ANSYS Advantage. Русская редакция №12 – Электроника, МЭМС и нанотехнологии

ЭЛЕКТРОНИКА, МЭМС И НАНОТЕХНОЛОГИИ

Ðàçðàáîòêà ñèñòåìû êàòàïóëüòèðîâàíèÿ â ANSYS

CFD-ìîäåëèðîâàíèå ñèñòåìû âåíòèëÿöèè ñòàäèîíà

Èíòåãðàöèÿ ANSOFT â ëèíåéêó ïðîäóêòîâ ANSYS

12'2009

ADVANTAGE

Содержание «ANSYS Advantage. Русская редакция» Инженерно/технический журнал Выходит 4 раза в год 12'2009 Учредитель: ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Генеральный директор: Локтев Валерий Руководитель проекта: Хитрых Денис

Новости и события Обращение Президента и Генерального директора ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» Локтева Валерия ........ 2

Технологии ANSYS Multiphysics ANSOFT: история компании и опыт применения в различных отраслях промышленности .................................................................................................... 3 Интеграция решений Ansoft в линейку продуктов ANSYS, Inc........................... 6

Над номером работали: Кабанов Юрий Чернов Александр Юрченко Денис

Использование ANSYS Icepak для регулирования температурного режима электронных устройств............... 9

Переводчик: Юрченко Анна

Использование ANSYS при разработке альтернативных технологий получения энергии ............................................... 14

Интернет группа: Николаев Александр

Разработка новой концепции катапультирования с применением ANSYS ..... 16

Анализ температурного состояния электронных узлов в ANSYS .................... 11

Решение задач усталостной долговечности в модуле ANSYS nCode Design Life 5.1............................................................... 20

ANSYS Explicit Адрес редакции 111672 Россия, Москва, ул. Суздальская, 46, Тел.: (495) 644-0608 Факс: (495) 644-0609

Исследование напряженно-деформированного состояния элементов конструкции сваебойного трубчатого дизель-молота....................................... 22

ANSYS CFD Численное моделирование процесса обледенения в ANSYS CFX .................. 28

Тираж 1500 экз. Цена свободная

Опыт проектирования систем распыла для различных приложений в ANSYS FLUENT.................................................................................................. 31 Расчет системы вентиляции стадиона «Арена «Ходынка» .............................. 33 Обеспечение температурного режима товарного склада в зимний и летний периоды с помощью ANSYS CFD ....................................... 35

Мастер класс Сравнительный анализ возможностей ANSYS ICEM CFD и TGrid для генерации призматических слоев ................................................... 39

© 2009 ANSYS, Inc. © 2009 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» 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 «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». 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 | 12'2009

Новости и события

Обращение Президента и Генерального директора ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» Локтева Валерия

2

Уважаемые пользователи ANSYS! Бурное развитие технологий ANSYS, нашедших свою реализацию в новом эволюционном поколении программных продуктов для инженерных расчетов, а также ясная корпоративная стратегия и видение стали ключевыми факторами успеха и роста компании, признании ее мировым лидером. Программный комплекс ANSYS является единой программной платформой для реализации полного цикла разработки нового изделия от технического задания на этапе проектирования до проверки правильности принятых решений. За последние годы значительно увеличилась клиентская база во всем мире, включая Россию. Решения ANSYS с успехом используются в инженерной и научной среде, помогая предприятиям внедрять инновации в различных отраслях промышленности. В России компания ANSYS добилась существенного роста благодаря успешной деятельности своих ведущих авторизованных партнеров. Российская компания ЗАО «ЕМТ Р» на сегодняшний день является ведущим партнером ANSYS, Inc. не только в странах СНГ, но и во всей Восточной Европе. Финская компания Process Flow через свой офис в Санкт-Петербурге также добилась неплохих результатов, в основном, благодаря своему опыту и компетенции в области гидрогазодинамики. Немецкая компания CADFEM GmbH давно и хорошо известна Европейским инженерным кругам как ведущий партнер и центр компетенции ANSYS в Западной Европе. Начало ее деятельности в России с 1998 г. через Московское представительство во многом способствовало проникновению и началу успешного применения наукоемких программных продуктов ANSYS многочисленными отечественными промышленными и научными организациями, ВУЗами.

4 сентября 2009г. ЗАО «ЕМТ Р» , Process Flow Oy Ltd. и СADFEM GmbH объявили о регистрации новой совместной инженерно-консалтинговой компании ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», специализирующейся на оказании качественных профессиональных услуг в области масштабных проектов создания и управления технологиями компьютерного моделирования (CAE) в промышленности, науке и образовании, внедрении и технической поддержке наукоемкого программного обеспечения компании ANSYS, Inc., выполнении сложных и уникальных инженерных расчетов в локальных и глобальных проектах. Основными учредителями ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» являются учредители компании ЗАО «ЕМТ Р». Решение создать новую совместную компанию было продиктовано желанием объединить все лучшее, имеющееся в наших компаниях, и в первую очередь, команды высококлассных специалистов, обладающих профессиональными знаниями и

www.ansyssolutions.ru

колоссальным инженерным и внедренческим опытом, свои разработки и направить общие усилия на благо наших клиентов, способствовать эффективному внедрению CAE-технологий и их технической поддержке на высочайшем профессиональном уровне. Решение о создании новой компании было одобрено и приветствуется руководством ANSYS, Inc. Новая компания получила название — ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» (на англ. яз. CADFEM CIS).

CIS сокращение от Commonwealth of Independent States — Содружество Независимых Государств, СНГ). Из этого видно, что деятельность компании будет вестись на всей территории стран СНГ. Следует отметить, что ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» никак не связано с бывшим Московским представительством CADFEM GmbH. Это представительство закрыто, однако хотел бы обратить внимание, что техническую поддержку и сопровождение бывшим клиентам представительства CADFEM GmbH теперь оказывает ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». Головной офис компании ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» находится в г. Москве. Открыты также филиалы в Северо-западном федеральном округе — г. Санкт-Петербург, в Приволжском федеральном округе — г. Самара, в Сибирском федеральном округе — г. Иркутске. Компания намерена в ближайшее время открыть филиалы в Уральском федеральном округе в г. Екатеринбург, в Сибирском федеральном округе в г. Новосибирске и Южном федеральном округе в г. Ростов на Дону. В планы компании входит открытии филиалов и в других странах СНГ и, в частности, в Украине, Белоруссии, Казахстане. Сегодня Европейская группа компаний CADFEM — это крупнейший инженерный холдинг с филиалами и центрами компетенции в Западной и в Восточной Европе, странах СНГ, тесно и успешно сотрудничающий с компанией ANSYS, Inc. В объединенной компании CADFEM работает более ста пятидесяти высококвалифицированных инженеров, предоставляющих качественный и наиболее полный набор консалтинговых услуг в области компьютерного моделирования, обучения и внедрения решений ANSYS. Мы убеждены, что сотрудничество с нашей новой объединённой, ориентированной на клиентов компанией ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» даст целый ряд ощутимых преимуществ нашим клиентам.

С искренним уважением, Валерий Локтев Президент и Генеральный директор ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

ANSOFT: история компании и опыт применения в различных отраслях промышленности Mark Ravenstahl, Ansoft Corporation

Компания Ansoft была создана сотрудниками Carnegie Mellon University — Zoltan J. Cendes и его коллегами. В начале карьеры Dr. Cendes занимался расчетами низкочастотных и электростатических полей. Для генерации расчетной сетки в созданном его командой программном комплексе Maxwell использовался один из алгоритмов построения триангуляции Делоне1 (Delaunay). В 1984 г. Dr. Cendes основал компанию Ansoft, специализирующуюся на решениях в области электромагнетизма. В начале 1980-х гг. специалисты Ansoft проводили исследования высокочастотных микроволновых полей. В результате было введено понятие «граничный элемент», позволяющее устранить проблему паразитных колебаний при конечноэлементном моделировании электромагнитных приборов. Это позволило использовать метод конечных элементов (FEM) в электротехнических приложениях. В 1990 г. компания Ansoft выпустила первую версию HFSS (HighFrequency Structure Simulator) — специализированного программного обеспечения для расчета электромагнитных характеристик произвольных трехмерных компонентов и структур. После выхода HFSS и других инструментов для анализа целостности сигнала и моделирования электромеханических схем, доходы компании Ansoft выросли на 25%. В 1990—2000-х гг. компания Ansoft стала ведущим разработчиком программных комплексов для автоматизации проектирования электроники (EDA). Программные продукты Ansoft 1 Задача построения триангуляции Делоне является одной из базовых в вычислительной геометрии. Она широко используется в машинной графике и в других родственных приложениях. Задача построения триангуляции Делоне впервые была поставлена в 1934 г. известным советским математиком Борисом Николаевичем Делоне.

www.ansyssolutions.ru

стали широко применяться для создания электронных моделей устройств мобильной и интернет-связи, компонентов широкополосных сетей, интегральных схем, печатных плата и электромеханических устройств. В 2008 г. Dr. Cendes получил награду от Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) за вклад в развитие и внедрение ориентированного на пользователя программного обеспечения для анализа электромагнитных полей. Специалисты компании Ansoft являются экспертами в области схемотехники и системного моделирования. Сегодня продукты Ansoft применяются для комплексного моделирования и визуализации электромагнитных полей. Это позволяет инженерам избежать создания физических прототипов, улучшить эксплуатационные характеристики изделий и существенно сократить время их выхода на рынок. Благодаря покупке Ansoft компания ANSYS, Inc. сможет увеличить эффективность эксплуатации своего программного обеспечения, снизить расходы на проектирование и инженернотехническое обеспечение, а также ускорит процесс разработки и появления инновационных продуктов на рынке. Продукты Ansoft ориентированы на два сегмента рынка: электронное оборудование и электромеханические устройства.

Расчет электронного оборудования Высокочастотные приложения Высокочастотные и сверхвысокочастотные приложения доминируют на рынке электроники. В их число входят высокочастотные компоненты и схемы, находящиеся в трансмиттерах и приемных частях систем связи, радиолокационных систем, спутников и мобильных телефонов. В

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

3

Технологии

4

Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ HFSS ïðè ðàçðàáîòêå ðàäàðîâ äëÿ áåñïèëîòíûõ ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ связи с необходимостью сокращения производственных затрат на изделие, его размеров, веса и потребления энергии, разработчики электрических компонентов и систем должны учитывать электромагнитные явления при проектировании изделий. Особенное внимание уделяется сложности конструкции, напряженности электромагнитного поля, паразитным явлениям и взаимодействию электронных компонентов. С помощью программных комплексов Ansoft проводится верификация всей системы, моделирование электромагнитных полей «многочиповых» систем и выделение паразитных явлений. Анализ целостности сигнала и цепей питания печатных плат При разработке серверов, устройств хранения данных, мультимедийных компьютеров, телекоммуникационных систем возникает необходимость перехода на высокоскоростные последовательные шины. Использование таких стандартов, как XAUI, XFI, Serial ATA, PCI Express, HDMI, и FBDIMM, требует увеличения пропускной способности канала от 3 до 10 Гб в секунду. Это позволяет значительно сократить число проводников и линий, принадлежащих одной цепи, однако при этом создаются внутренние радиопомехи между блоками объединения, линиями передачи и сквозными межсоединениями в печатных платах. Большое число выводов микросхемы и высокая скорость обработки данных приводят к значительным теплопотерям. Одновременно происходит уменьшение размеров печатной платы, увеличение плотности рассеиваемой мощности и ужесточение условий к энергопотреблению. В связи с этим, проводятся расчеты полного волнового электромагнитного поля с построением геометрических моделей. Использование программных комплексов Ansoft позволяет инженерам решать подобные задачи, связанные с нарушением целостности сигнала и цепей питания. Программные продукты HFSS (High-Frequency Structure Simulator) — программный комплекс, основанный на методе ко-

www.ansyssolutions.ru

нечных элементов и предназначенный для моделирования высокочастотных структур. Он позволяет выделять паразитные параметры (S, Y, Z),

Ïðèìåð ìîäåëèðîâàíèÿ ðàçúåìà RJ45

Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ HFSS ïðè ðàçðàáîòêå óñòðîéñòâà äëÿ ïðîâåäåíèÿ ãèïåðòåðìèè

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

визуализировать трехмерные электромагнитные поля (ближние и дальние), моделировать SPICEмодели. Программный комплекс Nexxim, применяется для проектирования интегральных схем и анализа целостности.

5

Èíòåðôåéñ ïðîãðàììíîãî êîìïëåêñà RMxprt Êîíñòðóêöèÿ àïïëèêàòîðà ñ ìàññèâîì ÐÔ-àíòåíí Программный комплекс Ansoft Designer используется для сквозного проектирования и моделирования сверхвысокочастотных структур и имеет динамическую связь с Nexxim, HFSS и др. Продукт SIwave применяется при анализе комплексных печатных плат и корпусов ИС.

комплексах уже на ранних этапах моделирования учитывается взаимодействие между схемами и компонентами. При внедрении программных продуктов Ansoft учитывается взаимодействие между электромеханическими компонентами, электронными цепями и управляющими логическими схемами. Комплексный подход позволяет учитывать основные физические аспекты при моделировании компонентов, цепей и логических схем.

Òåìïåðàòóðà îïóõîëè ÷åðåç 6 ìèí ïîñëå íà÷àëà ïðîöåäóðû (47°Ñ) Программный комплекс Q3D Extractor обеспечивает интеграцию всех моделей электромагнитного поля для извлечения трехмерных RLCпараметров и автоматически генерирует соответствующие схемы замещения.

Turbo Package Analyzer (TPA) используется для 2.5D-моделирования электромагнитных явлений в RLC-цепях.

Моделирование электромеханических устройств Электромеханические устройства представляют еще один важный сегмент рынка для программных продуктов Ansoft. Они используются в автомобильной, аэрокосмической отраслях, в сфере автоматизации промышленного производства. Появление программных комплексов для моделирования электромеханических устройств было вызвано неэффективностью расчетов, посвященных этим явлениям по отдельности. В современных электромеханических программных

www.ansyssolutions.ru

Ïðèìåð ìîäåëèðîâàíèÿ ýëåêðîìîòîðà Программные продукты Программный комплекс Maxwell предназначен для электродинамического анализа трехмерных и двухмерных структур. В пакете присутствуют функции, позволяющие моделировать движущиеся и вращающиеся элементы электромагнитных систем, двигатели и актуаторы.

Simplorer используется для моделирования разветвлённых магнитных цепей.

RMxprt представляет собой универсальное программное обеспечение для проектирования вращающихся электромашин. Программный комплекс PExprt применяется для ускорения процесса проектирования и оптимизации в технике сильных токов.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

Интеграция решений Ansoft в линейку продуктов ANSYS, Inc.

6

Fadi Ben Achour, ANSYS, Inc.

