ANSYS Advantage. Русская редакция 7'2008

непревзойденное преимущество в инженерных расчетах ТМ весна 2008 (7)

Судостроение и проектирование морских сооружений

Использование ANSYS при проектировании объектов освоения шельфов

CFD-технологии в современном судостроении

Сопряженный теплообмен в ANSYS CFX

Весна 2008

Содержание «ANSYS Advantage. Русская редакция» Инженернотехнический журнал Выходит 4 раза в год Весна 2008 (7) Учредитель: ЗАО «ЕМТ Р» Генеральный директор: Локтев Валерий Руководитель проекта: Хитрых Денис ansys-editor@emt.ru Над номером работали: Бутяга Сергей Кабанов Юрий Ларин Михаил Чернов Александр Юрченко Денис Интернетгруппа: Николаев Александр Переводчик: Юрченко Анна Адрес редакции 111672 Россия, Москва, ул. Суздальская, 46, Тел.: (495) 644-0608 Факс: (495) 644-0609 Тираж 1500 экз. Цена свободная

Teхнологии Технологии/ANSYS Multiphysics Использование программного комплекса ansys при проектировании объектов освоения шельфа................................................ 2 Использование пк ansys для расчета морской ледостойкой стационарной платформы «Приразломная»........................................................ 7 Реализация метода конечных элементов в исследованиях прочности и несущей способности сложных судовых конструкций............................................................................. 12 Верификация и аттестация программного комплекса ANSYS в части расчета температурного состояния конструкций и оборудования ЯЭУ............................................................................................. 17

Технологии/ANSYS Workbench Локализация семейства программных продуктов ANSYS Workbench. Что это нам дает?.................................................................................................. 19 Оптимизация конструкций в модуле DesignXplorer среды Workbench с использованием метода Variational Technology............................................................................................ 22

Технологии/ANSYS LS-DYNA Применение modeFRONTIER при расчете изделий из композитных материалов................................................................................ 26

Технологии/ANSYS CFX Анализ эффективности пылеулавливания вихревого аппарата ВЗП-M 200 с помощью программного комплекса ANSYS CFX................................................................ 29 FSI-технологии ANSYS в медицине..................................................................... 34

Мастер-класс Мастер класс/Вы спрашивали — мы отвечаем Создание вычислительного кластера на платформе Microsoft Windows x64 для ANSYS Distributed Solvers (в режиме Distributed Memory Parallel)................................................................. 36 © 2008 ANSYS, Inc. © 2008 ЗАО «ЕМТ Р»

Подвижные, деформируемые и перестраиваемые сетки в ANSYS CFX и FLUENT. Часть 1........................................................................ 38 Моделирование сопряженного теплообмена в трубчатом теплообменнике. 16 шагов.............................................................. 46

Перепечатка опублико­ ванных материалов толь­ко с письменного раз­решения ре­дакции, за исключением кратких цитат в материалах информационного характера. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов

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

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

Использование программного комплекса ansys при проектировании объектов освоения шельфа

2

Павел Семенович Карпов, Вадим Иванович Кузьменко, ЦКБ «Коралл»

ЦКБ «Коралл» выполняет значительный объем работ по проектированию корпусов объектов освоения шельфа, в том числе морских ледостойких стационарных платформ (МЛСП), самоподъемных буровых установок (СПБУ), а также комплексов сооружений, предназначенных для обустройства месторождений углеводородного сырья в различных регионах мира на различных глубинах моря. В большинстве случаев такие установки представляют собой сложные пространственные сооружения, состоящие из опорной конструкции, несущего корпуса и многоярусного верхнего строения, включающие как стержневые, так и плоскостные конструктивные элементы в самых различных соотношениях. Вся установка и отдельные ее модули противостоят нагрузкам, вызываемым воздействиями окружающей среды (волнения, ветра, течения, сейсмоактивности и др.), а также самым разнообразным по величине, направлению и динамическим характеристикам нагрузкам, связанным с функционированием установки. Следует отметить, что помимо расчетов прочности конструкций корпуса установки на нагрузки и их сочетания, характерные для этапа эксплуатации платформы, при проектировании рассматриваются также фазы строительства на заводе, транспортировки к месту эксплуатации и установки на точку эксплуатации. Во всех случаях основной задачей расчетов прочности является обеспечение надежности и долговечности металлоконструкций корпуса при оптимальных затратах на материалы, изготовление и эксплуатацию. Успешному решению поставленных задач при проектировании сложных объ-

www.ansyssolutions.ru

ектов в настоящее время способствует широкое применение метода конечных элементов (МКЭ), реализованного в различных программных комплексах (ПК), в том числе и в ПК ANSYS. В настоящей статье изложен опыт использования ПК ANSYS для выполнения расчетов прочности металлоконструкций, в частности для решения вопросов обеспечения прочности при морской транспортировке и при подъеме модулей-тяжеловесов в условиях заводастроителя. Примером решения первой проблемы является выполнение комплекса расчетов прочности узла соединения основных несущих конструкций опорного основания платформы (понтонов, колонн и раскосов) при действии нагрузок, возникающих при перегоне объекта на точку эксплуатации с применением транспортного понтона (ТП). Использование ТП обусловлено особенностями навигации на маршруте перегона. Платформа представляет собой сложное пространственное сооружение, основными элементами которого являются понтоны, колонны, соединительные раскосы, ледовое ограждение и многоярусное верхнее строение. Общий вид платформы представлен на рис. 1, основные конструктивные элементы и ТП в виде конечноэлементной модели — на рис. 2. ТП подводится под горизонтальные поперечные раскосы, через которые дополнительные силы поддержания передаются на платформу. Усилия взаимодействия платформы и ТП воспринимаются шестью бортовыми опорными фундаментами, установленными на относительно гибких горизонтальных раскосах 25 шп., 77 шп. и 129 шп., и двумя фундаментами в ДП на горизонтальных раскосах 25 шп. и 129 шп. Последние соединены с конструкциями ледового ограждения платформы.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

3

Рис. 1. Общий вид платформы Фундаменты платформы опираются на фундаменты ТП через сосновую подушку толщиной 200 мм. В данном случае проблема заключалась в том, что в результате предварительных расчетов прочности узла соединения на действие нагрузок, возникающих при перегоне платформы на точку эксплуатации с использованием ТП, было установлено, что прочность горизонтального раскоса на участке от колонны до опорного фундамента недостаточна. В обшивке раскоса имеют место нормальные и касательные напряжения, существенно превышающие допускаемые. Перегруженными оказались и конструкции внутри раскоса. Кроме того, значительные углы поворота сечений раскосов обусловили относительный перекос опорных поверхностей опорных фундаментов платформы и ТП, что, в свою очередь, могло привести к перегрузке деревянной (сосновой) подушки — раскрытию зазора (геометрическая нелинейность). Для отработки оптимальной конструкции подкреплений узла соединения в условиях жестких ограничений по массе были выполнены многовариантные расчеты прочности узла соединения на локальных КЭ. Геометрия локальной КЭ модели представлена на рис. 3, а разбивка на элементы в проблемной зоне — на рис. 4.

