ANSYS Advantage. Русская редакция №21 – Многодисциплинарный анализ

ADVANTAGE

™

Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах

№21 | 2015

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

6

Будущее численного моделирования

11

Робастное проектирование электрических машин с помощью многодисциплинарных расчетов

22

Проектирование сверхпроводящих магнитов

Следите за обновлениями Предыдущие выпуски русской редакции ANSYS ADVANTAGE всегда доступны по адресу www.ansysadvantage.ru

www.cadfem-cis.ru

www.ansysconference.ru

ОТ РЕДАКТОРА

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ КАК ТРЕБОВАНИЕ СОВРЕМЕННОГО МИРА Современные изделия характеризуются сложным взаимодействием внутренних компонентов, широким функционалом и разнообразием рабочих режимов. Многодисциплинарный анализ является критически важным инструментом, который позволяет оценить работу технически сложных изделий в условиях, максимально близких к реальному миру. Дмитрий Фролов, Директор по маркетингу, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс».

М

ногие технически сложные изделия, например, двигатели внутреннего сгорания или газотурбинные двигатели уже давно подошли к определенному рубежу, когда улучшение рабочих характеристик всего на несколько процентов является серьезным достижением, если не технологическим прорывом в отрасли. Однако потребитель не всегда осознает, что за этими несколькими процентами зачастую скрывается титанический труд расчетных и конструкторских отделов, которые при проектировании этого изделия должны следить не только за огромным количеством конструкторских, но и функциональных закономерностей: от трения и износа, сопровождаемого ростом рабочей температуры и, как следствие, изменением свойств смазочных материалов, до повышения собственных частот и возникновения ненужного акустического шума при снижении массы изделия, не говоря уже о процессах течения жидкостей, горения, обледенения или работы электронных и электромеханических устройств. При принятии какого-либо конструктивного решения при проектировании новых и модернизации существующих изделий с учетом современных требований инженер должен полностью осознавать все возможные последствия, что невозможно без понимания физики протекающих процессов. Если раньше при разработке изделий инженеры-расчетчики отвечали на вопрос «а что если?», то теперь времени на поиск ответа остается все меньше, и вопрос все чаще звучит «а как лучше?». Эта трансформация, во-первых, позволяет изначально взять правильный вектор при проектировании, а во-вторых – сократить цикл разработки, что становится в последнее время наиболее важным показателем не только для коммерческих организаций, но и для предприятий, работающих по госзаказу, и научно-исследовательских институтов. Требования к изделиям непрерывно растут, но ресурс и возможности расчетных отделов всегда ограничены

временем и количеством сотрудников, поэтому благодаря ANSYS численное моделирование и многодисциплинарный анализ сегодня становятся доступными для широкого круга специалистов, позволяя инженерам различных отделов подключаться к работе и взаимодействовать между собой в единой расчетной среде, реализовывая смелые конструкторские идеи и создавая современные изделия, отвечающие мировым стандартам качества и высоким запросам потребителей. Подобная демократизация позволяет эффективнее распределить нагрузку между отделами и сконцентрировать силы инженеров-расчетчиков на решении задач, действительно требующих их опыта и компетенции. В последние годы использование численного моделирования при разработке изделий само по себе перестает быть конкурентным преимуществом, а становится скорее конкурентной необходимостью, позволяющей предприятиям в первую очередь не отставать от конкурентов, в том числе и от зарубежных. То же самое происходит и с применением многодисциплинарных расчетов. Как аддитивные технологии со временем вытеснят привычные механизмы производства и продажи товаров, так и моделирование одной физики и учет только наиболее важных функциональных особенностей изделия уступят место комплексному многодисциплинарному анализу. Это новая парадигма в разработке и проектировании изделий, способная раскрыть существующий потенциал и открыть совершенно новые пути развития технологий. Программный комплекс ANSYS обладает наиболее широкими и продвинутыми возможностями для проведения многодисциплинарного анализа. Этот выпуск русской редакции журнала ANSYS Advantage содержит множество примеров применения решений ANSYS компаниями – лидерами различных отраслей промышленности, что позволило им принять вызов сложной инженерной задачи и успешно решить её.

Благодаря ANSYS численное моделирование и многодисциплинарный анализ сегодня становятся доступными для широкого круга специалистов, позволяя инженерам различных отделов подключаться к работе и взаимодействовать между собой в единой расчетной среде, реализовывая смелые конструкторские идеи и создавая современные изделия, отвечающие мировым стандартам качества и высоким запросам потребителей. www.ansysadvantage.ru

ANSYS ADVANTAGE

1

СОДЕРЖАНИЕ

16 Новости

4

Новости численного моделирования Новости о программных продуктах ANSYS, их сертификации и планах развития, а также приобретения компанией ANSYS, Inc. новых технологий.

Передовой опыт

6

Будущее численного моделирования В своем наборе решений для инженерного анализа ANSYS предлагает новые технологии, позволяющие проводить многодисциплинарные расчеты быстрее, удобнее и точнее, чем когда бы то ни было.

19 Многодисциплинарный анализ

11

19

Робастное проектирование электрических машин с помощью многодисциплинарных расчетов

Численное моделирование деталей силовых трансформаторов

Электромагнитный, прочностной и тепловой расчеты, а также оптимизация позволяют повысить энергоэффективность, уменьшить уровень шума и увеличить ресурс подшипников электромоторов.

16 Использование облачных технологий при многодисциплинарных расчетах Облачные вычисления позволили специалистам Rolls-Royce сократить время расчета на 80% при решении многодисциплинарных задач.

2

22

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

Для получения оптимальных характеристик и минимизации затрат при проектировании силовых трансформаторов и комплектного оборудования, компания Hyundai Heavy Industries Co. Bulgaria проводит многодисциплинарные расчеты в программном комплексе ANSYS.

22 Проектирование сверхпроводящих магнитов Специалисты CERN использовали ANSYS Multiphysics при оптимизации конструкции сверхпроводящего магнита ускорителя.

22

26

26

29

w

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ

36

32

43

Проектирование выхлопных систем с помощью ANSYS

Многодисциплинарный анализ микроволновых компонентов

Применение ANSYS Icepak для разработки систем радиосвязи

Компания-производитель выхлопных систем использует многодисциплинарные расчеты для уменьшения затрат на экспериментальные исследования.

Связанные расчеты помогают создавать надежные и мощные микроволновые компоненты.

Применение ANSYS Icepak для теплового анализа систем радиосвязи позволило специалистам Datron World Communications сократить время разработки электронного устройства и уменьшить затраты на его разработку.

29

Оптимизация конструкции корпуса компактного компьютера

Моделирование протезирования аортального клапана Процедура замены сердечного клапана, воспроизведенная при помощи многодисциплинарного численного моделирования, позволяет избежать операции на открытом сердце.

36 Инженеры компании Teradici улучшили конструкцию тонкого клиента с поддержкой протокола PCoIP, так называемого компактного компьютера, с помощью ANSYS Icepak.

40 Расчет системы охлаждения калибровочной головки осциллографа С помощью численного моделирования был оптимизирован тепловой режим калибровочной головки самого быстрого в мире осциллографа.

www.ansysadvantage.ru

Инженерно-технический журнал «ANSYS ADVANTAGE Русская редакция» 21 | 2015 Выходит 1 раз в год Учредитель: ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» Генеральный директор: Локтев Валерий Главный редактор: Фролов Дмитрий Переводчик: Юрченко Анна Адрес редакции: 111672 Россия, Москва, ул. Суздальская, д. 46, офис 203 Тел.: (495) 644-0608 Факс: (495) 644-0609 Тираж 1000 экз. © 2015 ANSYS, Inc. © 2015 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» Перепечатка опубликованных материалов только с письменного разрешения редакции.

ANSYS ADVANTAGE

3

НОВОСТИ

Новости численного моделирования Компания ANSYS, Inc. приобрела корпорацию SpaceClaim, ведущего поставщика программного обеспечения для прямого CAD моделирования 1 мая 2014 г. компания ANSYS, Inc. объявила о покупке корпорации SpaceClaim, ведущего поставщика программного обеспечения для прямого CAD моделирования, за 85 миллионов долларов без учета удержаний и корректировок оборотного капитала. «Эта сделка соответствует нашей стратегической концепции и политике слияний и поглощений, а также ускоряет движение по дорожной карте наших технологических продуктов для лучшегo удовлетворения потребностей наших клиентов и развития. SpaceClaim — это великолепное дополнение к нашему портфолио, поскольку он затрагивает незакрытые потребности 3D моделирования в концептуальном моделировании, изготовлении и 3D печати, аудитория которых насчитывает 5 миллионов пользователей. В дополнение к внедрению инноваций, дополнение в лице SpaceClaim помогает ANSYS ускорить рост рынка моделирования путем расширения базы наших пользователей от исследователей и опытных пользователей до миллионов инженеров-конструкторов и системных инженеров различных отраслей. Мы приветствуем команду SpaceClaim в ANSYS», — заявил Джим Кэшмен, президент компании ANSYS, Inc.

4

Программный продукт ANSYS Structural прошел сертификацию в Российском Речном Регистре

30 января 2014 г. Российский Речной Регистр выпустил «Сертификат одобрения программного средства ANSYS Structural» с одобрением использования ANSYS Structural для расчетов прочности и вибрации корпусов судов внутреннего плавания и судов типа река-море. Теперь конструкторские бюро, научные институты смогут проводить расчетные работы с использованием ANSYS Structural, рассчитывая на признание результатов в надзорной организации Российский Речной Регистр. По словам руководителя корпусного отдела

Российского Речного Регистра Ильи Александровича Гуляева, «Российский Речной Регистр убедился в точности результатов расчетов, выполненных в ANSYS Structural. Удобство подготовки данных, скорость расчетов, возможность представления результатов в необходимой форме делает ANSYS Structural эффективным инструментом в руках инженера-судостроителя». ANSYS Structural уже давно и успешно используется в мировом судостроении для проведения исследовательских, проектировочных и проверочных расчетов прочности судов всех типов. В Российской Федерации также накоплен большой опыт применения программных продуктов ANSYS в судостроении. Число конструкторских бюро и исследовательских институтов, лицензировавших использование ANSYS за последние 5 лет, превысило несколько десятков и продолжает неуклонно расти. Инициатором проведения Сертификации выступила компания ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», авторизованный дистрибьютор и центр компетенции ANSYS в России и странах СНГ.

Программный продукт ANSYS Structural прошел сертификацию в Российском морском регистре судоходства 9 декабря 2014 г. Российский морской регистр судоходства выпустил «Свидетельство о типовом одобрении программы расчетов для ЭВМ» для программного продукта ANSYS Structural. Инициаторами проведения сертификации выступили ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», авторизованный дистрибьютор и центр компетенции ANSYS в России и странах СНГ, и Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота (ЗАО «ЦНИИМФ»). Этот документ дает возможность обоснованно использовать ANSYS Structural для расчетов прочности и вибрации корпусов судов морского типа, в том числе при проектировании новых гражданских судов для освоения арктического шельфа, проектировании новых судов с динамическим принципом поддержания и подтверждении ледового класса уже имеющихся судов для плавания в северных широтах.

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

Компании ANSYS, Inc. и AWR Corporation объявили об интеграции ANSYS HFSS в AWR Microwave Office

Данная интеграция объединила широко известный высокочастотный полноволновый симулятор ANSYS HFSS и NI AWR Design Environment™/Microwave Office. Это позволит пользователям Microwave Office легко задействовать решатель HFSS для анализа электромагнитных полей и связей пассивных 3D структур, таких как капельки припоя, проволочные соединения, шариковые и штырьковые выводы при разработке ВЧ и СВЧ монолитных интегральных схем, систем плотной упаковки и многофункциональных модулей.

Компания ANSYS, Inc. объявила о выходе версии 16.0 своего флагманского программного комплекса

В ANSYS 16.0 были сделаны существенные улучшения во всей линейке продуктов, включая прочность, гидродинамику, электронику, многодисциплинарные расчеты и проектирование на уровне систем, что позволит инженерам создавать виртуальные прототипы изделий удобнее и точнее. Команда ANSYS, Inc рада представить Вам новый релиз и надеется, что он оправдает Ваши ожидания и существенно поможет Вам в создании современных и инновационных изделий! Более подробно об обновлениях ANSYS 16.0 Вы можете узнать, перейдя по ссылке: www.cadfem-cis.ru/ansys16 www.ansysadvantage.ru

Компания ANSYS, Inc. приобрела FENSAP-ICE для расчета процессов обледенения самолетов 14 февраля 2015 г. компания ANSYS, Inc. (Питтсбург, США) официально подтвердила информацию о покупке активов канадской компании Newmerical Technologies International (NTI), занимающейся разработкой специализированного программного обеспечения для авиастроительной отрасли. Компания NTI более десяти лет разрабатывает и продает передовой программный комплекс FENSAP-ICE для численного моделирования процесса обледенения аэродинамических поверхностей и конструкций (крыльев самолета, мотогондол, лопастей ветряных турбин и пр.).

FENSAP-ICE имеет модульную структуру и включает в себя отдельные приложения, которые позволяют не только моделировать непосредственно процесс обледенения (ICE3D), но и проектировать противообледенительные системы, т.е. рассчитывать процессы тепло- и массообмена и гидравлики (CHT3D, C3D).

FENSAP-ICE также позволяет учесть при моделировании шероховатость поверхности, переменную плотность льда, остаточное количество воды, унос капель воды с поверхности пленки и стекание пленки жидкости вдоль обтекаемой поверхности. Все расчеты в FENSAP-ICE могут быть выполнены в двумерной и трехмерной постановке. FENSAP-ICE имеет интерфейсы для работы с ANSYS FLUENT, ANSYS CFX и другим программным обеспечением.