Сегодня инженеры, работающие в электронной промышленности, должны постоянно улучшать функциональные характеристики продукции, сокращая при этом размер, вес и потребление энергии батареей. При этом время проектирования также должно сокращаться, в связи с усиливающейся глобальной конкуренцией. Многие компании пытаются освоить сразу несколько сегментов рынка электронных изделий, в том числе сферу бытовой электроники, радиоэлектронных средств связи и компьютерной техники. Кроме того, электронные системы и электромеханические устройства активно применяются в аэрокосмической, автомобильной, энергетической и других отраслях промышленности. В процессе разработки инновационных изделий многие компании все чаще обращаются к программным комплексам

ANSYS при проведении прочностных и гидродинамических расчетов. Благодаря внедрению программных продуктов Ansoft портфолио ANSYS существенно расширилось, в частности, это относится к продуктам ANSYS Multiphysics. В свою очередь, инженеры-электронщики смогут по достоинству оценить широкие возможности программных комплексов ANSYS при проведении расчетов в различных областях физики. С помощью ANSYS Mechanical может проводиться расчет термо-механических напряжений в полупроводниках, электронных модулях, печатных платах и замкнутых системах. Кроме того, инженеры при проведении модального анализа, изучении ударных нагрузок и вибраций могут учитывать нелинейные явления в конструкции изделия — включая усталость паяных соединений, расслоение и пол-

Ìîäåëèðîâàíèå óäàðíîãî èñïûòàíèÿ ãðàôè÷åñêîé êàðòû â ANSYS AUTODYN

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Òåðìîìåõàíè÷åñêèé àíàëèç BGA-êîðïóñà â ANSYS Mechanical зучесть. Программный комплекс ANSYS AUTODYN может использоваться для моделирования ударных испытаний с целью оптимизации рабочих характеристик и надежности изделия. В линейку продуктов ANSYS входят как специализированные, так и универсальные CFD-комплексы, используемые для уменьшения размеров изделий и выполнения техничес-

Ðàñ÷åò ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ ñåòåâîãî ñåðâåðà â ANSYS Icepak ких требований к продукции. Программный продукт ANSYS Icepak используется для оценки температурного состояния электронных устройств в целом и отдельных узлов в частности. Он позволяет моделировать все виды теплообмена: естественную и вынужденную конвекцию, лучистый теплообмен и теплопроводность. В системах охлаждения CFD-комплексы используются для акустического анализа, изучения микроканалов, многофазных потоков, фазовых переходов и др. Кроме того, они применяются в процессе производства полупроводников, в частности, при моделировании процессов травления, фотолитографии, химического осаждения из газовой фазы и др. Технологии Ansoft существенно расширяют спектр возможностей продуктов ANSYS в области электромагнетизма. Один из популярных продуктов Ansoft, HFSS, применяется для трехмерного электродинамического моделирования СВЧ-устройств, широко используемых в радарных системах, антеннах, медицинских устройствах и других беспроводных приборах. Кроме того, программный комплекс HFSS with

www.ansyssolutions.ru

Ansoft 2.5-D (с использованием модулей SIwave и Turbo Package Analyzer) широко используется при устранении проблем целостности сигнала. Проведение подобного анализа необходимо при проектировании компонентов и систем быстродействующих интегральных схем в полупроводниковых приборах, средствах коммуникации, персональных компьютерах и портативных приборах. В программном продукте Ansoft Nexxim интегрированы возможности моделирования СВЧ-устройств и проектирования интегральных схем. Использование инструментов Ansoft для комплексного моделирования электромеханических систем обеспечивают системный подход к анализу и проведение оптимизации проектируемых устройств. Ansoft Maxwell 3-D — это программное обеспечение для моделирования электромагнитных полей, используемое для проектирования и исследования двумерных и трехмерных моделей электродвигателей, датчиков, трансформаторов и других электрических и электромеханических устройств. Специализированный комплекс Ansoft Pexprt используется для расчета трансформаторов и дросселей, Ansoft RMxprt — для вращающихся электромашин. Продукт Ansoft Simplorer предназначен для моделирования высокотехнологичных электромеханических систем. Таким образом, технологии Ansoft дополнят возможности многодисциплинарных, прочностных и гидродинамических расчетов в программных комплексах ANSYS.

Ìîäåëèðîâàíèå öåëîñòíîñòè ñèãíàëà è öåïåé ïèòàíèÿ â Ansoft Nexxim è Ansoft SIwave В результате объединения технологий ANSYS и Ansoft пользователи получили доступ к усовершенствованному решателю, сеточному генератору, пре- и постпроцессору, а также возможностям моделирования на системном и схемотехническом уровне. В программных комплексах ANSYS для прочностных расчетов присутствует возмож-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

7

Технологии

8

Ñ ïîìîùüþ Ansoft Maxwell ïðîâîäèòñÿ òðåõìåðíûé ýëåêòðîìàãíèòíûé àíàëèç ýëåêòðè÷åñêîãî ìîòîðà ность автоматического определения типа контакта, они содержат обширные библиотеки моделей материалов и типов элементов (в том числе и «многодисциплинарные» элементы). Они позволяют решать как стандартные задачи механики деформируемого твердого тела, так и задачи неявной динамики. В CFD-приложениях ANSYS существует возможность использовать динамические, подвижные и деформируемые сетки, моделировать реагирующие потоки, перемешивание различных химических компонентов. Кроме того, в них включены специализированные модели для вращающихся машин и обширная библиотека моделей турбулентности. Используя передовые технологии создания расчетных сеток, в ANSYS можно создавать сетки с использованием гексаэдральных, тетраэдральных, призматических, пирамидальных и других элементов. Для автоматического обмена данными между решателями в ANSYS существуют различные системы управления данными. При использовании ANSYS Workbench появляются широкие возможности по обмену данными, в частности, двусторонняя интеграция с MCADпакетами и инструментами для решения задач оптимизации. Управление расчетными данными осуществляется с помощью программного продукта ANSYS Engineering Knowledge Manager (EKM), предназначенного для полноценного решения следующего круга задач: хранения и управления расчетными данными, учета и аудита данных, поиска и восстановления данных, генерации отчетов и проведения сравнения данных, создания базы знаний для типовых видов расчета и создания системы экспертного анализа проектных решений.

www.ansyssolutions.ru

Использование технологий Ansoft существенно расширяет сферу применения многодисциплинарных решений ANSYS. В частности, применение программных продуктов Ansoft облегчает процесс проектирования гибридных автомобилей, приобретающих в последние годы все большую популярность и имеющих многочисленные электрические системы и компоненты. В связи с этим, проектировщики должны учитывать аэродинамические характеристики, работу двигателя, системы охлаждения автомобиля, удобство пассажиров и результаты аварийных испытаний. В будущем в автомобильной промышленности планируется еще более активное использование электронных компонентов в системах предотвращения столкновений, помощи при парковке, навигационных приборах и т. п.

Ïðèìåð ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèå ñèñòåìíîãî óðîâíÿ â Ansoft Simplorer При проектировании автомобильной электроники совместное использование технологий ANSYS и Ansoft обеспечит проведение разнообразных многодисциплинарных расчетов в области прочности, гидродинамики и электромагнетизма. Использование этих программных комплексов позволит подробно изучить влияние различных дорожных и погодных условий на работу автомобиля. В итоге, применение многодисциплинарного системного подхода поможет достичь оптимального соотношения между рабочими характеристиками автомобиля, потреблением горючего, влиянием на окружающую среду и требованиями к безопасности. Аналогичный подход применяется к проектированию мобильных телефонов, МР3-плееров и других портативных устройств. При многодисциплинарном расчете проводится оптимизация тепловых и прочностных параметров изделия, а также комплексный анализ электромагнитного излучения антенных систем. Таким образом, специалисты, работающие в различных отраслях промышленности, получат единый подход к процессу моделирования, обеспечивающий успешную разработку проекта целиком.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

Использование ANSYS Icepak для регулирования температурного режима электронных устройств Stephen Scampoli, ANSYS, Inc.

Технологии ANSYS Icepak позволяют решать одну из главных проблем электронной промышленности — обеспечение надежной защиты ответственных узлов от влияния высоких температурных нагрузок.

ANSYS Icepak позволяет получить распределение тепловых потоков в конструкции, а также рассчитать локальные значения коэффициентов теплоотдачи, скорости и температуры. Список приложений ANSYS Icepak достаточно широк. Данный продукт можно использовать как для моделирования воздушных потоков внутри корпуса, так и для оценки температурного состояния одиночного процессора или материнской платы в целом. Расчетные технологии ANSYS Icepak позволяют на определенных этапах проектирования отказаться от создания физического прототипа устройства и заменить натурный эксперимент численным моделированием.

Òåìïåðàòóðíîå ñîñòîÿíèå ãðàôè÷åñêîé êàðòû. Ðàñ÷åò âûïîëíåí â ANSYS Icepak

www.ansyssolutions.ru

Интерфейс ANSYS Icepak максимально ориентирован на инженеров-электронщиков, имеющих практический опыт использования ECAD-/MCAD-систем. Для построения расчетной модели в ANSYS Icepak достаточно выбрать в меню необходимый компонент (корпус, вентилятор, печатную плату, вентиляционное отверстие, воздуховод, источник тепла, сопротивление и пр.) и перетащить его в рабочее окно. В эти типовые объекты заложена информации о геометрических размерах, свойствах материалов и граничных условиях. Кроме того, данные объекты являются параметрическими, что позволяет выполнять многовариантные расчеты и оценивать температурное состояние объекта при различных условиях (нагрузках). В ANSYS Icepak по умолчанию встроена расширенная библиотека электронных компонентов различного типа. Другим достоинством данного пакета является возможность работы как с «отраслевыми» ECAD-/MCAD системами, так и с традиционными CAD комплексами через промежуточные геометрические форматы IGES и DXF. Импортированная из ECAD геометрия легко связывается с типовыми объектами ANSYS Icepak, что существенно упрощает процесс создания расчетной модели для сложных электронных узлов и систем. В дополнение к этому, ANSYS Icepak содержит специальные макросы (подпрограммы) для выполнения типовых процедур (например, сертификации/тестирования), что значительно повышает уровень автоматизации данного пакета. Еще одним достоинством пакета является возможность генерировать в автоматическом режиме высококачественные сетки любого типа (многоблочные и неструктурированные сетки, декартовые сетки или сетки типа Hexa-Dominant).

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

9

Технологии

10

Îöåíêà òåìïåðàòóðíîãî ñîñòîÿíèÿ ñåòåâîãî ñåðâåðà â ANSYS Icepak Кроме того, в ANSYS Icepak можно разбить модель и на тетраэдрические элементы. При моделировании температурного состояния электронных устройств очень важно правильно рассчитывать коэффициенты теплоотдачи на ограничивающих поверхностях. Для этого необходимо корректно «разрешать» пристеночные области. Алгоритмы ANSYS Icepak позволяют успешно решать и эту задачу. Кроме того, пользователь может вручную определять размеры элементов в определенных областях, а также группировать отдельные компоненты системы в сборку и разбивать созданные сборки независимо друг от друга. Расчетные возможности ANSYS Icepak базируются на решателе ANSYS Fluent. Расчеты могут быть выполнены как в стационарной, так и в нестационарной постановке. Учитываются все виды теплообмена: кондуктивный (теплопроводность), конвективный (естественная и вынужденная конвекция). Не существует никаких ограничений на тип расчетной сетки (структурированная или неструктурированная) и на размерность задачи. Таким образом, можно моделировать не только отдельные компоненты электронного устройства, но и большие сборки.

ANSYS Icepak содержит расширенный набор математических моделей для описания самых разнообразных физических процессов, которые позволяют проводить так называемое многодисциплинарное моделирование.

ANSYS Icepak обладает разнообразными средствами для визуализации и количественного анализа результатов расчета: векторы скоростей, контурная заливка, траектории частиц, подвижные плоскости, изоповерхности. Можно визуализировать электрический потенциал, завихренность, а также получить осредненные (или локальные) характеристики для скорости, температуры, коэффициента теплоотдачи и пр. Кроме того, результаты расчета можно оформить в виде отчета и сохранить в формате HTML. Поддерживается экспорт результатов в Autotherm, NASTRAN®, PATRAN® и I-DEAS®.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Icepak прекрасно взаимодействует с отдельными продуктами ANSYS, например, SIwave и ANSYS Mechanical. Это позволяет использовать данный комплекс не только для решения узкоспециализированных задач, ограниченных, в основном, расчетом температурного состояния электронных устройств, но и для выполнения связанных расчетов, которые включают расчет температурных деформаций, расчет электрических характеристик (статических и динамических) и пр. Например, пользователь может импортировать в ANSYS Icepak распределение токов питания из SIwave. Программный комплекс SIwave позволяет получить частотно-зависимые модели схем распределения питания электронного устройства, например, микросхемы, и использовать эти данные для последующей оценки температурного состояния микросхемы.

Ðàñïðåäåëåíèå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà ïî òîêîâûì äîðîæêàì ïå÷àòíîé ïëàòû Кроме того, полученное температурное поле можно передать из ANSYS Icepak в ANSYS Mechanical для расчета термонапряженного состояния конструкции. В заключение отметим, что любое современное электронное устройство или электронный компонент, имеют очень сложную структуру, в них часто применяются нетрадиционные материалы, для которых характерен большой разброс механических и тепловых свойств. Кроме того, электронное устройство всегда подвергается значительным температурным нагрузкам как на стадии производства, так и в период эксплуатации. Эти свойства и воздействие температуры могут привести к появлению нежелательных температурных напряжений, которые в результате длительной эксплуатации могут привести к отказу оборудования. Программный комплекс ANSYS Icepak совместно c ANSYS Mechanical позволяет оценить влияние всех типов нагрузок на эксплуатационные характеристики электронного устройства и вовремя внести исправления в его конструкцию.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

Анализ температурного состояния электронных узлов в ANSYS В быстро меняющемся мире электронной промышленности разработчики стараются закладывать все больше возможностей во все более миниатюрные изделия, такие как сотовые телефоны, карманные и портативные компьютеры. Кроме того, электроника все больше вторгается в сферу чисто механических приложений. Это накладывает ограничения на системы воздушного охлаждения, которые призваны защищать чувствительные элементы от значительных температурных нагрузок. В электронной индустрии всегда существовал лимит времени на выполнение разного рода моделирования механических, тепловых и электрических процессов в электронных устройствах. С другой стороны, требуется выпускать качественные электронные изделия за короткие сроки, соответственно, ошибки абсолютно недопустимы.

ANSYS предлагает пользователям эффективные инструменты для проектирования систем охлаждения электронных устройств и для анализа их температурного состояния.

Анализ температурного состояния Электронную промышленность условно можно разделить на четыре направления: производство микросхем, компонентов, печатных плат и систем. В микросхеме содержатся активные цепи, которые и выделяют большую часть тепла. Обычно микросхемы изготовляют из кремния, арсенида (GaAs) или нитрида галлия. Активные элементы микросхемы могут быть менее микрона. Многие компании используют возможности программного обеспечения ANSYS TAS1 для моделирования тепловых процессов в усилителях мощности на базе арсенида галлия. Вся микросхема создается автоматически, а детали про1 В 2005 году компания ANSYS, Inc. получила доступ к специализированным решениям компании Harvard Thermal Inc., предназначенным для анализа температурного состояния электронных устройств. После поглощения компании, все ее продукты были переименованы и получили следующие названия: ANSYS TASPCB, ANSYS PTD и т. д. Процесс интеграции новых продуктов в в линейку «Electronics» ANSYS продолжался 4 года. На данный момент в 12-м релизе все возможности продуктов Harvard Thermal Inc. реализованы в программном комплексе ANSYS Icepak. Кроме того, в 12-м релизе произошло объединение программных продуктов ANSYS Icepak, ANSYS Iceboard и ANSYS Icechip. В настоящей статье сохранены оригинальные названия продуктов.

www.ansyssolutions.ru

рабатываются на субмикронном уровне. Обычно расчет занимает менее одной минуты.