www.ansyssolutions.ru

Для изучения напряженного состояния конструкций узла соединения использовалось несколько КЭ-моделей, которые отличались схемой приложения нагрузок, типом элементов для моделирования деревянной подушки и величинами заданных перемещений граничных сечений для раскосов в оконечностях и среднего раскоса. Для изучения поведения деревянной подушки в модель была включена конструкция, имитирующая поверхность фундамента на ТП. При моделировании пластинчатых конструкций всех КЭ-моделей применялся элемент

Рис. 2. Глобальная КЭ-модель платформы и ТП

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

4

Рис. 5. Схема расположения элементов деревянной подушки

Рис. 3. Локальная КЭ-модель. Общий вид

Рис. 6. Схема приложения нагрузки к центральному узлу фундамента ТП

Рис. 4. КЭ-модель. Разбивка на элементы в проблемной зоне типа Shell181. Учитывая сложную конфигурацию конструкций узла соединения и опорных фундаментов, для обеспечения должной точности расчета использовались конечные элементы малых размеров, в среднем — 100Ѕ100 мм, с постепенным их увеличением по мере удаления от проблемного района. Для представления работы деревянной подушки был применен стержневой элемент LINK 10, работающий только на сжатие. Использование такого элемента обусловлено возможностью раскрытия зазора между поверхностями опорного фундамента и дерева изза их значительного взаимного перекоса ввиду гибкости раскосов. Последнее обстоятельство приводит к существенной неравномерности загрузки деревянных подушек по ширине. Схема расположения элементов, моделирующих деревянную подушку, приведена на рис. 5. Для повышения достоверности результатов расчета было рассмотрено два варианта приложения расчетных нагрузок в КЭ-модели:

www.ansyssolutions.ru

Рис. 7. Схема приложения нагрузки непосредственно к пластине опорного фундамента платформы •

узловая нагрузка, приложенная к центральному узлу плиты, имитирующей фундамент ТП (рис. 6); • узловая нагрузка, приложенная непосредственно к узлам пластины опорного фундамента платформы (рис. 7). Следует отметить, что возможность объединения степеней свободы, предоставляемая ANSYS, значительно упрощает процесс изменения узловой нагрузки и закреплений в узлах при выполнении многовариантных расчетов. Таким образом, использование ANSYS позволило в короткий срок рассчитать большое количество вариантов подкрепления узла со­ единения и выбрать оптимальную по критерию «прочность—масса» конструкцию подкрепления.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

5

Рис. 8. Общий вид ЖМ. КЭ-модель для проверки общей прочности ЖМ Внутренние усилия и напряжения в рассматриваемых конструкциях определены на подробной локальной КЭ-модели с учетом возможных проявлений геометрической нелинейности при деформации деревянной подушки, что значительно повысило достоверность полученных результатов. Анализ результатов расчета в ANSYS большого количества рассмотренных КЭ-моделей показал высокую стабильность работы комплекса, что также подтверждает высокую достоверность результатов расчета. Указанные выше обстоятельства позволили обосновать применение повышенного коэффициента безопасности для конструкций узла соединения в режиме транспортировки η1 = 0,70 против η1 = 0,60, предусмотренного «Правилами классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок (ПБУ) и морских стационарных платформ (МСП)», часть II «Корпус Российского морского регистра судоходства (2006 г.) для основных конструктивных элементов корпуса в режиме транспортировки». Одним из важных и сложных вопросов при обустройстве морских месторождений является максимально возможное снижение объема строительно-монтажных работ, выполняемых в открытом море в условиях незащищенной акватории. Для обеспечения этого идут на укрупнение монтажных единиц, массу которых ограничивает в основном грузоподъемность крановых средств. Как правило, такие монтажные единицы — это сложные пространственные многоярусные сооружения различной конструкции и назначения. Но всех их объединяет одно — необходимость уменьшения массовых характеристик за счет несущих металлоконструкций. Поэтому расчеты прочности и деформируемости при подъеме являются одним из основных средств

www.ansyssolutions.ru

Рис. 9. КЭ-модель для проверки местной прочности подкреплений под обух достижения цели, а ПК ANSYS — мощным инструментом для успешного решения поставленной задачи. Вопросы обеспечения прочности при подъеме модулей-тяжеловесов возникают также в процессе строительства на заводе. В смысле использования ANSYS эти случаи аналогичны, хотя существенно отличаются величинами расчетных нагрузок и допускаемых напряжений. В активе ЦКБ «Коралл» — выполнение расчетов прочности модулей массой до 2 тыс. т. Рассматриваемый жилой модуль (ЖМ) представляет собой сложную пространственную конструкцию длиной 27,7 м, шириной 22,2 м и высотой 14,25 м, состоящую из несущего днища, пяти палуб, наружных и внутренних стенок; масса ЖМ — 1395 т. При этом расчетная нагрузка на один обух (в плоскости обуха) составляет около 7000 кН. Общий вид ЖМ представлен на рис. 8. Далее приведена общая схема проверки прочности при подъеме ЖМ. Расчет прочности ЖМ при подъеме состоит из четырех частей: • расчет общей прочности; глобальная КЭмодель на рис. 8; • расчет местной прочности подкреплений под обухи и примыкающих к ним конструкций; локальная КЭ-модель на рис. 9; • расчет прочности обухов; локальная КЭмодель на рис. 10; • расчет прочности проушины обуха; локальная КЭ-модель на рис. 11. При расчете общей прочности ЖМ и местной прочности подкреплений нагрузка от собственного веса металлоконструкций с учетом расчетных коэффициентов формируется автоматически средствами ANSYS. При проверке местной прочности подкреплений и обухов нагрузки в КЭ-моделях пред-

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

6

Рис. 10. КЭ-модель для проверки местной прочности тела обуха

Рис. 11. КЭ-модель для проверки прочности проушины обуха ставлены как узловые, а по граничным сечениям локальных КЭ-моделей введены соответствующие закрепления по данным счета глобальной КЭ-модели. Для моделирования пластинчатых конструкций всех КЭ-моделей использован элемент типа Shell181. Стержневые элементы Beam188 использованы для моделирования ребер жесткости (основного набора) и поясков некоторых рамных балок. Конструкция обухов для подъема такова, что толщина проушины (s) составляет 20 + 30 + + 60 = 110 мм. Поэтому для моделирования обуха и проушины в локальной КЭ-модели для расчета прочности проушины использованы объемные элементы типа SOLID95. Для определения контактных напряжений в эту модель включен фрагмент пальца такелажной скобы, также смоделированный с помощью элементов типа SOLID95. На контактных поверхностях отверстия проушины и пальца применены элементы типа TARGE170 и CONTA174.

