элементы 22Х серии для следующих • типов расчета: электромагнитного, пьезоэлектрического. Дополнительно к этому, новые элементы для связанного расчета: PLANE223, SOLID226 и SOLID227.

• Расчет собственных частот и форм колебаний для моделей с циклосимметрией.

• Неполное решение (команда PSOLVE).

www.ansyssolutions.ru

Эффекты предварительного нагружения (команда PSTRES) . Опция сведения по массе для команды для • компенсации возможного движения (IRLF,-1). Расчет на устойчивость с использованием • решателя Block Lanczos. Дополнительно к этому, в режим распараллеливания решателя на кластере (Distributed ANSYS) добавлены следующие возможности: Режим распараллеливания решателя на • кластере Distributed ANSYS поддерживает возможности многоядерных процессоров для операций, которые не относятся к работе решателя (пре- и постпроцессинг. Масштабируемость ускорения решения • при увеличении ядер процессоров повысилась на 10-20 %.

• В 12-м релизе была расширена масштабируемость для global stiffness assembly. Теперь вместо одного глобального «Jobname.

FULL» файла создаются индивидуальные файлы «JobnameXX.FULL». Реализация MPI для режима работы решателя Distributed ANSYS Режим Distributed ANSYS в 12-й версии использует реализацию HP MPI на платформе операционных систем Microsoft Windows, включая Windows 32-bit и 64-bit. Улучшения в работе решателя Sparse Solver Адресация большого количества оперативной памяти, которая в предыдущих версиях активировалась опцией -LM в командной строке ANSYS, теперь встроена в обычный режим запуска сессии расчетного комплекса ANSYS. Поэтому в 12й версии больше нет необходимости использовать опцию -LM для доступа к большому количеству оперативной памяти. В текущем релизе можно использовать сотни гигабайт памяти с решателем Sparse Solver. В 12-й версии можно осуществлять singleframe restart при использовании Sparse Solver, чтобы исключить рефакторизацию (используйте команду EQSLV, SPARSE,,,,KEEP). Решатель Sparse Solver в 12-й версии обладает большей производительностью и точностью для смешанной (u-P) формулировки элементов. Улучшения решателя Block Lanczos Решатель Block Lanczos в 12-й версии исключает разложение на множители везде, где это возможно. Это приводит к ускорению решателя в большинстве случаев. Кроме этого, решатель Block Lanczos стал лучше распараллеливаться в режиме распараллеливания на несколько ядер процессоров одной системной шины.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

19

Технологии

Использование технологий ANSYS при анализе трещин в корпусе клапана

20

Dan Peters, Structural Integrity Associates, Inc., США

В США оборудование для выработки энергии, особенно компоненты электростанций, работающих на органическом топливе, имеет высокую степень изношенности. Срок эксплуатации многих котлов, трубопроводных систем и других деталей подходит к концу вследствие частых поломок. Как результат, проводятся частые проверки этих компонентов, что увеличивает время простоя системы в целом. При этом графики ремонта планируются за несколько лет, а количество запасных деталей ограничено. Поломки компонентов делятся на две категории: повреждения, при которых система может нормально функционировать в будущем; поломки, угрожающие работе системы и требующие замены детали. Поскольку замена компонентов является достаточно дорогостоящей операцией, существует необходимость сохранения ресурса имеющихся деталей на более длительный срок. Выполнение требований безопасности может привести к незапланированным простоям, поэтому оценка срока эксплуатации изделий должна быть как можно более точной. В 2000 году проводилась плановая проверка работы запорного клапана на одной из электростанций, во время которой специалисты компании Structural Integrity Associates обнаружили множество трещин в корпусе клапана. На тот момент посчитали, что причиной их образова-

 ìîäåëè ïîêàçàíî ðàçìåùåíèå òðåùèíû íà âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè êëàïàíà è ëèíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ òðåùèíû ÷åðåç ñòåíêó.

www.ansyssolutions.ru

ния является температурную усталость. Поскольку температура в системе достигает 500 °С и выше, наблюдается относительное перемещение некоторых частей конструкции. Специалисты Structural Integrity Associates измерили трещины в корпусе клапана для сравнения с результатами будущих проверок.

Ïîëå òåìïåðàòóð â êîðïóñå êëàïàíà ïîñëå 532 ñåêóíä íåñòàöèîíàðíîãî ðàñ÷åòà õàðàêòåðèñòèê êëàïàíà âî âðåìÿ ïðîñòîÿ ñèñòåìû. В 2007 году была проведена следующая проверка, целью которой был осмотр трещин в корпусе клапана. Предварительно проводились инженерные расчеты по определению износа клапана. Необходимо было определить, сможет ли клапан функционировать и дальше без ремонта и устранения дефектов. Сначала на основе чертежей клапана в SolidWorks была создана 3D-модель, в которую можно было вносить изменения по результатам дальнейших проверок объекта. Для анализа образования трещин инженеры компании Structural Integrity Associates использовали программный комплекс CreepFatiguePro. При этом учитывались рабочие нагрузки клапана, а также температурные напряжения при остановке системы. Для сокращения простоя системы специалисты провели статический анализ и расчет НДС конструкции клапана в среде ANSYS Workbench 11.0, используя ту же самую модель SolidWorks.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

21 Ïîëå íàïðÿæåíèé â êîðïóñå êëàïàíà ïîñëå 532 ñåêóíä íåñòàöèîíàðíîãî ðàñ÷åòà õàðàêòåðèñòèê êëàïàíà âî âðåìÿ ïðîñòîÿ ñèñòåìû. Платформа ANSYS Workbench использовалась для проведения полного нестационарного расчета термических напряжений совместно с многостадийным анализом статических напряжений. Благодаря высокой степени автоматизации, в ANSYS Workbench существует возможность перехода, в случае необходимости, к традиционному интерфейсу ANSYS Mechanical. При нестационарном расчете термических напряжений на внутренней поверхности задавались условия конвекции и шаг изменения температуры. Затем для напряжений, основанных на распределении температур в различные моменты времени, проводился многостадий-

Ýêñïëóàòàöèîííûå õàðàêòåðèñòèêè, ðàññìîòðåííûå ïðè àíàëèçå òðåùèí â êëàïàíå. ный статический расчет термических напряжений. Следующим этапом была нормализация давления и термических нагрузок, которые использовались в качестве входных параметров при анализе образования трещин. Раньше анализ ползучести частей конструкции и распространения усталостных трещин был достаточно затруднительным. Однако с помощью среды ANSYS Workbench результаты расчета напряженно-деформированного состояния легко экс-

Óâåëè÷åíèå ïîëçó÷åñòè è óñòàëîñòíûõ òðåùèí â êîðïóñå êëàïàíà.

Âíåøíèé âèä êëàïàíà.

Âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü êëàïàíà.

www.ansyssolutions.ru

портировались в Creep-FatiguePro для анализа образования трещин. Изучив результаты проверки объекта в 2000 году, специалисты Structural Integrity Associates создали модель распространения трещин в корпусе клапана. Результаты расчета показали хорошее согласование с данными проверки, которая проводилась семь лет спустя. Расчеты показали, что на данном этапе можно не проводить замену клапана, поскольку трещины распространялись за прошедший период очень медленно, и клапан может и дальше безопасно функционировать. Планируется, что данные будущих проверок будут сравниваться с результатами расчетов скорости роста трещин. Благодаря тому, что результаты расчета были получены до завершения проверки в 2007 году, появилась возможность избежать дорогостоящей замены клапана и сократить финансовые затраты заказчика.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Технологии

22

ANSYS расширяет возможности многодисциплинарных расчетов Интервью Keith Hanna (ANSYS, Inc.) со Stefano Odorizzi, исполнительным директором EnginSoft S.p.A (Италия) ANSYS: Что вызвало Ваш интерес к инженерному моделированию и, в частности, к многодисциплинарным расчетам?

Stefano Odorizzi: В 1973 году я закончил факультет гражданского строительства Падуанского университета в Италии и собирался посвятить себя преподаванию строительной технологии и механики. Работа в данной сфере предполагала использование при проектировании метода конечных элементов (FEA), компьютерного моделирования (САЕ) и работы с цифровыми прототипами (iDP). В течение 70-х — 80-х годов прошлого века производительность компьютеров резко увеличилась, что привело к интенсивному развитию специализированных программных комплексов для инженерных расчетов таких, которые разрабатываются компанией ANSYS, Inc. Моделирование использовалось, в частности, для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций, гидродинамических, тепловых, электромагнитных и других расчетов. В связи с этим появились разнообразные программные комплексы, предназначенные для проектирования, разработки и оптимизации продукции в различных отраслях промышленности. Я всегда придерживался мнения, что проведение многодисциплинарных расчетов должно быть неотъемлемым этапом производственного процесса.

ANSYS: Вы с самого начала понимали насколько широки возможности многодисциплинарных расчетов. Как Вам удалось воплотить эту идею в коммерческий проект?

S. O.: В середине 80-х гг. руководители промышленных компаний осознали необходимость использования компьютерного моделирования в процессе производства. В 1984 г. я основал компанию EnginSoft S.p.A., занимающуюся оказани-

www.ansyssolutions.ru

Stefano Odorizzi, èñïîëíèòåëüíûé äèðåêòîð EnginSoft ем консалтинговых услуг на IT-рынке Италии. В 1990 г. мы основали ESTECO — научно-исследовательскую лабораторию, специализирующуюся на многодисциплинарной оптимизации с использованием программных комплексов для компьютерного моделирования (Process Integration and Design Optimization, PIDO). Основная задача PIDO — это интеграция компьютерного моделирования в процесс разработки изделия. В ESTECO была разработана среда modeFRONTIER™ для решения задач критериальной и многокритериальной оптимизации. В modeFRONTIER™ существует возможность работы в режиме автоматического проектирования и оптимизации изделий, что обеспечивает выполнение технических норм в процессе проектирования. Сегодня в компании EnginSoft работает 200 человек, более 800 компаний во всем мире являются клиентами EnginSoft. В 2003 г. мы стали партнерами компании ANSYS, Inc. Мы уже более 15 лет используем программный

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

комплекс CFX для решения задач гидрогазодинамики, поэтому долгосрочное сотрудничество с компанией ANSYS, Inc. имеет огромное значение для развития нашей компании.

ANSYS: В 80-е годы многодисциплинарные расчеты не использовались повсеместно. Как правило, FEA- и CFD-расчеты проводились по отдельности.