Моделирование электронных компонентов Для теплового моделирования электронных компонентов ANSYS предлагает ANSYS PTD — специализированный пакет для анализа температурного состояния электронных изделий. При работе с элементами, имеющими контактную группу в виде матрицы шариков (BGA-корпус), программа ANSYS PTD напрямую взаимодействует с комплексами Cadence® APD и Sigrity® UPD — специализированными ECAD-пакетами, которые традиционно используются при работе с подобными электронными компонентами. Все детали конструкции импортируются напрямую из ECAD-пакетов, поэтому пользователю необходимо задавать минимум данных. Как правило, трехмерную модель можно автоматически создать и моделировать за несколько минут.

ANSYS PTD позволяет моделировать любые конструкции корпусов, включая BGA, многокристальные интегральные схемы, корпусы с проволочными выводами и безвыводные. Можно также работать с устройствами, смонтированными по схеме «корпус-на-корпусе» (PoP) или «корпус-в-корпусе» (PiP). Кроме того, отдельные объекты, например, рамки с выводами, можно импортировать посредством промежуточных форматов DXF и DWG.

Òåìïåðàòóðíîå ñîñòîÿíèå ÷åòûðåõ ýëåìåíòîâ â êîðïóñå BGA (ñìîíòèðîâàííûõ îäèí ïîâåðõ äðóãîãî), ïîëó÷åííîå ñ ïîìîùüþ ANSYS PTD.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

11

Технологии

12

Благодаря простоте в использовании, прямым интерфейсам с ECAD-/MCAD-пакетами, быстрой обработке геометрических данных и эффективным решателям, то, что раньше занимало дни, теперь может быть выполнено за минуты.

Исследования печатных плат На уровне печатных плат предлагается технология ANSYS TASPCB. Как и ANSYS PTD, ANSYS TASPCB обладает интерфейсами с ECAD-/MCADсистемами, которые применяются при проектировании этих устройств. В программную среду ANSYS TASPCB импортируется каждый слой, дорожка, плоскость и отверстие платы. Размеры электронных компонентов постоянно уменьшаются, количество элементов, наоборот, растет. В современной печатной плате может быть от 20 до 40 слоев, а также десятки тысяч дорожек и отверстий. Поэтому на первый план выходит расчет локальных характеристик потока, а не осредненных величин.

ANSYS TASPCB выполняет расчет для каждого компонента, используя автоматически сгенерированную трехмерную модель платы. По мере роста рассеиваемой мощности на плате и уменьшения рабочих напряжений, возрастают токи, которые проходят через плоскости и дорожки. Это приводит к потерям напряжения на дорожках и плоскостях, а также увеличению тепловыделения. ANSYS TASPCB позволяет рассчитать это падение напряжения и автоматически учитывает дополнительные тепловыделения. Кром того, ANSYS TASPCB учитывает рост сопротивления меди при увеличении температуры.

Трехмерные модели, созданные в программных комплексах ANSYS TAS, ANSYS TASPCB и ANSYS PTD, могут быть экспортированы в среду ANSYS Workbench или ANSYS Mechanical. Кроме геометрической информации передаются данные о распределении температуры в устройстве, что позволяет проводить анализ термонапряженного состояния конструкции. Упрощенная модель платы, созданная в ANSYS TASPCB, так же может быть передана в расчетный комплекс Icepak — специализированный пакет для расчета систем охлаждения электронных устройств. Данный комплекс был разработан компанией Fluent, Inc. В 2005 году ANSYS, Inc. приобрела компанию Fluent, Inc., программный комплекс Icepak был переименован в ANSYS Icepak и включен в линейку специализированных решений ANSYS.

Проектирование на системном уровне и оптимизация Программный комплекс ANSYS Icepak является интерактивной, объектно-ориентированной средой для проведения теплового анализа и оптимизации объектов на системном уровне. Комплекс содержит расширенную библиотеку электронных компонентов, которые являются параметризованными. Схема размещения этих компонентов также является параметрическим объектом. Возможна работа с объектами, имеющими сложную геометрию. При необходимости можно осуществлять непосредственный импорт геометрии из таких CAD-пакетов, как ProEngineer®, или из ECAD-систем, например Cadence, Mentor®.

Ïðèìåð âçàèìîäåéñòâèÿ ANSYS Icepak è SIwave: à — ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè ìîùíîñòè â ïå÷àòíîé ïëàòå, ïîëó÷åííîå ñ ïîìîùüþ SIwave; á — èìïîðò äàííûõ â Icepak; c — òåìïåðàòóðíîå ïîëå, ïîëó÷åííîå â Icepak

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

13

Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ Icemax äëÿ ïîëó÷åíèÿ ÷àñòîòíîçàâèñèìîé SPICE-ìîäåëè ÈÑ Используя стандартные модели объектов, таких как радиаторы, корпуса интегральных микросхем, печатные платы, вентиляторы и нагнетатели, пользователь может быстро построить виртуальный прототип системы. Иногда это удается сделать даже раньше, чем проект будет передан в CAD-пакет. Наличие в ANSYS Icepak множества физических моделей, например, турбулентности, контактного сопротивления, излучения и др., выводят данный комплекс на передовые рубежи моделирования температурного состояния сложных электронных устройств. Кроме того, ANSYS Icepak позволяет заменять сложные модели интегральных схем эквивалентными моделями RC-цепей. Построение сеток на уровне сборочных единиц позволяет включать подробные характеристики на уровне систем, с сохранением компактности моделей и сокращением времени расчета. Решатель ANSYS Icepak использует все преимущества расчетных технологий ANSYS Fluent.

Оценка конструкций корпусов ИС Программный комплекс ANSYS Icemax предназначен для выделения паразитных элементов при анализе корпусов сложных интегральных схем (ИС). Рост плотности цепей и транзисторов приводит к перекрестным помехам и нарушению целостности сигнала, что затрудняет анализ корпусов ИС традиционными методами. Пользовательский интерфейс ANSYS Icemax достаточно прост. Он позволяет устранить главную проблему, возникающую в процессе построения модели, благодаря совместимости со всеми специализированными ECAD-системами. Полная трехмерная модель создается за считанные минуты на основе топологических данных, соответствующих отраслевым стандартам. Для этого применяются сверхбыстрые алгоритмы обработки геометрических данных. Таким образом, процесс расчета включает такие этапы, как им-

www.ansyssolutions.ru

порт геометрии, содержащей всю необходимую информацию о слоях, задание свойств материалов и определение дополнительной информации, относящееся к контактам и соединениям. Вся последовательность действий реализована в виде специального интерфейса, выполненного в стиле программы-мастера. С его помощью пользователь проходит все этапы определения трехмерной геометрии корпуса. От пользователя требуется всего лишь указать рабочую частоту, цепь (или весь блок) и число соседних элементов, которые должны быть включены в модель.

Изучение электромагнитной совместимости Программный комплекс ANSYS Icewave используется для анализа помех и электромагнитной совместимости электронных изделий. В ANSYS Icewave используется надежный и устойчивый нестационарный решатель, основанный на методе конечных разностей. Он позволяет решать сложные проблемы, связанные с излучением и распространением электромагнитных волн. Задачи, связанные с этими вопросами, становятся все более актуальными в связи с ужесточением норм, регулирующих электромагнитное излучение. Явления, относящиеся к перекрестным помехам, наблюдаются в том случае, когда электромагнитное излучение одного устройства взаимодействует с другим. Кроме того, охлаждающие устройства, например, радиаторы, решающие тепловые проблемы на уровне блоков, могут выступать в роли антенн и, соответственно, усложнять решение проблемы минимизации вредного электромагнитного излучения.

ANSYS Icewave обладает теми же возможностями по работе с CAD-системами, что и ANSYS Icepak. Комплекс содержит готовый набор геометрических примитивов и встроенный сеточный генератор. Можно также моделировать сложные свойства материалов, такие как рассеивание в диэлектриках и частотно-зависимые поверхностные эффекты у проводников.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

Использование ANSYS при разработке альтернативных технологий получения энергии

14

George Smith,Tamas Bodai, Green Ocean Energy Ltd, Абердин, Шотландия

В последние годы, в связи с увеличением стоимости топлива и усилением экологических проблем, все больше стран показывают заинтересованность в разработке альтернативных технологий получения энергии. Одним из наиболее перспективных направлений является развитие энергетических установок, использующих ресурсы волновой энергии. Эта идея занимала умы ученых в течение многих столетий, но только теперь существующая материально-техническая база позволила воплотить проекты в жизнь. Для массового производства и внедрения эффективных, надежных и экономичных энергоустановок, использующих ресурсы волновой энергии, необходимо преодолеть серьезные технические проблемы. Компания Green Ocean Energy успешно решает задачи, связанные с работой подобных энергоустановок, с помощью программных комплексов ANSYS. Для гидродинамического анализа работы волн используется ANSYS AQWA, для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций — ANSYS DesignSpace. Инженеры компании используют технологии компьютерного моделирования при разра-

Ïëàâó÷àÿ ýíåðãåòè÷åñêàÿ óñòàíîâêà Ocean Treader

www.ansyssolutions.ru

ботке плавучей энергетической установки Ocean Treader, которую планируется поставить на якорь в открытом море, в пяти километрах от берега, где активность волн достаточно высока. Установка имеет 20-метровые стальные поплавковые рычаги, расположенные на поплавках (компонентах, обеспечивающих плавучесть средства), изготовленных из армированного композиционного пластика. Вследствие воздействия волн на поплавковые рычаги, гидравлические цилиндры вращают генераторы, вырабатывающие электрический ток, который поступает на берег по подводным кабелям. Мощность подобной установки — 500 кВт — является достаточной для электрификации 125 домов; соответственно, мощность 30 установок составляет 15 МВт. Основная задача для инженеров — обеспечить прочность конструкции с учетом ограничений по ее весу. При расчетном сроке эксплуатации 25 лет, энергетические установки должны размещаться в северных водах Атлантического океана, где высота волн при штормовом ветре может достигать 9 метров. Вместе с тем, элементы конструкции должны быть достаточно легковесными для обеспечения плавучести. Использование программного обеспечения ANSYS стало ключевым звеном в решении данных задач. С помощью программного комплекса ANSYS AQWA специалисты Green Ocean Energy определяли отклик конструкции на воздействие волн. Сначала на основе геометрии компонентов была создана гидродинамическая модель погруженной части конструкции; при построении модели учитывались плотность и инерционные свойства конструкции. Кроме того, принимались во внимание характеристики волн — высота и частота волн, полученные в ходе измерений, проведенных в выбранной акватории. На основании входных данных, с помощью ANSYS AQWA были получены следующие гидродинамические параметры:

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

•

Диффракционная сила, учитывающая деформацию волн при взаимодействии с объектами.

• Сила Фруда — Крылова, полученная из поля давлений волн на конструкцию.

• Гидродинамическое демпфирование вследствие излучения волн, вызванного движением конструкции и диссипацией энергии.

• Присоединенная масса конструкции вследствие движения окружающей воды вместе с колеблющимся телом.

• Гидростатическая жесткость и плавучесть. Гидродинамические параметры были включены в собственный код, разработанный специалистами Green Ocean Energy для определения кинематического отклика и мощности установки на выходе. Используя данные мощности на выходе для различных размеров компонентов (длина поплавкового рычага, форма поплавков), инженеры смогли получить оптимальные характеристики для основных элементов конструкции. Модель для расчета распределения напряжений и деформации компонентов была быстро создана благодаря интеграции с Autodesk® Inventor®: геометрия автоматически экспортируется из CAD в ANSYS с помощью прямого интерфейса Geometry Interface for Inventor/MDT. Создание расчетных сеток значительно упростилось благодаря использованию контактных элементов «поверхность-в-поверхность», которые автоматически определяют области контакта соприкасающихся деталей. В связи с наличием деталей, изготовленных из нескольких материалов, задавались различные свойства материалов, включая анизотропные свойства деталей, изготовленных из армированного композиционного пластика. После завершения первого цикла расчетов в ANSYS DesignSpace, благодаря прямому интерфейсу с CAD-системами, инженеры легко внесли изменения в проект и смогли сразу же провести новый цикл расчетов с учетом измененной геометрии, без повторного задания нагрузок и граничных условий. Инженеры Green Ocean Energy провели ряд расчетов с целью уменьшения концентрации напряжения за счет увеличения или уменьшения количества материала в соответствующих местах. Программный комплекс ANSYS DesignSpace инженеры использовали, чтобы уменьшить вес всей конструкции, а также убедиться, что каждая деталь может выдержать весь спектр ожидаемых волновых нагрузок в течение длительного времени. Использование технологий ANSYS сыграло ключевую роль при определении оптимального соотношения мас-

www.ansyssolutions.ru

15

Ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ ANSYS DesignSpace èñïîëüçîâàëñÿ äëÿ ðàñ÷åòà ïîëÿ íàïðÿæåíèé â ïîïëàâêîâîì ðû÷àãå óñòàíîâêè Ocean Treader (ââåðõó) è ïîëÿ äåôîðìàöèè êîíñòðóêöèè ðàñïðåäåëèòåëüíîé áàëêè (âíèçó) сы, момента инерции и центра тяжести конструкции, таким образом, поплавковые рычаги будут оптимально реагировать на волновое воздействие. В настоящее время специалисты Green Ocean Energy разрабатывают точную модель прототипа установки Ocean Treader, проводятся эксперименты в испытательном бассейне. Поскольку уже сейчас поступают многочисленные запросы от различных энергетических компаний, в будущем планируется создавать модели для серийного производства — с использованием хорошо зарекомендовавших себя программных комплексов ANSYS. Кроме того, планируется проведение полного анализа окончательного варианта проекта с использованием программного обеспечения ANSYS Mechanical. В процессе разработки сложных изделий, когда необходимо учитывать множество переменных, проведение стандартных гидродинамических расчетов может оказаться неэффективным. Процесс может затянуться, и детальность результатов не будет достаточной для глубокого понимания процессов, происходящих в объектах, подверженных суровым климатическим условиям. Кроме того, создание одного прототипа подобной установки может стоить более $3 млн. и требовать многих месяцев для доработки. Для соответствия жестким техническим нормам, выполнения сроков изготовления и поставленных бизнес-целей, инженеры Green Ocean Energy используют возможности создания виртуальных прототипов с помощью технологий ANSYS, что позволит сократить затраты на производство энергетических установок.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

Разработка новой концепции катапультирования с применением ANSYS

16

Автор Park O. Cover, Jr., ведущий инженер-механик, Concurrent Technologies Corporation, Пенсильвания, США

Модернизированные катапультируемые кресла ACES II считаются наиболее эффектными аварийно-спасательными устройствами в ВВС США. С 1976 года, момента появления, благодаря их использованию было спасено более 450 жизней. В данный момент более 8000 кресел ACES II используется в самолетах F-15, F-16, B1B, B-2, A-10, F-117 и F-22. Взяв за основу конструкцию ACES II, специалисты компаний Goodrich Aircraft Interiors и Concurrent Technologies Corporation (CTC), решили совместно разработать модель нового поколения кресел ACES 5 для F-35 Joint Strike Fighter (JSF). По их мнению, новое катапультируемое кресло должно быть