Компания ANSYS, Inc. объявила победителей конкурса «2015 Hall of Fame Competition» Конкурс ANSYS Hall of Fame Competition проводится уже в шестой раз. Традиционно, среди победителей и финалистов конкурса присутствуют компании и высшие учебные заведения со всего мира. Всего в этом году было объявлено 3 победителя в номинации «Best in Show: Corporate», 2 в номинации «Best in Show: Academic» и 12 других финалистов из различных областей: атомной промышленности, судостроения, турбомашиностроения, медицины и биологии. Отметим, что в прошлом году в конкурсе Hall of Fame 2014 было два победителя из России: «МГТУ им. Н.Э. Баумана» совместно с ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» в номинации «Best in Show: Academic» и «Уральский дизель-моторный завод» среди других финалистов. www.ansys.com/Hall+of+Fame

Будьте в курсе последних новостей ANSYS и CADFEM Компания ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» предоставляет Вам новую возможность узнавать о новостях, связанных с программными продуктами ANSYS, с помощью электронной рассылки CADFEM eNews. Благодаря этой рассылке, Вы сможете своевременно узнавать о новостях компаний ANSYS, Inc. и CADFEM, новых видеоуроках CADFEM на канале YouTube, а также о вебинарах ANSYS и многом другом. Подпишитесь на рассылку, перейдя по ссылке: www.cadfem-cis.ru/cadfem-enews ANSYS ADVANTAGE

5

ПЕРЕДОВОЙ ОПЫТ

БУДУЩЕЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В своем наборе решений для инженерного анализа ANSYS предлагает новые технологии, позволяющие проводить многодисциплинарные расчеты быстрее, удобнее и точнее, чем когда бы то ни было. Автор: Chris Wolfe, ведущий менеджер по многодисциплинарным продуктам, ANSYS.

6

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

Ч

исленное моделирование играет важную роль при проектировании зданий, в которых мы живем и работаем, автомобилей, которыми мы управляем, смартфонов, которые позволяют нам общаться, медицинского оборудования, которое следит за нашим здоровьем, наших компьютеров и многого другого. За сорокапятилетний период своего существования программный комплекс ANSYS стали использоваться расчетными группами многих компаний по всему миру. Сегодня в большинстве расчетных отделов численное моделирование используется на ранних этапах проектирования, что позволяет сократить количество дорогостоящих физических прототипов и испытаний. Исторически сложилось так, что при моделировании инженеры были вынуждены прибегать к определенным упрощениям для соблюдения сроков проектирования. В связи с этим, часто моделировалось только одно наиболее важное физическое явление. Например, инженеры-проектировщики болидов Формула 1 традиционно занимались только расчетом аэродинамики с использованием CFD технологий. При проектировании строительного или сельскохозяйственного оборудования обычно использовались лишь прочностные расчеты для обеспечения высокой стойкости к нагрузкам. Производители печатных плат, в основном, концентрировались на проведении анализа целостности сигнала. Такой однодисциплинарный подход позволял существенно улучшить характеристики изделий при меньших затратах по сравнению с традиционными экспериментальными методами. Однако, в связи с ростом конкуренции и потребительских требований, сегодня тяжело получить оптимальный проект при использовании расчетов только в одной области физики. Для понимания влияния каждого аспекта на характеристики изделия, при моделировании необходимо учитывать все дисциплины в комплексе. Возможность проводить многодисциплинарные расчеты и параметрическую оптимизацию позволяет инженерам быстрее оценить характеристики изделия, получить оптимальный проект и выпустить готовый продукт. www.ansysadvantage.ru

Специалисты отделения гипертермии в Университете Дьюка используют многодисциплинарные

расчеты для разработки новых неинвазивных методов лечения рака мочевого пузыря. Ученые используют модуль ANSYS HFSS для проектирования миниатюрной микроволновой антенны, используемой для исследования оптимальных способов доставки медикаментов в мочевой пузырь при лечении методом гипертермии. Полученное распределение энергии передается в модуль ANSYS Fluent, с помощью которого инженеры моделируют такие биологические механизмы, как перфузия крови и метаболизм, которые существенно влияют на теплообмен в биологических системах. Во избежание перегрева тканей, антенну охлаждают циркулирующей жидкостью, и данный процесс моделируется в ANSYS CFD. Все расчеты проводятся в связанной постановке с целью оптимизации избирательного нагрева области мочевого пузыря.

Благодаря многодисциплинарным расчетам, инженеры-проектировщики болидов Формула 1 могут проводить комплексную оптимизацию аэродинамических и прочностных характеристик при повышении мощности двигателя и снижении веса болида. Производители тяжелого оборудования получили возможность улучшать прочностные характеристики изделий с учетом тепловых напряжений. A разработчики печатных плат теперь проводят анализ не только целостности сигнала, но и тепловой расчет компонентов и паяных соединений. Увеличение сложности изделий В связи с постоянным ростом сложности изделий, практически в любой отрасли промышленности необходимо применение многодисциплинарных расчетов для решения все более сложных задач. В частности, трудности при проектировании изделий возникают вследствие современных тенденций, таких как увеличение удельной мощности электронных устройств, уменьшение размеров продуктов, популярность «интеллектуальных устройств», растущее использо-

вание новых материалов и ужесточение требований к экологичности изделий. Более плотное расположение электронных компонентов требует соответствующего охлаждения с помощью вентиляторов и радиаторов, которые должны тщательно проектироваться. Производители микросхем должны учитывать влияние тепла на печатные платы и паяные соединения, в частности, тепловые деформации, вызванные температурными колебаниями. Это позволяет создавать надежные продукты, выдерживающие рабочие и экстремальные нагрузки. Медицинское оборудование, предназначенное для работы в наномасштабах, должно безупречно функционировать. При моделировании работы конкретного устройства или выполнения определенной процедуры должны одновременно учитываться индивидуальные физиологические особенности пациента, сокращение кровеносных сосудов, распределение тока крови и характеристики внутренних органов. Новые композиционные материалы состоят из слоев волокон, некоторые из которых имеют уникальные термоэлектрические свойства. Корпус ANSYS ADVANTAGE

7

ПЕРЕДОВОЙ ОПЫТ

При оптимизации характеристик изделия, использование однодисциплинарного подхода зачастую не позволяет получить требуемый результат. автомобиля или самолета, состоящий из таких материалов, должен быть оптимизирован не только с точки зрения термо-электрических характеристик, но и аэродинамики, вибраций и усталостной долговечности. Из-за указанных выше тенденций расчетным группам все труднее найти ответы на следующие важные вопросы: • Какие существуют потенциальные причины выхода изделия из строя?

• Как достичь оптимального баланса среди множества требований к изделию?

• Могут ли выбранные материалы выдерживать рабочие нагрузки?

• Является ли охлаждение достаточным, с учетом теплообмена между компонентами?

• Можно ли наладить эффективное производство данного изделия в кратчайшие сроки при минимальном использовании материалов, энергии и сокращении выбросов? Постоянно растущая сложность изделий затрудняет поиск ответов на эти вопросы. В тоже время, сейчас как никогда важно производить надежные и качественные изделия. Многодисциплинарный анализ стал проще и доступнее Многодисциплинарный расчет, который раньше был доступен лишь немногим экспертам, сегодня стал стандартным инструментом разработки изделий во многих отраслях промышленности. Многодисциплинарное моделирование позволяет оценить характеристики изделия в широком диапазоне условий эксплуатации с учетом различных физических явлений. Использование данного подхода дает возможность расчетным группам устранять многие причины отказа изделий. Ранее многодисциплинарный анализ подразумевал проведение ряда несвязанных однодисциплинарных расчетов, в которых отдельно рассматрива8

Сотрудники Института исследований плазмы (IPR), входящего в Департамент атомной

энергетики Индии, используют многодисциплинарные расчеты для исследования термоядерного синтеза при магнитном удержании плазмы. Для термоядерного синтеза необходимо преодолеть энергетический барьер электростатических сил. Детали термоядерных установок характеризуются высокой сложностью и проектируются для работы в условиях очень больших нагрузок. Для решения данной задачи специалисты IPR проводят связанный тепло-электро-прочностной расчет.

лись гидродинамические, прочностные, тепловые и электрические явления. Сегодня расчетные группы все чаще приходят к выводу о необходимости выполнения связанных расчетов, учитывающих взаимодействие различных физических сил. В связи с этим компания ANSYS разработала гибкий и удобный набор инструментов, беспрецедентно упрощающий проведение многодисциплинарных расчетов. Часто инженеры для выполнения многодисциплинарного анализа используют данные предыдущих расчетов или экспериментов в качестве начальных или граничных условий. Данные, которые передаются как граничные условия один или несколько раз в процессе расчета, лежат в основе одностороннего многодисциплинарного расчета. Благодаря ANSYS такая передача начальных или граничных условий характеризуется высокой

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

точностью, что обеспечивает получение достоверных результатов для каждого последующего расчета. Иногда физические явления настолько связаны, что выполнение последовательных расчетов не позволяет адекватно моделировать процессы. В качестве примеров можно назвать проектирование клапанов, моделирование деформируемых тел, подверженных действию аэродинамических сил, а также расчет сопряженного теплообмена. В таких задачах при одновременном расчете происходит обмен данными с заданным интервалом (двусторонний связанный расчет). Такой подход необходим для решения многодисциплинарных задач, в которых физические силы тесно связаны. Программный комплекс ANSYS предлагает широкий набор удобных инструментов для проведения многодисциплинарного анализа. Расчетные

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗ POLYFLOW

ТОЛЩИНЫ ИЗ POLYFLOW, ИМПОРТИРОВАННЫЕ В MECHANICAL

Многодисциплинарные расчеты помогают инженерам решать сложные задачи, например,

задачу проектирования пластиковых контейнеров – прочных, легких и одновременно отвечающих требованиям клиентов. Модуль ANSYS Polyflow позволяет проводить расчет процесса выдувного формования на основе заданной геометрии, свойств материала и технологических условий процесса. Механизм подачи жидкости моделируется с помощью модуля ANSYS Fluent и технологии FSI. При таком подходе одновременно используется ANSYS Mechanical для моделирования деформации стенок бутылки. Любые изменения толщины стенок в процессе выдувного формования можно передавать из ANSYS Polyflow в ANSYS Mechanical для последующего прочностного расчета.

Возможность проводить многодисциплинарные расчеты и параметрическую оптимизацию позволяет инженерам быстрее оценить характеристики изделия, получить оптимальный проект и выпустить готовый продукт группы могут решать свои задачи в односторонней либо двусторонней связанной постановке. При этом, ANSYS позволяет выполнять оптимизацию проекта, необходимую для обеспечения высокого качества продукции. теХнологии МногодисциплинарныХ расЧетоВ Компания ANSYS является лидером в области численного моделирования. С целью обеспечения высокой точности расчетов, ANSYS постоянно совершенствует возможности моделирования в отдельных областях физики, включая гидродинамику, прочность, термодинамику и электронику. Для анализа сложного взаимодействия различных www.ansysadvantage.ru

физических сил, расчетный комплекс должен обеспечивать получение точных результатов в каждой отдельной области физики. Улучшения в ANSYS Workbench облегчают выполнение многодисциплинарного анализа в единой расчетной среде. Технология «Drag-and-drop» позволяет быстро запускать различные виды расчетов в односторонней и двусторонней связанной постановке. Благодаря гибким открытым автоматизированным и точным средствам обмена данными, платформа ANSYS Workbench позволяет использовать в расчетах различные виды данных: экспериментальные, полученные с помощью другого программного обеспечения или из другого расчета. Кроме

Находящиеся в космосе антенны

спутниковой связи работают в чрезвычайно сложных условиях. Электромагнитные потери, вызванные индуцированными высокочастотными поверхностными токами, приводят к частичному ассиметричному нагреву конструкции, что, в свою очередь, вызывает напряжения и деформации. Исследователи используют ANSYS HFSS и ANSYS Mechanical для всестороннего анализа всех указанных явлений. Деформированная конструкция передается в HFSS для того, чтобы определить, как деформации влияют на диаграмму направленности антенны.

того, обмен данными можно осуществлять с помощью набора инструментов ANSYS Application Customization Toolkit (ACT), который включает в себя Software Development Kit (SDK) для Workbench. Данные инструменты позволяют выполнять адаптацию для упрощения определенных процессов моделирования, включая обмен данными с другим программным обеспечением. Независимо от того, происходит ли обмен данными между приложениями ANSYS либо со сторонним ПО, используемые методы обеспечивают точность и высокую скорость. Для эффективного расчета многодисциплинарных задач большой размерности, в решателях ANSYS Workbench могут использоваться высокопроизводительные технологии (HPC). Программный комплекс ANSYS может с легкостью работать со сложными промышленными геометрическими моделями, расчетными сетками большой размерности, а также с большими объемами данных, возникающих в результате многодисциплинарного моделирования.

ANSYS ADVANTAGE

9

ТЕХНОЛОГИИ

 Специалисты испанской компании ITMA Materials Technology, занимающейся прикладными  Для обеспечения длительного срока

эксплуатации печатной платы необходимо выполнять оптимизацию ее электрических, тепловых и прочностных характеристик. Это требует проведения многодисциплинарных расчетов, позволяющих учитывать взаимодействие различных физических сил. Тепловые расчеты в ANSYS SIwave и ANSYS Icepak позволяют оптимизировать рассеиваемую мощность и избежать перегрузок по току. С помощью ANSYS Workbench поля температур передаются в ANSYS Mechanical для анализа температурных напряжений, усталостной долговечности и деформаций. В ANSYS Mechanical можно оценить влияние расположения компонентов и прижимных нагрузок, что позволяет минимизировать вероятность выхода изделия из строя вследствие перегрева.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ В добавление к фундаментальным расчетным возможностям, в ANSYS существует ряд дополнительных технологий, которые помогают инженерным группам проводить оптимизацию, упрощать работу с данными и облегчать решение сложных задач.

ANSYS DesignXplorer позволяет инженерам исследовать и оптимизировать изделия и проекты, используя параметрический анализ. Благодаря этому можно быстрее получить оптимальное решение, а также всестороннее исследовать взаимодействие различных физических явлений в многодисциплинарных расчетах.

ANSYS Engineering Knowledge Manager (EKM) облегчает специалистам работу с большим объемом информации, возникающим в процессе многодисциплинарных расчетов. ANSYS EKM занимается управлением расчетными данными, включая архивирование, поиском и аудитом данных, автоматизацией процессов, защитой 10

исследованиям и разработками в области материаловедения, используют многодисциплинарные расчеты для обеспечения длительной эксплуатации изделий. Инженеры ITMA применяют ANSYS CFD и ANSYS Mechanical для выполнения расчета усталостной долговечности резервуаров. В данном случае необходимо было обеспечить целостность конструкции резервуара, работающего при больших перепадах температур. Используя инструменты для многодисциплинарных расчетов ANSYS Workbench, исследователи ITMA с помощью ANSYS CFX провели нестационарные расчеты режимов начала и завершения работы изделия, а затем передали поля температур в ANSYS Mechanical для выполнения прочностных расчетов.