S. O.: И да, и нет. EnginSoft с самого начала ориентировалась на многодисциплинарные решения: мы разработали программное обеспечение, предназначенное для обмена моделями и результатами расчетов, в частности, это была методика использования результатов CFD-анализа для расчета НДС. Этот процесс был достаточно трудоемким, однако его результаты соответствовали требованиям клиентов к проведению интегрированных расчетов. То есть, уже 20 лет назад мы начали внедрять многодисциплинарные решения в процесс моделирования. С тех пор возможности программных комплексов для проведения многодисциплинарных расчетов существенно расширились, и теперь они активно используются практически во всех отраслях промышленности.

ANSYS: Каким образом Вы используете технологии ANSYS в работе?

S. O.: Мы активно применяем программные комплексы ANSYS для построения сеток и проведения расчетов НДС, а также гидродинамических расчетов. Мы успешно использовали технологии ANSYS в ходе сотрудничества со многими компаниями, в частности, Mazzucconi и Piaggio, которые работают в автомобильной отрасли. В данный момент мы принимаем участие в двух инициированных Европейским Союзом проектах для авиакосмической и автомобильной промышленности, включающих в себя многокритериальную оптимизацию на всех этапах проектирования.

ANSYS: Какие задачи можно будет решать в будущем с помощью многодисциплинарных расчетов?

S. O.: Поскольку программные комплексы для многодисциплинарных расчетов постоянно совершенствуются в будущем каждое промышленное предприятие должно будет применять их в процессе разработки продукции. Причем акцент будет делаться уже не на моделирование отдельных узлов и сборок, а целых инженерных систем. В связи с этим, в компьютер-

www.ansyssolutions.ru

ном моделировании должны появиться новые методы, технологии и стратегии. Для этого необходимо преодолеть четыре основные проблемы. Во-первых, необходимо изменить наше отношение к проведению расчетов. В данном случае, успехи компьютерного моделирования могут сыграть с нами злую шутку, поскольку наработанные базы знаний, методы и приемы угрожают будущему прогрессу и вызывают у компаний нежелание развивать новые методики. Во-вторых, мы должны поддерживать развитие новых технологий, в частности, направленных на структуризацию существующих моделей. Поскольку даже сегодня многие задачи с турбулентными потоками не могут быть решены на самых быстрых и современных компьютерах, внедрение инновационных технологий в производственный процесс имеет первостепенное значение. Если закон Мура будет выполняться и в будущем, то в ближайшей перспективе новые модели микросхем станут бесполезными без применения соответствующих комплексов для компьютерного моделирования. В-третьих, необходимо внести существенные коррективы в систему образования, в частности, в направление по подготовке технических специалистов. Следует внедрять междисциплинарные курсы, посвященные общим аспектам компьютерных наук. При этом границы между дисциплинами должны постепенно исчезнуть — это обеспечит более тесное сотрудничество между учеными-теоретиками и специалистами-практиками, работающими в различных отраслях науки. В-четвертых, принимая во внимание сложность проводимых расчетов, мы должны изменить характер финансирования проектов. Краткосрочные (пошаговые) проекты уже не соответствуют современным требованиям, их необходимо заменить долгосрочными программами, над реализацией которых будут совместно работать специалисты из различных отраслей. При комплексном использовании прикладной математики и теории вычислительных машин, внедрение многодисциплинарных расчетов может существенно повлиять на все сферы жизнедеятельности человека.

ANSYS: Каким Вы видите компьютерное моделирование через 10-20 лет?

S. O.: В будущем компьютерное моделирование будет все активнее использоваться в производственных процессах. Мы ожидаем появления

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

23

Технологии

24

большого количества новых моделей и методов моделирования. Компанией ANSYS, Inc. была разработана долгосрочная стратегия развития, выполнение которой предполагает инвестиции в создание новых алгоритмов и методик многодисциплинарных расчетов Возможно ли то, что через 10-20 лет инженеры будут заняты именно разработкой новых продуктов, а компьютеры будут автоматически проводить расчеты в реальном времени? Я думаю, в ближайшем будущем эти мечты станут реальностью.

Кроме этого можно еще вспомнить проект с компанией Piaggio, которая специализируется на производстве мотоциклов. Инженеры Piaggio уже более 10 лет используют многодисциплинарную оптимизацию при разработке новых двигателей. Основная проблема состояла в разработке экологичного двигателя, соответствующего нормам токсичности выхлопных газов, с характерно низким расходом топлива и уровнем шума, и высокой надежностью.

ANSYS: Расскажите кратко о текущих или недавно завершенных проектах компании EnginSoft.

S. O.: В одном из последних проектов по заказу автопроизводителя Mazzucconi специалисты компании EnginSoft использовали программные комплексы ANSYS для анализа работы дизельного двигателя объемом 1.3 литра. Для определения остаточных напряжений специалисты использовали ANSYS Structural, а для оптимизации производственных процессов — среду modeFRONTIER. С помощью ANSYS CFX определялись поля давлений и температур в конструкции, которые затем передавались в ANSYS Structural для расчета деформаций. Специалисты компании Mazzucconi впервые проводили расчет и оптимизацию всех производственных операций в единой среде. Благодаря этому они существенно повысили качество продукции и сократили финансовые затраты более чем на 20%, что составляет ежемесячную экономию средств более чем 1 млн. евро.

Ïîäðîáíàÿ êîíå÷íîýëåìåíòíàÿ ìîäåëü äâèãàòåëÿ ñîäåðæèò áîëåå 26000 êîíå÷íûõ ýëåìåíòîâ äëÿ òî÷íîãî îòîáðàæåíèÿ ëàáèðèíòíîé ñòðóêòóðû ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ äâèãàòåëÿ Mazzucconi.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Structural èñïîëüçóåòñÿ äëÿ îïðåäåëåíèÿ îñòàòî÷íûõ íàïðÿæåíèé â áëîêå öèëèíäðîâ ñ öåëüþ îïòèìèçàöèè ïðîèçâîäñòâåííûõ ïðîöåññîâ.

Сначала специалисты Piaggio разработали одномерную функциональную модель для всей системы двигателя с учетом структурных и газодинамических параметров, соответствующих мощности двигателя, моменту вращения и потребления энергии. Результаты расчета давлений, скоростей и температур по одномерной модели использовались в ANSYS Structural

Íà CAD-ìîäåëè ïîêàçàíû äåòàëè äâèãàòåëÿ Piaggio, êîòîðûå ðàññ÷èòûâàëèñü íà ïðî÷íîñòü â ANSYS Structural.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Äëÿ ðàñ÷åòà ãèäðîäèíàìèêè è ñîïðÿæåííîãî òåïëîîáìåíà â ñèñòåìå îõëàæäåíèÿ äâèãàòåëÿ èñïîëüçîâàëñÿ ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ ANSYS CFX

для расчета прочностных характеристик деталей двигателя. Кроме того, результаты одномерных расчетов использовались в ANSYS CFX для расчета сложной гидродинамики и сопряженного теплообмена в системе охлаждения двигателя. С помощью среды modeFRONTIER при решении оптимальной задачи учитывалось более 20 физических и геометрических параметров при расчете уплотняющих прокладок и головки цилиндров с использованием ANSYS Structural и ANSYS CFX. Данная методика полностью удовлетворяет требованию ко времени выполнения проектов и требованиям по уровню затрат. В результате КПД двигателя повысился на 15%, что обеспечило компании Piaggio дополнительные преимущества на мировом рынке.

Оптимизация конструкции грот-мачты с целью снижения ее веса V. Peselli, F. Franceso,E. D’Alessandro, EnginSoft (Италия), M. Paci, Perini Navi (Италия)

На рынке парусного флота существует достаточно большая конкуренция, но благодаря своим ходовым качествам, надежности и безопасности яхты компании Perini Navi были и остаются общепризнанным эталоном. Несмотря на высокие технические характеристики, компания всегда уделяла особое внимание вопросам эстетичности и комфортабельности своих яхт. Со времени своего основания в 1983 году со стапеля Perini Navi сошло 42 яхты, а в настоящий момент на верфях Италии и Турции строится еще более двух десятков яхт, причем более половины всего портфеля заказов составляет яхты длиной свыше 50-ти метров, так называемые мегаяхты. Современный заказчик предъявляет все более строгие требования к конструкции и техническому оснащению яхты, что приводит к необходимости совмещать требования высокой надежности и долговечности элементов конструкций яхты с её комфортабельностью и эстетичным внешним видом. В связи с этим компания Perini Navi начала разработку нового экспериментального

www.ansyssolutions.ru

проекта с использованием методов автоматической оптимизации. Эта идея была разработана в сотрудничестве с компанией EnginSoft (Флоренция, Италия) и заключала в себе проведение оптимизации грот-мачты для новой серии парусно-моторной яхты с длиной от 50 до 60 м. Цель данной работы состояла в снижении весовых характеристик мачты без потери прочности и устойчивости. С помощью точного 3D моделирования можно регулировать уменьшение веса мачты и киля яхты и, таким образом, повышать её мореходные качества. Также следует отметить тот факт, что подобные разработки снижают стоимость конструкции за счет уменьшения использования алюминия при производстве мачты и свинцовых сплавов для киля, соответственно, упрощается технология изготовления конструктивных элементов мачты. Все это повышает комфорт мореплавания и сокращает сроки выхода продукции на рынок. Методика проектирования мачты состоит, прежде всего, из исследования общей устойчи-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

25

Технологии

26

Ñå÷åíèå ìà÷òû â Design Modeler

Ïàðóñíàÿ ÿõòàôèðìû Perini Navi

Ìà÷òà ñîâðåìåííîé ÿõòû êëàññà Luxury

www.ansyssolutions.ru

вости в поперечной и продольной плоскости (относительно корпуса яхты). Специалистами компании EnginSoft была создана параметрическая модель мачты по данным Perini Navi с использованием средств ANSYS DesignModeler (одного из модулей ANSYS Workbench). Затем с помощью расчетного комплекса ANSYS Mechanical проводилось исследование трех вариантов конструкции мачты с учетом всех секций, салингов и вант. Первая упрощенная модель мачты включала значения площадей поперечного сечения

Àíàëèç îáùåé ïîòåðè óñòîé÷èâîñòè ìà÷òû â ðàñ÷åòíîì êîìïëåêñå ANSYS Mechanical

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Èñïîëüçîâàíèå îáîëî÷å÷íîé ìîäåëè â ñðåäå ANSYS Workbench äëÿ èññëåäîâàíèÿ ÿâëåíèé ìåñòíîé ïîòåðè óñòîé÷èâîñòè и их моменты инерции в качестве параметров. Вторая расчетная модель представляла собой цельную конструкцию мачты и учитывала весь диапазон параметров, которые полностью определяют геометрию (конструкцию) мачты. Эта модель использовалась при исследовании общей устойчивости мачты. Так как конструкция мачты является гиперэластичной (либо предзакрепленной), решение зависит от определяющих уравнений. В ходе начальной стадии предварительного нагружения, где нагрузками является результат натяжения вант, общая устойчивость учитывает нелинейности при больших деформациях мачты. Подобная постановка позволяет определить конструктивную связь между продольными и поперечными плоскостями.