ACES 5 — óëó÷øåííàÿ ìîäåëü êàòàïóëüòèðóåìîãî êðåñëà äëÿ F-35 JSF

Êàòàïóëüòèðóåìûå êðåñëà èñïîëüçóþòñÿ â âîåííûõ ñàìîëåòàõ â ÷ðåçâû÷àéíîé ñèòóàöèè. Âçðûâíîé çàðÿä èëè ðàêåòíûé äâèãàòåëü âûòàëêèâàåò ñèäåíèå èç ñàìîëåòà âìåñòå ñ ïèëîòîì. Âïîñëåäñòâèè â âîçäóõå ðàñêðûâàåòñÿ ïàðàøþò

www.ansyssolutions.ru

более безопасным, легким и интегрированным в кабину пилота. Однако главной задачей было разработать и изготовить новую модель за срок менее 14 месяцев. Наличие параметрической связи между ANSYS Workbench и Pro/ENGINEER стало решающим фактором успешной разработки проекта, соответствующего всем техническим требованиям и нормам при работе в сжатые сроки. Инженеры CTC могли быстро вносить изменения для проведения многовариантных расчетов. Таким образом, использование компьютерного моделирования помогло оптимизировать конструкцию кресла на ранних этапах разработки.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

17

Ìîäåëü ACES 5 êðåñëà Pro/ENGINEER è ñîîòâåòñòâóþùàÿ ìîäåëü ANSYS Workbench ñ ïðèëîæåííûìè íàãðóçêàìè Расчет проводился в три этапа. На первом этапе инженеры были заняты разработкой концепции нового изделия. Задача состояла в создании конструкции, соответствующей всем эксплутационным требованиям. Компьютерное

моделирование использовалось для проверки и устранения ошибок, а также для определения оптимального веса конструкции. Функциональные характеристики и нормы техники безопасности использовались согласно спецификации

Ïîëÿ íàïðÿæåíèé äëÿ ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ ÷àøåê êðåñëà ACES 5. Ðàñ÷åò 1: ×àøêà 0.95 êã Ðàñ÷åò 2: ×àøêà 1.36 êã Ðàñ÷åò 6: ×àøêà 1.24 êã Ðàñ÷åò 2: ×àøêà 1.27 êã

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

18

катапультируемого кресла JSF (производитель Lockheed Martin). Для сокращения времени простоя транспортного средства при техобслуживании и ремонте, конструкция нового кресла позволяла легко его извлекать из самолета. Катапультируемое кресло состоит из спинки, чашки, парашюта, аварийного комплекта и модуля закрепления. При сборке благодаря использованию обработанных деталей вместо компонентов, изготовленных из листового железа, сократилась стоимость монтажа и количество используемых деталей. Производилась проверка конструкции на выдерживаемые нагрузки, например, при катапультировании из самолета, движущегося со скоростью 1200 км/ч, учитывались нагрузки на парашют и нагрузки, возникающие при авиационной катастрофе.

лее реалистично показал, как будет вести себя конструкция при нагружении. Для подготовки модели, CAD-геометрия экспортировалась в ANSYS DesignModeler, где существует возможность упрощения геометрии (defeaturing), например, удаление заклепочных отверстий.

Íàãðóçêè íà ñèäåíèå ïðè êàòàïóëüòèðîâàíèè èç ñàìîëåòà, äâèãàþùåãîñÿ ñî ñêîðîñòüþ 1200 êì/÷ Кроме того, некоторые трехмерные компоненты были преобразованы в оболочечные элементы с помощью автоматической технологии построения серединных поверхностей. Благодаря быстроте всей процедуры, специалисты смогли оценить несколько вариантов конструкции кресла.

Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà âñåé êîíñòðóêöèè Также на первом этапе в процессе моделирования производилась оценка прочности отдельных деталей предварительного проекта кресла. Поля напряжений для чашек кресел различной конструкции показывают, как порыв ветра воздействует на ноги пилота, находящегося в кресле во время катапультирования. Необходимо максимально уменьшить воздействие ветра, иначе человек может получить серьезные травмы. Команда инженеров с помощью среды ANSYS Workbench исследовала поведение конструкции при катапультировании и авиакатастрофе. Проведение вариантных расчетов в среде ANSYS Workbench реализовано очень удобно: достаточно один раз настроить все этапы расчета, после чего любые изменения в CAD-геометрии будут автоматически обновлять все этапы расчета. На втором этапе расчетов специалисты CTC создали общую модель катапультируемого кресла. Анализ конструкции в целом наибо-

www.ansyssolutions.ru

Íàãðóçêè, ïîëó÷åííûå â ðåçóëüòàòå ñòàòè÷åñêîãî àíàëèçà êîíñòðóêöèè ñèäåíèÿ ïðè êàòàïóëüòèðîâàíèè èç ñàìîëåòà, äâèãàþùåãîñÿ ñî ñêîðîñòüþ 1200 êì/÷ В общей модели были заданы свойства материалов, граничные условия и прилагаемые нагрузки. Для каждой поверхности заклепки

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

были описаны области контакта. Таким образом, можно было определить необходимое количество заклепок для каждого соединения. С помощью точечных масс описывались такие компоненты, как парашют и аварийный комплект.

таким нагрузкам только один раз. Поскольку для основной модели использовались статические расчеты без учета нелинейных свойств материалов, были обнаружены области, в которых предельное напряжение материала превышало норму. Эти участки с повышенной концентрацией напряжений стали предметом изучения на третьем этапе расчетов. Для создания подмоделей использовался программный комплекс ANSYS DesignModeler. Инженеры CTC использовали стандартные команды и процедуры в среде ANSYS Workbench, с помощью которых перемещения основной модели интерполировались на внешние границы субмодели. В результате были выявлены области с постоянной деформацией, но при этом предельного напряжения материала не наблюдалось. Кроме того, благодаря использованию более мелкой сетки, были получены более точные результаты напряжений. Чтобы удостовериться в нормальном функционировании конструкции в экстремальных условиях, была проведена проверка 30 областей повышенного риска с использованием данной методики.

Îáëàñòü áîëüøîãî íàãðóæåíèÿ (óâåëè÷åíî) При построении сетки использовалась технология hex-dominant, размер элементов — 0.125. Один линейный статический анализ НДС занимал менее 30 минут с использованием прямого решателя, доступного в ANSYS Workbench. Благодаря малому времени расчетов, инженеры смогли быстро рассчитать и оценить несколько вариантов проекта. Нагрузки, действующие на кресло, по своей природе, очень динамичны, причем сидение во время использования подвергается

Èñïîëüçîâàíèå ïîäìîäåëåé îáåñïå÷èëî áîëåå òî÷íûå ïîëÿ íàïðÿæåíèé ïî ñðàâíåíèþ ñ îáùåé ñòàòè÷åñêîé ìîäåëüþ

Ïîäìîäåëü îáëàñòåé áîëüøîãî íàïðÿæåíèÿ â ANSYS DesignModeler. Âíåøíèå ãðàíèöû ïîêàçàíû êðàñíûì

www.ansyssolutions.ru

Спустя 10 месяцев после начала процесса разработки, были созданы 5 прототипов для испытаний. Первое испытание кресла ACES 5 F-35 JSF было произведено через 14 месяцев после начала разработки — и с первой же попытки прошло удачно. Подобный успех стал возможен благодаря совместной работе специалистов Goodrich и CTC, которые использовали программные средства для компьютерного моделирования.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

19

Технологии

Решение задач усталостной долговечности в модуле ANSYS nCode Design Life 5.1.

20

Кабанов Юрий, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Cтатья носит обзорный характер и знакомит читателей с возможностями ANSYS для решения широкого класса задач усталостной долговечности конструкций в новом модуле ANSYS nCode DesignLife 5.1 в составе расчетного комплекса ANSYS Workbench. Решение ANSYS nCode DesignLife представляет собой профессиональный инструмент для расчета усталостной долговечности, интегрированный в ANSYS Workbench 11.0 SP1. Результаты и база данных по материалам, созданные расчетными средствами ANSYS Workbench, теперь напрямую передаются в модуль ANSYS DesignLife. Это обеспечивает простую в применении и мощную комбинацию расчетных средств для анализа усталостной долговечности в ANSYS. ANSYS DesignLife объединяет профессиональный CAE-расчет и инструмент обработки усталостных характеристик конструкции в пределах простого в использовании графического интерфейса ANSYS Workbench. Кроме того, возможности ANSYS DesignLife по расчету усталостной долговечности в зависимости от уровня напряжений (stress-life) и деформаций (strain-life), расширяют применение этого продукта для решения таких задач, как точечная и шовная сварка, анализ работы вибростендов и другого оборудования.

ANSYS DesignLife эффективно работает с конечно-элементными моделями больших размерностей. Это очень гибкий в конфигурировании продукт для экспертных задач с поддержкой скриптов Python для создания новых или совершенствования существующих методик оценки усталостной долговечности конструкций.

Семейство продуктов ANSYS nCode DesignLife 5.1.

ANSYS nCode DesignLife Standard — основной продукт для решения задач усталостной

www.ansyssolutions.ru

долговечности. Включает методы оценки в зависимости от уровня напряжений (stress-life), деформаций и метод Dang Van. ANSYS nCode DesignLife Vibration — дополнительные возможности комплекса для анализа усталостной долговечности при вибрационном нагружении конструкции. Моделирует синусоидальные и случайные (PSD) нагрузки.

Èíòåðôåéñ ìîäóëÿ ANSYS DesignLife Vibration ANSYS nCode DesignLife Accelerated Testing — пакет обработки сигналов в дополнение к возможностям анализа вибрационного нагружения конструкции. Возможность обработки виртуальных и физических вибрационных экспериментов.

ANSYS nCode DesignLife Welds — анализ усталостной долговечности конструкций, содержащих шовные или точечные сварные элементы.

ANSYS nCode DesignLife Parallelization — модуль для поддержки распределенных вычислений. В ANSYS DesignLife лицензируется каждое отдельное ядро. Лицензия на одно ядро (процесс) включена в базовый модуль.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

21

Ïðèìåð çàäàíèÿ ñâîéñòâ ìàòåðèàëîâ â ANSYS Workbench

Возможности стандартного пакета ANSYS DesignLife Анализ усталостной долговечности в зависимости от уровня напряжений (Stress Life) Анализ усталостной долговечности конструкции в зависимости от уровня напряжений. Имеется возможность интерполяции между кривыми свойств материала в зависимости от температуры. Можно применять скрипты Python для создания новых или усовершенствования имеющихся методов оценки усталостной долговечности. Предварительное решение кривых многоцикловой усталости с контролем номинальных напряжений. Модели материалов: • Standard SN; • SN Mean multi-curve; • SN R-ratio multi-curve; • SN Haigh multi-curve; • SN Temperature multi-curve; • Bastenaire SN; • Типовые модели SN на основе скриптов Python. Коррекция средних напряжений цикла: • FKM Guidelines; • Goodman; • Gerber. Коррекция градиента напряжений: • FKM Guidelines; • Пользовательская модель.

Анализ усталостной долговечности в зависимости от уровня деформаций (Strain Life) Возможность предсказания усталостной долговечности на основе анализа локальных деформаций в конструкции. Возможность интерполяции между кривыми свойств материала в зависимости от температуры. Применяется для ши-

www.ansyssolutions.ru

рокого круга задач, включая малоцикловую усталость с контролем упруго-пластических деформаций. Модели материалов: • Standard EN; • EN Mean multi-curve; • EN R-ratio multi-curve; • EN Temperature multi-curve. Коррекция средних напряжений в цикле: • Morrow; • Smith Watson Topper. Коррекция пластичности: • Neuber; • Hoffman-Seeger. Оценка многоосевого нагружения: • Biaxial; • 3D Multiaxial; • Auto-correction. Решатель Dang Van Возможность нахождения запасов прочности по Dang Van. Критерий Dang Van — метод предсказания предельного срока службы конструкции, испытывающей сложное разноплановое нагружение. Результаты расчета всегда выводятся в виде запасов прочности, но не в виде усталостной долговечности. Параметры материала вычисляются на основе испытаний образцов на растяжение и кручение. Данный решатель подходит для задач, таких как анализ усталостной долговечности двигателей, железнодорожного подвижного состава, где присутствует очень большое число циклов нагружения. Поддерживаемые платформы Ïëàòôîðìà Windows (64-bit) Windows (32-bit)

Ïðîöåññîð x64 x86

ÎÑ Windows XP 64, Vista 64 Windows XP, Vista

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

22

Исследование напряженнодеформированного состояния элементов конструкции сваебойного трубчатого дизель-молота Будилов И.Н., Лукащук Ю.В., УГАТУ Белов Г. В, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

В статье приводятся результаты исследования напряженно-деформированного состояния элементов конструкции сваебойного трубчатого дизель-молота в процессе забивания сваи в грунт. Исследование выполнено методом компьютерного моделирования с использованием программно-вычислительного комплекса ANSYS LS-DYNA.

вокупное воздействие на сваю удара и силы от взрыва топлива в камере сгорания, что существенно увеличивает эффективность сваебойных работ. Целью данной работы является проведение анализа прочностной надежности элементов конструкции трубчатого дизель-молота при динамическом нагружении.

Описание объекта моделирования Введение Необходимость повышения производительности и эффективности всех видов строительных работ отражается и на требованиях к сваебойным молотам. Дизель-молоты предназначены для забивки в грунт свай массой 1.2–10 т при температуре окружающей среды от –40 °С до +40 °С. Однако возможности дальнейшего повышения эффективности молота путем увеличения энергии удара для молота с регламентированной массой ударной части практически исчерпаны. Дальнейшее повышение энергии удара возможно путем увеличения скорости ударной части в момент удара (что ограничивается прочностью забиваемой сваи) или путем увеличения высоты подскока ударной части (что приводит к снижению частоты ударов). Эти ограничения и предопределяют основное направление повышения эффективности сваебойных работ — повышение единичной мощности сваебойного молота. Единичная мощность дизель-молота может быть повышена двумя способами — увеличением массы ударной части и повышением частоты ударов. Трубчатые дизель-молоты с ударным распыливанием топлива и со свободным падением ударной части широко применяются во всем мире. Молоты этого типа обеспечивают со-

www.ansyssolutions.ru

В трубчатом молоте основной рабочей частью является поршень, который движется в трубецилиндре и ударяет по шаботу, закрывающему цилиндр снизу. Шабот передает удар поршня на сваю и является наиболее нагруженной деталью, работающей при значительной температуре. При ударе поршня о шабот топливо распыляется в камере сгорания, а затем воспламеняется от высокого давления смеси. Образующаяся при взрыве энергия отбрасывает поршень вновь вверх. Благодаря распылению топлива ударом дизель-молоты обладают большой ударной силой, за счет чего на вбиваемый материал действуют три вида энергии: компрессия, удар и взрыв, которые соединяются в эффективную общую энергию.

Ðèñ. 1. Ñâàåáîéíûé äèçåëü-ìîëîò

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Ðèñ. 2. Ýëåìåíòû òðóá÷àòîãî ìîëîòà: 1 — ïîðøåíü; 2 — øàáîò; 3 — íàãîëîâíèê; 4 — ñâàÿ Благодаря энергии компрессии ударная часть и наголовник прижимаются к верхней части сваи. Следующий за этим удар направлен на вбиваемый материал, а ударная энергия и вслед за этим действующая энергия взрыва вгоняют сваю. На рис.1 представлен внешний вид трубчатого дизель-молота, а на рис. 2 — составляющие его части: верхний поршень, шабот, наголовник и свая.