интеллектуальной собственности, а также этот модуль упрощает взаимодействие инженеров и обмен опытом между специалистами. Кроме того, технологии ANSYS для моделирования уменьшенной размерности (ROM) позволяют преобразовать массив сложных многодисциплинарных расчетов в нульмерые или одномерные модели, описывающие динамику многодисциплинарных расчетов на системном уровне. Это позволяет избежать проведения длительного расчета для каждой рабочей точки. Независимо от того, требуется ли проведение высокоточных трехмерных расчетов или получение быстрых результатов с помощью моделей уменьшенной размерности, программный комплекс ANSYS характеризуется беспрецедентной масштабируемостью. ШИРОКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОДИСЦИПЛИНАРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Если проведение многодисциплинарных расчетов все еще представляет сложность для Вашей расчетной группы, этот номер журнала ANSYS Advantage призван помочь Вам. На страницах журнала Вы узнаете из первых уст, как специалисты из различных отраслей промышленности применяют программный комплекс ANSYS для улучшения характеристик изделий

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

с помощью многодисциплинарного моделирования. Более 30% пользователей ANSYS уже выполняют многодисциплинарные расчеты с целью оптимизации своих изделий. Без сомнения, этот показатель будет расти в течение ближайших лет, поскольку все больше и больше инженеров осознают преимущества и простоту выполнения подобных расчетов. Когда численное моделирование впервые появилось, многие расчетные группы не спешили его внедрять в процесс проектирования. Однако сегодня использование численного моделирования стало стандартом инженерной деятельности во всех отраслях промышленности. Многодисциплинарные расчеты являются будущим проектирования изделий и скоро также станут промышленным стандартом, поскольку инженерные группы вынуждены работать с постоянно усложняющимися проектами, повышать точность получаемых результатов и сокращать время и затраты на проектирование и изготовление изделий. Мы надеемся, что этот номер журнала ANSYS Advantage вдохновит Вас на более активное использование многодисциплинарного моделирования в Вашей организации, чтобы Вы могли в полной мере воспользоваться всеми преимуществами этих новых технологий.

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

РОБАСТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С ПОМОЩЬЮ МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫХ РАСЧЕТОВ Электромагнитный, прочностной и тепловой расчеты, а также оптимизация позволяют повысить энергоэффективность, уменьшить уровень шума и увеличить ресурс подшипников электромоторов.

Авторы: Cassiano A. Cezario, Briam C. Bork, Marcelo Verardi, отдел исследований и инноваций; José R. Santos, отдел разработки новых изделий, «WEG Equipamentos Elétricos S.A. — Motores», Жарагуа-ду-Сул, Бразилия. www.ansysadvantage.ru

ANSYS ADVANTAGE

11

Многодисциплинарный анализ

В

соответствии с исследованиями Международного энергетического агентства, на электрические моторы приходится около двух третьих промышленного потребления электроэнергии и около 45% общего потребления. Согласно «Прогнозу мировой энергетики 2012 года», развитые страны планируют увеличивать энергоэффективность на 1.8% ежегодно в течение ближайших 25 лет. Значительная часть данного увеличения энергоэффективности должна приходиться на усовершенствование конструкции электромоторов. Компании, занимающиеся разработкой этих устройств, должны обеспечивать низкий уровень шума и длительный срок эксплуатации моторов. На протяжении последних 200 лет инженеры работали над выполнением

этих требований, улучшая и оптимизируя конструкцию электрических моторов. В настоящее время возникла необходимость в новых методах и инструментах для дальнейшего усовершенствования. Компания WEG является одним из крупнейших производителей промышленных электромоторов в мире и ежегодно производит более 10 миллионов изделий. Инженеры компании используют программный комплекс ANSYS для выполнения электромагнитных, прочностных и тепловых расчетов при разработке электромоторов. Оптимизация изделия позволила получить оптимальное соотношение энергоэффективности, уровня шума и ресурса подшипника в новой линейке электромоторов W50. Широкие

Робастное проектирование электромашин в компании WEG ЗАДАЧИ

ТЕХНОЛОГИИ

ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЛИ ЦЕЛИ

Оценка большого количества различных вариантов каналов воздушного охлаждения

Гидродинамический и электромагнитный расчеты

Уменьшение потерь вентилятора и улучшение энергоэффективности

СОКРАЩЕНИЕ ОБЩЕГО УРОВНЯ ШУМА МОТОРА

Электромагнитный, прочностной и тепловой расчеты

Снижение рабочего шума

Снижение рабочей температуры подшипника

Гидродинамический и тепловой расчеты

Увеличение ресурса подшипника

Автоматизация процесса оптимизации

Использование ANSYS DesignXplorer и ANSYS Workbench

Оптимизация проекта мотора без необходимости оценивать каждый проект вручную

• анализ аэродинамического Шума • Анализ электромагнитного шума

Оптимизация изделия позволила получить оптимальное соотношение энергоэффективности, уровня шума и ресурса подшипника в новой линейке электромоторов.

12

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

Поверхность отклика отражает эффективность вентилятора как функцию нескольких переменных.

С 2005 года специалисты компании WEG увеличили количество CFD расчетов с 4 до 800 в месяц. возможности ПО ANSYS использовались при проектировании и оптимизации конструкции электромоторов, и при этом не было необходимости отдельно оценивать каждый вариант проекта. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ Большие электромоторы мощностью 125-1750 лошадиных сил обычно имеют два вентилятора: один для охлаждения внутреннего пространства, а второй – для охлаждения внешней поверхности. Эти два вентилятора потребляют значительное количество электроэнергии, в связи с этим, инженеры WEG предположили, что перспективным подходом к общему увеличению энергоэффективности является улучшение характеристик вентиляторов. Большое внимание уделялось внутреннему вентилятору, в частности, сокращению потерь при прохождении воздуха через мотор. Поток воздуха, создаваемый вентилятором, проходит через отверстия в корпусе. Потери можно сократить, увеличив эти отверстия, но такой подход уменьшает электромагнитную эффективность мотора.

Специалисты WEG использовали ANSYS CFD для моделирования потока воздуха во внутреннем пространстве мотора. В качестве ключевых переменных параметров, были выбраны размеры отверстий в корпусе, через которые проходит воздух. Поскольку большинство таких параметров влияет на электромагнитную эффективность мотора, инженеры создали электромагнитную модель мотора в ANSYS Maxwell, используя те же переменные. Они создали таблицу возможных значений для каждого параметра.

ANSYS DesignXplorer использовался для планирования экспериментов (DOE), что позволило эффективно разделить пространство проектных решений, чтобы исследовать его с относительно малым количеством численных экспериментов и автоматически проводить многодисциплинарные расчеты. Универсальные средства моделирования среды ANSYS Workbench и оптимизация проекта с помощью ANSYS DesignXplorer позволили инженерам компании WEG увеличить количество расчетов в месяц от 4 в 2005 году до 800 в настоящее время. Этому также способствовало

Сравнение результатов расчета в ANSYS CFX для исходного и оптимизированного проектов.

www.ansysadvantage.ru

использование высокопроизводительных вычислений (HPC). Компания WEG использует лицензии HPC Pack для гидродинамических и электромагнитных расчетов, при этом используется 64 ядра, распределенных на 8 рабочих станциях. Полученные результаты для каждой расчетной точки сохранялись в таблице и визуализировались с использованием поверхности отклика, которая полностью отражала пространство проектных решений. Поверхность отклика использовалась для графического отображения влияния различных переменных на потери, связанные с работой вентилятора. В данном случае расчеты не были связанными из-за ограниченных вычислительных ресурсов. Однако в будущем специалисты WEG планируют использовать многодисциплинарные расчеты для более точного определения оптимальных значений переменных. Инженеры WEG вручную сравнили поверхности отклика, графики и таблицы для гидродинамического и электромагнитного расчетов, чтобы определить комбинацию переменных, которые обеспечивают наибольшую эффективность изделия. Затем проводились повторные гидродинамические и электромагнитные расчеты для оптимальных комбинаций. После этого была выбрана одна комбинация, обеспечивающая наибольшую эффективность мотора — существенное снижение потерь и увеличение эффективности без ущерба для электромагнитных характеристик изделия. УМЕНЬШЕНИЕ ШУМА Кроме того, специалисты компании WEG занимались уменьшением уровня шума, возникающего в новых моторах линейки W50. В основном, в электромоторе возникает шум, связанный с аэродинамическими и электромагнитными явлениями. Аэродинамический шум вызван работой вентилятора и передается через воздух. ANSYS CFD использовался для оптимизации ANSYS ADVANTAGE

13

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

геометрии ротора вентилятора с целью минимизации аэродинамического шума. Электромагнитный шум возникает вследствие взаимодействия магнитных полей, создаваемых статором и ротором. В предельных случаях, в которых частота возникающей силы возбуждает собственные частоты конструкции, шум существенно усиливается.

ANSYS CFD использовался для оптимизации внутренней системы вентиляции. Инженеры спроектировали новую систему вентиляции с целью уменьшения длины мотора, благодаря чему также улучшились динамические характеристики изделия. Однако исходный проект не устраивал инженеров, в связи с этим, они использовали ANSYS DesignXplorer для оптимизации геометрии внутреннего вентилятора и получения нового проекта, удовлетворяющего их требованиям. Новый вентилятор характеризуется низкими вибрациями, большей удельной мощностью мотора и большей максимальной скоростью вращения. Для оценки и устранения электромагнитного шума мотора инженеры компании WEG выполняли электромагнитный расчет, который позволил получить значения электромагнитных сил и потерь. Эти величины использовались как входные параметры для прочностного и теплового расчетов, целью которых было определение уровня механических вибраций. УВЕЛИЧЕНИЕ РЕСУРСА ПОДШИПНИКА ЭЛЕКТРОМОТОРА Подшипники обычно первыми выходят из строя в процессе эксплуатации электрических моторов, при этом, их срок службы напрямую зависит от рабочей температуры. Чем холоднее подшипник, тем больше его срок службы и длиннее интервал между заменой смазки. Следовательно, более низкая температура подшипников приводит к меньшим затратам на техническое обслуживание мотора. Команда инженеров выполнила CFD расчет воздушного потока вокруг подшипника и изменила форму и размеры некоторых компонентов для уменьшения его рабочей температуры. На основе проведенных многодисциплинарных расчетов, инженеры 14

 Применение ANSYS Maxwell позволило достичь баланса между потерями и электромагнитной эффективностью.

 Эффективность вентилятора как функция двух переменных.

Проведение многодисциплинарных расчетов в программном комплексе ANSYS позволило инженерам WEG создать лучший в своем классе электрический мотор, существенно сократив сроки и стоимость разработки изделия.

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

 CFD расчет течения воздуха вокруг подшипника использовался для уменьшения рабочей температуры подшипника.

Расчет в ANSYS Mechanical позволил определить вибрации конструкции и уменьшить уровень шума.

компании WEG усовершенствовали проект мотора W50. Затем был создан прототип и проведены физические испытания, которые показали полное соответствие с результатами моделирования. В результате, потребовались лишь незначительные изменения на этапе создания прототипа изделия. Обычно требуется значительно большее количество существенных проектных изменений. Таким образом, использование численного моделирования позволяет получать оптимальное изделие с первого прототипа и значительно экономит средства. Новый мотор W50 характеризуется существенным увеличением производительности по сравнению с электрическими моторами того же класса. Энергоэффективность изделия зависит от области применения, но в целом значительно превосходит лучшие современные модели. Новые моторы характеризуются чрезвычайно низким уровнем шума – 82 дБ (A) при 3600 об/мин (60 Гц) и 78 дБ (A) при 3000 об/мин (50 Гц). В моторах W50 ресурс подшипника увеличился до 100 тыс. часов по сравнению с 40 тыс. часов в предыдущей модели. При этом минимум 90% всех производимых изделий достигали номинальной долговечности L10 h (в рабочих часах). Проведение многодисциплинарных расчеwww.ansysadvantage.ru

A

 В итоговом проекте потребовались лишь

незначительные изменения, что позволило сократить время выхода изделия на рынок. Виртуальный прототип (A) c выводом низкого напряжения; готовое изделие (B) с выводом высокого напряжения.

тов в программном комплексе ANSYS позволило инженерам WEG создать лучший в своем классе электрический мотор, существенно сократив сроки и стоимость разработки изделия.

B

Техническая поддержка и лицензирование WEG осуществляется компанией ESSS.

ANSYS ADVANTAGE

15

Многодисциплинарный анализ

Использование облачных технологий при многодисциплинарных расчетах Облачные вычисления позволили специалистам Rolls-Royce сократить время расчета на 80% при решении многодисциплинарных задач. Авторы: Marius Swoboda, начальник отдела системного инжиниринга, и Hubert Dengg, специалист по тепловым расчетам, Rolls-Royce Germany, Далевиц, Германия.

В Эта фотография размещена с разрешения компании Rolls-Royce pls.

компании Rolls-Royce используются собственные специализированные программы для определения рабочей температуры дисков турбин реактивных двигателей. Тепловые граничные условия для таких расчетов обычно определяются с помощью датчиков теплового потока, установленных в двигателе. Такой подход не позволяет проводить тепловые расчеты до создания первого прототипа. Внесение проектных изменений на этапе прототипирования является дорогостоящим, а возможности оптимизации тепловых характеристик довольно ограниченны. Специалисты Rolls-Royce активно внедряют новый подход к высокопроизводительным вычислениям с использованием облачных технологий. При этом для выполнения связанных расчетов используются собственный решатель прочностных задач и программный комплекс ANSYS Fluent. Это позволяет определить тепловые потоки на различных поверхностях компонентов до создания физического прототипа. Выполнение таких связанных расчетов требует очень больших вычислительных ресурсов, поскольку задача решается в нестационарной постановке. Это означает, что задачи гидродинамики и прочности должны сходиться на каждом шаге по времени в процессе решения. Специалисты Rolls-Royce смогли сократить время расчета на 80% благодаря использованию высокопроизводительных облачных вычислений.