www.ansyssolutions.ru

Рис. 12. Проушина обуха. Эквивалентные напряжения σе В результате расчетов в ANSYS для различных вариантов подкреплений под обухи и конструкций, к ним примыкающих, был определен оптимальный по параметру «прочность — масса» конструктивный тип ЖМ. Возможность относительно простой реализации в ANSYS расчета контактных напряжений в проушине (рис. 12) весьма актуальна, поскольку в последнее время отдельные страховщики рассматривают именно МКЭ-расчеты вместо традиционных ручных расчетов прочности обухов. Приведенные примеры использования ПК при проектировании корпусов объектов освоения шельфа показывает, что ANSYS является высокоэффективным инструментом изучения напряженного состояния сложных пространственных конструкций. Приемлемая скорость работы решателей ANSYS позволяет выполнять многовариантные расчеты прочности в условиях жестких ограничений по срокам проектирования. На персональном компьютере Intel Pentium 4 CPU, 3.000 GHz, 512 MB RAM продолжительность счета линейной задачи на 106 элементов составляет 4 мин, а нелинейной при 5,5⋅104 элементов — 11 мин. При таком быстродействии вполне реально, рассматривая различные варианты конструкции, изучить и степень влияния на результаты счета изменений на входе процесса (типы элементов, способ приложения нагрузки и др.), чтобы показать высокий уровень надежности результатов расчета. Это может послужить основой для постановки перед надзорными органами вопроса об уточнении нормирования прочности корпуса в части уменьшения запасов на «несовершенство методов расчетов», что будет способствовать снижению металлоемкости корпусов.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

Использование пк ansys для расчета морской ледостойкой стационарной платформы «Приразломная»

2

И.М.Берхин, Ю.Э.Лазоренко, ЦКБ «Коралл»

Целью настоящей статьи является ознакомление читателей журнала «ANSYS Advantage» с практикой применения программного комплекса ANSYS в ЦКБ «Коралл» при проектировании платформ для добычи нефти и газа на континентальном шельфе. В статье делается попытка в самой общей форме показать принятый в ЦКБ подход к расчету прочности силовых конструкций с учетом требований правил международных классификационных обществ по проектированию плавучих буровых установок и стационарных платформ (в данном случае Правил регистра РФ — далее Правил). В статье описан расчет прочности несущей конструкции ферм и палуб в районе сетки скважин Морской ледостойкой стационарной платформы (МЛСП) «Приразломная».

Рис. 1. Общий вид МЛСП «Приразломная»

www.ansyssolutions.ru

МЛСП предназначена для добычи и глубокой переработки нефти на месторождении «Приразломное» на шельфе Баренцева моря. Общий вид платформы представлен на рис. 1. Опорное основание платформы кессонного типа имеет размеры 100Ѕ100Ѕ16 м. Платформа предназначена для установки на морское дно при глубине 21 м. Одним из основных элементов платформы является буровая вышка. Она неподвижно закреплена на подвышечном основании, которое через четыре опорных башмака опирается на два рельса, установленных на опорной раме, и может перемещаться вдоль нее (в направлении с запада на восток) с помощью гидроцилиндров. В свою очередь, опорная рама через шесть опорных башмаков опирается на три рельса, прикрепленных к трем опорным фермам и может перемещаться вдоль них (в направлении с севера на юг) с помощью гидроцилиндров вместе с вышкой. За счет этого с одной вышки можно бурить и обслуживать сетку из 40 скважин, как это показано на рис. 2.

Рис. 2. Несущая ферма (фото строящейся установки)

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Конечно-элементная модель Для получения приемлемого размера конечноэлементной модели на основании предварительного деформационного анализа было принято решение общую систему «буровая вышка — подвышечное основание — промежуточная рама — фермы и палубы района сетки скважин» разбить на четыре отдельные расчетные модели. Рассматриваемый фрагмент ферм и палуб в районе сетки скважин включает рельсы, опирающиеся на фермы в плоскостях T4' и T5 и на переборку в плоскости Т4 (рис. 3). Две однопролетные фермы решетчатого типа длиной по 43,5 м и высотой по 11 м опираются по концам (в плоскостях K и M) на поперечные переборки. Фермы состоят из балок, поддерживающих рельсы (на уровне верхней палубы), а также двутавровых поясов, стоек и раскосов. Рельсы выполнены из конструкционной корпусной стали и приварены к опорным балкам по всей длине. Поэтому верхние опорные балки и рельсы рассматриваются как единые балки сложного сечения (рис. 6). Рассматриваемый фрагмент включает также главную (уровень 36 500), промежуточную (уровень 42 000) и верхнюю (уровень 47 750) палубы, опирающиеся на переборки в плоскостях K, M и Т4. Палубы представляют собой перекрытия размером 24,5×38 м с настилом, подкрепленным ребрами жесткости в виде коробчатых, двутавровых и тавровых балок. В расчете палубы смоделированы главным образом для передачи нагрузок от контейнеров и оборудования к фермам и поэтому оснащены только ребрами жесткости без настила. Основными несущими конструкциями, которые воспринимают нагрузку от вышки (вес вышки и оборудования, нагрузка на крюке, вет­ровые нагрузки на вышку), являются фермы. В принципе их можно хорошо смоделировать балочными элементами. Исключение составляют верхние пояса ферм, нагрузка на которые прикладывается от башмаков к верхним опорным поверхностям рельсов. В этом случае распределение напряжений по высоте пояса не может быть получено при использовании балочных элементов и требуется пластинчатая идеализация. Необходимо также учесть, что для корректного моделирования передачи усилия от башмака к рельсу необходимо применять контактный алгоритм, что автоматически переводит задачу в нелинейую и требует дополнительных расчетных ресурсов. В связи с этим для минимизации размеров задачи принята следующая схема моделирования: • все элементы ферм, за исключением верхнего пояса фермы Т4', смоделированы пространственными стержневыми элементами BEAM188;

www.ansyssolutions.ru

3

Рис. 3. Сетка скважин

Рис. 4. Общая конечно-элементная схема

Рис. 5. Верхний пояс фермы Т4’. Пластинчатая модель •

верхний пояс (рельс и опорная балка) фермы Т4' (как наиболее нагруженный) для корректного определения распределения напряжений среза и эквивалентных напряжений по высоте выполнен в пластинчатой идеализации элементами SHELL63; • соединение балочных и пластинчатых элементов произведено с помощью «жестких регионов»; • передача усилия от опорной рамы к рельсам для фермы Т4' смоделирована с применением контактных элементов типа «поверхность—поверхность». Общий вид конечно-элементной модели представлен на рис. 4. На рис. 5 приведен фрагмент расчетной модели фермы под рельс Т4' в пластинчатой идеализации с указанием толщин листов, на

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

4

Рис. 6. Верхний пояс фермы Т5. Балочная модель (элемент BEAM188)

Рис. 7. Нагрузка на рельсы от башмаков опорной рамы. Вариант нагрузки s1

Рис. 8. Промежуточная палуба. Нагрузки от веса оборудования рис. 6 — профиль верхнего пояса фермы Т5 в балочной идеализации (элемент BEAM188).