Общая характеристика расчетной модели Основные уравнения расчетной модели, предназначенной для описания процесса ударного взаимодействия деформируемых тел, базируются на математическом аппарате механики сплошной среды (МСС). Полная система дифференциальных уравнений МСС, описывающих нестационарный процесс нагружения, применительно к рассматриваемой задаче имеет вид: ,

(1) ,

(2) ,

(3)

,

(4) ,

(5) ,

.

(6) (7)

где t — текущее время, ρ — плотность среды, vi — компоненты вектора массовых скоростей,

www.ansyssolutions.ru

Fi — компоненты вектора массовых сил, σji — компоненты тензора напряжений, εij, εij — компоненты тензоров деформаций и скоростей деформаций, qi — вектор тепловых потоков, ui — перемещения, T — температура. Система исходных уравнений в обязательном порядке включает основные общие для всех сплошных сред дифференциальные уравнения механики, выражающие фундаментальные законы сохранения массы (1), импульса (2), энергии (3), а также общие для всех сред кинематические соотношения (4) и (5) и геометрические соотношения (6), связывающие деформационные перемещения с относительными деформациями. Индивидуальные особенности рассматриваемой среды в отношении оказания сопротивления деформированию учитываются физическими соотношениями (7), включаемыми в систему исходных уравнений согласно выбранной модели сплошной среды. Система должна также быть дополнена начальными и граничными условиями, соответствующими постановке конкретной задачи. В общем виде, применительно к условиям поставленной задачи, решение системы уравнений аналитическими методами не представляется возможным. Решение задачи в данной постановке возможно только численными методами [1]. С этой целью применен вычислительный комплекс ANSYS LS-DYNA. Модель среды конкретизирует общую формулировку физических соотношений . σij =σij(εij,εij,E), замыкающих систему уравнений МСС. Используемые в конечно-элементной вычислительной методике модели деформирования различных сред основаны на выделении из тензоров деформаций и напряжений отдельных компонентов — шарового тензора и тензора девиатора, отвечающих, соответственно, за изменение объема и формы: σij =–p+Dσij . В итоге определяющими соотношениями модели будут две независимых составляющих: уравнение состояния (УРС) — зависимость, связывающая три величины — давление, плотность и удельную внутреннюю энергию (или температуру), p=p(ρ,E) как мера объемной сжимаемости и термических эффектов, и зависимость девиаторных компонентов тензора напряжений от девиаторных компонентов тензоров деформаций и скоростей деформаций Dσ=Dσ(Dε,Dε. ) как мера формоизменения. Соотношения для компонентов девиатора тензора напряжений определяются композицией закона пластического течения ПрандтляРейсса при пластическом деформировании и закона Гука для нагрузок, не превышающих предел пластического течения. Уравнения

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

23

Технологии Прандля-Рейсса формируются следующим образом: ,

(8)

24 , где G — модуль сдвига, λ — скалярный множитель, определяемый удельной мощностью пластических деформаций, σт — предел текучести, — компоненты тензора скоростей пластических деформаций. В данной численной реализации скалярный множитель явным образом не вычисляется, а применяется эквивалентная процедура приведения вектора полных напряжений в пространстве напряжений в «круг текучести». Отдельную задачу представляет моделирование грунта [2]. Грунт представляет собой дисперсную среду — смесь минеральных частиц, воды и воздуха. Минеральные частицы образуют пористый скелет, поры которого заполнены водой и воздухом. Основными механическими свойствами грунтовых сред, которые необходимо учитывать при математическом моделировании компрессионного воздействия на грунтовые массивы, являются наличие внутреннего трения, необратимость объемных и сдвиговых деформаций, пластическое течение и разрушение скелета грунта. В работе используется модель упругопластической сжимаемой среды, учитывающая нелинейные процессы сдвигового и объемного деформирования. Критерий пластичности Мизеса в самом общем случае для грунтов при наличие внутреннего трения имеет вид: ,

(9)

где Y — динамический предел текучести. Среда, подчиненная такому закону может находиться в двух состояниях — упругом и пластическом. Наличие внутреннего трения у грунтов обуславливает то, что предел кучести Y не постоянен и зависит от давления. Эффекты дилатансии — появление объемных деформаций в условиях чистого сдвига — в модели не учитываются. В основе большинства критериев сдвиговой прочности грунтов лежит комбинация закона сухого трения Кулона, т.е. зависимости максимальных сдвиговых напряжений от давления, а также классических теорий прочности Мизеса и Треска. Критерии пластичности, при котором упруго-пластическая среда переходит из упругого состояния в пластическое, выбирается критерий, предложенный в работах [3], [4], [6]. Предел сдвиговой прочности для грунтов

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü ïðåäåëà ñäâèãîâîé ïðî÷íîñòè îò äàâëåíèÿ является функцией давления и определяется зависимостью: ,

(10)

где Y0 — сцепление грунта, т.е. прочность при нулевом давлении, Ypl — предельное значение сдвиговой прочности, μ — коэффициент трения. Параметры Y0 , μ могут быть пересчитаны по методикам, изложенным в [3], на основании нормативных значений прочностных характеристик грунтов — сцепления Сn и угла внутреннего трения φn, входящими в линейное уравнение закона Кулона-Мора: ,

(11)

где τn — касательное напряжение, σn — нормальное напряжение. Механические характеристики Сn и φn определяются по результатам лабораторных испытаний грунтов на приборах одно- и многоплоскостного среза или в стабилометрах [3]. Поверхность текучести, построенная по уравнению (10) и поверхность, построенная по линейному уравнению Кулона-Мора (11), различны по форме и представляют собой в первом случае гладкую поверхность плавного сопряжения конуса и цилиндра, а во втором — шестигранную призму. Поэтому пересчет констант может быть выполнен лишь приближенно, так как между этими двумя поверхностями существует бесконечное множество аппроксимаций. Для упрощения принимая, что предел сдвиговой прочности Ypl в уравнении (10) бесконечно большой, тогда оно принимает вид закона Мизеса-Шлехтера: . Предлагается вариант аппроксимации, показанный на рис. 4 пунктирной линией. В этом случае формулы для пересчета коэффициентов уравнения (10) по нормативным коэффициентам имеют вид:

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

. Для ориентировочного получения значений предельной сдвиговой прочности может быть использована эмпирическая зависимость [3] , где W — весовая влажность в долях единицы.

Ðèñ. 4. Ñå÷åíèå ïðåäåëüíûõ ïîâåðõíîñòåé Êóëîíà-Ìîðà è åå ðàçëè÷íûõ àïïðîêñèìàöèé

Ðèñ. 5. Ñõåìà ðàñ÷åòíîé ìîäåëè èñïûòàíèé (à); ïðîôèëü ïðèëàãàåìîé íàãðóçêè (á) Модуль сдвига G для грунтов в общем случае меняется в процессе деформирования. Однако отсутствие достоверных экспериментальных данных для выбранных типов грунтов затрудняет использование сложных моделей. В расчетах модуль сдвига принимался постоянным и вычислялся по рекомендуемым нормативным значениям [2] модуля деформации E и коэффициенту Пуассона ν. При отсутствии прямых данных, для большинства песчаных грунтов и суглинков коэффициент Пуассона может быть вычислен через коэффициент пористости e0 по эмпирической зависимости [3]:

На рис. 6. показаны поля эквивалентных напряжений в грунте при расчетном моделировании штамповых испытаний.

Результаты расчетов В данной задаче геометрия взаимодействующих деталей (см. рис. 2) приближена к конструкции трубчатого молота. Главной особенностью является наличие грунта. Модель была подготавлена в ANSYS Design Modeler — удалялись лишние фаски и мелкие поверхности, по возможности объемы разбивались на простые шестигранники. Далее модель по частям передавалась в Prep 7, где создавалась сетка и записывались к-файлы для ANSYS LS-DYNA. Полная модель собиралась и корректировалась в препроцессоре LS-PREPOST 2.1. На рис. 7 показана твердотельная модель трубчатого молота. При моделировании используется свойство симметрии. Грунт по границам закреплен жестко. В расчете для всех частей использовался автоконтакт по типу поверхность — поверхность. В качестве начальных условий было принято свободное падение поршня в поле тяжести с высоты два метра. В данной модели материал сваи моделировался более адекватно: железобетон — бетон марки 350+стальная арматура диаметром 14 мм. Арматура и бетон сшиты общими узлами. В качестве материала грунта был выбран плотный суглинок (модель с необратимой сжимаемостью, поверхность текучести совпадает с материалом 16 из базы данных ANSYS LS DYNA). Из-за сложной геометрии используемых деталей и, как следствие, различных размеров конечных элементов, применяется масштабирование масс для исключения влияния сильно вырожденных элементов при минимальном шаге по времени 0,14 мкс, что приводит к значительному увеличению времени счета.

. На рис. 5. приведены схема расчетной модели испытаний и профиль прилагаемой нагрузки.

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 6. Ïîëå ýêâèâàëåíòíûõ íàïðÿæåíèé â ãðóíòå ïðè ðàñ÷åòíîì ìîäåëèðîâàíèè øòàìïîâûõ èñïûòàíèé

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

25

Технологии дом напряжений, что способствует образованию трещин в условиях повторного ударного нагружения. Результаты показывают, что с увеличением размера наголовника отмечается увеличение максимального уровня интенсивности напряжений.

26

Заключение

Ðèñ. 7. Òâåðäîòåëüíàÿ ìîäåëü òðóá÷àòîãî ìîëîòà На рис. 8. показано деформированное состояние при внедрении сваи в грунт за один удар. Также получено распределение интенсивности напряжений в металлических частях модели (рис. 9). Ниже приведены результаты анализа динамических напряжений в элементах конструкции трубчатого дизель-молота в условиях динамического нагружения. При анализе динамических напряжений трубчатого дизель-молота моделировался удар поршня по шаботу. На рис. 10 показана общая картина распределения интенсивности напряжений в конструкции при ударе без смещения. Видно, что общий уровень напряжений не превышает 136 МПа. Кроме того, получено распределение интенсивности напряжений в шаботе (рис. 11). Четко видна зона концентрации напряжений в месте контакта. В реальных условиях эксплуатации удар происходит со смещением. Поэтому также рассматривался в качестве основного случая нагружения удар шабота по наголовнику со смещением от оси на 10 мм. На рис. 12 показано распределение интенсивности напряжений в случае удара со смещением. Установлено, что смещение цилиндра относительно оси приводит к изменению места расположения максимума напряжения и увеличивает его абсолютное значение. Одним из наиболее нагруженных элементов конструкции является наголовник. На рис. 13 показано распределение интенсивности напряжений наголовника в разные моменты времени. Максимальные напряжения составляют 200 МПа. Положение максимума напряжений меняется во времени. Во всех наголовниках наличие ребер, коробчатой формы приводит к концентрации напряжений в углах и на ребрах с большим перепа-

www.ansyssolutions.ru

Разработан алгоритм и опробована методика расчета ударного взаимодействия деформируемых твердых тел на примере трубчатого дизельмолота с использованием программного комплекса ANSYS LS-DYNA. Показана принципиальная возможность моделирования процессов динамического нагружения, связанных с ударным характером приложения нагрузки, что характерно для работы трубчатых дизель-молотов. Разработана конечно-элементная модель, позволяющая анализировать изменение параметров напряженно-деформированного состояния всех элементов конструкции по времени с учетом волнового характера нагружения и особенностей свойств материалов сваи и грунта. Смоделировано проникновение сваи в грунт в зависимости от его свойств. Определены уровни максимальных напряжений в элементах конструкции трубчатого ди-

Ðèñ. 8. Äåôîðìèðîâàííîå ñîñòîÿíèå ïðè âíåäðåíèè ñâàè â ãðóíò

Ðèñ. 9. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé â ìåòàëëè÷åñêèõ ÷àñòÿõ ìîäåëè, Ïà

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

27

Ðèñ. 10. Îáùàÿ êàðòèíà ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé â êîíñòðóêöèè òðóá÷àòîãî äèçåëü-ìîëîòà, Ïà.

Ðèñ. 11. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé â øàáîòå, Ïà зель-молота. При этом отмечается высокая неоднородность поля напряжений в основании поршня и в наголовниках. Выявлены зоны концентрации напряжений (при прохождении волны), в которых возникает повышенный уровень напряжений. Результаты проведенных расчетов позволили выработать практические рекомендации по модернизации конструкции с целью увеличения ее прочностной надежности.

Ðèñ. 13. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé íàãîëîâíèêà â ðàçëè÷íûå ìîìåíòû âðåìåíè

www.ansyssolutions.ru

Ðèñó. 12. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé â øàáîòå â ñëó÷àå óäàðà ñî ñìåùåíèåì Ëèòåðàòóðà 1. ×èñëåííûå ìåòîäû â çàäà÷àõ ôèçèêè âçðûâà è óäàðà: Ó÷åáíèê äëÿ âòóçîâ. / À.Â. Áàáêèí, Â.È. Êîëïàêîâ, Â.Í. Îõèòèí, Â.Â. Ñåëèâàíîâ. — Ì.: Èçäâî ÌÃÒÓ èì. Í.Ý. Áàóìàíà, 2000. — 516 ñ. (Ïðèêëàäíàÿ ìåõàíèêà ñïëîøíûõ ñðåä Ò. 3).

2. ÃÎÑÒ 12248-96. Ãðóíòû. Ìåòîäû ëàáîðàòîðíîãî îïðåäåëåíèÿ ïðî÷íîñòè è äåôîðìèðóåìîñòè. 1996.

3. Äðîãîâåéêî È.Ç. Ðàçðóøåíèå ìåðçëûõ ãðóíòîâ âçðûâîì. Ì., Íåäðà, 1981. — 243ñ.

4. ÃÎÑÒ 20276-99. Ãðóíòû. Ìåòîäû ïîëåâîãî îïðåäåëåíèÿ õàðàêòåðèñòèê ïðî÷íîñòè è äåôîðìèðóåìîñòè. 1999.

5. ÃÎÑÒ 19912–2001. Ãðóíòû. Ìåòîäû ïîëåâûõ èñïûòàíèé ñòàòè÷åñêèì è äèíàìè÷åñêèì çîíäèðîâàíèåì. 2001.

6. Óèëêèíñ Ì.Ë. Ðàñ÷åò óïðóãîïëàñòè÷åñêèõ òå÷åíèé.  ñá. Íîâîå â çàðóáåæíîé ìåõàíèêå. 1967.

7.

LS-DYNA Keyword user’s manual. July 2006. Version 971. — Livermore Software Technology Corporation, 2006.

8.

LS-DYNA Theoretical manual. November 2005.

Compiled by John O. Hallquist, Livermore Software Technology Corporation, 2005.

9. Áàæåíîâ Â.Ã., Êîòîâ Â.Ë., Êðûëîâ Ñ.Â. è äð. Ýêñïåðèìåíòàëüíî-òåîðåòè÷åñêèé àíàëèç íåñòàöèîíàðíûõ ïðîöåññîâ âçàèìîäåéñòâèÿ äåôîðìèðóåìûõ óäàðíèêîâ ñ ãðóíòîâîé ñðåäîé. // ÏÌÒÔ. 2001. Ò. 42, ¹6. Ñ. 190 — 197.