этого средства программного комплекса modeFRONTIER. Используя modeFRONTIER, инженеры-исследователи автоматически обрабатывают изменяющиеся параметры геометрии и передают результаты оптимизации конструкторам для их последующей обработки и анализа. Подобный подход комплексного моделирования оказал сильное воздействие на прежние методики проектирования, внедренные в компании Perini Navi. Кроме этого, теперь можно использовать возможности расчетного комплекса ANSYS через интерфейс среды ANSYS Workbench , что значительно упрощает процесс оптимизации. В ANSYS Workbench реализован достаточно мощный инструмент параметризации модели, также существует возможность автоматического определения граничных условий, задания особенностей креплений вант с мачтой и качественной визуализации, обработки результатов и оформления отчетной документации. Получив положительные результаты компьютерного моделирования, выраженные в снижении веса конструкции мачты, экономии времени и материала на обработку, компания Perini Navi приняла решение использовать ANSYS Workbench при верификации и других сложных участков проекта, например, сварных соединений. Польза от использования подобных технологий компанией Perini Navi не вызывает никаких сомнений. Например, инженерами EnginSoft были предложены решения по уменьшению веса мачты на 3-5 тонн, что в процентном отношении составило 20-25%. В тоже время параметризованную модель конструкции мачты можно применять и для других яхт. Более того, модель

Èññëåäîâàíèÿ îáùåé è ìåñòíîé ïîòåðè óñòîé÷èâîñòè â ñðåäå ANSYS Workbench В третьей оболочечной модели секции мачты исследовались явления локальной устойчивости. При анализе общей и локальной устойчивости предварительное нагружение от вант учитывалось как при статическом анализе, так и при определении устойчивости в линейной постановке. Инжиниринговая компания EnginSoft разработала комплекс из трех моделей ANSYS с учетом оптимизации процессов, применив для

www.ansyssolutions.ru

можно совершенствовать, прикладывая различные варианты нагрузок, скажем, при полном парусном снаряжении, либо при крене. Эта возможность повышает эффективность разрабатываемых элементов и надежность конечного продукта. Ñòàòüÿ ïîäãîòîâëåíà ê ïóáëèêàöèè Ëàðèíûì Ìèõàèëîì (ÇÀÎ «ÅÌÒ Ð») â 2009 ã. ñïåöèàëüíî äëÿ ðóññêîé ðåäàêöèè æóðíàëà «ANSYS Advantage».

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

27

Технологии

28

Новый 12-й релиз программных продуктов ANSYS CFX и ANSYS FLUENT Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р»

В начале 2009 года планируется выпуск новых релизов программных продуктов ANSYS, Inc. семейства «Fluids Products», к которому относятся ANSYS FLUENT и ANSYS CFX. В 12-м релизе оба указанных программных продукта будут полностью интегрированы в расчетную среду ANSYS Workbench, что позволит пользователю более эффективно организовать процесс проектирования конечного изделия, а сам анализ по своей сути, действительно, станет многодисциплинарным.

Интеграция в ANSYS Workbench 12-й релиз ANSYS обеспечивает полную интеграцию своих гидрогазодинамических пакетов со средой ANSYS Workbench. Теперь пользователь может выполнять все необходимые операции и действия, связанные с пре- и постпроцессингом, а также с управлением процессом решения в рамках единой расчетной среды, что значительно упрощает постановку многодисциплинарной («многофизичной») задачи или выполнение параметрического анализа конструкции. Эта стратегия одинаково применима как к пакету ANSYS CFX, так и к ANSYS FLUENT. Кроме этого, полная интеграция подразумевает наличие двусторонней ассоциативной связи газодинамических пакетов с CAD продуктами, усовершенствованные средства геометрического моделирования и генерации расчетной сетки, а также единый и многофункциональный постпроцессор CFD-Post.

и пр. Кроме этого, в 12-м релизе значительно упрощена процедура постановки задач взаимодействия жидкости и конструкции (FSI) с использованием возможностей ANSYS Mechanical и ANSYS Workbench. Другое полезное новшество в 12-й версии ANSYS CFX связано с использованием метода погруженной границы (Immersed Boundary) для учета больших перемещений конструкции при моделировании движения жидкости с подвижными твердыми телами в различных конфигурациях. Для декартовых сеток реализация этого численного метода выглядит следующим образом: Вводится дополнительный источниковый • член в уравнения движения и давления для учета криволинейной границы (в декартовой сетке). Выражение для источникового члена • сконструировано таким образом, чтобы принимать различные значения для узлов декартовой сетки, лежащих внутри расчетной области и прилегающих к криволинейной границе (см. рис. 1). Для внутренних узлов источниковый член • равняется нулю. Еще одно полезное усовершенствование в ANSYS CFX связано тонкими поверхностями

Многодисциплинарность В отдельных случаях моделирование течения жидкости или газа может быть осложнено рассмотрением каких-либо дополнительных физических процессов и явлений. В этом отношении оба указанных газодинамических пакета обладают расширенным набором самых разнообразных математических моделей для моделирования многофазных течений, течения магнитных жидкостей, процессов тепло- и массообмена, горения

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 1. Ìåòîä ïîãðóæåííîãî òåëà/ãðàíèöû

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

добавлена новая итеративная схема высокого порядка c ограничителями, а в опциях дискретизации уравнений в ANSYS FLUENT появилась схема второго порядка аппроксимации с ограничителями невязких потоков. Вообще, переход на схемы более высокого порядка точности наиболее эффективен (и целесообразен) в таких областях, где решение является гладким, но быстро меняющимся, например, около стенки.

Ðèñ. 2. Êîíòàêòíûå ïîâåðõíîñòè (Thin Surface/Wall). Теперь, например, можно учитывать в расчетах термическое контактное сопротивление. На рис. 2 транзистор выделен красным цветом, а поверхность контакта на плате — желтым цветом. Результаты расчета температурного состояния этого примитивного электронного узла показаны на рис. 3.

Ðèñ. 4. Àýðîäèíàìèêà ãîíî÷íîé ÿõòû: áîëåå 1 ìèëëèàðäà ðàñ÷åòíûõ óçëîâ.

Интерфейс

Ðèñ. 3. Òåìïåðàòóðíîãî ñîñòîÿíèÿ ïðèìèòèâíîãî ýëåêòðîííîãî óçëà

Усовершенствования в решателях Основные усилия ANSYS при работе над 12-й версией были направлены на увеличение скорости решателей для различных приложений и типов расчетов, как стационарных, так и нестационарных. В среднем скорость решателей увеличилась на 10-20% по сравнению с 11-й версией. Также значительно повысилась производительность решателей ANSYS CFX и FLUENT при распределенных вычислениях. В августе 2008 года команда инженеров Luna Rossa Challenge во главе с Ignazio Maria Viola выполнила расчет аэродинамики яхты класса «Кубок Америки» в газодинамическом пакете ANSYS CFX с размерностью задачи более чем 1 миллиард расчетных узлов (рис. 4). Что касается повышения точности расчетов при сохранении устойчивости решателей, то для решения этой проблемы в ANSYS CFX была

www.ansyssolutions.ru

Удобство и простота использования программных продуктов ANSYS, Inc. позволяют пользователю намного эффективнее и быстрее решать свои повседневные задачи в ANSYS, чем в конкурирующих продуктах. В 12-й версии наибольшие изменения претерпел графический интерфейс ANSYS FLUENT, что является хорошей основой для более глубокой интеграции этого газодинамического пакета в расчетную среду ANSYS Workbench. При этом сохранилась возможность загрузки FLUENT с традиционным интерфейсом с поддержкой TUI (текстовой строки). В ANSYS CFX намного упростилась процедура постановки многовариантных расчетов. Теперь достаточно перейти в строку Flow Analysis (произвольное имя — прим ред.) дерева проекта, выполнить команду Duplicate, а затем переопределить все необходимые граничные условия (рис.

5). Обратим внимание, что процедура переопределения может быть распространена не только на граничные условия, но и на расчетную сетку и исходную топологию, как показано на рис. 6. В 12-й версии при создании выражений с помощью языка CEL появилась возможность использовать условные операторы IF/ELSE, кроме этого, можно использовать логические выражения для остановки решателя и завершения расчета (опция Termination Control).

Двигатели внутреннего сгорания Компания ANSYS, Inc. продолжила внедрять инновации в область математического модели-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

29

Технологии

30

Ðèñ. 5. Ïîñòàíîâêà ìíîãîâàðèàíòíîãî ðàñ÷åòà â ïðåïðîöåññîðå ANSYS CFX

Ðèñ. 7. Ïðèìåð ñâÿçè ïðåïðîöåññîðà CFX-Pre ñ âíåøíèì ñåòî÷íûì ãåíåðàòîðîì

Ðèñ. 6. Íîâàÿ îïöèÿ Multi-configuration â CFX-Pre рования процессов в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Главным образом, эти новшества затронули программный комплекс ANSYS CFX. Во-первых, в препроцессоре появилась дополнительная опция, ориентированная на задачи ДВС, кроме этого упростилась процедура управления процессом перестроения сетки с использованием возможностей внешнего сеточного генератора ICEM CFD (рис. 7). Наконец, в пакете появились дополнительные математические модели горения жидких топлив, например, в дизельных двигателях (рис. 8). Во-первых, это модель ECFM, разработанная Colin O. и Benkenida A. (2003) для пламен частично или полностью перемешанных смесей, учитывающая искривление фронта пламени вследствие крупномасштабной турбулентности, и ее модификация для пламен предварительно не перемешанных смесей — модель ECFM3Z (3-Zones Extended Coherent Flame Model). В последней модели рассматриваются три зоны смешения: область чистого топлива, сгоревших газов и зона свежей смеси, где используется стандартная ECFM модель.

Ðèñ. 8. Ìîäåëèðîâàíèå ïðîöåññîâ ãîðåíèÿ â ÄÂÑ жении модели свободной поверхности (рис. 9), будут расширены возможностью моделирования многофазных потоков в Эйлеровой постановке, что значительно улучшит процесс сходимости для стационарных задач. ANSYS CFX будет дополнен подсеточной моделью пристеночного кипения, а также возможностью учета дополнительных сил, например, подъемной силы при расчете пузырьковых течений.