Расчетные нагрузки Нагрузками, непосредственно действующими на расчетный район, являются усилия, приложенные к рельсам Т4, Т4' и Т5 через шесть башмаков опорной рамы. При этом опорная рама может находиться в одном из десяти положений вдоль рельсов в соответствии с сеткой скважин (см. рис. 2). Усилия на башмаках складываются из собственного веса расположенных выше конструкций (буровая вышка, подвышечное основание, опорная рама), оборудования и систем, функциональных

www.ansyssolutions.ru

нагрузок (усилия на крюке буровой вышки), а также нагрузок окружающей среды (ветровой нагрузки). В соответствии с требованием Правил прочность конструкций буровых платформ проверяется на действие нагрузок рабочего режима и нагрузок экстремального режима (при разном уровне допускаемых напряжений). При этом должны быть рассмотрены наиболее неблагоприятные сочетания нагрузок и расчетных положений. Как было отмечено, вышка может находиться в двадцати расчетных позициях по сетке скважин, а ветер может иметь любое направление (в расчете рассматривается восемь направлений с шагом 45°). Таким образом, общее количество расчетных вариантов нагрузок для каждого рельса теоретически составляет по 320 для рабочего и для экстремального состояния. Естественно, что такое количество вариантов при проектировании не рассматривается. Однако предварительный анализ приблизительно 20-30 вариантов выполнять приходится. Этот анализ показал, что наихудшими расчетными сочетаниями нагрузок являются: • для рабочего режима: - w1 — вышка на 1-й скважине 2-го ряда южной стороны, - w4 — вышка на 4-й скважине 2-го ряда южной стороны, - направление ветра с северо-запада, скорость 25,8 м/с; • для экстремального режима: - s1 — вышка на 1-й скважине 1-го ряда южной стороны, - s4 — вышка на 4-й скважине 1-го ряда южной стороны, - направление ветра с северо-запада, скорость 48 м/с. Выполненные расчеты показывают, что для всех вариантов максимальная нагрузка приходится на башмаки рельса Т4'. Передача усилия от опорной рамы к рельсам для фермы Т4' смоделирована с применением контактных элементов типа «поверхность— поверхность». Вертикальные и горизонтальные нагрузки приложены к башмаку в геометрическом центре поперечного сечения с использованием «жестких регионов». Башмаки закреплены по всем степеням свободы, кроме вертикального перемещения. На рельсы ферм Т4 и Т5 нагрузки от башмаков приложены в виде сосредоточенных сил. На рис. 7 в качестве примера приведено приложение нагрузки от башмаков промежуточной рамы к рельсам для расчетного сочетания нагрузок s1. Наряду с внешними усилиями (нагрузками на башмаки), конструкция нагружается также собственным весом, который задается массой

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

конструкции (через ее геометрические характеристики и приведенную плотность) и компонентами ускорений. Кроме того, в расчетные нагрузки включены вес оборудования и вес контейнеров со шламом, хранящихся на ВП на начальном этапе бурения. Масса систем и оборудования и отходов бурения прикладывается к палубам в районах их расположения в виде равномерно распределенной узловой нагрузки. Общая масса оборудования, запасов и контейнеров со шламом на трех палубах составляет около 750 т. На рис. 8 в качестве примера приведено приложение нагрузки от веса оборудования на промежуточной палубе.

Результаты расчета В соответствии с требованиями Правил допускаемые напряжения устанавливаются в зависимости от толщины, предела текучести материала, степени ответственности конструкции. По степени ответственности элементы ферм отнесены к наиболее ответственным (специальным) конструкциям, повреждение которых вызывает тяжелые последствия для платформы в целом. Наиболее нагруженными конструкциями являются элементы фермы Т4'. На рис. 9-11 в качестве примера приведено распределение общих и местных напряжений в элементах фермы Т4' для варианта нагружения s1. В соответствии с Правилами прочность металлоконструкций при экстремальном нагружении проверяется по эквивалентным (по Мизесу) и касательным напряжениям. Значения действующих и допускаемых напряжений в наиболее нагруженных элементах фермы Т4' приведены в таблице, из которой видно, что прочность конструкции обеспечена. В расчете также выполнена оценка контактных давлений по контактным поверхностям башмаков и наиболее нагруженного рельса Т4' с применением контактных элементов типа «поверхность—поверхность». Распределение контактных напряжений для наиболее нагруженного башмака показано на рис. 13, из которого видно, что давления по площади контакта (0,8Ѕ1,3 м) распределяются очень неравномерно. Максимальное давление составляет 36 МПа, в то время как среднее давление — 13,2 МПа. Это объясняется наличием стенок и ребер жесткости как на рельсе, так и на башмаке, а также характером величиной общей деформации рельса и фермы Т4'. Прогиб фермы Т4' по середине пролета составляет 22 мм. По результатам расчета сделано заключение, что прочность конструкции обеспечена в соответствии с требованиями Правил регистра РФ.

www.ansyssolutions.ru

5

Рис. 9. Эквивалентные (по Мизесу) напряжения в ферме Т4’. Вариант нагрузки s1. Для получения более наглядной картины распределения напряжений в основных элементах фермы напряжения визуализируются в суженном диапазоне 0-120 МПа

Рис. 10. Распределение эввивалентных (по Мизесу) напряжений в районе контакта рельса Т4’ с башмаком. Вариант нагрузки s1, южный башмак

Рис. 11. Распределение касательных напряжений в районе контакта рельса Т4' с башмаком. Вариант нагрузки s1, южный башмак

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии Значения действующих и допускаемых напряжений

Конструкция

6

Рельс Т4' (местные напряжения в стенке) Ферма плоскости Т4' (общие напряжения)

Предел текучести, МПа

Действующие напряжения, МПа Допускаемые напряжения, МПа

Rp

σe

τ

[σ]

[τ]

500

356

123

375

214

320…355

150

38

240

137

2.

3.

Рис. 12. Поверхности контакта рельса Т4' с башмаком

4.

Рис. 13. Распределение давлений на поверхности контакта рельса Т4' с башмаком. Вариант нагрузки s1, южный башмак

Выводы 1.

Использование смешанной балочнопластинчатой модели позволило уменьшить размер конечно-элементной модели без ущерба для достоверности отображения всех основных особенностей задачи. В частности, это относится к анализу напряженного состояния рельсов в зонах передачи нагрузок от башмаков к рельсу. Применение «жестких регионов» для соединения балочных и пластинчатых элементов позволило обеспечить правильную передачу усилий между элементами и при этом существенно упростить и ускорить разработку модели.

www.ansyssolutions.ru

5.

Использование нового поколения балочных элементов BEAM188 позволяет получить развернутую оценку напряженного состояния используемых в модели балок открытого сечения со сложными профилями поперечного сечения. Чрезвычайно удобен ввод исходных характеристик сечения и возможность его объемного отображения элемента в пре- и постпроцессорах. Применение контактной технологии типа «поверхность—поверхность» при моделировании передачи усилий от башмаков к рельсу позволяет получить весьма достоверные результаты в части распределения местных напряжений в элементах взаимодействующих узлов, в том числе в стенках и ребрах, подкрепляющих контактные поверхности. Это позволяет правильно спроектировать узлы, находящиеся в зоне передачи больших нагрузок, и обеспечить повышение их статической и циклической надежности. Принятая в расчетной модели схема закрепления башмаков по всем трем поворотным степеням свободы равносильна тому, что опорную раму следует рассматривать как абсолютно жесткую. При этом контактные поверхности башмаков в процессе расчета остаются горизонтальными и не отслеживают общую деформацию рельса. Это дает консервативную (в запас) оценку удельных давлений на контактных поверхностях и местных напряжений в прилегающих конструкциях. Устранить этот эффект можно путем включения промежуточной рамы в общую расчетную модель. Обратной стороной такого подхода будет существенное увеличение размеров модели, необходимых расчетных ресурсов и времени расчета. Программный комплекс ANSYS является мощным, эффективным и удобным расчетным средством, которое позволяет осуществлять разработку таких сложных, ответственных и тяжело нагруженных конструкций, как сооружения для работы на континентальном шельфе на современном уровне при обеспечении высокой эффективности и эксплуатационной надежности.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