10. Ñåäîâ Ë.È. Ìåõàíèêà ñïëîøíîé ñðåäû: Â 2 ò. Ì.: Íàóêà, 1973. Ò.1. 536 ñ.

11. Áàáêèí À.Â., Ñåëèâàíîâ Â.Â. Ïðèêëàäíàÿ ìåõàíèêà ñïëîøíûõ ñðåä: Â 3 ò. Ò. 1. Îñíîâû ìåõàíèêè ñïëîøíûõ ñðåä/ Ïîä ðåä. Â.Â. Ñåëèâàíîâà. — Ì.: Èçä-âî ÌÃÒÓ èì. Í.Ý. Áàóìàíà, 1998. — 368 ñ.

12. Ä. Äðóêêåð, Â.Ïðàãåð. Ìåõàíèêà ãðóíòîâ è ïëàñòè÷åñêèé àíàëèç èëè ïðåäåëüíîå ïðîåêòèðîâàíèå.  ñá. Îïðåäåëÿþùèå çàêîíû ìåõàíèêè ãðóíòîâ. — Ïîä ðåä. Â.Í. Íèêîëàåâñêîãî. Ì.: «Ìèð», 1975.

13. Ðàõìàòóëèí Õ.À., Ñàãîìîíÿí À.ß., Àëåêñååâ Í.À. Âîïðîñû äèíàìèêè ãðóíòîâ. — Ì.: Èç-âî ÌÃÓ, 1964. — 239 ñ.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

Численное моделирование процесса обледенения в ANSYS CFX

28

Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Обледенение основных несущих поверхностей летательного аппарата (ЛА) напрямую влияет на безопасность полета и часто приводит к катастрофическим последствиям. Во всем мире только в авиации общего назначения ежегодно происходят десятки тяжелых летных происшествий из-за обледенения. Поэтому исследование влияния обледенения на аэродинамические характеристики ЛА является важной и актуальной задачей. Для каждого разрабатываемого ЛА необходимо проанализировать все возможные последствия обледенения и спроектировать эффективную противообледенительную систему. С точки зрения аэродинамики, накопление льда на крыле и оперении вызывает прирост сопротивления, понижает максимальную подъемную силу и угол сваливания, и увеличение угла атаки. Физическому и численному моделированию различных аспектов обледенения и методам борьбы с ним посвящены многочисленные исследования. Существует несколько серьезных CFD-пакетов, разработанных специально для исследования этого явления: LEWICE 3D (США), ONERA (Франция), DRA (Великобритания), FENSAP-ICE (Канада), CIRAMIL (Италия), MULTIVIS (ЦАГИ, Россия) и др. Обледенение бывает нескольких видов. Первый — отложение чистого льда (самый опасный вид обледенения) — наблюдается при температурах от 0° до –10° С и ниже. При этом отвердевание переохлажденной жидкости происходит не только в точке соударения капель жидкости с твердой поверхностью, но и вверх по потоку. Другой вид обледенения — изморозь — наблюдается при температурах до –15-20° С. Отложение льда происходит более равномерно на поверхности ЛА и не достигает опасных размеров.

www.ansyssolutions.ru

Сложный процесс обледенения ЛА можно разбить на два этапа: 1) образование «поверхности смачивания» в результате всех физических процессов, предшествующих попаданию капель на обтекаемую поверхность (крыла, сопла и т. п.) и 2) движение и отвердевание жидкости на самой поверхности. В данной статье мы рассмотрим пример расчета в ANSYS CFX эффективности захвата капель, с помощью которой можно оценить скорость нарастания льда на поверхностях ЛА. Предполагается, что пользователь в общих чертах знаком с интерфейсом CFX версии 12.0, поэтому описание отдельных шагов будет неполным. Расчет был выполнен для трансзвукового профиля NACA 0012 при угле атаке равным 5°; использовалась модель многофазной негомогенной среды и граничное условие «degassing boundary condition» на соответствующих границах расчетной области.

Описание задачи Длина хорды профиля NACA 0012 составляет 1 м, угол атаки α = 5°, число Маха M = 0.4. Температура окружающей среды T = 300 K, давление P = 1 атм. Объемная концентрация воды в потоке была принята равной 1.3 г/м3, диаметр капель — 16 мкм.

Ðèñ. 1. Ôðàãìåíòû ðàñ÷åòíîé 3D ñåòêè

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Внешний вид расчетной сетки показан на рис. 1. Толщина ячейки в направлении оси Z равна 0.1 м.

Настройки в препроцессоре CFX-Pre Загрузите CFX-Pre и откройте файл «naca0012.def»: File→Open Case File.

2. Выберите тип анализа Steady в меню Outline→Analysis Type.

3. Определите новую расчетную область: Insert → Domain. В закладке Basic Settings настройте следующие опции: – Location: fluid; – Domain Type: Fluid Domain; – Fluid List: Air Ideal Gas (Morphology: Continuous Fluid) и Liquid water (Morphology: Dispersed Fluid with Mean Diameter: 16e-6 m); – Reference Pressure = 1 atm. Далее перейдите в закладку Fluid Models и оставьте настройки всех опций по умолчанию. В большинстве случаев многофазные потоки являются негомогенными (опция Homogeneous Model), т. е. каждая фаза (фракция) имеет собственное поле скоростей, турбулентности и пр. Затем откройте следующую закладку Fluid Specific Models и для фазы Air Ideal Gas в опциях Turbulence выберите модель турбулентности SST, для фазы Water — Dispersed Phase Zero Equation.

29

1.

Ðèñ. 3. Çàêëàäêà Fluid Pair Models – watervol = 1.3e-6 []; – mout = massFlow()@outlet.

5. Теперь следует определить граничные условия на соответствующих поверхностях (Insert→Boundary Condition): 5.1. На поверхностях Boundary 1, Boundary 2, Boundary 3, sym bottom, sym top мы зададим граничное условие Inlet. Поскольку поток воздуха набегает на крыло под углом 5°, зададим компоненты скорости u = 138.1057 м/с, v = 12.0826 м/с и w = 0 м/с. После этого с помощью опции Volume Fraction следует задать начальные концентрации двух фаз. Для этого используйте созданные ранее выражения airvol и watervol.

5.2. На поверхностях airfoil bottom и airfoil top мы зададим граничное условие типа Outlet c опцией Degassing Condition. Следует помнить, что опцию Degassing Condition можно использовать только в случае, когда одна «фаза» является сплошной средой, а другая — дискретной (жидкость или твердое тело). В этом случае для «сплошной» фазы граничное условие «выход» интерпретируется как стенка с проскальзыванием, а

Ðèñ. 2. Çàêëàäêà Fluid Models Настройте опции закладки Fluid Pair Models как показано на рис. 3.

4. Создайте следующие выражения (Insert→ Expression) для начальных концентраций воздуха и жидкости: – airvol = 0.9999987 [];

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 4. Âûáîð îïöèè Degassing Condition

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

30

«дискретная» фаза может спокойно покидать расчетную область.

5.3. На поверхностях sym 1 и sym 2 необходимо задать граничное условие Symmetry.

6. Далее следует перейти в раздел Solver Control. В закладке Solver Control определите все необходимые опции в соответствии с рис. 5.

7. В закладке Output Control создадим новую точку для мониторинга процесса сходимости. В качестве переменной выберем массовый расход на выходе из расчетной области. Соответствующее выражение будет выглядеть следующим образом: mout = mass flow@outlet.

8. Сохраните файл-определения multiphase. def: Tools→Solve→Write Solver Input File.

9. Загрузите CFX-Solver Manager. Предварительно мы выполнили расчет для однофазного потока. Теперь результаты этого расчета будут использованы в качестве начальных данных для моделирования течения многофазного потока. Для этого в разделе Initial Values File необходимо указать директорию, где хранится файл с результатами первого расчета. Запустите задачу на решение.

10. Загрузите постпроцессор CFD-Post. Отобразите на экране распределение числа

Ðèñ. 7. Ðàñïðåäåëåíèå îáúåìíîé êîíöåíòðàöèè âîäû â ïëîñêîñòè ñèììåòðèè

Ðèñ. 8. Âûðàæåíèå äëÿ ðàñ÷åòà ýôôåêòèâíîñòè çàõâàòà

Ðèñ. 9. Ðàñïðåäåëåíèå ýôôåêòèâíîñòè çàõâàòà.

11.

Ðèñ. 5. Íàñòðîéêà ïàðàìåòðîâ ðåøàòåëÿ ANSYS CFX

Ðèñ. 6. Ñîçäàíèå íîâîé òî÷êè äëÿ ìîíèòîðèíãà

www.ansyssolutions.ru

Маха, давления и объемной концентрации воды в плоскости симметрии. Создадим выражение для расчета эффективности захвата в постпроцессоре CFXPost. Формула для расчета эффективности захвата имеет вид:

На языке CEL это выражение примет вид, показанный на рис. 8. Распределение эффективности захвата по обводу профиля крыла показано на рис. 9. Данный пример разработан для текущей 12-й версии программного комплекса ANSYS CFX. Все необходимые файлы Вы можете получить, отправив запрос по адресу denisk@emt.ru.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

Опыт проектирования систем распыла для различных приложений в ANSYS FLUENT Rudolf Schick, Spraying Systems Co., Иллинойс, США

Компания Spraying Systems Co., основанная в 1937 году, является мировым лидером по производству промышленных форсунок, сопел, распылителей и струйных систем. Продукция компании успешно используется в металлургической, химической, автомобильной, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, машиностроении и других отраслях. С целью повышения эффективности работы производимого оборудования, специалисты Spraying Systems Co. уже несколько лет используют программный комплекс ANSYS

Ôîðñóíêè Spraying Systems Co

www.ansyssolutions.ru

FLUENT. Использование программного обеспечения для инженерных расчетов существенно облегчило процесс проектирования систем газоочистки по индивидуальным требованиям заказчиков. Системы газоочистки, установленные в промышленных печах, камерах сгорания, плавильных цехах, на перерабатывающих установках, электростанциях, удаляют токсичные вещества, такие как оксиды азота (NOx) и диоксид серы (SO2), из отработанных газов до момента выброса в атмосферу. Компания Spraying Systems Co. производит форсунки и системы для эффективного испарения, охлаждения, удаления пыли и промышленных газов до их поступления в очистное оборудование. Например, впрыскивание воды в струю отработанных газов охлаждает газ с 777 °С до 327 °С, что обеспечивает оптимальную работу очистного оборудования. Если струя воды попадает в поток отработанных газов под нерабочим углом, или впрыскивается слишком много воды, капли испаряются не полностью. В итоге кислотные пары могут оседать на стенках, узлах и компонентах оборудования, что приводит к эрозии, разрушениям и поломкам. Определить размеры и расположение форсунок, при которых возможно избежать оседания кислотных паров и других проблем с распылом, достаточно проблематично. Инженеры должны учитывать многочисленные параметры, такие как температура потока, скорость газа и содержание токсичных промышленных газов. Кроме того, необходимо найти оптимальную форму распыла для сложной системы каналов, что особенно актуально для случаев модернизации старых систем выпуска отработанных газов. Поскольку для решения данной проблемы нет универсального численного метода, многие компании вынуждены нести огромные

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

31

Технологии

32

Ëèíèè òîêà îêðàøåíû â ìîäóëü ñêîðîñòè (ñëåâà) è ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ (ñïðàâà) финансовые и временные затраты на проведение полномасштабных экспериментов и устранение неисправностей. В случае введения в эксплуатацию неправильно спроектированных систем, компании могут столкнуться со штрафными санкциями за нарушение правил контроля промышленных газов, а также убытками вследствие простоя системы (в случае вынужденного изменения конструкции). В подобных случаях при проектировании систем газоочистки использование методов вычислительной гидродинамики (CFD) имеет неоспоримое преимущество. В одном случае перед инженерами Spraying Systems Co. стояла задача модернизации системы газоочистки дымовой трубы очистительного завода. В силу ограничений конструкции, система охлаждения могла быть установлена только на неподвижной односторонней панели дымовой трубы. Было принято решение установить три форсунки для очистки и кондиционирования промышленных газов. В результате проведенных CFD-расчетов были получены значения давления в форсунке, расхода, характеристики распыла и размера капель. Вначале, с использованием исходных данных клиента, была создана трехмерная CADмодель дымовой трубы. Затем геометрию импортировали в препроцессор ANSYS, создав достаточно мелкую сетку, необходимую для проведения корректных расчетов. В результате моделирования определялись скорости и траектории капель, давление на выходе, распределение температур и общая концентрация распыла в дымовой трубе. Результаты CFD-расчетов выявили серьезные проблемы в существующей системе газоочистки, в частности, наличие сильно закрученных потоков, нескольких областей низкого

www.ansyssolutions.ru

давления, неравномерные профили скоростей температур и застойные зоны. В такой ситуации высока вероятность оседания капель на стенках, ответственных узлах и компонентах оборудования. Проведя серию расчетов, специалисты определили глубину размещения форсунки, угол вращения и угол размещения. С учетом характеристик потока газа в дымовой трубе определялись оптимальные параметры форсунки. По результатам проведенных расчетов, инженеры внесли изменения в существующий проект дымовой трубы, что позволило оптимизировать характеристики потока газа и сделать поля скоростей более равномерными. Благодаря однородности потока наблюдается равномерное распределение температур и капли испаряются лучше. После внесения изменений в проект испарение жидкости повысилось на 10%, а оседание капель на стенках и других деталях конструкции практически прекратилось. Кроме того, были получены профили температур на выходе трубы с отклонением не более 7.7 % от требуемых номинальных значений (было достигнуто значительное улучшение, более чем на 42% относительно базового проекта). Основываясь на успешном опыте применения CFD-технологий, специалисты Spraying Systems Co. проводят многочисленные инженерные расчеты при модернизации существующих и создании новых проектов систем газоочистки. Использование компьютерного моделирования помогает эффективно взаимодействовать с клиентами и повышает доходы компании от выполнения проектов. Благодаря высокой степени автоматизации рабочих процессов, инженеры получили возможность вести несколько проектов одновременно.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

Расчет системы вентиляции стадиона «Арена «Ходынка» Методы вычислительной гидродинамики применяются для проектирования систем вентиляции спортивных арен.