Специалисты Rolls-Royce смогли сократить время расчета на 80%.

16

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВХОДЕ В ТУРБИНУ Стремясь повысить эффективность работы двигателя, производители вынуждены постоянно повышать температуру на входе в турбину. Во избежание перегрева ответственных узлов, инженеры должны постоянно вносить изменения в конструкцию систем охлаждения и уплотнений. Специалисты Rolls-Royce определяют рабочие температуры этих компонентов, проводя тепловые расчеты в собственной специализированной программе. Нестационарный тепловой поток на некоторых стенках исследуемых компонентов является одной из входных величин теплового расчета. Инженеры планировали значительно улучшить процесс проектирования благодаря использованию CFD комплексов при определении

Поля теплового потока, используемые в качестве граничного условия для прочностного расчета.

www.ansysadvantage.ru

ВЫПОЛНЕНИЕ РАСЧЕТОВ С ПОМОЩЬЮ ОБЛАЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В качестве поставщика услуг удаленных высокопроизводительных вычислений по запросу, компания Rolls-Royce выбрала «CPU 24/7 GmbH&Co. KG». Расчеты выполнялись на высокопроизводительном кластере, оснащенном Intel Xeon E5-2690 и FDR Infiniband. Расчеты проводились в циклах, в которых прочностной и гидродинамический решатели поочередно выполняли расчеты и обменивались данными по завершению цикла. CFD решатель передавал в прочностной код температуры и тепловые потоки на стенках. Прочностной код передавал температуру на входах и стенках в качестве граничных условий для CFD решателя. На каждом шаге оба решателя выполняли множество итераций и обменивались данными до тех пор, пока рассчитываемые температуры на стенках не совпадали. Моделирование проводилось для промежутка времени 6000 секунд, включая пуск, работу двигателя на малой и полной мощности. Как и ожидалось, в основном, вычислительные ресурсы расходовались на гидродинамический расчет: CFD анализ выполнялся на 32 ядрах, а прочностной расчет проводился лишь на одном ядре. Обладая обширным опытом в области высокопроизводительных вычислений, специалисты «CPU 24/7» оказали помощь в настройке кластера для работы с приложениями,

© Реактивный двигатель Rolls-Royce

тепловых потоков и выполнению связанных расчетов. Необходимо было добиться корректного обмена данными в итерационном процессе, чтобы инженеры были уверены в правильности значений температур и тепловых потоков на границе металл – жидкость. В процессе расчета постоянное обновление тепловых потоков позволяет корректно отображать диапазон температур, в которых работают компоненты при пуске и номинальном режиме работы. Расчет задач сопряженного теплообмена требует значительных вычислительных ресурсов, особенно при моделировании трехмерных CFD моделей размерностью более 10 млн. ячеек. Наряду с активным использованием внутренних HPC ресурсов компании, специалисты Rolls-Royce решили воспользоваться облачными высокопроизводительными ресурсами для решения данной задачи. При этом было необходимо преодолеть некоторые трудности. Например, для проведения высокопроизводительных вычислений, было необходимо обновить модуль обмена данными между прочностным и CFD решателями. Кроме того, при проведении связанных расчетов возникла необходимость настройки работы ANSYS Fluent на нескольких компьютерах. Расчет во Fluent осуществлялся в распределенном режиме, в то время как прочностной решатель работал только на одном компьютере.

Поля температуры, полученные в CFD расчете.

Кольцевая полость (давление на выходе) Ротор ТВД 1

Вход в сопло (массовый расход) Направляющие лопатки сопла Ротор ТВД Выход из сопла (давление на выходе) Полость за уплотнением (давление на выходе)

CFD модель ступени высокого давления.

использующими MPI (message passing interface), создании хост-файла и работе с лицензиями FlexNet. На протяжении всей работы, сотрудники «CPU 24/7» оказывали высококачественную техническую поддержку. Потребовался всего один месяц с момента принятия решения об использовании облачных технологий до завершения первого расчета на ANSYS ADVANTAGE

17

Многодисциплинарный анализ

Загруженность кластера в процессе расчета.

удаленном кластере. Такой быстрый результат стал возможен благодаря тесному сотрудничеству компаний ANSYS и «CPU 24/7». Результаты связанного гидродинамического и прочностного расчета были подтверждены физическими испытаниями. Благодаря близкой к линейной масштабируемости решателя ANSYS

Fluent, проведение связанного расчета на удаленном высокопроизводительном кластере заняло в пять раз меньше времени по сравнению с расчетом на рабочей станции. Использование внешних вычислительных ресурсов позволило оптимизировать работу собственных высокопроизводительные ресурсов компании. Например, доступность облачных вычислительных технологий позволяет рассчитывать задачи большей размерности, что, в свою очередь, дает возможность более подробно исследовать характеристики изделия. На сегодняшний день не существует физического способа определения характеристик систем охлаждения и уплотнения до изготовления и испытания прототипа. Изготовление прототипа требует так много времени и ресурсов, что внесение любых изменений в проект является чрезвычайно дорогостоящим. Кроме того, метод

физического прототипирования позволяет рассмотреть лишь несколько вариантов проекта. Единственным решением данной проблемы является использование численного моделирования. Существенным преимуществом проведения связанного гидродинамического и прочностного расчета с использованием выскопроизводительных технологий является возможность оптимизации всей системы охлаждения и уплотнений на ранних этапах проектирования. Такой подход позволяет рассмотреть всю область возможных проектных решений, а инженеры могут затем выбрать наиболее оптимальный проект для создания физического прототипа. Компания Rolls-Royce активно внедряет высокопроизводительные облачные технологии, которые позволяют достичь существенных улучшений характеристик реактивных двигателей.

Проведение связанного расчета на удаленном высокопроизводительном кластере заняло в пять раз меньше времени по сравнению с расчетом на рабочей станции.

ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ К НАМ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ ansys.com/social@ansys www.cadfem-cis.ru/social

18

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

МНОгОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

Численное моделирование деталей силовых трансформаторов Для получения оптимальных характеристик и минимизации затрат при проектировании силовых трансформаторов и комплектного оборудования, компания Hyundai Heavy Industries Co. Bulgaria проводит многодисциплинарные расчеты в программном комплексе ANSYS. Авторы: Petar Bozhkov и Yordan Botev, инженеры, электромеханический расчетный отдел, Hyundai Heavy Industries Co. Bulgaria, София, Болгария.

П

роектирование силовых трансформаторов и комплектного оборудования осложняется множеством противоречащих друг другу требований, обусловленных различными областями физики и спецификой проектирования. Тепло, создаваемое протекающим током, приводит к повышению температур, что негативно сказывается на работе контактов устройств регулирования под нагрузкой (РПН). Еще одной проблемой является уменьшение потерь, порождаемых вихревыми токами в прижимных пластинах, подкладках и других компонентах, что может приводить к чрезмерным перегревам и механическим нагрузкам на детали конструкции. Также необходимо учитывать возможность возникновения короткого замыкания в трансформаторе, которое вызывает электромагнитные силы, приводящие к чрезмерной нагрузке на проводники обмоток.

Устройство РПН – это механизм выбора точки соединения в обмотке силового трансформатора, который позволяет выбирать различное количество витков ступенчатым образом. Изменяя коэффициент трансформации, можно контролировать напряжение на выходе трансформатора. Компания Hyundai Heavy Industries Co. Bulgaria выпускает устройства РПН для различных трансформаторов, включая Hyundai и других производителей. Компания производит масляные трансформаторы и устройства РПН для электроподстанций, тепловых и гидроэлектростанций, а также промышленных предприятий во всем мире. Все изделия Hyundai обязательно проходят проверку в независимых лабораториях. Благодаря компактному дизайну и надежным техническим параметрам уменьшается вес и стоимость трансформаторов.

Hyundai является мировым лидером по

Параметризация в ANSYS Workbench позволяет быстро осуществлять многодисциплинарную оптимизацию изделия в единой расчетной среде. www.ansysadvantage.ru

Эквивалентные напряжения главного вала переключателя напряжений.

производству РПН – на сегодняшний день произведено более 50000 единиц. МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В прошлом специалисты Hyundai использовали узкоспециализированные расчетные программы для проектирования трансформаторов и РПН. Инженеры применяли программные средства для моделирования электрических, тепловых и прочностных характеристик оборудования. Однако каждый тип расчета проводился отдельно, без учета связанных физических явлений. Например, при моделировании электромагнитных характеристик не учитывались тепловые и прочностные аспекты. При таком подходе невозможно было ANSYS ADVANTAGE

19

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

Радиаторы

Выводы Выводы высокого напряжения среднего напряжения Выводы низкого напряжения

Hyundai сократил затраты на проектирование на 3-5%, и ожидается, что, благодаря

Конденсатор

использованию Устройство регулирования под нагрузкой (РПН)

многодисциплинарных расчетов, общие затраты

Приводной двигатель устройства РПН

сократятся на 10-15% в ближайшие годы.

 Cиловой трансформатор с тремя обмотками.

определить тепловые напряжения, вызываемые вихревыми токами. Отсутствие единой расчетной среды при проведении моделирования в различных областях физики существенно ограничивало количество проводимых исследований. Это вызывало трудности при оптимизации характеристик первого прототипа изделия и требовало внесения дорогостоящих изменений на этапе испытаний. МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЕ РАСЧЕТЫ Инженеры компании Hyundai выбрали программный комплекс ANSYS благодаря его широким возможностям проведения многодисциплинарных расчетов, управления данными и работы с моделями пониженного порядка в единой расчетной среде. Среда ANSYS Workbench позволяет расчетным группам эффективно проводить совместный многодисциплинарный анализ. Благодаря возможности проведения связанных электромагнитных, тепловых и прочностных расчетов, специалисты могут быстро оценивать различные варианты изделия и получать оптимальный проект до создания первого прототипа. Оптимизация контактной системы РПН является одной из важнейших задач, для решения которой инженеры используют многодисциплинарный анализ. Контакты работают при повышенных температурах из-за протекания большого тока. Для расчета 20

тока, протекающего через РПН, и определения потерь в контактах используется модуль ANSYS Maxwell. Инженеры вводят свойства материалов для компонентов РПН и затем задают возбуждения и граничные условия. Полученные потери используются для стационарного теплового расчета, позволяющего получить поле температур контактной системы. Инженеры должны убедиться в том, что температуры не превышают пределы, указанные в стандарте EC 60214. Для получения поля температур некоторых компонентов РПН используется ANSYS Maxwell и ANSYS Mechanical в нестационарной постановке. Далее результаты используются в ANSYS Mechanical для стационарного расчета напряжений и деформаций, возникающих вследствие температурных расширений. Все операции выполняются в среде ANSYS Workbench, и, таким образом, не возникает проблем с передачей данных. Инженеры также проводят многодисциплинарные расчеты прижимных пластин и подкладок в активных частях силовых трансформаторов. Они задают величину тока, протекающего в витках, и с помощью ANSYS Maxwell рассчитывают потери на вихревые токи в пластинах и металлических конструкциях трансформатора. Эти потери используются как нагрузки в нестационарном тепловом расчете в ANSYS Mechanical для определения распределения температур в пластинах и металлических конструкциях. Кроме того, инженеры

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

 Плотность тока в токопроводящих

шинах, гибких соединениях и проводниках трансформатора.

рассчитывают токопроводящие шины силовых трансформаторов – при этом используется ANSYS Maxwell для расчета потерь на вихревые токи в шинах, а ANSYS Mechanical применяют для нестационарного теплового расчета. Полученные поля температур используются в качестве исходных данных для стационарного прочностного расчета (определения напряжений и деформаций от тепловых расширений, вызванных электромагнитными силами). Для каждого нового проекта трансформатора необходимо убедиться, что тангенциальные силы, возникающие в винтовой обмотке при коротком замыкании, не вызовут конструктивных повреждений. Инженеры компании Hyundai используют ANSYS Maxwell

 Поле напряжений между двумя контактами переключателя обмоток.

 Распределение напряжений в системе изоляции силового трансформатора.

3D для расчета электромагнитных тангенциальных сил на основании распределения магнитных полей рассеяния. Полученные силы используются для статического прочностного расчета (определения механических напряжений компонентов и окружного перемещения проводников). Поскольку клиенты компании Hyundai Heavy Industries Co. Bulgaria находятся в различных сейсмических зонах, специалисты компании проводят статический, модальный и спектральный расчеты. Это позволяет убедиться в том, что трансформаторы способны выдерживать условия землетрясений. РПН состоят из множества сложных механизмов, включающих валы, подшипники, шестеренки, шарниры, пружины и контактные системы. Надежное функционирование РПН является основой бесперебойной работы всего трансформатора. Сбой в работе РПН может привести к повреждению или даже полному выходу из строя трансформатора. Специалисты Hyundai используют ANSYS Mechanical для выполнения смешанного жесткого/деформируемого нестационарного расчета механизма переключателя. На основании этого расчета, можно получить такие характеристики, как скорость, ускорение, деформация и напряженно-деформированное состояние деталей. Полученные нагрузки на детали часто используются при расчете на усталостную долговечность и оценке ресурса изделия. При моделировании инженеры оценивают различные варианты проекта путем изменения таких параметров, как расстояние между витками, толщина

изоляции и типы материалов обмотки. Данные действия выполняются с целью минимизации использования материалов и уменьшения размеров компонентов при сохранении необходимых коэффициентов запаса. Эффективность трансформатора увеличивается при уменьшении количества материала в областях с высокими токовихревыми потерями. В некоторых случаях потери уменьшаются при использовании магнитных шунтов для защиты металлических частей от паразитных полей. Параметризация в ANSYS Workbench позволяет быстро осуществлять многодисциплинарную оптимизацию изделия в единой расчетной среде.

А)

Б)

СОКРАЩЕНИЕ ЗАТРАТ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ В связи с быстрорастущим потреблением электроэнергии, эффективность силовых трансформаторов и переключателей обмоток должна постоянно повышаться. Специалисты Hyundai Heavy Industries используют многодисциплинарный расчетный комплекс ANSYS для проведения трехмерного численного моделирования новых изделий. Благодаря использованию моделирования, сокращается количество прототипов, необходимых для изготовления высококачественных продуктов, уменьшаются время и стоимость изготовления изделий. По оценкам компании Hyundai, затраты на проектирование уже сократились 3-5%, и ожидается, что, благодаря использованию многодисциплинарных расчетов, общие затраты сократятся на 10-15% в ближайшие годы.