Турбомашиностроение Многофазные течения В 12-й версии FLUENT возможности PCB решателя, которые ранее были ограничены моделированием многофазных течений только в прибли-

www.ansyssolutions.ru

Традиционно решения ANSYS широко используются в нефтегазовой отрасли, турбомашиностроении, энергетике. Во многом это связано с расширенными возможностями ANSYS по рас-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

31

Ðèñ. 9. Ïðèìåð ìîäåëèðîâàíèÿ äâóôàçíûõ òå÷åíèé ñî ñâîáîäíîé ïîâåðõíîñòüþ â ANSYS CFX чету самых разнообразных лопаточных машин: осевых компрессоров, центробежных насосов, осерадиальных турбин и пр. В 12-ю версию ANSYS было внедрено большое количество дополнений для более устойчивого и точного сопряжения стационарных и вращающихся компонентов. С появлением нового поколения Workbench 2.0, в котором принципиально изменилась идеология связывания между собой самых разнообразных решений ANSYS (рис. 10), значительно упростилась процедура выполнения параметрических и многовариантных расчетов. Другими словами, теперь на базе традиционных расчетов с повторяемым набором однотипных действий и операций при пре- и постпроцессинге задачи, можно разрабатывать методику расчета.

Ðèñ. 11. Äîáàâëåíèå ãàëòåëåé â òðåõìåðíóþ ìîäåëü öåíòðîáåæíîãî êîëåñà значенный для построения трехмерной модели лопаточной машины, был дополнен новыми возможностями по объединению множественных компонентов, добавлению в модель галтелей (рис. 11), осевых и радиальных зазоров и пр. Кроме этого, начиная с 12-й версии с помощью средств DesignModeler можно выполнять настоящее эскизное проектирование лопаточной машины (см. рис.12): создавать параметризованные эскизы проточной части, задавать число и тип лопаток (статорная/роторная), определять тип передней и задней кромок лопаток. И, наконец, в 12-ю версию BladeModeler, и, соответственно, в Workbench 2.0 полностью интегрирован расчетный модуль Vista TF для двумерного расчета течения в проточной части лопаточной машины.

Ðèñ. 12. Ýñêèçíîå ïðîåêòèðîâàíèå ëîïàòî÷íîé ìàøèíû â DesignModeler Ðèñ. 10. Îáíîâëåííûé èíòåðôåéñ ñðåäû Workbench 2.0 В 12-ю версию BladeGen было интегрировано еще одно решение компании PCA Engineers Limited для двумерного проектирования радиальных турбин — пакет Vista RTDesign. Препроцессор BladeModeler, предна-

www.ansyssolutions.ru

Заключение Данная статья носит ознакомительный характер, поэтому в ней описана лишь малая часть новых возможностей ANSYS 12.0. Выход нового релиза ANSYS ожидается не раньше марта текущего года, а первое обновление 12-й версии выйдет предположительно в августе-сентябре 2009 года.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Технологии

32

Моделирование теплообмена в каналах с интенсификаторами Денис Юрченко, ЗАО «ЕМТ Р»

Практически все инженеры-теплотехники сталкиваются с проблемами при расчете тепломассообмена в каналах с интенсификаторами теплообмена. В данной статье приводятся рекомендации по выбору модели турбулентности, описанию пристеночной области, а также параметрам и характеру расчетной сетки. Для решения подобной задачи необходимо было построить геометрию области решения, создать расчетную сетку и экспортировать её в решатель. В качестве препроцессора использовался программный комплекс Gambit. Кроме того, в нем строилась блочно-структурированная двумерная расчетная сетка, которая затем передавалась в CFD-комплекс FLUENT 12.0 для выполнения расчета. На рис. 1 представлена расчетная сетка области решения: (а) — «мелкая» — в межреберном пространстве содержится 45 ячеек, по высоте ребер 20 ячеек с «колоколовидным» законом распределения (Bell Shaped), и (б) — «грубая» — в межреберном пространстве содержится 15 ячеек, по высоте ребра 7 ячеек, используется аналогичный «колоколовидный» закон распределения. Расчеты для данной задачи проводились в двумерной постановке, так как при средних числах Re = 40 000 многими авторами показано наличие квазидвумерного течения. Более того, можно утверждать, что при течении потока в канале с интенсификаторами, теплообмен в основном будет определяться именно интенсификаторами, а не вторичными токами. Соотношение параметров интенсификаторов к шагу и высоте исследуемого канала приведено в таблице 1. На наш взгляд, они наиболее часто встречаются в инженерной практике. Таблица 1. Параметры интенсификаторов теплообмена и режима течения Re P/e H/e

40000 10 10

Данная задача рассматривалась в периодичной постановке (один шаг интенсификато-

www.ansyssolutions.ru

ров). В такой постановке для обеспечения необходимого режима течения (числа Re) существует возможность задать либо перепад давления между границами периодичности, либо массовый расход. Кроме того, необходимо задавать опорную температуру потока. Задача решалась в стационарной постановке при помощи Pressure-Based решателя с алгоритмом коррекции давления SIMPLE, параметры релаксаций оставались по умолчанию. Для аппроксимации всех решаемых уравнений использовалась схема второго порядка точности. На нижней границе между интенсификаторами задавался постоянный тепловой поток. В качестве газовой среды был выбран воздух с постоянными теплофизическими свойствами при температуре 25 °С. При решении задач тепломассообмена при выполнении требований по построению расчетной сетки достоверность полученного решения в основном определяется выбором той или иной модели турбулентности. В данном случае было принято решение исследовать проверенные временем инженерные модели турбулентности k-ε и SST и их методы описания пристеночной области. В связи с наличием множества присоединенных вихрей при обтекании интенсификаторов, очевидно, необходимо строить расчетную сетку, способную обеспечить достаточное разрешение в областях присутствия таких вихрей, а для адекватного учета теплообмена необходимо обеспечить требуемое значение параметра y+ на стенке. При использовании мелкой расчетной сетки значение безразмерного параметра y+ на стенке не превышало 3, а грубой — 16. Грубую расчетную сетку было интересно рассмотреть с позиции повседневной практики инженера. Не секрет, что обычно сам по себе интенсификатор не является предметом исследования, он занимает лишь небольшое место в общей глобальной задаче тепломассобмена, например, при расчете теплового состояния сложной охлаждаемой лопатки ГТД с каналами охлаждения и перфорацией. В таких задачах использовать большое количество ячеек на один отдельный

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

À

Á 33

À

Á

Ðèñ. 1. Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà îáëàñòè ðåøåíèÿ: ìåëêàÿ (à) — ìåëêàÿ, (á) — ãðóáàÿ интенсификатор обычно не представляется возможным. Критериями сходимости являлись невязки (для всех уравнений должны быть ниже 1е-3, для уравнения энергии ниже 1е-6), а также изменение средней температуры на нижней грани области решения между интенсификаторами должно выходить на асимптоту. При определении коэффициентов теплоотдачи в качестве опорной температуры использовалась средняя температура в области решения. В результате верификации моделей турбулентности и различных методов описания пристеночной области было выявлено, что стандартная k-ε модель турбулентности с методом описания пристеночной области (scalable wall functions) обеспечила наиболее близкое значение числа Нуссельта к определенному по экспериментальным данным [1]. Отличие среднего значения не превысило 15%, что, на наш взгляд, является хорошим результатом. Важным резуль-

Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü ÷èñëà Íóññåëüòà îò áåçðàçìåðíîãî ðàññòîÿíèÿ äëÿ ðàçëè÷íûõ ìîäåëåé òóðáóëåíòíîñòè è ðàçíîé ïëîòíîñòè ðàñ÷åòíîé ñåòêè

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 3. Ïîëå ñêîðîñòåé â îáëàñòè ðåøåíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì k-ε ìîäåëè òóðáóëåíòíîñòè (scalable wall functions): (à) — ìåëêàÿ ñåòêà, (á) — ãðóáàÿ ñåòêà

À

Á

Ðèñ. 4. Ïîëå òóðáóëåíòíîé âÿçêîñòè â îáëàñòè ðåøåíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì k-ε ìîäåëè òóðáóëåíòíîñòè (scalable wall functions): (à) — ìåëêàÿ ñåòêà, (á) — ãðóáàÿ ñåòêà татом также является удовлетворительная работы данной модели на грубой сетке. Как видно из рис. 2 данная модель по среднему значению числа Нуссельта даже на грубой сетке отличается не более чем на 24% от значения, полученного экспериментальным путем. Стандартная k-ε модель турбулентности с методом описания пристеночной области (scalable wall functions) ранее была реализована только в пакете ANSYS CFX, теперь она появится и в 12-й версии FLUENT. Следует отметить неожиданно неудовлетворительный результат, полученный с использованием SST модели турбулентности: среднее значение числа Нуссельта отличается на 77% от значения, полученного экспериментально при данном режиме течения и характеристиках интенсификаторов. Как показывает анализ рис. 3—5 использование k-ε модели турбулентности даже на довольно грубой расчетной сетке позволяет получать удовлетворительные результаты, как по гидродинамике, так и по теплообмену. Видно, что такие полевые характеристики, как скорость и параметры турбулентности с использованием различных расчетных сеток, хорошо согласуются. Рассмотрим еще один пример — теплообмен в цилиндрическом канале с интенсификаторми теплообмена. Данная тема достаточно

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Технологии

À

Á

34

Ðèñ. 5. Ïîëå èíòåíñèâíîñòè òóðáóëåíòíûõ ïóëüñàöèé â îáëàñòè ðåøåíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì k-ε ìîäåëè òóðáóëåíòíîñòè (scalable wall functions): (à) — ìåëêàÿ ñåòêà, (á) — ãðóáàÿ ñåòêà глубоко проработана в отечественной научной литературе [2]. Параметры интесификаторов и режим течения оставим прежними (см. таблицу 1), однако в данном случае рассмотрим осесимметричную задачу, в которой область решения состоит из 20 последовательно включенных фрагментов (рис. 6).