Sami Lestinen, Tuomas Laine,Tom L Sundman, Olof Granlund Oy, Финляндия

В современных условиях проектирование любого серьезного спортивного сооружения (стадиона, ледовой арены и пр.) всегда сопровождается моделированием воздушных потоков внутри конструкции. Это необходимо для выбора наилучших систем отопления и кондиционирования, а также анализа процесса дымоудаления в случае пожара и обеспечения теплового комфорта для посетителей в течение всего мероприятия. В России недавно было спроектировано несколько крытых хоккейных площадок. CFD-модели систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха были разработаны компанией Olof Granlund Oy, ведущей финской фирмой, специализирующейся на консалтинге в сфере строительства. Спортивная арена в Москве на Ходынке стала в апреле 2007 года главной площадкой чемпионата, который был организован Международной хоккейной ассоциацией (IIHF). Крытый стадион площадью 62000 м2 вмещает около 12000 зрителей. Процессы воздухообмена внутри арены обеспечивает система вытеснительной вентиляции, которая отлично приспособлена для больших, полностью заполненных трибун. С другой стороны, в крытом стадионе в Череповце, рассчитанном на 6000 зрителей, кондиционирование воздуха в помещении обеспечивается системой смесительной вентиляции. Обе арены могут использоваться для проведения дру-

гих мероприятий, например, концертов. Поэтому методы вычислительной гидродинамики применялись, чтобы лучше представить внутренние условия и циркуляцию воздуха при различных сценариях использования залов. Моделирование позволило определить, насколько планируемые вентиляционные системы приспособлены для обеспечения желаемых условий в помещении. Фирма Granlund применяет методы вычислительной гидродинамики в исследовании условий для кондиционирования воздуха в помещениях, к проекту которых выдвигаются чрезвычайно высокие требования. В связи с этим подробная информация о поле течения обретает особую важность. Обычно происходит сравнение нескольких систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, отдушин, методов строительства и других аспектов, которые оказывают влияние на качество кондиционирования воздуха внутри завершенного сооружения. Для создания расчетной модели крытой хоккейной арены использовался сеточный препроцессор ANSYS ICEM CFD. CFD-моделирование было выполнено в пакете ANSYS CFX. Первый этап моделирования является типичным для крупномасштабных строительных проектов. При этом рассматривались отдельные устройства нагнетания воздуха, что позволило проверить и сравнить условия их работы. Полу-

Êðûòûé ñòàäèîí íà Õîäûíêå â Ìîñêâå. Ìåòîäû âû÷èñëèòåëüíîé ãèäðîäèíàìèêè èñïîëüçîâàëèñü äëÿ ðàçðàáîòêè ñèñòåìû êîíäèöèîíèðîâàíèÿ âîçäóõà â ïîìåùåíèè

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

33

Технологии

34

ченные результаты предоставили группе проектировщиков возможность подобрать устройства применительно к каждому конкретному месту. Результаты моделирования сравниваются с данными струйной теории для воздуха, характеристиками, предоставляемыми изготовителями и замерами. Этот этап важен, если в модели необходимо получить реалистичную оценку поля течений воздуха внутри здания, которое рассматривается как единое целое. В этом случае в качестве граничных условий можно использовать профили приточных струй воздуха, полученные по результатам CFD-моделирования.

Ñòðàòèôèêàöèÿ òåìïåðàòóðíîãî ïîëÿ âî âðåìÿ êîíöåðòà ïðè ðàáîòå âûòåñíèòåëüíîé âåíòèëÿöèè. Ñòðåëêàìè óêàçàíû òî÷êè íà ïîëå, êóäà ïîñòóïàåò íàãíåòàåìûé õîëîäíûé âîçäóõ

Ïðîôèëè òåìïåðàòóðû âíóòðè ïîìåùåíèÿ ëåäîâîé àðåíû íà Õîäûíêå Подобная технология требует меньшего количества расчетных узлов для крупной модели, что значительно экономит время. Результаты, полученные для моделей отдельных объектов и всего расчета в целом хранятся в библиотеке объектных модулей, что позволит воспользоваться ими в будущих проектах. Цель моделирования ледовой арены — установить параметры, которые в наибольшей степени влияют на поле течения. Это гарантирует, что в местах наибольшего скопления зрителей в любой момент времени будут преобладать заданные тепловые условия. Необходимо было распределить подачу воздуха таким образом, чтобы струи свежего воздуха были направлены в наиболее заполненные зоны, а также улучшить тепловой режим внутри зала в целом. Рассматривались тяга, влажность и температурные уровни во время мероприятий различного типа, проводимых зимой и летом. Приточные струи, подаваемые принудительно и возникающие в результате естественной конвекции, и источники потребителей тепла создают очень сложные трехмерные поля течений, требующие тщательного моделирования. Ситуацию ус-

www.ansyssolutions.ru

ложняли недостаточная точность исходных данных, применявшиеся допущения, сходимость и временные ограничения при проведении расчета. Преимуществом CFD-моделирования является то, что появляется возможность опробовать различные дутьевые устройства и системы вентиляции (смесительную, вытеснительную или их комбинацию). Прежде чем будет реализована поставленная цель, приходится не раз корректировать исходные допущения. Однако правильно используемые CFD-модели являются единственным вычислительным методом, который может отобразить поле воздушных течений внутри помещения с точностью, необходимой для целей проектирования.

Ïðîôèëü ñêîðîñòè ëåäîâîé àðåíû â ×åðåïîâöå âî âðåìÿ õîêêåéíîãî ìàò÷à. Èñïîëüçóþåòñÿ ñìåñèòåëüíàÿ âåíòèëÿöèÿ, ïîäàþùàÿ âîçäóõ èç-ïîä êóïîëà. Ñòðåëêè óêàçûâàþò íà îáëàñòè, ãäå ïðèòî÷íûå ñòðóè ïîñòóïàþò íà çàïîëíåííóþ ÷àñòü òðèáóí

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

Обеспечение температурного режима товарного склада в зимний и летний периоды с помощью ANSYS CFD Денис Юрченко, Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

В условиях экономического кризиса строительство быстровозводимых сооружений (см. рис. 1) стало особенно актуальным, поскольку благодаря этому возможно в короткие сроки возводить ангары, временные жилые комплексы, товарные склады, при этом экономятся значительные средства по сравнению с сооружением зданий с массивным фундаментом и кирпичными стенами. В качестве ограждающих конструкций в быстровозводимых сооружениях используются так называемые «сэндвич-панели». Существует большой ассортимент подобных панелей, предназначенных для кровель и стен. Все конструкции при монтаже скрепляются болтовыми соединениями.

рез них воздух, при этом они в состоянии обеспечить довольно большой расход воздуха. Фанкойл, с помощью встроенного вентилятора, обеспечивает местную рециркуляцию, а в случае наличия фильтра — еще и очистку воздуха. Теплообменник позволяет производить нагрев или охлаждение воздуха. Фанкойлы устанавливаются в помещении под окном, на стене, под потолком — в зависимости от модификации и типа. К фанкойлам по системе трубопроводов подводится холодная (в теплый период года) или горячая вода (в переходный или холодный период). Мощность подобных устройств может достигать сотен киловатт. Обычно применяется несколько фанкойлов, симметрично расположенных вдоль ограждающих конструкций, а также имеющих разветвленную систему вентиляционных каналов у кровли. В рассматриваемой схеме (см. рис. 2) каждая из 4-систем вентиляционных каналов (5) заканчивается на 8-автоматических диффузорах (4), которые меняют угол поворота лопаток для коррек-

Ðèñ. 1. Êîìïëåêñ òîâàðíûõ ñêëàäîâ è èíôðàñòðóêòóðà. При проектировании товарного склада одной из важнейших задач является обеспечение надлежащего температурного режима в течение всего года. Для сооружений подобного объема (размеры рассматриваемого склада: длина 200 м, ширина 60 м, высота 13,4 м) наиболее перспективными являются системы кондиционирования на основе фанкойлов, позволяющих как нагревать, так и охлаждать циркулирующий че-

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 2. Ñõåìà ïîìåùåíèÿ è ñèñòåìû âåíòèëÿöèè: à — âèä ñâåðõó, á — âèä ñáîêó

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

35

Технологии

36

ции направления потока приточного воздуха, в зависимости от режима работы общей системы вентиляции и кондиционирования. В режиме охлаждения, когда температура приточного воздуха не превышает 22 °С, лопатки сориентированы таким образом, чтобы обеспечить горизонтальный выпуск струи, при этом холодный воздух распределяется параллельно потолку и естественным образом опускается вниз, что позволяет достигнуть равномерного охлаждения по всему объему помещения. В случае, когда система работает в режиме отопления и температура воздуха выше 25 °С, лопатки ориентируются так, что струя становится вертикальной, и ее дальнобойность увеличивается. Теплый воздух забрасывается вниз, откуда, как более нагретый, поднимается вверх. На рис. 2 показана схема товарного склада с 16-фанкойлами, которые работают на весь объем помещения (1), а также 4-фанкойлами, которые работают на разветвленную систему вентиляции у кровли (2). У кровли расположено 12 вентиляционных отверстий (3). На складе находится 32 ряда стеллажей для хранения товара (6), температурный режим которых необходимо поддерживать в строго заданном диапазоне температур. В расчетной модели рассматривалась симметричная половина товарного склада, что позволило существенно уменьшить требуемые вычислительные ресурсы без потери точности расчета (рис. 3).

Ðèñ. 3. Ãåîìåòðè÷åñêàÿ ìîäåëü ñêëàäñêîãî ïîìåùåíèÿ ñ ñèñòåìîé âåíòèëÿöèè Система разветвленных вентиляционных каналов заменялась группой диффузоров. Данное допущение предполагает довольно равномерное распределение расходов по всем диффузорам, что и было подтверждено с помощью отдельной модели вентиляционного канала, находящегося в помещении. Фанкойлы рассматриваемой модификации имеют входное отверстие на поверхности нижнего торца, а выпускное отверстие находится со стороны, направленной к рядам с товарами. Воздух выпускался по нормали к поверхности (существует возможность менять направление потока в диапазоне ±45°С). Между фанкойлами и ограждающими конструкциями существует зазор.

www.ansyssolutions.ru

Расчетная блочно-структурированная сетка CFD-модели строилась при помощи сеточного препроцессора ANSYS ICEM CFD и содержала около 2 миллионов гексаэральных ячеек (рис.

4). Для моделируемого воздуха изменение плотности от температуры подчинялось закону идеального газа, вязкость и теплопроводность принимались постоянными. Влияние турбулентности моделировалось с помощью Indoor ZeroEquation Turbulence Model [1]. Лучистый теплообмен моделировался с использованием модели дискретных ординат DO [2].

Ðèñ. 4 Ïîâåðõíîñòíàÿ ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà îáëàñòè ðåøåíèÿ: (a) — îáùèé âèä, (á) — óâåëè÷åííûé âèä âíóòðè ñêëàäà При моделировании для условий зимнего и летнего периода на поверхности ограждающих конструкций задавались граничные условия третьего рода, температура окружающей среды соответственно –20°С и +35°С, а также коэффициент теплоотдачи, учитывающий как теплообмен с внешним воздухом, так и термическое сопротивление ограждающих сэндвич-панелей. Коэффициент теплоотдачи внутри помещения рассчитывается автоматически из решения системы уравнений газодинамики и уравнения энергии. Нагрев или охлаждение воздуха вследствие его прохождения через фанкойл, моделировались с помощью задания на входе и выходе фанкойла равного расхода, а также соответствующего значения температуры на его выходе. Такие параметры, как мощность нагрева/охлаждения и величина расхода, обеспечиваемые фанкойлом, контролировались с использованием спецификации, предоставленной производителем. Ввиду значительных размеров сооружения, а также большого перепада температур, число Рэлея получается закритическим, что сви-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

37

Ðèñ. 6. Ïîëå ñêîðîñòåé â îáëàñòè ðåøåíèÿ â çèìíåå âðåìÿ: à — ïðîäîëüíîå ñå÷åíèå, á — ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå детельствует о том, что задача по своей природе является турбулентной и нестационарной. В связи с этим, рассматриваемая задача решалась в нестационарной постановке. Критерием окончания счета и получения квазиустановившегося решения являлось пренебрежимо малое изменение среднеобъемной температуры на каждом шаге, а также глобальное выполнение законов сохранения массы и энергии во всей области решения. Расчет дан-

ной задачи занял около 16 часов на одноядерном персональном компьютере с частотой процессора 3.0 ГГц и объемом памяти 4 Гб. В результате решения системы уравнений гидрогазодинамики, турбулентности, энергии были получены подробные поля скоростей, температур, давлений во всей области решения. На рис. 5 показано поле температур в зимнее время в изометрии, вертикальном и поперечном сечениях области решения. Видна стра-

Ðèñ. 5. Ïîëå òåìïåðàòóð â îáëàñòè ðåøåíèÿ â çèìíåå âðåìÿ: à — èçîìåòðèÿ, á — ïðîäîëüíîå ñå÷åíèå, â –ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå, ã — íà ïîâåðõíîñòè «áîêñîâ»

Ðèñ. 7. Ïîëå òåìïåðàòóð â îáëàñòè ðåøåíèÿ â ëåòíåå âðåìÿ: à — èçîìåòðèÿ, á — ïðîäîëüíîå ñå÷åíèå, â –ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå, ã — íà ïîâåðõíîñòè «áîêñîâ»

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Технологии

38

Ðèñ. 8. Ïîëå ñêîðîñòåé â îáëàñòè ðåøåíèÿ â ëåòíåå âðåìÿ: à — ïðîäîëüíîå ñå÷åíèå, á — ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå

тификация температур по высоте помещения: в среднем температура в области товара на стеллажах колеблется от 19 °С у основания до 25 °С в верхних слоях, что укладывается в диапазон допустимых значений. Вдоль склада температура остается практически неизменной, а поперек помещения перепад температур также укладывается в требуемый диапазон. Однако, при данной схеме расположения фанкойлов и диффузоров, можно рекомендовать сместить их таким образом, чтобы поток воздуха был направлен в пространство между рядами, что позволит устранить локальные зоны повышенной температуры до значения 27°С (рис. 5г), возникающие вследствие прямого воздействия потока горячего воздуха на «боксы», находящихся на стеллажах. На рис. 6 представлено поле скоростей в продольном сечении (а), где максимальная скорость достигает 0.5 м/с, и в поперечном сечении (б), где скорость не превышает 2 м/с. Таким образом, в рабочей зоне в зимнее время года скорости потока воздуха не превышают значений, регулируемых санитарными нормами. На рис. 7. изображено поле температур в летнее время в изометрии, вертикальном и поперечном сечениях области решения. Видна стратификация температур по высоте помещения, максимальная разница температур не превышает 3-градусов: от 18 °С в основании до 21 °С в верхней части, что соответствует требованиям норм. Вдоль и поперек помещения перепад температур также укладывается в требуемый диапазон. В рассматриваемом сценарии, при той же схеме расположения фанкойлов, мы также наблюдаем непосредственное влияние потока охлажденного воздуха на стеллажи с товаром (рис. 7г). При этом видны зоны относительного переохлаждения до значения 17 °С.

www.ansyssolutions.ru

На рис. 8 представлено поле скоростей в продольном сечении (а), где максимальная скорость достигает 0.7 м/с, и в поперечном сечении (б), где скорость не превышает 2 м/с. Следовательно, в рабочей зоне в летнее время года скорости потока воздуха не превышают значений, установленных санитарными нормами. Таким образом, проделав подобный расчет, можно утверждать, что выбранная схема и мощность вентиляционной системы являются достаточными для обеспечения требований хранения товара, а также они способны поддерживать неизменность и равномерность температурного режима во всем объеме складского помещения. Численное моделирование позволяет отобразить линии тока, а также такие локальные характеристики как температура, скорость, давление и влажность в произвольной точке или сечении области решения. Благодаря использованию CFD-технологий инженеры-проектировщики могут более основательно рассматривать вопрос компоновки системы вентиляции, обосновывать мощность и тип выбираемого оборудования, а также демонстрировать руководству и заказчикам работу и эффективность различных вариантов систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1.

Q. Y. Chen and W. R. Xu “A zero-equation turbulence model for indoor airflow simulation”, Energy and Buildings, Vol. 28, 137-144, 1998.