 Поле температур подкладок силового трансформатора.

 Распределение плотности потока в

баке, возникающей из-за прохождения большого тока в стороне низкого напряжения электропечного трансформатора.

 Компания проводит расчет силовых трансформаторов на сейсмические воздействия, чтобы

убедиться в надежности работы оборудования в зонах сейсмической активности. Эквивалентные напряжения в горизонтальном направлении: спектральный анализ (А) и модальный анализ (Б).

www.ansysadvantage.ru

ANSYS ADVANTAGE

21

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

Специалисты CERN использовали ANSYS Multiphysics при оптимизации конструкции сверхпроводящего магнита ускорителя. Автор: Charilaos Kokkinos, инженер отдела прочностных расчетов, FEAC Engineering, Янина, Греция.

В

рамках модернизации Большого адронного коллайдера (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (CERN), требуется использование более компактных магнитов. Благодаря меньшим размерам появляется пространство для дополнительного оборудования, однако магниты должны создавать более сильное магнитное поле по сравнению со старыми компонентами. Новые магниты создают осевые силы до 84 тонн на сторону концевой пластины и боковые силы около 3.16 меганьютон-метр на квадрант при номинальном токе 11.85 килоампер, что почти в два раза выше показателей основных диполей БАК. При этом деформация проводника должна быть близкой к нулю во избежание его перехода от сверхпроводящего до резистивного состояния. Даже небольшая деформация может увеличить электрическое сопротивление и повысить тем22

пературу настолько, что проводник потеряет свои сверхпроводящие свойства. Во время работы в CERN автор статьи занимался проектированием конструкции сверхпроводящего магнита ускорителя с магнитной индукцией 11 тесла. Данная задача решалась с использованием электромагнитных, тепловых и прочностных инструментов анализа ANSYS. Многодисциплинарные возможности среды ANSYS Workbench позволили осуществить оптимизацию конструкции с учетом всех физических явлений, что ранее было недостижимо. Автоматическая передача моделей, параметров и данных между различными расчетными модулями среды ANSYS Workbench позволила существенно сократить время расчетов. НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ МАГНИТОВ Большой адронный коллайдер – самый большой и мощный ускоритель частиц

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

в мире. Внутри ускорителя два высокоэнергетических пучка частиц движутся в противоположных направлениях в отдельных каналах со скоростью, близкой к скорости света, а затем они сталкиваются. Эти пучки частиц удерживаются внутри кольца ускорителя магнитным полем, которое создается сверхпроводящими электромагнитами, работающими при температуре 1.9 K (–271.3°C) – ниже, чем в открытом космосе. Для реализации проекта повышения светимости Большого адронного коллайдера необходима установка нескольких новых магнитов. Эти магниты должны быть короче, чтобы осталось место для нового оборудования. Это поможет сузить пучок частиц и защитить кольцо БАК от потери пучка. При этом меньшие по размерам магниты должны создавать более сильное магнитное поле 11 тесла (ранее использовались магниты 8.33 тесла).

© CERN  Двумерное поле плотности магнитного поля,

 Модель трехмерного электромагнитного

 Трехмерное поле плотности

 Силы Лоренца, рассчитанные

полученное в ANSYS Maxwell.

магнитного поля.

Для усиления магнитного поля необходимо провести замену проводника: с Nb-Ti на Nb3Sn. Магниты должны были быть очень жесткими, поскольку даже небольшое отклонение проводника (порядка нанометров) может вызвать его переход в резистивное состояние. Небольшая деформация проводника способна локально увеличить его электрическое сопротивление, что приводит к повышению температуры в этой точке и потере сверхпроводящих свойств. С другой стороны, низкая рабочая температура магнита повышает жесткость конструкции. Оптимальное сочетание заданного предварительного напряжения при комнатной температуре и дополнительного напряжения, возникающего при охлаждении и сжатии конструкции, позволяет катушке работать в пределах допустимых напряжений. В связи с этим, для проведения адекватного www.ansysadvantage.ru

анализа в ANSYS Maxwell.

в ANSYS Maxwell.

 Деформация магнита, полученная в ANSYS Mechanical на основе сил Лоренца, рассчитанных в ANSYS Maxwell.

Инженеры решали задачу проектирования новых магнитов для CERN при помощи электромагнитных, тепловых и прочностных инструментов анализа ANSYS. ANSYS ADVANTAGE

23

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

Новый проект позволил сократить расходы на материалы и уменьшить время изготовления на 5 месяцев, при этом жесткость конструкции оставалась такой же, как у предыдущего поколения магнитов. анализа каждого проекта, необходимо комплексно рассматривать электромагнитные, прочностные и тепловые свойства изделия. Предыдущие поколения магнитов проектировались с помощью узкоспециализированных программных комплексов. Такой подход требовал, чтобы пользователи владели различными инструментами проектирования, вручную вводили, импортировали или передавали исходные данные и результаты для работы в каждом модуле. Такой процесс моделирования занимал настолько много времени, что удавалось рассмотреть очень малое количество вариантов проекта, и, как следствие, было невозможно оптимизировать проект с учетом явлений из различных областей физики.

интерфейса CADNEXUS/CAPRI CAE Gateway for CATIA V5. Модель была изменена и упрощена в ANSYS DesignModeler для подготовки к проведению конечно-элементного анализа. Электромагнитный расчет проводился в ANSYS Emag и ANSYS Maxwell, а затем проводилось сравнение результатов, полученных в этих модулях при различных размерностях сеточной модели, типах элементов, настройках решателей и алгоритмах. Вместе с этим, специалисты CERN продолжали проектировать сверхпроводящие магниты с помощью собственной программы для электромагнитного расчета – ROXIE. Инженеры провели анализ предыдущего проекта магнита с использованием

Emag, Maxwell и ROXIE, и все программные комплексы показали идентичные результаты. Электромагнитные силы, известные как силы Лоренца, рассчитанные с помощью Emag и Maxwell, передавались в ANSYS Mechanical как массовые силы с помощью прямой связи в рамках среды ANSYS Workbench. Модуль ANSYS Mechanical использовался для выполнения прочностного и теплового расчетов, при этом учитывалась большая жесткость конструкции после ее охлаждения до рабочей температуры. Тепловые эффекты учитывались с помощью предварительного напряжения, которое противодействует деформации катушки под действием сил Лоренца.

Зажим концевой пластины

прямая сВязЬ В ЕДинОЙ расЧЕтнОЙ срЕДЕ Инженеры использовали современный подход к проектированию сверхпроводящих магнитов нового поколения, который заключался в использовании систем автоматизированного проектирования (CAD) и многодисциплинарного численного моделирования в единой расчетной среде. Такой подход позволяет проводить весь процесс проектирования в единой расчетной среде, обеспечивая двунаправленный обмен данных с CATIA, а также позволяет всем модулям использовать единую таблицу проектных параметров. При этом обеспечивается прямая связь и обмен данными между модулями, отвечающими за расчет в различных областях физики. Это облегчает анализ пространства проектных решений и помогает найти оптимальное решение. Исходная геометрическая модель магнита создавалась в CATIA, и все параметры передавались в ANSYS Workbench с использованием 24

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

Концевая пластина

Расстояние от центра Толщина

 Поверхность отклика для трех важных проектных параметров.

Оптимизация конструкции магнита И нже не ры и сс л едовал и п рост ран ст во п р о ек тных решений и выполнили анализ чувствительности, используя ANSYS DesignXplorer. Благодаря единой платформе Workbench легко осуществлялась передача данных между модулями для электромагнитных и прочностных расчетов, проводился последовательный расчет всех проектных точек, и выполнялась систематизация полученных результатов. Модуль DesignXplorer использовался при создании матрицы планирования экспериментов для эффективного анализа пространства проектных решений с минимальным количеством проектных точек. Когда инженер нажимал на кнопку «Update All Design Points», первая проектная точка с первым набором проектных параметров отправлялась в менеджер параметров Workbench, проводился анализ, а результаты сохранялись в таблице проектных параметров. Процесс продолжался до тех пор, пока не был выполнен расчет всех проектных точек. Далее с помощью DesignXplorer строилась поверхность отклика и осуществлялась оптимизация проекта. Программный комплекс автоматически провел сотни расчетов и определил оптимальный проект с минимальным использованием дорогостоящих магнитных материалов. При этом выполнялись технологические нормы, требования к жесткости и ограничения по размерам. Некоторые детали оптимизированного проекта уже изготовлены и протестированы, и их эксплуатационные характеристики соответствуют результатам моделирования. Для увеличения пространства размер концевой пластины был уменьшен с 70 мм до 50 мм (для магнита 1-в-1) и с 90 мм до 75 мм (для магнита www.ansysadvantage.ru

2-в-1). Новый проект позволил сократить расходы на материалы и уменьшить время изготовления на 5 месяцев, при этом жесткость конструкции оставалась такой же, как у предыдущего поколения магнитов. Благодаря использованию модуля ANSYS DesignXplorer была построена поверхность отклика и проведен анализ чувствительности. Это позволило инженерам определить оптимальный набор проектных параметров для создания магнитного поля с индукцией 11 тесла. При этом напряжение в катушке не превышало 150 МПа. Также удалось минимизировать любые процессы деградации электрических свойств проводника Nb3Sn. Более того, удалось найти оптимальное сочетание между всеми ключевыми параметрами сборки, что позволило обеспечить безопасные условия работы магнита ускорителя. Такой подход позволил сократить общее время расчетов по сравнению с предыдущими методами проектирования. Ранее инженерам приходилось создавать APDL файлы и макросы для обеспечения связи различных инструментов проектирования. Благодаря использованию ANSYS Workbench удалось на три недели сократить время оптимизации, а также уменьшить время создания моделей. Источники Karppinen, M.; Andreev, N.; Apollinari, G.; Auchmann, B.; Barzi, E.; Bossert, R.; Kashikhin, V.V.; Nobrega, A.; Novitski, I.; Rossi, L.; Smekens, D.; Zlobin, A.V. Design of 11 T Twin-Aperture Nb3Sn Dipole Demonstrator Magnet for LHC Upgrades. Applied Superconductivity, IEEE Transactions. 2012. Volume 22, Issue 3. www.feaccomp.com Charilaos Kokkinos покинул CERN в 2013 году и основал компанию FEA Engineering, специализирующуюся на разработке изделий при помощи численного моделирования. FEAC горячо благодарит Mikko Karppinen, руководителя проекта новых магнитов.

ANSYS ADVANTAGE

25

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫХЛОПНЫХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ ANSYS Компания-производитель выхлопных систем использует многодисциплинарные расчеты для уменьшения затрат на экспериментальные исследования.

Авторы: Matt Butson, менеджер технической поддержки, и Ning Cao, инженер-конструктор, Active Exhaust Corp., Торонто, Канада 26

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

П

роектирование выхлопных систем осложнено различными физическими явлениями. Инженеры-проектировщики должны рассматривать течение газа внутри выхлопной системы, а также учитывать действующее на двигатель противодавление. Движение газа через выхлопную систему вызывает шумы и вибрации, которые необходимо уменьшать. При этом должна поддерживаться температура, необходимая для оптимальной работы системы нейтрализации выхлопных газов. Также необходимо минимизировать воздействие выхлопных газов на окружающую среду и примыкающие детали автомобиля. Компания «Active Exhaust» использует многодисциплинарные расчеты для уменьшения числа дорогостоящих прототипов и получает оптимальный проект изделия еще до этапа натурных испытаний. «Active Exhaust» является ведущим производителем выхлопных систем для промышленных двигателей и автомобилей. Компания специализируется на изготовлении систем контроля звуковых, выхлопных и тепловых характеристик мобильных и стационарных двигателей мощностью от 5 до 700 лошадиных сил. В Торонто находится головной офис, отдел разработок, конструкторский отдел, подразделение технической поддержки и североамериканский производственный центр. Персонал компании насчитывает около 275 человек, включая работников двух зарубежных филиалов в Китае и Индии и складских помещений в США. Компания «Active Exhaust» занимается производством потребительских и промышленных газонокосилок, оборудования для строительства и земледелия, сварочных машин и генераторов, а также техники высокой проходимости, кемпинговых модулей и автофургонов. ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ИСПЫТАНИЙ В прошлом инженеры компании использовали собственные программные комплексы для двумерных расчетов компонентов выхлопных систем. Инженер-конструктор выполнял приближенный расчет характеристик изделия с использованием этих инструментов. Точность, описание и набор геометрических моделей были www.ansysadvantage.ru

 Деформация распределительного коллектора.

ограничены. Вследствие низкой точности проводимых расчетов, все новые выхлопные системы должны были проходить лабораторные испытания на перепад давления, мощность, крутящий момент, тепловые, вибрационные, акустические, экологические и другие характеристики. Процесс проектирования сильно зависел от физичeских испытаний. Лаборатория компании «Active Exhaust» всегда тщательно проверяла изделия перед продажей. Дорогостоящее оборудование лаборатории включает пять динамометров вихревых токов, работающих в следующих диапазонах: частота вращения – до 10000 об/мин, крутящий момент – до 400 Н*м и мощность – до 160 кВт. В лабораторных условиях для двигателя, оборудованного измерительной аппаратурой, возможно определить расход, давление, шум, ускорение, температуру и другие параметры, необходимые для определения пульсаций выхлопных газов с высокой точностью. Однако в последние годы компания начала поставлять на рынок двигатели настолько мощные, что ресурсов лаборатории стало недостаточно для их исследования. Возникла необходимость обращения к сторонним лабораториям, что привело к удорожанию производимых изделий до неконкурентного уровня. Дополнительные затраты, связанные с созданием прототипов и привлечением внешней рабочей силы для выполнения экспериментов, привели к тому, что метод физических испытаний стал слишком дорогостоящим при разработке новых мощных изделий. Кроме того, при разработке новых изделий специалисты компании

столкнулись с другими ограничениями метода физичeских испытаний. На любом этапе разработки при возникновении несоответствий специалисты должны были оперативно вносить изменения в проект, изготавливать новый прототип и проводить повторные испытания, что приводило к существенным затратам. Дополнительные проектные изменения требовали значительного времени и могли стать причиной задержки выхода продукта в срок. Измерения при натурных испытаниях ограничивались физическими возможностями датчиков, что не всегда позволяло определить источник возникающих проблем. Например, натурные испытания не позволяют обнаружить зоны рециркуляции потока, которые приводят к значительному увеличению перепада давления в выхлопной системе. Более того, из-за высокой стоимости испытаний инженеры имели ограниченные возможности при поиске оптимального проекта. ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ Специалисты «Active Exhaust» рассмотрели несколько программных комплексов для численного моделирования. Поскольку расчет гидрогазодинамики являлся ключевым аспектом проектирования, вначале были рассмотрены CFD комплексы. Из всех рассмотренных инструментов для моделирования, программный комплекс ANSYS отличался возможностью, помимо задач гидродинамики, решать также задачи прочности, теплообмена и акустики. Компания «Active Exhaust» приобрела программные продукты ANSYS CFD-Flo для решения задач гидродинамики и ANSYS ANSYS ADVANTAGE

27

Многодисциплинарный анализ

Клиенты компании «Active Exhaust» выигрывают от более высокой производительности и коротких сроков проектирования.