Ðèñ. 6. Ïåðèîäè÷íàÿ îñåñèììåòðè÷íàÿ ÷àñòü îáëàñòè ðåøåíèÿ

À

Á

Последовательность действий, метод решения, схемы аппроксимаций и критерии сходимости использовались такие же, как и в предыдущем примере. Задача также решалась в стационарной постановке. В результате расчета были получены поля скоростей, температур, турбулентной вязкости и т. д. (см. рис 7). Качественный характер полевых величин похож на характер соответствующих величин предыдущего примера (см. рис. 3–5). Здесь также наблюдаются описанные в научной литературе [2] вихревые структуры и турбулизация потока вследствие наличия интенсификаторов теплообмена. Было проведено сравнение средней по 19му периоду интенсификации теплообмена (соотношение числа Нуссельта в канале с интенсификаторами теплообмена к числу Нуссельта в гладкой трубе) с экспериментальными данными [2]. Как показали результаты CFD-моделирования величина интенсификации Nu/Nuгл с использованием k-ε модели составила 2.72 и превысила на 15,7% экспериментально полученное значение (2.35). Следует отметить, что SST модель турбулентности обеспечила интенсификацию на уровне 1,96, что на 16,6% ниже экспериментального значения. Результаты работы показали, что на расчет теплообмена помимо плотности расчетной сетки в значительной мере влияет выбор модели турбулентности и ее описание пристеночной области, особенно при моделировании течений с присоединенными и отрывными вихрями. Следовательно, для достижения высокой адекват-

Â

Ðèñ. 7. Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ: (à) — ïîëå ñêîðîñòè, (á) — òóðáóëåíòíîé âÿçêîñòè, (â) — òåìïåðàòóðû В данной задаче использовались граничные условия Mass flow inlet на входе в область решения, и Pressure-outlet на выходе. На внешней поверхности трубы задавался постоянный тепловой поток, теплообмен между газовой средой и твердым телом рассчитывался в сопряженной постановке. Анализ среднего коэффициента теплоотдачи осуществлялся на предпоследнем 19-м периоде интенсификаторов, где уже наблюдалась гидродинамическая и тепловая стабилизация потока. Опорной температурой для расчета коэффициента теплоотдачи служила средняя температура воздуха в цилиндрической области над 19-м периодом интенсификаторов.

www.ansyssolutions.ru

ности CFD-моделей всегда необходимо проводить всестороннюю верификацию разрабатываемых моделей при помощи литературных и/или экспериментальных данных по локальным или интегральным характеристикам. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1.

G. J. E. Nicklin. Augmented heat transfer in a square channel with asymmetrical turbulence promotion.

Final year project report, Dept. of Mech. Eng., UMIST, Manchester, 1998.

2. Êàëèíèí Ý. Ê., Äðåéöåð Ã. À., Êîïï È.Ç., Ìÿêî÷èí À.Ñ. Ýôôåêòèâíûå ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà. — Ì.: Ýíåãîàòîìèçäàò, 1998. — 408 ñ.: èë.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Технологии

Оптимизация конструкции запорного клапана Christophe Avdjian, Engineered Valves, Cameron Inc., Франция

В течение 60 лет компания Cameron’s Valves and Measurement Group является ведущим мировым производителем запорных клапанов, используемых в нефтегазовой и нефтехимической отраслях промышленности. Диск клапана позволяет исключить обратное течение природного газа, нефти или другой среды. Таким образом, запорные клапаны обеспечивают мгновенную защиту компрессоров от аварии. Работая над одним из последних проектов, технические специалисты компании Cameron использовали программные продукты ANSYS для разработки новой серии запорных клапанов. Первостепенной задачей было снизить перепад давления в клапане и увеличить период, в течение которого клапан оставался бы полностью открытым при расходе ниже минимально рабочего. Это особенно актуально при запуске системы, когда максимальный расход в трубопроводе устанавливается в течение многих недель, месяцев и даже лет.

интерфейсы к CAD-системам, DesignModeler позволяет работать с параметрическими моделями, обеспечивая двустороннюю связь между расчетной и CAD-моделью. Благодаря этому технические специалисты смогли почти в три раза сократить потери давления в запорных клапанах.

Оптимизация работы клапана при малых расходах Кроме этого, была проведена оптимизация сборки рычага и заслонки с целью уменьшения нагрузок и деформации деталей. Для этого использовались программные комплексы ANSYS DesignXplorer, ANSYS DesignModeler и ANSYS Mechanical. В результате масса и инерционные параметры деталей сократились на 50%, благодаря чему клапан смог дольше оставаться в открытом положении при низких расходах. Также была проведена оптимизация рабочего угла, что увеличило время работы клапана в открытом положении на 75%.

Снижение перепада давления Для снижения перепада давления необходимо определить области с максимальной интенсивностью турбулентности. Для этого применялся программный комплекс ANSYS CFX. Кроме этого, для планирования эксперимента и оптимизации формы диска использовался комплекс ANSYS DesignXplorer. За счет эффективного проведения множества последовательных гидродинамических расчетов ANSYS DesignXplorer позволил быстро прийти к требуемому результату. В данном случае была найдена форма диска, соответствующая минимальным потерям давления в тракте. Данный комплекс позволяет проводить оптимизацию при помощи поверхностей отклика. Инженер может менять входные параметры и сразу видеть результаты.

ANSYS DesignModeler является важнейшим инструментом при подготовке геометрии, создании расчетной сетки, а также построении области решения для CFD-расчета. Используя прямые

www.ansyssolutions.ru

Ïîâåðõíîñòü îòêëèêà îòîáðàæàåò çàâèñèìîñòü óãëà íàêëîíà îò ïåðåïàäà äàâëåíèÿ â çàïîðíîì êëàïàíå. С помощью ANSYS Mechanical рассчитывались нагрузки при нелинейном контактном взаимодействии в деталях, работающих под давлением. Кроме этого, рассчитывалась ударная сила и отклонение закрытой заслонки в аварийном режиме. Использование современных программных комплексов ANSYS позволило разработать проекты клапанов нового поколения с улучшенными техническими характеристиками; их выход на рынок запланирован на начало 2009 г.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

35

Технологии Анализ эксплутационных характеристик клапанов

36

Для изучения рабочих характеристик клапанов при различных расходах и типах жидкости использовались программные комплексы ANSYS CFX и ANSYS DesignXplorer. Поскольку конечное положение рычага и заслонки зависит от множества факторов (действия входного течения жидкости, гравитации и внешних нагрузок), то для моделирования эксплуатационных характеристик одного клапана требуется значительное количество времени. Расчет проводился для 50 клапанов различных размеров и конфигураций.

тировались в ANSYS CFX для определения перепада давления в зависимости от расхода на входе клапана. Кроме этого, в ANSYS CFX определялся момент вращения на рычаге.

Ðàñïðåäåëåíèå íàïðÿæåíèé â îïòèìèçèðîâàííîé ñáîðêå äèñêà è ðû÷àãà.

Èçìåíåíèå ðàñïðåäåëåíèÿ äàâëåíèÿ â êëàïàíå îò ïîëíîñòüþ îòêðûòîãî äî ñòðåäíåãî ïîëîæåíèÿ При стандартном подходе моделирование эксплутационных характеристик при всех возможных условиях подачи жидкости для 50 моделей клапанов может затянуться на долгие годы. Перед специалистами компании Cameron стояла задача сократить время расчета до 1 суток. В результате совместной работы компаний Cameron и ANSYS, Inc. был разработан подход с использованием ANSYS CFX и ANSYS DesignXplorer, в котором могли моделироваться эксплутационные характеристики для каждой модели клапана при различном расходе и условиях подачи входящей жидкости в требуемые сроки. Всевозможные наклонные положения сборки диска и рычага моделировались с помощью ANSYS DesignXplorer, для работы с геометрическими моделями использовался ANSYS DesignModeler. После этого результаты экспор-

Затем результаты расчетов в ANSYS CFX были переданы в ANSYS DesignXplorer для моделирования 15-ти фаз движения клапана (от полностью открытого до полностью закрытого положения) и расхода жидкости на входе (от минимума до максимума). Чтобы убедится в выполнении условия равновесия момента, действующего на сборку рычага и диска, инженерным путем был получен полный момент, действующий на сборку, состоящий из момента, возникающего под действием набегающего потока жидкости, момента трения и момента от веса рычага и диска как функции угла поворота. Целью оптимизации было определение наклона заслонки для различных расходов жидкости при условии равенства нулю момента вращения. Специалисты компании Cameron провели сравнение результатов эксперимента для 5000 таких точек с результатами моделирования в ANSYS DesignXplorer. В итоге была получена кривая зависимости потерь давления от расхода на входе в клапан в условиях равновесия. Подобные кривые отображают режим течения при различных расходах. Они создавались для всех 50-ти моделей клапанов, причем результаты были получены за несколько часов.

Ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ýêñïåðèìåíòà äëÿ 5000 òî÷åê (ââåðõó) ñ ðåçóëüòàòàìè ìîäåëèðîâàíèÿ â ANSYS DesignXplorer (âíèçó). Ïîëó÷åíà êðèâàÿ çàâèñèìîñòè ïîòåðü äàâëåíèÿ îò ðàñõîäà æèäêîñòè íà âõîäå â óñëîâèÿõ ðàâíîâåñèÿ.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Технологии

Использование ANSYS FLUENT для повышения эффективности обработки радиоактивных отходов Brigette Rosendall, Bechtel National, Inc., США

В ядерном центре Хенфорд, штат Вашингтон, размещается около 60% радиоактивных отходов со всей территории США. В 177 подземных резервуарах хранится радиоактивная смесь, которую превращают в стекловидное вещество с помощью процесса витрификации. Переохлажденный расплав при охлаждении ниже температуры стеклования, оставаясь аморфным, приобретает структуру стекла и свойства, аналогичные кристаллическим твердым телам. При этом смесь разливается в стальные корзины и охлаждается до полного застывания. Основная проблема заключается в том, что смесь в баке для смешивания должна постоянно находиться во взвешенном состоянии. Во избежание контакта радиоактивной смеси с механическими компонентами системы, инженерам компании Bechtel National, Inc. необходимо было выбрать оптимальную модель импульсной мешалки (PJM), в которой движение смеси происходит за счет сжатия воздуха. Поскольку данный вопрос ранее не изучался, необходимо было определить, обеспечивает ли та или иная мешалка достаточное перемешивание смеси в баках для смешивания радиационных отходов. При этом каждый бак существенно отличался по конструкции и требованиям к перемешиванию. Кроме этого, в различных баках смесь обладала разными свойствами в силу неодинаковой концентрации радиоактивных компонентов. Эффективность работы импульсных мешалок в каждом отдельном случае зависела от геометрии бака, количества мешалок, используемых в баке, размера частиц, характеристик жидкости, длительности цикла работы и других факторов. Основной задачей мешалок было поддержание смеси в баке во взвешенном состоянии. Для моделирования процесса смешивания технические специалисты Bechtel использовали программный комплекс FLUENT, позволяющий проводить анализ широкого спектра задач, в

www.ansyssolutions.ru

том числе и моделирование многофазных течений. С помощью модели гранулирования можно определять распределение твердых частиц смеси во всем баке. Для этого необходимо решить систему уравнений Навье — Стокса для жидкой и твердой фаз отдельно. Это позволяет учесть связь между фазами за счет коэффициентов обмена, наиболее важный из которых это взаимодействие жидкости с твердыми частицами. В результате можно определить необходимый режим смешивания для каждого бака. Однако в большинстве случаев достаточным условием является сохранение смеси во взвешенном состоянии и степень перемешивания, удовлетворительная для перехода к следующему этапу витрификации. Поскольку смешивание в импульсной мешалке является турбулентным процессом, в процессе расчета использовалась модель турбулентности k-ε. Предварительно CFD-инженеры компании сравнили с экспериментом результаты расчетов при использовании различных моделей турбулентности и пришли к выводу, что в данном случае k-ε модель является оптимальной.