2

Реализация метода конечных элементов в исследованиях прочности и несущей способности сложных судовых конструкций В.В.Осипенко, канд. техн. наук, А.М.Пузырев, Г.А.Тумашик, канд. техн. наук, ГНЦ ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова»

Введение Внедрение в строительство морской техники, в первую очередь подводной, все более сложных конструкций и корпусных материалов с повышенными прочностными характеристиками напрямую связано с тенденцией повышения технических требований к новым разработкам. Это, в свою очередь, заставляет уделять повышенное внимание проблемам обеспечения прочности и надежности практически безрезервных и длительно эксплуатируемых прочных (несущих) корпусных конструкций тех или иных объектов. При рассмотрении данной проблемы в последние годы, несмотря на наличие в отече-

Рис. 1. Структура процесса проектирования

www.ansyssolutions.ru

ственном подводном кораблестроении хорошо развитых расчетно-аналитических подходов и численных решений, все большое применение находят универсальные программные МКЭкомплексы ANSYS, COSMOS, NASTRAN и др. При соответствующей специальной адаптации к решению задач уточненной оценки напряженнодеформированного состояния и устойчивости (несущей способности) оболочечных конструкций (рис. 1) в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова удалось осуществить ряд разноплановых и весьма успешных в практическом отношении расчетных постановок. Выполненные в институте проработки в обеспечение необходимого и достаточного уровня математического моделирования высоконагруженных конструкций делают возможным надежное выявление наиболее проблемных узлов и элементов конструкций. Эти проработки включают не только теоретические исследования, но и создание банка экспериментальных данных и верифицированных конечно-элементных моделей. Многовариантные расчеты сложных оболочечных конструкций, выполненные на базе этих моделей, показали, что в отдельных случаях применение традиционных расчетно-аналитических методов приводит к недооценке уровня напряженности рассматриваемых объектов. Накопленный многолетний опыт соответствующих исследований и имеющиеся в институте мощные экспериментальные средства оказались особенно востребованными в последние годы в связи с решением ряда сложных и ответственных задач, в частности при разработке концепции и рабочего проекта подъема атомного подводного крейсера «Курск» (АПК), при обосновании возможности повышения эксплуатационных параметров ряда объектов

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

подводной техники, при оценке прочности и работоспособности новой высокопрочной стали и ее сварных соединений в составе прочных корпусов перспективных объектов подводной техники. При решении данных задач оказалось очень эффективным сочетание проведения масштабных экспериментально-расчетных работ и использования средств математического моделирования и численного анализа, реализованных в конечно-элементном программном комплексе ANSYS.

3

Судоподъем АПК «Курск» В судоподъемных морских операциях определяющими являются параметры надежности, связанные с прочностью поднимаемого объекта и грузонесущей системы. Уникальность подъема АПК требовала особого внимания к вопросам расчетно-экспериментального обоснования коэффициентов безопасности. Основная идея концепции проекта подъ­ ема — крепление подъемных устройств к верхней части корпуса вместо традиционной для судоподъема системы устройств, подводимых под днище. Передача подъемных усилий осуществлялась с помощью специально созданных захватных устройств‑зацепов, вводимых внутрь прочного корпуса через вырезы. В расчетах НДС прочного корпуса учитывались его предполагаемые разрушения, распределение весовой нагрузки и сил присоса к грунту, различные варианты расположения захватных устройств по длине корпуса АПК. Для детальных расчетов прочности корпуса при подъеме АПК «Курск» с целью уточнения величин тяговых усилий была разработана общая конечно-элементная модель для прочного корпуса в целом (рис. 2). Разработанная модель позволяла варьировать количество и величины тяговых усилий при неизменной общей конфигурации их расположения. Наружные конструк-

Рис. 2. КЭ-модель для прочного корпуса

www.ansyssolutions.ru

Рис. 3. Результаты расчета НДС прочного корпуса ции (легкий корпус, прочные цистерны и конструкции внутри прочного корпуса) в модели не учитывались, вследствие чего погрешности расчета были заведомо направлены в безопасную сторону. Расчетным путем моделировалось упругое состояние прочного корпуса — цилиндрической оболочки, подкрепленной наружными шпангоутами таврового профиля. Оценивалось как влияние отверстий на прочность корпуса при общем изгибе, так и взаимовлияние отверстий. В отличие от проектных проработок ЦКБ МТ «Рубин» при моделировании точно удовлетворялись условия продольного и поперечного равновесия корпуса при подъеме. Результаты расчетов показали, что максимальные напряжения в корпусе АПК возникают на стадии отрыва от грунта. Фибровые напряжения от общего изгиба корпуса при отрыве от грунта представлены на

Рис. 4. Результаты расчета локального НДС прочного корпуса

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

4

Рис. 5. Сравнение результатов численного моделирования и экспериментальных исследований рис. 3. Было установлено, что они не превышают 0,3σ0,2 (σ0,2 — предел текучести материала прочного корпуса). С целью расчета локального напряженного состояния прочного корпуса в районе отверстий с учетом истинной геометрии вырезов и реальной схемы приложения тяговых усилий было создано несколько конечно-элементных подмоделей для представления корпуса в районе отсеков АПК (рис. 4). Предполагалось, что силы трения зацепа по поверхностям контакта с обшивкой отсутствуют, поэтому радиальная составляющая тягового усилия воспринимается шпангоутом, а тангенциальная — кромкой обшивки у выреза.

Были выполнены расчеты корпуса в районе отверстий при различных соотношениях нормального и касательного компонентов нагрузки, что соответствовало различному расстоянию от диаметральной плоскости корпуса до центра отверстий и разному наклону нормали к оболочке по отношению к вертикальному подъемному усилию. В целом, как показал расчет, уровень локальных напряжений в районе отверстий возрастал пропорционально углу между линией приложения усилия и нормалью к оболочке и не превышал 0,4σ0,2 — для поясков загруженных шпангоутов и 0,5σ0,2 — для обшивки в районе отверстий. Для верификации полученных расчетных данных и подтверждения коэффициентов безопасности был запланирован и проведен ряд экспериментально-опытных работ на различных элементах судоподъемной системы, в том числе натурные фрагменты корпуса АПК, включающие подкрепленную обшивку, отверстие и элементы устройства-зацепа; фрагменты шпангоутов без и с присоединенным пояском обшивки. Нагрузка прикладывалась статически и циклически. Все экспериментальные работы сопровождались созданием соответствующих КЭ-моделей и расчетом в программном комплексе ANSYS. Сопоставление результатов опытных работ, расчетов НДС модельных конструкций и комплексного расчета прочного корпуса в целом показало их хорошую согласованность (рис. 5). Проведенные исследования были положены в основу правильной оценки значений коэффициентов безопасности, что стало одним из ключевых моментов успешного проведения судоподъемной операции в целом.