2.

E. H. Chui and G. D. Raithby. Computation of Radiant Heat Transfer on a Non-Orthogonal Mesh Using the Finite-Volume Method. Numerical Heat Transfer, Part B, 23:269-288, 1993.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Мастер класс

Сравнительный анализ возможностей ANSYS ICEM CFD и TGrid для генерации призматических слоев Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

В данной статье мы рассмотрим различные алгоритмы генерации призматических слоев, реализованные в сеточных препроцессорах ANSYS ICEM CFD и TGrid. Каждый из указанных пакетов содержит набор расширенных опций, которые позволяют генерировать более качественные призматические слои, по сравнению с вариантами, когда используются настройки по умолчанию. Все описываемые возможности пакетов относятся к последнему 12-му релизу ANSYS. Отметим, что ни один из пакетов не имеет явного преимущества перед другим при генерации призм. Однако в обоих пакетах существует много различий как на уровне интерфейса, так и с точки зрения наличия тех или иных опций. Прежде чем перейти к описанию возможностей пакетов, рассмотрим основные ограничения и проблемные моменты в 12-й версии ANSYS ICEM CFD и TGrid.

Ограничения модуля Tetra/Prism •

•

В закладке Advanced Prism Meshing Parameters отключение опции Stair Step (которая контролирует появление пирамидальных элементов) не оказывает никакого влияния на процесс генерации призм. Вместо этого для уменьшения вероятности появления пирамид следует использовать опцию Auto Reduction, а также задавать более маленькие значения параметра Min Prism Quality и более большие значения параметра Max Prism Angle. Некоторые опции и инструменты для работы с призмами (например, «Select parts for Prism» или «Split Prism») не функционируют при загрузке ICEM CFD в режиме «aienv». Для решения этой проблемы сле-

www.ansyssolutions.ru

дует загрузить ICEM CFD в режиме «FEA + CFD Utilities» (раздел основного меню Setting→Products).

Призматические слои в ICEM CFD и TGrid ICEM CFD и TGrid имеют большой набор опций для генерации призматических слоев. Призматические слои могут быть сгенерированы даже для поверхностных сеток большой размерности. Каждый из пакетов имеет свои характерные особенности при генерации внутренних призматических слоев: TGrid сначала создает призматические слои, а затем генерирует сетку на основе тетраэдров, а ICEM CFD разбивает модель на тетраэдры и только потом создает призматические слои. Пользователь может генерировать значительное количество слоев даже в таких проблемных местах, как узкие зазоры или при пересечении поверхностей под очень острым углом. Для этого в TGrid существует опция Proximity Detection, которая автоматически сжимает призматические слои в соответствии с топологией геометрии. Аналогичную функцию в ICEM CFD

Ðèñ. 1. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Auto Reduction â ICEM CFD

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

39

Мастер класс –

40

Ðèñ. 2. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Proximity Detection â TGrid выполняет опция Auto Reduction. Для контроля качества элементов в подобных случаях лучше использовать критерий Skewness, значения которого не должны превышать порядка 0.2–0.3. Опишем стандартную последовательность действий при генерации призм в TGrid: 1) Подготовка поверхностной сетки.

– Проверка на отсутствие разрывов между поверхностями и улучшение качества базовой поверхностной сетки.

– Проверка ориентации граней элементов, используемых для генерации призм.

Изменение ориентации граней «некорректных» элементов.

2) Определение опций препроцессора для генерации призматических слоев: Mesh→Prisms.

– Задание закона роста призматических слоев.

– Определение дополнительных настроек для управления процессом генерации призм.

3) Определение опций, отвечающих за улучшение качества призм.

4) Генерация призматических слоев.

5) Проецирование граней призм на соответствующие поверхности.

6) Заключительное разбиение модели на элементы типа «тетраэдр». В ICEM CFD последовательность действий выглядит по-другому: 1) Подготовка поверхностной/объемной сетки.

– Для генерации призматических слоев требуется высококачественная сетка, либо объемная на основе тетраэдров, либо поверхностная сетка на основе треугольных элементов.

– Обязательно следует оценить качество исходной сетки и локализовать проблемные места и объекты: одиночные («висячие»)

Ðèñ. 3. Ïðîáëåìíûå ìåñòà: a — îñòðûå êðîìêè, á — îñòðûå óãëû, ñ — ïðÿìîóãîëüíûå êðîìêè, ä — áëèçêîðàñïîëîæåííûå ïîâåðõíîñòè

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

41

Ðèñ. 4. Ïðèìåðû èñïîëüçîâàíèÿ ðàçëè÷íûõ ìåòîäîâ çàäàíèÿ çàêîíà ðîñòà ïðèçì â TGrid: à — Uniform Method, á — Aspect-Ratio Method, â — Last-Ratio Method. ребра, «висячие» узлы, совпадающие элементы и пр.

2) Как вариант, можно начать с импорта качественной поверхностной сетки из внешнего сеточного препроцессора, например, GAMBIT. – Восстановление геометрии из поверхностной сетки: Edit→Mesh→Facets.

– Используйте методы «снизу-вверх», такие как Delaunay (или Advancing Front и TGrid).

– Проверка ассоциативных связей между геометрией и элементами поверхностной сетки.

3) Определение опций, отвечающих за генерацию призматических слоев: Mesh→Global Mesh Setup→Global Prism Settings.

4) Задание глобальных параметров, закона роста, размера первого элемента у стенки, направления роста.

5) Выбор поверхностей (Part) на которых будут выращиваться слои призм.

6) Определение опций для сглаживания сетки (качество и направление).

7) Генерация призматических слоев.

Проблемы Можно выделить следующие моменты, на которые следует обращать особое внимание при генерации призм: • Определение закона роста элементов.

• Острые углы и острые кромки.

• Близкорасположенные поверхности (контроль расстояния).

• Переход от призм к тетраэдрам.

• Улучшение качества элементов. На рис. 3 показаны проблемные места, характерные для сложных геометрических объектов. Далее мы последовательно рассмотрим как решаются данные проблемы в пакетах TGrid и ICEM CFD. Закон роста элементов В TGrid изменения толщины призматических слоев (по высоте) можно контролировать тремя способами: Uniform Method, Last-Ratio Method, AspectRatio Method. В Uniform Method высота первого

www.ansyssolutions.ru

элемента является величиной постоянной. Высота последующих элементов определяется в соответствии с заданным законом роста. В методе Last-Ratio высота первого элемента также является величиной постоянной. Высота последнего элемента задаются в процентах от размера тетраэдра (например, First Height = 0.1), контактирующего с призмой. В методе Aspect-Ratio задается постоянный Aspect-Ratio для первого слоя призм (например, First Aspect Ratio = 10) и указывается значение коэффициента роста. Примеры задания закона роста призм в TGrid показаны на рис. 4. В ICEM CFD можно использовать два закона роста: экспоненциальный и линейный. Опция Initial Height контролирует высоту первого элемента, лежащего у стенки. Опция Height Ratio задает скорость роста элементов (отношение высоты призм). Для контроля высоты призм рекомендуется использовать опцию Prism Height Limit Factor. Кроме того, в обоих пакетах можно для разных областей определять разные законы роста. В TGrid для этого есть опция Zone Specific Growth (см. рис. 5). В ICEM CFD данная проблема решается иным способом. Для этого необходимо определять закон роста призм для отдельных Part (группы объектов).

Ðèñ. 5. Çàäàíèå îòäåëüíûõ çàêîíîâ ðîñòà ïðèçì äëÿ ðàçíûõ îáëàñòåé â TGrid Следующим важным моментом при генерации призм является управление направлением роста призм. В TGrid есть две опции для контроля направления роста призм: Normal и Uniform. Параметр Max Angle Change обеспечивает менее жесткий контроль над направлением роста. Этот параметр очень полезен при генерации призм в районе острых кромок.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Мастер класс

42

В ANSYS ICEM CFD для контроля направления роста призм используется опция Fix Marching Direction, которая самостоятельно выбирает места, в которых призмы должны быть «выращены» по нормали к соответствующему треугольному элементу. При этом качество призм контролируется с помощью переменной Min Prism Quality. Когда опция Fix Marching Direction отключена, направление роста контролируется с помощью переменной Ortho weight (на рис. 6а показаны призматические слои, сгенерированные при значении Ortho weight = 0.1, на рис. 6б — при Ortho weight = 0.9). Если опция Fix Marching Direction включена, то призмы «выращиваются» по нормали к соответствующей грани тетраэдра, однако возможно незначительное отклонение от заданного направления, если качество призм является неудовлетворительным. При низких значениях переменной Ortho weight во время выполнения операции сглаживания ICEM CFD старается улучшить значения Aspect Ratio общих для призм и тетраэдров граней, что способствует повышению качества этих тетраэдров. Кроме того, в ICEM CFD есть опция Directional Smoothing, которая используется только при включенной (активной) опции Fix

Marching Direction. Именно эта переменная контролирует направление «выращивания» призм (по нормали к грани тетраэдра в пределах первого слоя призм). На последующие слои влияние этой переменной не распространяется. В TGrid есть опции Orthogonal Layers, которая выполняет можно задать число ортогональных слоев. При этом генерация каждого последующего слоя будет сопровождаться проверкой ориентации слоев относительно друг друга (normal direction smoothing). Генерация призм в проблемных местах геометрии В местах, где две поверхности пересекаются под острым углом всегда очень трудно сгенерировать призмы высокого качества. При генерации призматических слоев в подобных случаях всегда следует использовать специальные опции: в TGrid это Allow Shrinkage, а в ICEM CFD — Auto Reduction (панель Advanced Prism Meshing Parameters). При выборе этих опций генератор автоматически будет отслеживать проблемные места и локально сжимать в них призматические слои. Переход от призм к тетраэдральным элементам При генерации призматических слоев всегда важно обеспечить плавный переход от призматического слоя к основному, состоящему из тетраэдральных элементов. Для этого в TGrid есть специальный алгоритм, называемый Last-Ratio. В этом методе основным параметром является отношение высоты призмы последнего слоя к характерному размеру тетраэдрального элемента, задаваемое в процентах — параметр Last Percent (см. рис. 7).

Ðèñ. 7. Îïöèè ìåòîäà Last-Ratio (TGrid) Ðèñ. 6. Ïðè îòêëþ÷åííîé îïöèè Fix Marching Direction íàïðàâëåíèå ðîñòà êîíòðîëèðóåòñÿ ïàðàìåòðîì Ortho weight: à — ïðèçìàòè÷åñêèå ñëîè, ñãåíåðèðîâàííûå ïðè çíà÷åíèè Ortho weight = 0.1, á — ïðè Ortho weight = 0.9.

www.ansyssolutions.ru

Далее мы рассмотрим как эта проблема решается в сеточном препроцессоре ICEM CFD. Установите в ICEM CFD значение Initial Height равным 0 (см. панель Global Prism Settings). В этом случае ICEM CFD самостоятельно подбе-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

рет такое значение Initial Height (высота первой призмы у стенки), чтобы не было резкого перехода от призмы к тетраэдру (рис. 8). Если значение Initial Height сильно колеблется, то рекомендуется измельчить сетку. Это ограничит колебания высоты первой призмы и позволит избежать появления пирамидальных

Ðèñ. 8. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Initial Height äëÿ ñîãëàñîâàíèÿ ïðèçìàòè÷åñêèõ ñëîåâ âîêðóã äâóõ îáúåêòîâ

43

Ðèñ. 9. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Adjacent Zone Angle: à — Max Adjacent Zone Angle = 45°, á — Max Adjacent Zone Angle = 85°

элементов в местах перехода от призм к тетраэдрам (или на границе пересечения двух призматических слоев). Кроме того, в ANSYS ICEM CFD есть специальный параметр Prism Height Limit Factor, который контролирует Aspect Ratio элементов последнего призматического слоя. Полная высота слоя, составленного из призм, в этом случае определяется на основе заданного числа слоев и значения Prism Height Limit Factor: если Prism Height Limit Factor = 1, то высота призмы подбирается соразмерной базовому размеру треугольного элемента, если Prism Height Limit Factor = 0.5, то высота призмы ограничена значением, равным 50% от базового размера треугольного элемента. Область распространения призм В TGrid за контроль области распространения призматического слоя отвечает специальная опция Max Adjacent Zone Angle. Параметр Adjacent Zone Angle — это угол между направлением роста призм (Growth Direction) и прилегающей (соседней) поверхностью. На рис. 9 показаны результаты генерации призматических слоев при разных значениях параметра Max Adjacent Zone Angle. В ICEM CFD есть параметр Max Prism Angle, который контролирует угол между 2-мя соседними пересекающимися поверхностями (рис. 10). Этот параметр выполняет в ICEM CFD аналогичные функции, что и параметр Max Adjacent Zone Angle в TGrid.

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 10. Êîíòðîëü îáëàñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïðèçì â ICEM CFD c ïîìîùüþ ïàðàìåòðà Max Prism Angle: à — Max Prism Angle = 140°, á — Max Prism Angle = 180° Качество элементов В TGrid в панели Prisms есть специальные параметры для сглаживания/перемещения ребер элементов и узлов для улучшения качества элементов (например, скошенности) при генерации призм. С помощью опции Check Quality можно

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Мастер класс

44

контролировать качество элементов по критерию скошенности: в случае превышения значения, заданного в Max Allowable Skewness, программа автоматически остановит процесс генерации призм. Опция Warp отвечает за исправление искривленных (скрученных элементов). Это относится, в первую очередь, к четырехугольным элементам. Кроме того, для повышения качества элементов вы можете использовать следующие команды через TUI (Text User Interface): /mesh/ prism/improve с ключами «improve-prism-cells» и «smooth-prism-cells». В ANSYS ICEM CFD при генерации призм можно использовать опции сглаживания поверхностной треугольной сетки. Кроме того, после генерации призм, можно выполнить операцию сглаживания объемной сетки из тетраэдров.

Дополнительные возможности В ICEM CFD после генерации призм можно изменить высоту первого призматического элемента у стенки (см. рис. 11). Это полезная опция для выбора высоты первого элемента в соответствии с критерием Y+. На рис. 12 показаны примеры использования данной опции. Кроме того, используя команду Split Mesh можно изменить число призматических слоев

Ðèñ. 12. Ïðèìåðû èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Redistribute Prism Edge â ICEM CFD

Ðèñ. 13. Êîíñòðóêöèÿ ñ ïëàâíûì ïåðåõîäîì îò êðûëà ê ôþçåëÿæó

Ðèñ. 11. Îïöèÿ ICEM CFD äëÿ èçìåíåíèÿ âûñîòû «ïåðâîé» ïðèçìû после их генерации. Доступны два метода (при фиксированном числе слоев): • Fix Ratio: задание коэффициента роста (отношение высоты N-го элемента к N-1).

• Fix Initial Height: задание высоты первого элемента. Во второй части статьи мы покажем примеры использования расширенного функционала TGrid и ICEM CFD при разбиении сложных моделей. Все примеры будут ориентированы на задачи внешней аэродинамики (см. рис. 13-14).

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 14. Êîíñòðóêöèÿ êðûëà, îáúåäèíåííàÿ ñî ñòàáèëèçàòîðîì

Автор выражает благодарность Samir Kadam (ANSYS, Inc.) за помощь, оказанную при подготовке данной статьи.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009