Èìïóëüñíàÿ ìåøàëêà: ãëóáèíà 4.6 ì, âíóòðåííèé äèàìåòð 3.9 ì.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

37

Технологии

38

Ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ñ ýêñïåðèìåíòàëüíûìè äàííûìè ïî êîëè÷åñòâó òâåðäîé ôàçû â áàêå âûñîòîé 3.5 ìåòðà

Ñõåìà èìïóëüñíîé ìåøàëêè.

À

Á

С помощью пользовательских подпрограмм задавались скорости для каждой струи и определялась концентрация твердых частиц в смеси, поступающей через сопла. Это избавило от необходимости моделировать свободные поверхности в мешалке и межфазные границы в баках для смешивания, и в целом существенно облегчило расчеты. Сотрудники Bechtel были ограничены в проведении экспериментов из-за высокой стоимости установки мешалок и баков для смешения. Единственная экспериментальная установка (бак и мешалка в натуральную величину) находилась в Национальной Тихоокеанской лаборатории при исследовательском институте Battelle Memorial в Огайо. Результаты численного моделирования по скорости и концентрации частиц сравнивались с экспериментальными данными. При этом было отмечено, что расчеты во FLUENT несколько занижали количество твердой фазы, однако различия были незначительными по сравнению с периодическими изменениями в концентрации твердых частиц. В верхней части бака разница с экспериментом была более существенной. В действительности перемешивание оказалось не таким равномерным, как это было показано в расчете. Несмотря на то, что результаты CFD-моделирования показали несколько лучшее перемешивание, чем в действительности, общие результаты были достаточно близкими к экспериментальным данным. В связи с этим, было принято решение и в дальнейшем моделировать баки различной конструкции, и для каждого определять степень перемешивания с помощью программного комплекса FLUENT. Таким образом, использование современных CFD-комплексов обеспечивает существенную экономию финансовых ресурсов, затрачиваемых на проведение экспериментов и дополнительную переработку радиационных отходов.

Â

Ã

Êîíòóðû êîíöåíòðàöèè òâåðäîé ôàçû. Âî âðåìÿ âñàñûâàíèÿ ñìåñè êîíöåíòðàöèÿ òâåðäûõ ÷àñòèö óâåëè÷èâàëàñü âíèçó áàêà (ïîêàçàíî êðàñíûì öâåòîì): (à) — â íà÷àëå âñàñûâàíèÿ, (á) — â ïðîöåññà, (ñ) — â êîíöå ïðîöåññà.  êîíöå ôàçû âðàùåíèÿ (ä) áîëåå âûñîêàÿ êîíöåíòðàöèÿ òâåðäûõ ÷àñòèö íàáëþäàëàñü ó âåðõíåé ãðàíèöû æèäêîñòè, ïðè ýòîì êîíöåíòðàöèÿ âíèçó áàêà óìåíüøàëàñü.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Технологии

Исследование теплогидродинамических процессов в кабельных проводниках ИТЭР с применением FLUENT R. Zanino, Politecnico, Италия

Стоимость проекта ИТЭР (Международный экспериментальный термоядерный реактор) составляет порядка 10 млрд. евро. В этом проекте помимо Евросоюза участвуют Россия, Китай, Индия и США. На данный момент готов проект реактора и выбрано место для его строительства — вблизи исследовательского центра Cadarache (Франция). Целью проекта является демонстрация научных и технологических возможностей использования термоядерной энергии в мирных целях. ИТЭР представляет собой тороидальную установку, в которой термоядерная плазма удерживается сильным магнитным полем. В сверхпроводящих электромагнитах используются двухканальные кабельные проводники (CICC).В результате вынужденной конвекции жидкий гелий с температурой 5 К и давлением 0,5 МПа движется по кольцевому каналу, в котором располагаются пучки кабелей, а также по центральной спиралевидной трубке, ограничивающей канал прямоугольного сечения. Этот канал имеет отверстия, которые позволяют перетекать жидкому гелию между обоими каналами. Внедрение инновационных методов помогает исследователям понять сложные теплогидродинамические процессы, происходящие в кабельных проводниках ИТЭР. Для этой цели был выбран программный комплекс Fluent, содержащий большое количество разнообразных моделей физических процессов, в том числе, модели турбулентности. Fluent использовался для опре-

Ñòðóêòóðà âòîðè÷íîãî òå÷åíèÿ â ñå÷åíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì ñïèðàëè.

www.ansyssolutions.ru

деления расчетных коэффициентов теплоотдачи в нестационарной задаче сопряженного теплообмена многожильного проводника. В частности, необходимо было рассчитать потери давления в кабельных проводниках для определения мощности насоса, перекачивающего теплоноситель. Для этого задавались соответствующие коэффициенты гидравлического сопротивления на каждом отдельном участке проводника или расход хладагента для охлаждения кабеля. Несмотря на кажущуюся простоту измерения перепадов давлений, структура кабельных проводников настолько специфична, что данные измерения редко дают однозначные результаты. Поэтому современные базы данных нуждаются в уточнении. Принимая это во внимание, вначале для нескольких геометрических моделей рассчитывался перепад давлений, идентичный перепаду давлений в центральном канале ИТЭР, и соответствующий удельному массовому расходу. Результаты моделирования показали хорошее согласование с экспериментальными дан-

Æèäêèé ãåëèé òå÷åò êàê â êîëüöåâîì êàíàëå, â êîòîðîì ðàçìåùåíû ïó÷êè êàáåëåé, òàê è â öåíòðàëüíîì êàíàëå ïðÿìîóãîëüíîãî ñå÷åíèÿ, êîòîðûé îãðàíè÷åí ñïèðàëüíûì ïðîâîäîì.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

39

Технологии CICC, в том числе и лучистого теплообмена в спирали, которая разделяет проводник.

40

 ïðîåêòå ÈÒÝÐ îñíîâíûå ÷àñòè îáìîòêè ýëåêòðîìàãíèòà (CS, TF è PF) âêëþ÷àþò â ñåáÿ êàáåëüíûå ïðîâîäíèêè CICC. ными, и были использованы для изучения зависимости перепада давлений в центральном канале от величины зазора и диаметра спирали. В будущем планируется применение данного подхода при изучении других термодинамических процессов в кабельных проводниках

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1.

Savoldi, L., and Zanino, R.: M&M: Multi-conductor mithrandir code for the simulation of thermalhydraulic transients in superconducting magnets.

Cryogenics 40: 179-189, 2000.

2.

Zanino, R., and Savoldi, L.: A review of thermalhydraulic issues in ITER cable-in-conduit conductors.

Cryogenics 46: 541-555, 2006.

3.

Zanino, R., Giors, S., and Mondino, R.: CFD modeling of ITER cable-in-conduit superconductors. Part I: Friction in the central channel. Adv. Cryo. Eng. 51: 1009-1016, 2006.

4.

Zanino, R., Giors, S., and Mondino, R.: CFD modeling of ITER cable-in-conduit superconductors. Part II: Effects of spiral geometry on the central channel pressure drop. Fus. Eng. Des. 81: 2605-2610, 2006.

5.

Zanino, R., Giors, S., and Savoldi, L.: CFD modeling of ITER cable-in-conduit super-conductors. Part III: Correlation for the central channel friction factor.

Presented at ICEC21, Praha, Czech Republic, July 2006.

Вопрос-ответ Выдавливание поверхностной сетки Часто возникает необходимость увеличить область решения, например, если на входе или выходе расчетной области существуют рециркуляционные зоны. Эту процедуру можно выполнить непосредственно в препроцессоре Fluent, используя операцию выдавливания поверхностной сетки. Данный инструмент позволяет создавать слои призматических или гексаэдральных ячеек, в зависимости от формы ячеек на поверхности. Выдавливание производится по нормали к поверхности, в результате получается новая зона ячеек. Процедура реализована только для трехмерных задач. Существует два различных способа выдавливания, оба доступны только через текстовый интерфейс: Выдавливание поверхностной сетки по • заданному набору смещений (в системе единиц СИ): define/boundary-conditions/modify-zone/ extrude-face-zone-delta. Выдавливание поверхностной сетки по • заданному общему смещению (в системе единиц СИ) и набору безразмерных положений от 0 до 1: define/boundary-conditions/modify-zone/ extrude-face-zone-para.

www.ansyssolutions.ru

Пример использования процедуры выдавливания поверхностной сетки Одну из граней тестового куба с размерами 10×10×10 метров необходимо удлинить на 2 м. Для этого применяем следующую последовательность команд: /define/boundary-conditions/modify-zones> extrude-face-zone-delta Face zone id/name [] 7 () Distance delta(1) [()] 1 Distance delta(2) [()] 1 Distance delta(3) [()] Extrude face zone? [yes] Moved original zone (wall:007) to interior-7 Created new prism cell zone fluid-11 Created new prism cap zone wall-12 Created new prism side zone wall-13 Created new prism interior zone interior-14

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Мастер класс

Жестко-податливый контакт в Workbench 2.0 Кабанов Юрий, ЗАО «ЕМТ Р»

В настоящей статье описываются новые возможности контактных технологий Workbench версии 2.0 (12-й релиз ANSYS). Особое внимание уделено вопросу моделирования жестко-податливого контакта (Rigid-Flexible Contact). Жестко-податливый контакт повсеместно встречается при моделировании сложных сборок и узлов, детали которых могут иметь различные жесткости вследствие своих геометрических особенностей и свойств материала. Кроме этого, данный тип контакта позволяет вводить упрощения в конструкцию, моделируя вспомогательные поверхности (Target Surfaces) простой геометрией и применяя ведущие узлы (Pilot Nodes) для приложения нагрузок и перемещений. В такой контактной паре одна или более поверхностей (обычно вспомогательные) определяются как абсолютно жесткие (Rigid Target), жесткость которых намного превышает жесткость второй поверхности (или группы поверхностей), которая называется контактной. Иными словами, применяется концепция контактной пары, составляющие которой имеют различные жесткости.