Рис. 6. Примеры КЭ-моделей конструкций

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

5

Рис. 7. Пример построения обобщенных параметрических кривых

Оценка прочности и несущей способности корпусных конструкций с учетом их фактических характеристик В настоящее время одним из важных направлений исследовательских работ является повышение эксплуатационных характеристик корпусов отдельных объектов подводной техники. В частности, в обеспечение этого направления институтом был проведен ряд важных расчетнотеоретических и экспериментальных исследований на существующих и строящихся заказах. Номенклатуру исследований составляли как испытания натурных корпусных конструкций на статическую нагрузку с целью определения параметров НДС, сопровождающиеся расчетами прочности с помощью аналитических и численных методов, так и выполнение серии расчетов несущей способности. В результате были уточнены методы расчета статической прочности и устойчивости; с целью получения подробной картины напряженнодеформированного состояния и выявления наиболее напряженных районов разработаны соответствующие конечно-элементные модели на базе 2D- и 3D-элементов (рис. 6). Важной эксплуатационной характеристикой для оболочечных конструкций является величина критического давления, при котором происходит потеря несущей способности с последующим разрушением. Фактором, определяющим расчет данной величины, является

www.ansyssolutions.ru

учет как физической, так и геометрической нелинейности. Институтом накоплен большой положительный опыт по совместному использованию собственных аналитических и численных решений и расчетов в пакете ANSYS при определении несущей способности подкрепленных оболочек вращения по их фактическому состоянию. В качестве примера можно привести построение обобщенных параметрических кривых для определения местной несущей способности в представляющем практический интерес диапазоне конструктивных параметров подкрепленной цилиндрической оболочки, что позволяет производить надежную экспресс-оценку несущей способности шпации, учитывающую данные по реальной геометрии и характеристикам материала (рис. 7). Полученные в работе результаты позволяют внедрять новые конструктивные и технологические решения при гарантиях прочности и эксплуатационной надежности корпусов с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Комплексные исследования прочности корпусных конструкций, использующих новые высокопрочные материалы Основой внедрения перспективных материалов в корпусном судостроении является проверка их работоспособности, которая включает комплекс гидравлических испытаний внеш-

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

6

Рис. 8. Конструкция опытного отсека

напряженно-деформированного состояния опытной конструкции и выявления наиболее напряженных районов с целью повышения эффективности схемы установки тензорезисторов. В ходе ГИ обработанные данные тензоизмерений сопоставляются с результатами КЭ расчетов и данными, полученными аналитическими методами, что позволяет откорректировать как схему тензоизмерений, так и КЭ-модели соответствующих районов. Путем сопоставления и согласования опытных и расчетных результатов обеспечивается получение максимально достоверных данных по напряженно-деформированному состоянию конструкций опытных отсеков, позволяющих надежно оценить работоспособность новых высокопрочных сталей в составе корпусных конструкций объектов подводной техники.

Рис. 9. Результаты расчетов НДС конструкций в ANSYS ним давлением (ГИ) масштабного объекта. ГИ осуществляются путем внешней нагрузки на гидробарическом стенде института, в состав которого входит док-камера ДК-600. В последнее время существенным дополнением таких испытаний стали параллельные конечноэлементные расчеты. Опытный отсек, как правило, представляет собой крупномасштабную объемную конструкцию (рис. 8), состоящую из подкрепленных шпангоутами оболочек вращения, ограниченных по торцам плоскими или торосферическими переборками. Нагрузки, действующие на отсек, по характеру воздействия соответствуют эксплуатационным. Последовательность работ заключается в следующем. На первом этапе разрабатываются конечно-элементные модели (как правило 3D) с целью получения подробной картины

www.ansyssolutions.ru

Заключение Работы, выполнявшиеся институтом в последнее время, показали высокую эффективность комплексных исследований прочности и несущей способности судовых конструкций, включающих на разных этапах конечно-элементные расчеты в широком диапазоне постановок. Основными функциями, которые они при этом выполняют, являются уточнение, дополнение, верификация. Следует при этом отметить, что значимость конечно-элементного анализа как инструмента в существенной мере зависит от наличия таких факторов, как банк надежных экспериментальных данных, опыт расчета иными методами и, наконец, практический уровень специалистов-расчетчиков в области механики деформируемого твердого тела. Только при сочетании всех этих факторов можно рассчитывать на успех.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

Верификация и аттестация программного комплекса ANSYS в части расчета температурного состояния конструкций и оборудования ЯЭУ

2

С.Л.Осипов, С.А.Рогожкин, С.Ф.Шепелев, ФГУП «ОКБМ им. И.И.Африкантова» (г.Нижний Новгород) В ФГУП «ОКБМ» для расчета температурного состояния элементов конструкции, оборудования и трубопроводов, испытывающих воздействие постоянных и переменных во времени тепловых нагрузок, при обосновании безопасности реакторных установок применяется универсальный конечно-элементный программный комплекс ANSYS [1]. В соответствии с требованиями ПБЯ РУ АЭС-89 [2] все программные средства (ПС), используемые для обоснования безопасности ЯЭУ, представляются в надзорные органы и подлежат аттестации. Аттестацию ПС проводит Совет по аттестации при НТЦ ЯРБ Ростехнадзора России согласно с РД-03-17-2001 [3]. Основным документом, обосновывающим информацию, содержащуюся в аттестационном паспорте ПС, является отчет о верификации ПС, который выполняется в соответствии с требованиями РД-03-34-2000 [4]. В соответствии с [4] верификационный отчет должен содержать описание и обоснование применяемых расчетных схем и геометрических моделей, а также сопоставление результатов расчета по ПС: • с экспериментальными и эксплуатационными данными; • с аналогичными результатами, полученными по ранее аттестованным ПС; • с аналитическими решениями; • с результатами теоретического анализа. Верификация программы ANSYS проводилась путем сопоставления результатов расчета с соответствующими аналитическими решениями, с расчетами, выполненными с помощью аттестованного ПС TROSK [5], и с экспериментальными данными, полученными на действующей реакторной установке БН-600. Сравнение результатов расчета по программе ANSYS с аналитическими решениями выполнено для следующих задач: • распределение температур в плоской стенке; • распределение температур в цилиндрической стенке;

www.ansyssolutions.ru

•

распределение температур в шаровой стенке; • распределение температур в многослойной плоской стенке; • распределение температур в многослойной цилиндрической стенке; • передача тепла через стержень; • распределение температур в круглом плоском ребре; • распределение температур в плоской стенке при наличии внутренних источников тепла; • распределение температур в цилиндрической стенке при наличии внутренних источников тепла; • распределение температур в шаровой стенке при наличии внутренних источников тепла; • охлаждение плоской стенки; • нагревание тела цилиндрической формы; • нагревание тела сферической формы; • неограниченная пластина. Температура среды — линейная функция времени; • неограниченный цилиндр. Температура среды — линейная функция времени; • шар. Температура среды — линейная функция времени; • излучение плоской пластины в окружающей среде; • лучистый теплообмен между двумя цилиндрическими трубами. Проведенное сравнение показало, что максимальное значение относительной погрешности составляет: • для задач стационарной теплопередачи — 2,1%; • для задач нестационарной теплопередачи — 2,8%. Сравнение результатов расчета по программе ANSYS с результатами, полученными по аттестованному ПС TROSK, выполнено для следующих задач: • неограниченный уголок в засыпке; • сектор цилиндрической втулки при наличии внутренних источников тепла (рис. 1);