Поле температур выхлопных газов внутри выходного диффузора.

Линии тока и поле температур в эжекторе.

Линии тока и поле температур в глушителе.

Mechanical для проведения прочностных, тепловых и акустических расчетов. Благодаря среде ANSYS Workbench, эти и другие инструменты ANSYS позволяют осуществлять двунаправленный обмен данных с CAD системами, характеризуются единообразным пользовательским интерфейсом, возможностью проведения многодисциплинарных расчетов и позволяют выполнять многие другие операции.

28

Сейчас численное моделирование является основой процесса проектирования в компании «Active Exhaust». Первым шагом обычно является импорт CAD геометрии, созданной в программном комплексе Creo®. Далее на основе твердотельной модели создается занимаемый жидкостью объем и задаются граничные условия: массовый расход на входе и давление на выходе. ANSYS CFD используется для выполнения расчета течения газа через выхлопную систему. Такой расчет позволяет получить перепад давления в выхлопной системе и противодавление на входе. Поскольку при моделировании используется реальная геометрия изделия, результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. По сравнению с экспериментальными исследованиями, ANSYS CFD позволяет получать намного больше данных, включая скорость и давление в каждой точке исследуемого объема. Например, инженер, исследующий новую выхлопную систему, может обнаружить зону рециркуляции в области решения. Поскольку рециркуляция обычно увеличивает перепад давления в системе, инженер должен внести в геометрию CFD модели изменения, позволяющие устранить данную проблему. Затем необходимо произвести повторный расчет, чтобы убедиться в отсутствии зоны рециркуляции. В противном случае необходимо изменять геометрию до тех пор, пока зона рециркуляции не исчезнет. Благодаря использованию ANSYS Workbench, при изменении геометрии автоматически изменяется сетка и проводится повторный расчет, что существенно экономит время в процессе проектирования. Кроме CFD анализа, специалисты «Active Exhaust» используют ANSYS Mechanical для теплового, прочностного и акустического расчетов выхлопной системы. Интеграция между ANSYS CFD и ANSYS Mechanical позволяет с легкостью передавать поля

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

температур из CFD расчета в прочностной. Эти тепловые граничные условия используются для определения поля температур на внешней поверхности выхлопной системы и расчета температурных напряжений. В ANSYS Mechanical также проводится расчет выхлопной системы на прочность с использованием данных о спектральной плотности мощности воздействий автомобиля. Выполняется расчет случайных вибраций, в котором определяются частотный отклик и распределение напряжений. Также в динамическом анализе определяются частоты и формы собственных колебаний выхлопной системы. Если эти частоты могут возбуждаться двигателем, инженеры должны вносить соответствующие изменения в проект. Следующим этапом расчета является оценка акустических характеристик выхлопной системы. В ANSYS Mechanical данные модального анализа используются для расчета ослабления и поглощения звуковых волн глушителем. Далее программный комплекс рассчитывает потери при распространении волн во всем диапазоне частоте, а также уровень шумов. Специалисты «Active Exhaust» использовали собственную библиотеку шумов двигателей для определения уровня шума до и после установки глушителя. Самым большим преимуществом использования численного моделирования является то, что инженеры почти всегда создают оптимальный прототип изделия с первой попытки. Несмотря на это, каждое новое изделие проходит тщательные лабораторные испытания. Кроме того, моделирование позволяет получить намного больше данных, быстро определить причину возникновения проблем и добиться улучшения характеристик изделия. Благодаря внедрению численного моделирования при проектировании, клиенты компании получают изделия лучшего качества в более короткие сроки.

МногодисциПЛинарный анаЛиз

Процедура замены сердечного клапана, воспроизведенная при помощи многодисциплинарного численного моделирования, позволяет избежать операции на открытом сердце.

C

Автор: Joёl Grognuz, руководитель группы многодисциплинарных расчетов, CADFEM, Ренан, Швейцария.

теноз аортального клапана, суживающий устье аорты, является наиболее распространенным заболеванием сердечного клапана. Данная болезнь встречается у 2% людей старше 65 лет. Симптомами этого хронического прогрессирующего заболевания являются боли в груди, затрудненное дыхание и обмороки; в некоторых случаях, если не заменить клапан, может возникнуть острая сердечная недостаточность. На протяжении 40 лет единственным способом лечения стеноза аортального клапана являлась хирургическая операция на открытом сердце, в ходе которой заменяется аортальный клапан и используется аппарат искусственного кровообращения. Хирурги производят замену аортального клапана на механический или донорский клапан. При проведении операции, смертность среди пациентов моложе 70 лет составляет около 2%. Продолжительность жизни больных после замены клапана близка к показателям пациентов того же возраста, которые не страдают от данного заболевания. www.ansysadvantage.ru

Число людей пожилого возраста, страдающих стенозом аортального клапана, постоянно увеличивается. Эти пациенты часто нуждаются в проведении традиционной замены клапана. Последние исследования показали, что уровень смертности при операции на открытом сердце среди людей старше 90 лет составляет 24%. В связи с этим, требуется использование менее инвазивных методов замены аортального клапана. Транскатетерное протезирование аортального клапана (ТПАК) (другое название – транскатетерная ANSYS ADVANTAGE

29

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ

Производители стентов используют численное моделирование процесса имплантации стента и клапана для лучшего понимания процесса и действующих сил. имплантация аортального клапана (ТИАК)) – относительно новый подход к традиционному лечению. Для этой процедуры клапан прикрепляется к стенту, вводится в артерию в паховой области и доставляется с помощью катетера в аорту. Затем стент саморасширяется таким образом, чтобы держать старый клапан открытым и обеспечить его безопасную замену. Данный метод позволяет избежать операции на открытом сердце. вопросЫ, возниКаЮЩие при исполЬзовании нового Метода Метод ТПАК является сравнительно новым и недостаточно опробованным, в связи с этим, существует множество вопросов. Какие силы действуют со стороны стенки аорты и крови на стент, и как долго он может выдерживать такие нагрузки? Является ли трение между стентом и стенкой аорты достаточным, чтобы удерживать стент и клапан в необходимом месте в течение длительного времени? Ответы на эти и другие вопросы могут позволить создавать более совершенные стенты и

помочь хирургам принимать более обоснованные решения при выборе того или иного типа операции для каждого пациента. Поскольку невозможно точно определить силы, действующие на уже имплантированный стент, производители используют численное моделирование процесса имплантации стента и клапана. Это очень сложная задача, так как необходимо моделировать высоконелинейные свойства нитинола – материала с эффектом памяти формы, который обычно используется при изготовлении стентов. Нитинол является сплавом, состоящим приблизительно из 50% никеля и 50% титана и характеризующимся высокой биосовместимостью и коррозийной стойкостью. Наиболее важной характеристикой данного сплава является его сверхупругость, позволяющая стенту саморасширятся после выхода из катетера. При моделировании необходимо учитывать сжатие стента до операции, а также его расширение в аорте, когда он достигает необходимого месторасположения. Сложной задачей также

Деформация стента под действием потока крови, полученные при моделировании.

30

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

является проведение двустороннего связанного расчета, который позволяет учитывать силы, действующие на стент со стороны крови и стенки аорты. В связи с большими перемещениями нового клапана, в гидродинамическом расчете необходимо использовать технологии перестраиваемых и деформируемых сеток. первЫЙ успеШнЫЙ МногодисЦиплинарнЫЙ расЧет операЦии тпаК Инженеры CADFEM GmbH смогли преодолеть описанные выше трудности. Они выполнили первый расчет операции ТПАК, который учитывал воздействие потока крови на стент после расширения. Для моделирования течения крови использовался гидродинамический комплекс ANSYS Fluent. Благодаря встроенным возможностям перестраиваемых сеток удалось достоверно учитывать большие перемещения сердечного клапана в процессе моделирования. Инженеры использовали ANSYS Mechanical для моделирования стента и сердечного клапана,

Моделирование работы сердечного клапана с помощью технологии FSI.

Деформация стента

под действием потока крови, полученные при моделировании.

Моделирование работы сердечного клапана с помощью технологии FSI.

Результаты моделирования позволили определить давление и характер взаимодействия на границе стент – стенка аорты .

www.ansysadvantage.ru

поскольку данный комплекс позволяет моделировать эффект памяти формы и описывать ортотропные свойства клапана. Ортотропные свойства дают возможность одновременно учитывать как жесткость клапана при натяжении, так и его способность легко сгибаться. Среда ANSYS Workbench позволяет выполнять двусторонние нестационарные связанные расчеты прочности и гидродинамики. Расчет выполнялся для промежутка времени от 0 до 0.3 секунд. Для описания свойств сплава с эффектом памяти формы инженеры CADFEM GmbH использовали модель сверхупругости при постоянной температуре, так как у них не было достаточно данных для учета влияния изменений температуры. В модели происходит фазовый переход при сжатии стента. При создании расчетной сетки использовались оболочечные элементы. Вначале, для более быстрого получения результатов, стенка аорты моделировалась как абсолютно жесткая. Инженеры использовали тип контакта «Bonded» для связи нового клапана и стента. На границе стент – стенка аорты использовался тип контакта «Frictional». При моделировании вязкости крови как функции скорости сдвига, использовалась неньютоновская модель Carreau. Для моделирования прокачки крови сердцем использовалась соответствующая зависимость массового расхода крови. Под действием потока крови клапан открывается и закрывается. Моделирование помогает хирургам и производителям стентов Результаты моделирования позволили определить давление и характер взаимодействия на границе стент – стенка аорты. Данные расчетов могут быть полезны при оценке способности конкретного стента прочно закрепить клапан. При проектировании нового стента, компьютерный анализ позволяет избежать избыточного давления на любую область стенки аорты. Моделирование позволило получить кривые напряжения-деформации по Мизесу для нескольких точек модели стента, которые могут использоваться для расчета усталостной долговечности стента. Также удалось определить силы в местах соединения клапана со стентом. Модель дает возможность оценить артериальное давление пациента после операции, что является важным аспектом при проектировании стента. В данном случае систолическое артериальное давление составило 175 миллиметров ртутного столба. Специалисты CADFEM GmbH выполнили расчет для компании Admedes Schuessler GmbH, ведущего производителя нитиноловых саморасширяющихся компонентов и стентов ТПАК. Данное исследование доказало адекватность использования численного моделирования для операций ТПАК. С помощью расчетов были получены результаты, позволяющие оптимизировать стенты для пациентов с различными особенностями, например, с уплотнениями стенки аорты. Следующим шагом уточнения модели является учет гибкости аорты с использованием анизотропной модели гиперупругости в ANSYS Mechanical. Результаты моделирования показали потенциал использования многодисциплинарных расчетов при проектировании стентов и проведении хирургических операций. Без использования численного моделирования, подобная информация могла быть получена только в процессе накопления опыта при проведении реальных хирургических операций.

ANSYS ADVANTAGE

31

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ МИКРОВОЛНОВЫХ КОМПОНЕНТОВ Связанные расчеты помогают создавать надежные и мощные микроволновые компоненты.

Автор: Amedeo Larussi, ведущий инженер-проектировщик электронных систем, Raytheon Corporation, Голета, США.

В

условиях глобальной конкуренции предприятия аэрокосмической и оборонной отраслей должны разрабатывать высокотехнологичные изделия быстрее и дешевле. Инженерам-проектировщикам необходимо создавать антенны и микроволновые компоненты, отвечающие многочисленным требованиям. В новых изделиях должны постоянно уменьшаться размеры, повышаться мощность, сокращаться стоимость и увеличиваться надежность. В результате, более компактные антенны и микроволновые компоненты работают при более высоких уровнях мощности и частот. При этом возникает риск того, что повышенные температуры будут существенно влиять на характеристики изделия. Традиционно проектированием электроники и 32

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

Более компактные антенны и микроволновые компоненты работают при более высоких уровнях мощности и частот.

На фотографиях показаны повреждения микроволонового соединения в результате пробоя.

расчетом тепловых процессов занимаются различные группы специалистов, каждая из которых выполняет специфические требования и использует свои инструменты для анализа. Обычно взаимодействие между такими расчетными группами достаточно ограничено, что часто приводит к серьезным ошибкам при проектировании изделий. Например, тепло, выделяемое микроволновыми компонентами, может увеличить тангенс диэлектрических потерь некоторых материалов. В результате, выделяется еще больше тепла и возникает риск аварийной ситуации. В наихудших случаях выход изделия из строя может приводить к невыполнению поставленной задачи и даже человеческим жертвам. Многодисциплинарное моделирование, включающее связанные электрические, тепловые и прочностные расчеты, позволяет получить значительно более точные результаты и, соответственно, избежать отказов изделий и существенно улучшить их характеристики. Компания Raytheon Corporation, работающая в области обороны и безопасности, использует многодисциплинарные расчеты при проектировании своих изделий, что позволяет повысить их надежность, сократить время выхода продуктов на рынок, а также контролировать затраты на производство и проектирование.