Ðèñ. 1. Âûáîð òèïà ðàñ÷åòà â Workbench 2.0

www.ansyssolutions.ru

Контактные податливые поверхности разбиваются на подробную конечно-элементную модель. Элементы этой модели, как и при любом другом типе контакта, располагаются поверх основных элементов модели. Контактные жесткие поверхности могут моделироваться примитивами различных типов. Перемещение таких поверхностей контролируется ведущим узлом (Pilot Node). Нагрузки и закрепления задаются именно в этом узле. Далее на простом примере будет подробно рассмотрено моделирование такого типа контакта в расчетной среде Workbench 2.0. На странице проекта (Workbench 2.0 Project Page) выбирается тип расчета Static Structural (рис. 1). Далее нажимается иконка Create an independent system. Выбирается раздел Geometry, затем опция From File для чтения геометрии (рис. 2). Загружается файл геометрии «Test_Rigid_Flexible_Contact.agdb». В результате этих действий в графическом окне появится рабочая геометрия. Далее переходим в раздел Model панели текущей задачи, в результате чего рабочая геометрия открывается в модуле Design Simulation (рис. 3.).

Ðèñ. 2. Çàãðóçêà ðàáî÷åé ãåîìåòðèè

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

41

Мастер класс

42

Ðèñ. 3. Îòêðûòèå ðàáî÷åé ãåîìåòðèè â ìîäóëå Design Simulation

Ðèñ. 5. Íàñòðîéêà êîíòàêòíîé ïàðû

Теперь необходимо изменить свойства контактирующих тел. Тело «Upper Body» будет жестким (Rigid), тело «Lower Body» — податливым (Flexible). Для этого открывается вкладка Geometry и в окне Details в разделе Stiffness Behavior определяются свойства контактирующих тел (рис. 4).

Ðèñ. 6. Ãåíåðàöèÿ ðàñ÷åòíîé ñåòêè После этого необходимо настроить опции решателя для обеспечения оптимальной скорости решения и достижения лучшей сходимости. Для этого переходим в раздел Analysis Settings и в окне Details (рис. 7) вводим следующие параметры: Auto Time Stepping — On; • Initial Supsteps — 20; • Minimum Supsteps —10; •

Ðèñ. 4. Èçìåíåíèå ñâîéñòâ êîíòàêòèðóþùèõ òåë Теперь можно приступать к заданию параметров жестко-податливого контакта. Для этого необходимо открыть вкладку Connections в дереве проекта, и выбирать объект «Contact Region». Затем правой кнопкой мыши выбирается опция Flip Contact/Target (рис. 5). В окне Details вводятся следующие параметры для данной контактной пары: Contact Type — Frictionless; • • Contact Behavior — Assymetric; • Formulation — Augmented Lagrange. После этого можно сгенерировать расчетную сетку. Для этого выбирается раздел Mesh в дереве проекта и исполняется команда Generate Mesh (рис. 6).

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 7. Ïàðàìåòðû ðàñ÷åòà è îïöèè ðåøàòåëÿ

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

• • •

Deformation → Total; Stress → Equivalent (von-Mises); Tools → Contact Tool.

43

Ðèñ. 8. Ââåäåíèå çàêðåïëåíèé äëÿ íèæíåé äåòàëè Maximum Substeps — 50; • Solver Type — Direct; • Weak Springs — Off; • Large Deflection — On. • Далее необходимо задать граничные условия — ввести ограничения перемещений деталей в сборке. Нижняя деталь закрепляется неподвижно (Fixed Support), как показано на рис. 8. Для верхней детали вводится специальный тип закрепления Remote Displacement, позволяющий выбирать какие компоненты перемещений оставить, а какие удалить. Из всех возможных перемещений и поворотов оставим поворот вокруг оси Z на 5 градусов (рис. 9).

Ðèñ. 11. Âêëàäêà Solution Для получения данных по контактному интерфейсу откройте вкладку Contact Tool, затем правой кнопкой в контекстном меню выберите Evaluate Results. Нажимая на соответствующие вкладки раздела Solution, вы получите дополнительные результаты по контактной задаче. Некоторые результаты решения задачи с жестко-податливым контактом представлены на рис. 12-13.

Ðèñ. 12. Ñóììàðíàÿ äåôîðìàöèÿ

Ðèñ. 9. Çàäàíèå ãðàíè÷íûõ óñëîâèé äëÿ âåðõíåé äåòàëè Для запуска задачи на решение необходимо нажать кнопку «Solve» (рис. 10).

Ðèñ. 13. Ðàñïðåäåëåíèå êîíòàêòíûõ äàâëåíèé

Ðèñ. 10. Çàïóñê çàäà÷è íà ðàñ÷åò После окончания решения можно приступать к формированию и просмотру результатов. Для этого необходимо выделить вкладку Solution в дереве проекта (рис. 11) и из контекстного меню выбрать следующие элементы для просмотра:

www.ansyssolutions.ru

Таким образом, улучшенный инструментарий и обилие полезных команд позволяют решать довольно сложные задачи контактного взаимодействия в среде Workbench 2.0. Отметим, что данная статья носит ознакомительный характер и не претендует на полное и детальное изложение процедуры расчета жестко-податливого контакта средствами расчетных модулей Workbench 2.0.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Вне рубрики

44

Вы спрашивали — мы отвечаем Обзор расширенных возможностей сеточного генератора ICEM CFD версии 12.0 Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р»

В настоящей статье мы опишем дополнительные возможности сеточного генератора ANSYS ICEM CFD, используя которые вы сможете «строить» более качественные расчетные сетки за меньший период времени. Мы также кратко расскажем об улучшениях и дополнениях, внесенных в версию 12.0.

Импорт геометрии Процесс генерации сетки всегда начинается с импорта геометрического модели изделия из CAD комплекса в сеточный генератор. ICEM CFD поддерживает передачу геометрии через следующие популярные форматы: *.sat, *.x_t, *.stp, *. step, *.igs, *.prt, *.dwg, *.sldprt, и др. Кроме этого, существует возможность прямого импорта геометрии из CATIA, SolidWorks, UG, Pro/E, Inventor, OneSpace, SolidEdge. В текущей версии ICEM CFD поддерживается релиз UG не выше NX5, однако в скором времени ожидается появление интерфейса и для релиза UG NX6. Главное усовершенствование ICEM CFD связано c поддержкой 12-й версией т. н. Workbench Readers, что значительно расширяет список форматов, через которые можно передавать исходную CAD-геометрию в сеточный генератор (см. рис. 1). Кроме этого, теперь напрямую можно загружать в ICEM CFD файлы Design Modeler, Simulation (*.dsdb, *.agdb, *.cmdb) и пр. Также в 12-й версии можно

www.ansyssolutions.ru

передавать расчетную сетку из ICEM CFD в FE Modeler, что обеспечивает полную интеграцию этого популярного сеточного генератора со всеми модулями Workbench 12.0. Еще одна отличительная особенность 12-й версии ICEM CFD связана с поддержкой именнованных групп выборок (Named Selection), созданных в DM, Simulation или внешнем CAD-пакете. Эти выборки сохраняются в ICEM CFD в виде т. н. Subset. Для этого при использовании Workbench Readers необходимо в разделе Geometry Preferences поставить галочку напротив опции Create Subset from Named Selection. Затем эти Subsets можно легко преобразовать в Parts с помощью команды Create Part.

Подготовка геометрии Используя средства ICEM CFD по коррекции и восстановлению геометрии, всегда следует соб-

Ðèñ. 1. Ïàíåëü Workbench Readers

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

людать определенную осторожность. Например, используя опцию Single curve cleanup лучше руководствоваться следующим правилом: задавать большую точность для исправления большинства дефектов и меньшую для устранения очевидных зазоров и разрывов в геометрии, как это показано на рис. 2.

Начните с удаления всех кривых и точек. Создайте отдельную Part для новых поверхностей. При анализе и извлечении поверхностей используйте настройку Low в опции Curvature. Установите значение Ref. Angle равным 10-20. Далее извлечите кривые и точки из всех поверхностей, размещенных в новом Part.

Объемные сетки и задание размеров элементов

Ðèñ. 2. Ïðèìåðû äåôåêòîâ â ìåñòàõ ïåðåñå÷åíèÿ ïîâåðõíîñòåé

При использовании метода Octree следует помнить, что изначально вся расчетная область разбивается на тетраэдрические элементы одного размера, и только потом происходит локальное измельчение сетки в определенных областях геометрии. Поэтому очень важно правильно подобрать значение размера базового объемного элемента. При этом надо учитывать, что Octree всегда округляет размеры объемных элементов, имеющих близкие значения, в меньшую сторону.

В отдельных случаях вместо опции Build Topology целесообразно использовать опцию Check Geometry, особенно если речь идет о комплексной геометрии (рис. 3-4).

Ðèñ. 5. Âèçóàëèçàöèÿ ðàçìåðà îáúåìíîãî ýëåìåíòà â ICEM CFD

Ðèñ. 3. Ïðèìåð êîìïëåêñíîé ãåîìåòðèè (àâèàëàéíåð Airbus A380) èìïîðòèðîâàííîé â ICEM CFD

Ðèñ. 4. Çàäíåå øàññè Airbus A380

www.ansyssolutions.ru

Кроме метода Octree (рис. 6) ICEM CFD предлагает еще три альтернативных подхода для генерации объемной сетки на основе тетраэдров: Quick, Tgrid и Smooth. Рассмотрим кратко основные достоинства и недостатки указанных методов.

Ðèñ. 6. Ñòðóêòóðà îáúåìíîé ñåòêè ïðè èñïîëüçîâàíèè ìåòîäà Octree

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

45

Мастер класс

46

Quick (Delaunay): базовый метод генерации т. н. Bottom-up сеток без возможности управления размером объемных элементов, но включающий специальный алгоритм измельчения сетки в скошенных областях (рис. 7). Самый устойчивый и быстрый.

большей устойчивостью по сравнению со стандартным алгоритмом TGrid Tetra. Довольно часто в конструкциях изделий присутствуют поверхности, пересекающиеся под очень острым углом. Для построения качественной сетки в подобных местах, как правило, используют опцию Define thin cuts, однако это не всегда возможно, например, если поверхности являются параллельными. Для решения этой проблемы ICEM CFD предлагает еще одну опцию, которая называется Edge criterion. На рис. 9а и 9б показаны результаты использования этой опции при EC = 0.2 и EC = 0.01, соответственно.