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

3

Рис. 1. Сравнение результатов расчета по ПС ANSYS и TROSK для задачи «сектор цилиндрической втулки при наличии внутренних источников тепла» •

Рис. 2. Сравнение результатов расчета распределения температур в узле перехода ВТД теплообменника в наружную обечайку, полученных по программе ANSYS, с экспериментальными данными

распределение температур в опорном узле корпуса реактора; • распределение температур в узле перехода верхней трубной доски (ВТД) теплообменника в наружную обечайку; • распределение температур в узле перехода ВТД теплообменника во внутреннюю обечайку. Максимальное значение относительной погрешности составляет: • для задач стационарной теплопередачи — 7,0%; • для задач нестационарной теплопередачи — 7,5%. Сравнение результатов расчета по программе ANSYS с экспериментальными данными [5], полученными на действующей реакторной установке БН-600, выполнено для следующих задач: • распределение температур в опорном узле корпуса реактора (см. таблицу); • распределение температур в узле перехода ВТД теплообменника в наружную обечайку (рис. 2); • распределение температур в узле перехода ВТД теплообменника во внутреннюю обечайку (рис. 3). Проведенное сравнение показало, что максимальное значение относительной погрешности составляет: • для задач стационарной теплопередачи — 6,8%; • для задач нестационарной теплопередачи — 6,0%. Проведенная верификация подтвердила возможность использования программы ANSYS для расчета температурного состояния ЯЭУ раз-

www.ansyssolutions.ru

Рис. 3. Сравнение результатов расчета распределения температур в узле перехода ВТД теплообменника во внутреннюю обечайку, полученных с помощью ANSYS, с экспериментальными данными

Сравнение результатов расчета по программе ANSYS и эксперимента для опорного узла корпуса реактора

Номер точки системы ТиТ

Значение температуры, °С Эксперимент

ANSYS

Эксперимент

ANSYS

137

332

330,7

353

351,4

138

314

321,9

343

342,2

142

240

256,3

267

276,4

личного назначения — как проектируемых, так и находящихся в эксплуатации. В настоящее время вся программная документация по ПС ANSYS и верификационный отчет переданы в НТЦ ЯРБ для прохождения процедуры аттестации. Литература: 1. Программный комплекс ANSYS, экспортная лицензия D334623, АNSYS, Inc. 2. Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных станций (ПБЯ РУ АС — 89), утверждены постановлением Госпроматомнадзора СССР № 7 от 12.06.90, введены в действие с 01.09.90.

3. Положение об аттестации программных средств, применяемых при обосновании безопасности объектов использования атомной энергии (РД-03-17-2001), утвержденно приказом начальника Госатомнадзора России от 13.12.2001 № 105, введено в действие с 01.01.2002 г.

4. Требования к составу и содержанию отчета о верификации и обосновании программных средств, применяемых для обоснования безопасности объектов использования атомной энергии, утверждены приказом начальника Гос­атомнадзора России от 28.12.2000 № 122, введены в действие с 29.12.2000 г.

5. Регистрационный номер паспорта аттестации программного средства TROSK №195 от 26.05.05.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

Локализация семейства программных продуктов ANSYS Workbench

2

Что это нам дает?

Сергей Денисихин, Вера Иванова, Александр Чернов

Ни для кого не секрет, что эффективность работы с программным продуктом во многом зависит от того, удобен ли он в эксплуатации. Одним из важнейших критериев удобства можно назвать доступность восприятия графического интерфейса среды, а именно возможность работы с программой на родном для пользователя языке. Преодоление языкового барьера дает пользователю возможность сосредоточиться на освоении программного продукта, и без того достаточно сложного. До появления программной среды ANSYS Workbench локализация таких расчетных систем, как ANSYS, своими силами была практически нерешаемой задачей. Это в первую очередь связано с особенностями работы графического интерфейса ANSYS. Создание интеграционной оболочки ANSYS Workbench, основанной на передовых технологиях и современных средствах программирования, во многом упростило решение данной задачи. В настоящее время расчетные возможности модуля Simulation, работающего в среде ANSYS Workbench, пока скромнее, чем его прототипа — классического ANSYS, несмотря на использование одного и того же решателя. Однако программная среда ANSYS Workbench Simulation обладает рядом заметных преимуществ, и одно из них — параметризация на основе ядра Parasolid. Эта возможность отсутствует при использовании классического препостпроцессора ANSYS. Учитывая тенденции и скорость развития ANSYS Workbench, можно сделать предположение о скором (через 1-2 версии) совпадении расчетных возможностей классического ANSYS и ANSYS Workbench Simulation. Как уже было отмечено, возможность работы на родном языке значительно ускоряет процесс освоения любого сложного программ-

www.ansyssolutions.ru

ного продукта. Учитывая многочисленные пожелания пользователей ANSYS, компания ЗАО «ЕМТ Р», ведущий авторизованный дистрибьютор, инженерно-консалтинговый и учебный центр ANSYS, в тесном сотрудничестве c ОАО «Энергомаш», разработчиком оборудования для энергетики и крупнейшим пользователем ПО ANSYS и ANSYS CFX в России, успешно выполнила перевод, адаптацию и тестирование интерфейса ANSYS Workbench Simulation на русском языке. Были полностью переведены графический интерфейс пользователя, включая меню и диалоговые окна, дерево проектов, систему отчетов и другие шаблоны. Сопоставить удобство восприятия информации до и после перевода можно, посмотрев на фрагменты рабочего экрана, представленные на рис. 1.

Рис. 1. Так выглядят графические интерфейсы ANSYS Workbench Simulation на английском и русском языке

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Кроме преимуществ, связанных с ускорением процесса обучения работы с расчетной системой, локализация программного продукта ANSYS Workbench Simulation несет и некоторые дополнительные функции. Одна из них — возможность разработки шаблона отчетной документации в соответствии с некоторым стандартом. Известно, что на каждом предприятии существуют свои форматы представления отчетной документации. Причем по форме и содержанию отчеты могут различаться даже внутри одного подразделения. Начиная с 11-й версии ANSYS Workbench появилась реальная возможность использовать встроенный в программный продукт генератор отчетов. Такой инструмент позволяет достаточно оперативно создавать отчеты, сокращая при этом рутинную работу инженера-расчетчика. К недостаткам работы генератора можно отнести формат вывода, который может не соответствовать стандарту предприятия, и, увы, получение документов на английском языке. Устранение названных недостатков — задача непростая, но выполнимая. Причем для ее решения как раз необходимо иметь уже локализованную, то есть русифицированную версию ANSYS Workbench. В структуре файлов ANSYS Workbench содержится ряд директорий, отвечающих за языковое наполнение программного продукта. Поэтому для создания собственного языка интерфейса необходимо подготовить и подключить, аналогично имеющимся языкам, локализованные файлы описания. Так, в базовой поставке пользователь имеет возможность выбрать один из четырех языков: английский, немецкий, французский или итальянский. Аналогичным образом создается папка с русским языком. Элемент среды ANSYS Workbench, выполняющий работу генератора отчетов, состоит из взаимосвязанных описаний структур (файлы с расширением *.xml), форм (файлы с расширением *.html) и функций (файлы с расширением *.js). В зависимости от выбора языка генератор будет взаимодействовать с соответствующими языковыми файлами. Поскольку ANSYS Workbench является модульной системой, для полной локализации необходимо было провести работу с каждым модулем отдельно (Simulation, DesignModeler и т.д.). Каждый модуль располагается в собственной директории. Элементы, отвечающие за язык интерфейса того или иного модуля, находятся в папке Language, в которой, в свою очередь, идет деление на варианты языкового оформления (английский — «en-us», немецкий — «de» и т.д.). На рис. 2 представлена связь между языковыми папками всей среды ANSYS Workbench и ее отдельными модулями.