ПУТЬ К МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫМ РАСЧЕТАМ Специалисты Raytheon Corporation давно были заинтересованы в проведении связанных электромагнитно-тепловых расчетов, однако до недавнего времени у них не было эффективных инструментов для решения этой задачи. В 2002 году руководство компании поставило задачу

Воздушный зазор 0.005"

Алюминий

Алюминиевая подложка 0.015" Бериллиевая медь и центральный контакт из ковара Фторопласт Центральный контакт из ковара, покрытый золотом Герметизирующая вставка из стекла 7070

Микрополосковая линия

Модель соединения в ANSYS HFSS. www.ansysadvantage.ru

определиться с программным обеспечением для выполнения связанных расчетов. В результате, был выбран программный комплекс ANSYS HFSS, позволяющий проводить связанный электромагнитно-тепловой анализ. Специалисты Raytheon начали активно использовать данный программный продукт при проектировании микроволновых систем и получили отличные

Соединительная лента (толщиной 0.0005") Микрополосковый вход

ANSYS ADVANTAGE

33

Расчет электроники Корпус из ковара

Подложка

Стекло

Воздушный зазор

Микрополосковый элемент

ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Соединительная лента

Воздух

Расчет электрического поля при температуре 25°C. Корпус из ковара

ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Подложка Воздушный зазор Стекло

Микрополосковый элемент

Соединительная лента

Воздух

Расчет электрического поля при температуре 86°C.

Инженеры использовали возможности интеграции в ANSYS Workbench для получения электромагнитных и тепловых взаимозависимостей. результаты. В 2007 году возникла необходимость учета вибрационных и гидродинамических явлений при расчетах. Поскольку ANSYS HFSS интегрирован в среду ANSYS Workbench, это позволяет с легкостью проводить связанные многодисциплинарные расчеты, например, с использованием ANSYS Mechanical и ANSYS Fluent. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ В СОЕДИНЕНИИ В одном из последних проектов мощный сигнал принимался антенной 34

и поступал на схему возбуждения. Несмотря на то, что над проектом работали группы специалистов по электрическим и тепловым расчетам, произошел электрический пробой в месте соединения коаксиального кабеля с дорожкой. Вскоре после включения, соединение вышло из строя из-за чрезмерного нагрева. Для решения данной проблемы инженеры провели расчет изделия в ANSYS HFSS, позволяющем точно моделировать микроволновые компоненты. Программный продукт ANSYS HFSS основывается на

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

методе конечных элементов и автоматически измельчает расчетную сетку в необходимых областях, что позволяет получить точные результаты за короткое время. В начале расчета инженеры импортировали исходную геометрию изделия. Затем были заданы электрические свойства материалов, такие как проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и электропроводность ковара, алюминия, меди, бериллия и фторопласта. После этого назначались граничные условия, описывающие характеристики полей на поверхностях области решения и интерфейсах. Инженеры задавали области, в которых энергия входила и выходила из изделия. С помощью ANSYS HFSS проводился трехмерный расчет электромагнитных полей в области решения. При этом диэлектрические свойства материалов зависели от температуры. Расчет показал, что при температуре 25°C напряженность электрического поля в области пробоя не превышала 1.5x106 В/м (в воздухе при аналогичных условиях электрический пробой происходит при 2.952x106 В/м). СВЯЗАННЫЕ ЭЛЕКТРО-ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ В условиях реальной эксплуатации температура окружающей среды влияет на диэлектрические свойства материалов, что, в свою очередь, сказывается на тепловыделении микроволновых компонентов. Данная взаимозависимость учитывалась в рамках связанного нестационарного электро-теплового расчета, выполненного с помощью ANSYS HFSS и ANSYS Mechanical в среде ANSYS Workbench. На нижней поверхности задавались граничные условия охлаждения при естественной конвекции. Полученное поле температур использовалось для проведения статического прочностного расчета. В ANSYS Workbench, экспериментально полученные температурные поля передавались в ANSYS Mechanical для расчета тепловых напряжений. Прочностной расчет показал высокий уровень напряжений и деформаций (порядка 22 мкм) во внутреннем соединении. По результатам теплового анализа, уровень температур достигал 86°C на соединении, что приводило к более низкому

напряжению пробоя. Специалисты провели повторный расчет компонентов при температуре 86°C, используя соответствующие диэлектрические свойства, и обнаружили, что при данной температуре напряженность электрического поля в исследуемой области превышала значение электрического пробоя в воздухе 2.45x106 В/м. Моделирование помогло инженерам Raytheon Corporation понять причину возникновения неисправности и внести соответствующие изменения в проект, чтобы избежать подобных проблем в будущем. Электромагнитный расчет проводился при исходной температуре, затем электромагнитные потери передавались в тепловой расчет и определялось их влияние на температуру. После этого полученное поле температур передавалось обратно в электромагнитный расчет для моделирования соответствующих электромагнитных потерь. Такой циклический процесс продолжался до достижения постоянного значения температуры. После изменения используемых в изделии материалов, моделирование показало стабильную работу устройства, и это было подтверждено физическими испытаниями.

www.ansysadvantage.ru

Моделирование показало стабильную работу устройства, что также было подтверждено физическими испытаниями.

Воздушный зазор

Корпус

Многодисциплинарный анализ позволил рассчитать электрический пробой. Слева показаны повреждения изделия, справа – результаты моделирования.

ANSYS ADVANTAGE

35

Расчет электроники

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ КОРПУСА КОМПАКТНОГО КОМПЬЮТЕРА Инженеры компании Teradici улучшили конструкцию тонкого клиента с поддержкой протокола PCoIP, так называемого компактного компьютера, с помощью ANSYS Icepak. Авторы: Steve Dabecki, директор департамента проектирования микросхем, Kevin Betts, ведущий инженер Teradici Corporation, Бёрнаби, Канада.

C

егодня компаниям необходимо, чтобы все сотрудники имели доступ к данным и программному обеспечению, однако предоставление персонального компьютера или ноутбука каждому сотруднику требует больших затрат. Доступ к удаленному рабочему столу может осуществляться с использованием так называемого тонкого клиента с поддержкой протокола PCoIP – компактного компьютера со специализированной локальной операционной системой, без жесткого диска и пассивным охлаждением. Тонкий клиент является надежным и простым устройством для работы в терминальном режиме. Компания Teradici, разработчик протокола PCoIP, создает технологии, позволяющие пользователям комфортно работать с устройством. Такие устройства характеризуются незначительным влиянием на окружающую среду, выделяют сравнительно малое количество тепла и потребляют немного электроэнергии. Через сеть Интернет из любой точки мира удаленные пользователи могут получить доступ к удаленному рабочему столу, размещенному в центрах хранения и обработки данных или высокопроизводительных удаленных рабочих станциях. Тонкие клиенты с поддержкой протокола PCoIP компактны, поэтому их внутренняя температура должна находиться в оптимальном рабочем диапазоне. Обычно тонкие клиенты находятся в непосредственной близости от пользователя, поэтому температура корпуса также должна быть комфортной для работы. В связи с этим, инженеры компании Teradici используют ANSYS Icepak для оценки и оптимизации охлаждения устройства с целью обеспечения безопасного диапазона температур.

Понимая, что тепловыделение будет основной проблемой при проектировании, инженеры решили использовать программный комплекс ANSYS. 36

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

Расчет теплового состояния Чтобы обеспечить температуру процессора PCoIP в рабочем диапазоне, внутренняя температура тонкого клиента не должна превышать 100°С. Кроме того, температура корпуса устройства должна быть не более 45°C, чтобы не вызывать дискомфорт при прикосновении. В связи с многочисленными обращениями клиентов, специалисты Teradici решили уменьшить размеры корпуса, используя свой богатый опыт в проектировании полупроводников и аппаратных средств. Понимая, что тепловыделение будет основной проблемой при проектировании, инженеры решили использовать программный комплекс ANSYS. Самым простым способом достижения необходимых уровней температуры являлось размещение радиатора на процессоре и применение активного охлаждения. Однако использование естественной конвекции является предпочтительным, так как это позволяет отказаться от вентилятора и обеспечить бесшумную работу устройства. Специалисты провели тепловой расчет всей системы с помощью модуля ANSYS Icepak, предназначенного для оценки теплового состояния электронных устройств на основе методов вычислительной гидрогазодинамики. Это позволило оценить различные конструкции корпуса. Модель включала в себя микросхему Flip-Chip, импортированную в формате MCM, и печатную плату, кроме того, для расчета использовались различные варианты корпусов. Конструкции корпусов отличались размерами, размещением вентиляционных отверстий и внутренними источниками тепла. Импорт моделей Инженеры Teradici использовали стандартные инструменты для проектирования микросхем и импортировали модели микросхем в Icepak с помощью ALinksfor EDA. Конструкция микросхемы Flip-Chip моделировалась как миниатюрная восьмислойная печатная плата. С помощью Icepak учитывался механизм передачи тепла, выделяемого кристаллом через медные дорожки к шариковым выводам, припаянным к основной печатной плате.

www.ansysadvantage.ru

Модель подложки процессора в ANSYS Icepak.

Модель печатной платы тонкого клиента в ANSYS Icepak с медными дорожками. На печатной

плате расположены подложка микросхемы процессора с кристаллом в виде 2D источника тепла, две микросхемы оперативной памяти, микросхема Flash-памяти и аппаратный аудиокодек.

Упрощенная расчетная сетка для печатной платы и компонентов.

ANSYS ADVANTAGE

37

Расчет электроники

Модель печатной платы также была импортирована в Icepak. Так же, как и для микросхемы, тепловой расчет печатной платы в Icepak проводился с учетом ее топологии. Из-за недостатка времени, в модели не учитывалось джоулево тепло. Инженеры планируют выполнить расчет целостности сигнала и цепей питания в ANSYS SIwave для получения электрических характеристик печатной платы с учетом джоулевого нагрева. Связанный электротепловой расчет обеспечит более высокую надежность устройства, с точки зрения теплового режима и целостности сигнала и питания.

Исходная модель в Icepak: расчет естественной конвекции с радиатором на процессоре и без корпуса.

Пример параметризации в ANSYS Icepak.

38

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

Предварительный анализ Любая гидрогазодинамическая задача требует создания расчетной сетки. Выбор сеточного генератора ANSYS Meshing стал ключевым фактором для сокращения необходимого количества элементов сетки и максимально быстрого выполнения расчетов. Самая мелкая расчетная сетка строилась в критических областях модели для более точного расчета естественной конвекции. Упрощение геометрии до прямоугольных объемов позволило еще больше уменьшить количество элементов сетки. В первоначальных тепловых расчетах тепловыделяющие компоненты моделировались как 2D источники тепла, расположенные на печатной плате с заданной рассеиваемой мощностью, либо как объемные компоненты с заданной рассеиваемой мощностью. Основным источником тепла являлся процессор PCoIP, расположенный в центре модели печатной платы. В одну из последних моделей печатной платы инженеры добавили шестиреберный алюминиевый радиатор для процессора PCoIP. Добавление корпуса устройства в расчетную модель, очевидно, повысило бы температуру кристалла микросхемы, однако инженерам было необходимо поддерживать внутреннюю температуру ниже 100°C. В связи с этим, они добавили вентиляционные отверстия в корпус для улучшения циркуляции воздуха, что, в свою очередь, улучшило охлаждение кристалла и других внутренних компонентов. Однако это привело к появлению локальных перегревов на самом корпусе. Для определения оптимального расположения вентиляционных отверстий, необходимо было провести расчет большого количества вариантов конструкции корпуса. Параметрическая оптимизация Был проведен анализ различных вариантов конструкции системы и параметров, включая расположение и размер вентиляционных отверстий, толщину и материал корпуса, разделение тепловых потоков между корпусом и печатной платой, рассеиваемую мощность компонентов, температуру окружающей среды и др. Возможности параметризации в Icepak позволяют управлять большинством указанных параметров и легко проводить серии расчетов. Уменьшение помех также является одной из решаемых задач при проектировании корпуса. В идеале, вся система, включая внешние разъемы, должна помещаться в «клетку Фарадея» для минимизации электромагнитных помех. Однако при этом не обеспечивается необходимый отвод тепла. Используя возможности параметризации Icepak, специалисты выполнили серию расчетов, позволяющих определить оптимальные размеры и размещение отверстий в корпусе

Специалисты компании Teradici высоко оценили преимущества использования технологий ANSYS при проектировании нового корпуса.

Тепловая конвекция в корпусе Данные о тепловых потоках внутри и снаружи корпуса позволили оптимально расположить вентиляционные отверстия. Были рассмотрены различные варианты корпуса с горизонтальным и вертикальным расположением отверстий. Конвективное охлаждение и тяга, создаваемая при вертикальном расположении отверстий, позволяют обеспечить необходимый тепловой режим работы компьютера при небольших размерах отверстий.

Совмещение фотографии прототипа

устройства с изображением, полученным с помощью тепловизионной камеры.

Результаты теплового расчета в Icepak, показыващие рассеивание тепла через кабели и тепловыделяющие элементы на печатной плате.

Векторы скоростей (А) и поле температур (В) в сечении, проходящим через центр корпуса.

устройства. Такой подход позволяет рассмотреть сотни вариантов конструкции корпуса и впоследствии проанализировать полученные данные. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными Для проверки точности расчетов в Icepak на 3D принтере изготовили несколько прототипов компактного компьютера с различными вариантами конструкции корпуса, а с помощью тепловизионной камеры измерялась температура микросхем на печатной плате и внешней поверхности корпуса. Инженеры заметили, что провода эффективно отводили тепло от корпуса тонкого клиента. Металлические разъемы, установленные на печатной плате, также хорошо отводили тепло от корпуса, температура которого не превышала 45°C. www.ansysadvantage.ru

Для увеличения точности расчетов в Icepak, инженеры привели расчетную модель в соответствие с разработанным прототипом, включив в нее провода и разъемы. Результаты такого моделирования в Icepak полностью совпали с измерениями. Хорошее совпадение обеспечило уверенность в точности моделирования и позволило отказаться от создания прототипов для других вариантов корпуса.