Ðèñ. 7. Ñòðóêòóðà îáúåìíîé ñåòêè ïðè èñïîëüçîâàíèè ìåòîäà Quick TGrid: разновидность стандартного метода Delaunay, но с более с «жестким» контролем изменений размеров элементов, находящихся около стенки (поверхности) и «мягким» (нежестким) на удалении от поверхностей (внутри расчетной области). Отсутствует возможность измельчения сетки в скошенных областях.

Smooth (Advancing Front): поверхностная сетка должна образовывать замкнутый объем. Отличный от Delaunay метод генерации объемной сетки, позволяющий создавать сетки без резкого изменения размеров элементов внутри расчетной области с помощью т. н. Expansion Factor (задается в Global Mesh Parameters). Этот метод чувствителен к размерам элементов на ограничивающих поверхностях (рис. 8).

À

Á Ðèñ. 9. Ðåçóëüòàòû èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Edge criterion: : (à) — EC = 0.2, (á) — EC = 0.01 При использовании опции Define thin cuts для двух поверхностей (см. рис. 10), расположенных в разных Parts (A и B), необходимо линию пересечения переместить в Parts C.

Ðèñ. 8. Ñòðóêòóðà îáúåìíîé ñåòêè ïðè èñïîëüçîâàíèè ìåòîäà Smooth Кроме этого, в 12-ю версию ICEM CFD был добавлен еще один метод генерации объемной сетки — метод TGrid AFT, которые обладает

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 10. Îïöèÿ Define thin cuts

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Аппаратное обеспечение

Параллельные вычисления в ANSYS Fluent Чернов Александр, Колесник Валерий, ЗАО «EMT Р»

Введение При рассмотрении актуальных научно-исследовательских задач разрабатываемая расчетная модель должна быть устойчивой и учитывать все особенности геометрии изделия без известных упрощений, которые характерны для задач расчета напряженно-деформационного состояния конструкции. В качестве объекта многовариантных тестов использовалась модель горизонтального теплообменника специального назначения. Решалась задача оптимизации конструкции теплообменника с точки зрения минимизации гидравлических потерь во внутреннем тракте теплообменника. Использовался программный комплекс ANSYS Fluent. Проходное сечение теплообменника моделировалось трубками с диаметрами D1 = 20 мм и D2 = 50 мм, которые располагались в шахматном порядке в азимутальном направлении по длине теплообменника на половине диаметра горизонтальной цилиндрической обечайки, а также в его торцевых частях. Модельная среда (идеальный газ) подавалась в теплообменник снизу по вертикальному патрубку (граничное условие «Pressure Inlet»). Кроме этого, расчетная симметричная область половины модели теплообменника предусматривала выход модельной среды из трубок в большой объем, на границах которого задавалось условие типа «Pressure Outlet». Использовались модели турбулентности «RKE» и «SKE». Большое несоответствие между размерами внешнего объема (30 м3) размерами (диаметром) трубок теплообменника потребовало дополнительное сгущение (измельчение) расчетных тетраэдральных ячеек в месте сопряжения трубок с центральной частью обечайки. Общий размер расчетной области составил ~ 2.5 млн. ячеек. Задача решалась в стационарной постановке с критерием сходимости по невязкам установленным равным 1.0E-4. Расчетная модель была принята в качестве «базовой точки» для сравнения производительности серверов и кластеров различной конфигурации. Несмотря на то, что решение столь небольших задач на серверах не рекомендуется исследование и разработка рекомендаций по ускоре-

www.ansyssolutions.ru

нию подобных расчетов представляет большой интерес и может быть использовано при поиске оптимальных вариантов конструкции кластеров.

Распараллеливание решателя ANSYS FLUENT Решатель ANSYS FLUENT распараллеливается на операционных системах Microsoft и UNIX. В данной статье рассмотрены варианты использования операционных систем: Microsoft Windows Server 2003 R2 64-bit (реализация MPI — специально подготовленная ANSYS FLUENT версия MPICH2 (1.0.3)), Microsoft Windows Compute Cluster Server 2003 с использованием реализации MPI — Microsoft Compute Cluster Pack (MS MPI) и Red Hat Enterprise Linux AS release 4 (Nahant Update 6) с HP MPI 2.2.5. Сразу отметим, что целью данной статьи не является проведение сравнительного анализа производительности решателя ANSYS FLUENT для всех вышеперечисленных вариантов ОС и MPI при фиксированном варианте конфигурации кластера из двух узлов. Протокол MPI — это стандартный интерфейс прикладного программирования (API) и спецификация на передачу сообщений. Он был разработан специально для высокопроизводительных вычислений, выполняющихся на больших компьютерных системах или на объединенных в кластер обычных компьютерах. Рассмотрим особенности настройки режима распараллеливания ANSYS FLUENT на Microsoft

Âíåøíèé âèä ðàñ÷åòíîé ñåòêè

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

47

Аппаратное обеспечение

48

Ïàíåëü íàñòðîéêè çíà÷åíèé ïåðåìåííûõ ñðåäû Microsoft Windows

Ïàíåëü óïðàâëåíèÿ çàïóñêîì ñåññèè Fluent Windows Compute Cluster Server 2003 с использованием Microsoft Compute Cluster Pack (MS MPI). Прежде всего, напомним, что возможность запуска заданий по сети в операционных системах Microsoft возможна лишь для учетных записей пользователей членов контроллера домена Active Directory. Дело в том, что «по умолчанию» решатель ANSYS FLUENT не запускается в режиме распределенных вычислений «Parallel FLUENT». Для того, чтобы он запустился в этом режиме необходимо, чтобы значения переменных среды Microsoft Windows «FLUENT_INC» и «Path» были представлены сетевым путем в расчетном домене в виде записи Universal Naming Convention (UNC). Далее проще всего воспользоваться менеджером управления запуском сессии ANSYS FLUENT: …\Fluent.Inc\fluent6.3.26\launcher\ launcher.exe Особенностью запуска является то, что управлением сессии занимается Microsoft Compute Cluster Scheduler Service с использованием ведущего узла Microsoft Windows Compute Cluster Server 2003.

www.ansyssolutions.ru

Далее после успешного запуска сессии должно появиться сообщение об успешной загрузке MS MPI для каждого из используемых вычислительных ядер узлов кластера решателя ANSYS FLUENT. Режим распараллеливания ANSYS FLUENT на Microsoft Windows Server 2003 R2 64-bit (реализация MPI — MPICH2) также имеет свои особенности. В отличие от режима распараллеливания ANSYS Mechanical (см. ANSYS Advantage №7’2008), для ANSYS FLUENT нельзя использовать последние версии бесплатной свободно распространяемая реализация MPI — MPICH2. Требуется использование специально подготовленной ANSYS FLUENT версии MPICH2 (1.0.3), которую можно загрузить с пользовательского портала ANSYS FLUENT User Services Center: https://secure.fluent.com/sso2/login.htm. Для запуска сессии ANSYS FLUENT в режиме распределенных вычислений «Parallel FLUENT» также необходимо задать значения переменных «FLUENT_INC» и «Path». При использовании менеджера управления запуском сессии ANSYS FLUENT также должно появиться сообщение успешной загрузки MPICH2 для каждого из используемых вычислительных ядер узлов кластера решателя ANSYS FLUENT. Распараллеливание ANSYS FLUENT на Red Hat Enterprise Linux AS release 4 (Nahant Update 6) с реализацией MPI — HP MPI 2.2.5 построено на других принципах, чем на операционных системах Microsoft. Если в первом случае все построено на членстве узлов в домене Active

Äèàãíîñòèêà çàãðóçêè MS MPI äëÿ âû÷èñëèòåëüíûõ ÿäåð óçëîâ êëàñòåðà

Äèàãíîñòèêà çàãðóçêè MS MPI äëÿ âû÷èñëèòåëüíûõ ÿäåð óçëîâ êëàñòåðà

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

49

Âèä ñîîáùåíèÿ îá óñïåøíîé çàãðóçêå HP-MPI

Çàïóñê ñåññèè ANSYS Fluent

Äèàãðàììà âðåìåíè ðåøåíèÿ òåñòîâîé çàäà÷è äëÿ ðàçíûõ êîíôèãóðàöèé âû÷èñëèòåëüíîãî êëàñòåðà

Îêíî íàñòðîéêè ñåññèè ANSYS Fluent Directory, то для LINUX надо настроить протоколы SSH или RSH. Отметим, что применять протокол RSH по соображениям безопасности не рекомендуется. Для вызова окна настройки запуска сессии ANSYS FLUENT необходимо использовать опцию «Run». В этом окне задаются нужные опции и указывается путь к файлу (в данном случае «hosts. txt») с описанием вычислительных узлов и числом используемых ядер. После запуска сессии в окне терминала сессии ANSYS FLUENT должно появиться сообщение об успешной загрузке HP-MPI. Ниже показаны диаграммы времени решения рассматриваемой задачи при различных вариантах кластеров из двух узлов, как с одним двуядерным процессором, так и с одним четырехядерным процессором под управлением сле-

дующих операционных систем: Microsoft Windows Server 2003 R2 64-bit (реализация MPI — MPICH2) и Microsoft Windows Compute Cluster Server 2003 (реализации MPI — Microsoft Compute Cluster Pack (MS MPI)). Представленные данные подтверждают увеличение производительности решателя ANSYS FLUENT в режиме распараллеливания при увеличении числа используемых ядер. Однако следует учитывать, что при значительном увеличении числа ядер процессоров в кластере, узким местом может стать пропускная способность сетевого интерконнекта. При использовании 1Gbit Ethernet для сетевых карт, имеющих два порта подключения, с помощью драйверов и при условии поддержки коммутатором режима агрегированных каналов можно увеличить пропускную способность сети. Агрегированный канал — это канал, объединяющий несколько физических каналов в один логический с суммарной полосой пропускания. При числе ядер превышающих число 32, рекомендуется рассмотреть вариант использования сетевого интерконнекта Infiniband.

Таблица 1. Конфигурация вычислительных кластеров Cluster 2nodes (Quad-core Intel® Xeon® X3220 2.4 GHz, 8 Gb RAM, 4 Hdd SATA RAID10), 1 Gbit

Cluster 2nodes (Quad-core Intel® Xeon® E5440 2,83 GHz, 8 Gb RAM, 4 Hdd SATA RAID10), 1 Gbit

Cluster 2nodes (Dual-core Intel® Xeon® X3070 2.66 GHz, 8 Gb RAM, 4 Hdd SATA RAID10), 1 Gbit

MS Win Server 2003R2 x64, MPICH2

8627

8610

13429

MS Win CCS 2003 x64, MS MPI

_

8990

14111

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009