Выводы ANSYS Icepak и его возможности параметризации оказались чрезвычайно полезными при исследовании различных вариантов конструкции корпуса тонкого клиента, а также поиске оптимального способа уменьшения внутренней температуры устройства и внешней температуры корпуса. С помощью ANSYS Icepak удалось провести расчет процесса сложного теплообмена в системе, включая теплопередачу в процессоре PCoIP (от кристалла через подложку в печатную плату), а также теплоотвод через корпус. Моделирование позволило быстро рассмотреть различные варианты ориентации корпуса и расположения вентиляционных отверстий. Специалисты компании Teradici высоко оценили преимущества использования технологий ANSYS при проектировании нового корпуса для тонкого клиента. Использование численного моделирования позволило сократить количество изготавливаемых прототипов и больше сконцентрироваться на создании более компактного и эффективного корпуса изделия. Источник www.teradici.com/zeroclient

ANSYS ADVANTAGE

39

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ

Расчет системы охлаждения калибровочной головки осциллографа С помощью численного моделирования был оптимизирован тепловой режим калибровочной головки самого быстрого в мире осциллографа.

Автор: Matt Richter, инженер отдела научно-исследовательских разработок, Keysight Technologies, Санта-Роза, США.

O

сциллограф – цифровое устройство, которое отображает и измеряет форму волны электрического сигнала. Высокопроизводительные осциллографы, способные измерять сигналы очень высокой частоты, чаще всего используются в аэрокосмической, оборонной и научной областях. Компания Keysight Technologies является ведущим производителем измерительного оборудования с уникальными характеристиками, позволяющими решать сложные метрологические задачи. Например, осциллограф Infiniium 90000 Q-Series – единственный прибор, способный измерять сигналы частотой выше 60 ГГц, что дает возможность инженерам выполнять измерения для новейших оптоволоконных приемо-передатчиков и других систем, обеспечивающих высокоскоростную передачу данных. В процессе проектирования самого быстрого в мире осциллографа, работающего в режиме реального времени, специалисты компании Keysight Technologies решили 40

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

Поток

36 мм

Стандартная конфигурация системы охлаждения.

Гибридная микросхема Кулер

Поток (перенаправленный крышкой) Радиатор

Используемая в проекте система охлаждения. Слева без крышки; справа крышка изображена прозрачной.

разработать новый калибровочный генератор, чтобы обеспечить высокую точность измерений. Разработка калибровочного генератора Agilent N2806A была связана с рядом проблем электрического, механического и теплового характера. При проектировании инженеры Keysight использовали программный продукт ANSYS CFX, что позволило создать удачный прототип изделия с первого раза. Основной проблемой при проектировании было охлаждение корпуса калибровочной головки. Выносная головка содержит две интегральные схемы, выделяющие 3.2 Вт в корпусе размерами 35х42х15 мм и площадью поверхности 5250 мм2. В связи с малыми размерами корпуса, выделяемое схемами тепло приводит к значительному нагреву устройства, что вызывает дискомфорт при работе. В корпусе находится алюминиевая основа, радиатор и пазы для монтажа интегральных схем. Для решения проблемы охлаждения инженеры решили использовать теплообменник с перекрестным потоком, несмотря на то, что ранее подобная конфигурация не использовалась. Создание физического прототипа обычно требует не менее восьми недель, и для завершения проекта в срок первый прототип должен быть успешным. В качестве альтернативы созданию прототипов, специалисты Keysight использовали программный комплекс ANSYS CFX для моделирования конфигурации с перекрестным потоком. Вначале проводился расчет только воздушного потока и определялся перепад давления. Затем выполнялся тепловой анализ, в результате которого было получено поле температур. В итоге, изготовленный на www.ansysadvantage.ru

основе полученных результатов прототип оказался успешным. АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ ПРОЕКТОВ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ До проведения моделирования в CFX специалисты компании Keysight с помощью эмпирических вычислений оценили, будет ли достаточно естественной конвекции для охлаждения корпуса. В данном случае, повышение температуры составило 86°C, что намного превышало требования проекта (повышение температуры на 15°C – максимальный уровень, при котором возможна комфортная работа с устройством). Для охлаждения головки было необходимо использовать вынужденную конвекцию, однако для этого нужно было также определить оптимальную конфигурацию системы охлаждения. Обычно специалисты Keysight размещали вентилятор сверху, при этом поток воздуха был направлен вниз на радиатор, а воздух выходил по бокам. Такая компоновка системы охлаждения требовала довольно большой высоты корпуса и не позволяла оптимально разместить разъемы. В связи с этим, специалисты Keysight рассмотрели различные проекты систем охлаждения с перекрестным потоком. В данном случае внутренние стенки формируют криволинейный канал, направляющий поток вдоль поверхности радиатора. Такой подход позволяет уменьшить высоту корпуса и оптимально разместить разъемы. Поскольку ранее специалисты не работали с подобной конфигурацией, численное моделирование сыграло ключевую роль в создании оптимального проекта. При традиционном под-

ходе, создание физического прототипа заняло бы от 6 до 8 недель, а неудачный первый прототип привел бы к существенным затратам и задержке в выполнении проекта. Инженеры Keysight использовали численное моделирование для оценки различных вариантов проекта и подтверждения эффективности системы охлаждения с перекрестным потоком. Ранее специалисты уже применяли инструменты ANSYS для тепловых и прочностных расчетов и решили использовать данный проект для оценки эффективности работы в ANSYS CFX. Программный комплекс CFX обладает схожим графическим интерфейсом и работает в среде ANSYS Workbench. Среда Workbench также хорошо интегрируется с программой PTC® Creo® Elements/Direct™, которая активно используется компанией Keysight. Благодаря мощному сеточному генератору, гибкому решателю и большому разнообразию физических моделей, специалисты Keysight смогли решить все поставленные задачи. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ И ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТЫ Основной проблемой системы охлаждения с перекрестным потоком является то, что расход воздуха через вентилятор будет уменьшаться из-за гидравлического сопротивления, связанного с перенаправлением потока воздуха вдоль поверхности радиатора. Производитель вентилятора предоставил данные по расходу воздуха через вентилятор в зависимости от перепада давления, однако специалисты заранее не знали, какой получится перепад давления. С помощью ANSYS была создана модель, ANSYS ADVANTAGE

41

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ

 Гидродинамическая модель.

Результаты гидродинамического расчета.

 Модель расчета теплового состояния.

 Результаты расчета теплового состояния.

позволившая определить перепад давления в системе при различных расходах. В связи с тем, что перепад давления оказался относительно большим, была создана вторая модель с каналом большего поперечного сечения. Результаты моделирования показали, что во второй модели гидравлическое сопротивление было меньшим, а полученного расхода было достаточно для охлаждения калибровочной головки.

Для подтверждения полученных результатов инженеры провели расчет теплообмена, используя модель, содержащую 1,5 млн. ячеек. В расчете интегральные схемы моделировались как источники тепла. Расход воздуха, полученный в гидродинамическом расчете, задавался с помощью граничного условия Mass-Flow. Расчет теплообмена занимал около 15 минут на персональном компьютере, и показал, что повышение температуры корпуса не превышало 15 градусов. сравнение резУлЬтатов ЭксПеримента и расЧета Специалисты компании Keysight изготовили прототип из имеющихся в наличии деталей, включая радиатор, вентилятор и пластиковую трубку. При изготовлении и прототипа инженеры стремились максимально соответствовать последней конфигурации проекта. Физические измерения показали, что температура радиатора поднималась на 9.5°C. Затем в ANSYS была создана модель изготовленного прототипа и выполнен расчет в CFX. Согласно результатам моделирования, температура радиатора увеличивалась на 9.5°C, что идеально соответствовало экспериментальным данным. Были

Инженерам удалось создать надежное устройство, выполняющее требования проекта по тепловой устойчивости, целостности сигнала и удобству эксплуатации.

42

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

зафиксированы небольшие отличия в величинах перепада давления и расхода, но они находились в пределах погрешности измерений. Полученные результаты позволили убедиться в точности проводимых расчетов. Результаты моделирования позволили убедить руководство компании в правильности выбранной конфигурации системы охлаждения. По словам Брэда Дорра, менеджера научно-исследовательских проектов, «пользователям осциллографов Keysight необходима непревзойденная точность измерений для разработки инновационных изделий. При создании осциллографов серии 90000Q, специалистам Keysight потребовалось разработать высокоточный калибровочный генератор. Благодаря этому устройству можно убедиться, что осциллограф имеет наибольшую пропускную способность, самый низкий уровень шумов и фазового дрожания сигнала, а также позволяет отображать сигналы в режиме реального времени. При проектировании калибровочного генератора N2806A использовался программный комплекс ANSYS CFX для расчета и оптимизации системы охлаждения. В результате инженерам удалось создать надежное устройство, выполняющее требования проекта по тепловой устойчивости, целостности сигнала и удобству эксплуатации. Первый же прототип оказался успешным, что позволило компании Keysight создать первый в мире осциллограф, измеряющий сигналы с частотой выше 60 ГГц в режиме реального времени».

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ

Применение ANSYS Icepak для разработки систем радиосвязи Автор: Patrick Weber, инженер, Datron World Communications.

Применение ANSYS Icepak для теплового анализа систем радиосвязи позволило специалистам Datron World Communications сократить время разработки электронного устройства и уменьшить затраты на его разработку.

www.ansysadvantage.ru

К

омпания Datron World Communications занимается разработкой систем радиосвязи, для которых проблемы перегрева стоят особенно остро. В таких сложных системах происходит выделение большого количества тепла, которое необходимо рассеять в окружающую среду, иначе это может привести к перегреву внутренних компонентов системы. Раньше при разработке новых систем специалисты компании Datron производили от пяти до десяти прототипов для решения тепловых задач. Сейчас инженеры используют расчетные программы для теплового анализа на ранних этапах проектирования. Это позволяет уменьшить затраты на исправления и доработку конструкции устройства на первых этапах проектирования. Моделирование позволяет сохранить сотни тысяч долларов при разработке и прототипировании, а также получить компании Datron миллионы долларов в виде дохода, так как помогает вывести продукцию на рынок в более короткие сроки. Исторически тепловой анализ конструкции устройства основывался на профессиональном опыте инженеров и интуиции. Это неизменно приводило к тому, что первоначальный прототип не обеспечивал необходимый тепловой режим изделия. Инженеры пытались изменить конструкцию, имея ограниченное количество ANSYS ADVANTAGE

43

Расчет электроники

Тепловое поле электронного узла с горячими точками на ферритовых фильтрах.

Усовершенствованная конструкция электронного узла с принудительным воздушным охлаждением фильтров

информации, полученной после физических испытаний прототипа. Без четкого понимания того, что вызывает перегрев термочувствительных компонентов, инженеры пробовали решить проблему нескольким способами, что приводило к увеличению количества прототипов. Стоимость разработки, изготовления и тестирования прототипов становилась чрезмерно высокой, при этом задержки выхода на рынок каждого нового продукта приводили еще к большим экономическим потерям.

44

Сейчас инженеры Datron продвинулись в решении тепловых вопросов, используя современные технологии CFD моделирования. Этот подход позволяет получить точные результаты, так как 3D модель полностью повторят проектируемое изделие. Численное и графическое представление результатов расчета обеспечивают полное понимание характеристик системы. Разработчики Datron испoльзуют ANSYS Icepak, оценив наиболее полезные возможности этого программ-

ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

ного продукта: расчет естественной конвекции, неконформная сетка, импорт геометрии, имеющей криволинейный контур, импорт топологии печатных плат и микросхем с переходными отверстиями. Инженеры начинают тепловой расчет, еще до проектирования самого устройства, используя примитивную геометрию и ориентировочные тепловые потери. После того, как модель уточняется и появляется проект печатной платы, разработчики приступают к более точному моделированию. Ускорить процесс моделирования помогают такие функции, как импорт топологии печатной платы, возможность импорта микросхем в стандартных корпусах, например, TO229, макрос радиатора, позволяющий настраивать различные параметры: число, форма ребер и расстояние между ними. Неконформная сетка вокруг термочувствительных компонентов позволяет уменьшить время расчета. Модель в ANSYS Icepak рассчитывается 20 минут, в то время как в других программных продуктах расчет занимает до 24 часов. Тепловое моделирование помогло инженерам Datron добиться серьезных улучшений в разработке систем связи военного назначения и тепловых расчетах. Используя традиционный метод «build-and-test», инженеры часто сталкивались с необходимостью серьезного изменения конструкции устройства после проведения испытаний. Основной причиной изменения конструкции устройства было несоответствие тепловому режиму. Результаты, полученные после тепловых испытаний прототипа, соответствуют результатам моделирования, а также удовлетворяют всем требованиям к тепловому режиму работы устройства. В результате не потребовалось изготовление новых прототипов, и продукт вышел на рынок раньше, чем при использовании в разработке метода «build-and-test». Сегодня тепловое моделирование позволяет проверить и оптимизировать конструкцию устройства на ранних этапах проектирования. Таким образом, существенно сокращается время, необходимое для того, чтобы вывести на рынок коммуникационных технологий совершенно новое устройство, а также уменьшаются затраты на исправления и доработку конструкции.

Консультационные услуги Специалисты КАДФЕМ обладают высокой компетенцией в сфере численного моделирования и многолетним опытом оказания консультационных услуг: • Обучение и сертификация • Техническая поддержка • Инженерный консалтинг • Автоматизация и развертывание ЦОД • Адаптация и интеграция инструментов • Создание вертикальных приложений • Разработка методик и подходов • Инженерный аудит

Компания ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» является соучредителем и членом международной организации TechNet Alliance, объединяющей ведущих экспертов и специализированные инженерные компании, оказывающие консалтинговые услуги клиентам во всем мире. www.ansysadvantage.ru

www.cadfem-cis.ru ANSYS ADVANTAGE

45

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» 111672, г. Москва, ул. Суздальская, д. 46, офис 203 Тел.: (495) 644-06-08 Факс: (495) 644-06-09 Вы можете связаться с нами по e-mail: marketing@cadfem-cis.ru

Ferrari на круге почета вместе с ANSYS

Победы Ferrari. Моделирование в ANSYS. Создавайте продукты, оправдывающие ожидания ваших клиентов™

Победители требуют лучшего. В Ferrari это хорошо понимают. На их счету одни из лучших гоночных рекордов во всем мире.

Спонсор

Чтобы лучше справляться с крутыми поворотами на гоночных трассах, в Ferrari используют технологии численного моделирования ANSYS, чтобы оптимизировать ключевые показатели и системы своих гоночных автомобилей, такие как система охлаждения тормозов и обтекаемость кузова.

46 ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015 Посетите ANSYS.COM/Ferrari, чтобы узнать больше о численном моделировании в Ferrari.