www.ansyssolutions.ru

3

Рис. 2. Схема расположения языковых файлов интерфейса ANSYS Workbench

Рис. 3. Отчет: разделы содержания и системы единиц

Рис. 4. Отчет: раздел нагрузок В процессе анализа работы генератора отчетов было выяснено, что формирование отчета происходит практически только за счет заимствования значений элементов языковых файлов, содержащих такие сведения, как тип используемых элементов, материал исследуемой среды, тип анализа и ряд других. Такой способ формирования позволяет путем выбора языка графического интерфейса задавать язык получаемого отчета.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии гораздо больший объем информативных данных о задаче. В ряде случаев, например при генерации промежуточных отчетов, может применяться такая упрощенная форма.

4

Изменение содержимого отчета

Рис. 5. Отчет: раздел решения

Рис. 6. Модифицированный отчет на русском языке в среде ANSYS Workbench

Рис. 7. Пример модифицированного отчета, полученного в ANSYS Workbench с использованием адаптированного шаблона (любезно предоставлен компанией ОАО «Энергомаш») Так, на рис. 3-5 представлен вариант отчета по задаче, решенной с помощью модуля ANSYS Workbench Simulation. При этом в представленном отчете собственные формы заполнения не использовались. Из рисунка видно, что даже в таком варианте получаемый отчет несет

www.ansyssolutions.ru

Для того чтобы скорректировать имеющийся отчет под требуемый стандарт или хотя бы максимально приблизиться к нему, существует несколько различных подходов. Самым простым решением вопроса является передача отчета без каких-либо изменений из среды ANSYS Workbench в Microsoft Word с последующими изменениями уже в Microsoft Word. Данный вариант хоть и наиболее простой в реализации, но является самым трудоемким. Оптимальным представляется вариант, заключающийся в исправлении содержимого отчета непосредственно при его генерации в среде ANSYS Workbench. Для такой реализации необходимо знание языков программирования XML и JavaScript. Данный подход позволяет значительно сократить сроки создания отчета и снизить вероятность получения ошибок, неизбежно возникающих при ручном переносе данных. В ходе работ по локализации и адаптации среды ANSYS Workbench были разработаны и адаптированы несколько функцией, отвечающих за стандартизацию отчетов. На рис. 6 представлен один из вариантов скорректированного отчета. Необходимо учитывать тот факт, что отчеты формируются в виде HTML-файлов, то есть имеют некоторый формат, отличный от Microsoft Word. Это налагает ряд особенностей на передачу данных. Один из вариантов автоматической генерации отчета с использованием шаблона страницы представлен на рис. 7, из которого видно, что при передаче производится и автоматическое заполнение полей «штампа» — данные о разработчике, дата создания, название подразделения и др. В результате работы по переводу среды ANSYS Workbench нами было решено сразу несколько задач. Среди них наиболее важными представляются доступность обучения и работы с интерфейсом на русском языке, а также возможность значительного, в среднем в 2-3 раза (по тестам ОАО «Энергомаш»), сокращения времени на написание отчетной документации за счет гибкого использования адаптированного генератора отчетов ANSYS Workbench. Сама русификация — это программная оболочка с локализацией и адаптированным генератором отчетов с рабочим названием WB-RUS v.11, который устанавливается поверх лицензионного ANSYS Workbench v.11. В дальнейшем, при выходе новых релизов ПО ANSYS, авторы и разработчики продолжат локализацию и адаптацию ANSYS Workbench.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

Оптимизация конструкций в модуле DesignXplorer среды Workbench с использованием метода Variational Technology

2

Александр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р»

В 5-м номере журнала «ANSYS Solutions. Русская редакция» была опубликована статья «Оптимизация конструкций в среде DesignXplorer», в которой рассматривалась оптимизация конструкции с использованием алгоритма оптимизации — Design of Experiment. В этой статье мы расскажем о другом методе, известном как Variational Technology.

менения, при которых не меняется топология геометрии, более экономичным представляется применение метода оптимизации Variational Technology. Суть метода заключается в том, что для оптимизации выбирается одна расчетная КЭмодель (из диапазонов входных перемен-

В чем состоит основное отличие между этими двумя методами? При использовании метода Design of Experiment («Планирование эксперимента») на основании входных переменных (описывающих геометрическую модель) для каждой расчетной точки генератором сетки создается новая КЭ-модель. Этот метод позволяет решать задачи с большими изменениями формы и поэтому является более универсальным. В случае когда входные переменные (число которых не превышает 10), отвечающие за изменение формы, имеют такие диапазоны из-

Рис. 1

www.ansyssolutions.ru

Рис. 2

Рис. 3

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

3

Рис. 4 ных, отвечающих за изменение формы модели, для создания КЭ-модели выбираются средние значения) и далее для других расчетных точек комбинируются «морфинг»-сетки с приближением с помощью разложения в ряды Тейлора. Рассмотрим метод оптимизации Variational Technology на примере расчета пластины с отверстием. На рис. 1 представлена геометрическая модель плоской пластины с отверстием, выполненная в модуле геометрического моделирования DesignModeler. Обратите внимание на два параметра: XYPlane.L5 = @DS_L2 и XYPlane.L4 = @DS_L1, которые задают положение отверстия (рис. 2). Далее эту геометрическую модель мы передаем для расчета в модуль DesignSimulation. При этом имена данных параметров (DS_L1 и DS_L2) появятся в строке CAD Parameters раздела Geometry текущего проекта (рис. 3). После этого мы должны определить граничные условия и провести решение. Визуализация объекта решения в виде контуров полей эквивалентных напряжений представлена на рис. 4. Далее в качестве искомых параметров мы задаем максимальные эквивалентные напряжения (рис. 5) и переходим к процедуре па-

www.ansyssolutions.ru

Рис. 5 раметрической оптимизации данной расчетной модели. Для этого в странице проекта выбираем запуск модуля оптимизации Start Design­ Xplorer… (рис. 6).

Рис. 6 Появится диалоговое окно выбора подхода к оптимизации (рис. 7).

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

4 Рис. 7 Сразу поясним, что подход What-if есть не что иное, как задаваемые пользователем в таб­ личном виде варианты расчета (никакие алгоритмы оптимизации в этом случае не применяются). Выбираем подход Deterministic, после чего на экране появится диалоговое окно метода оптимизации (рис. 8). На этом этапе укажем на ограничения по использованию метода оптимизации Variational Technology. Этот метод не работает, если в расчетной модели присутствуют геометрические нелинейности и нелинейные свойства материала. Есть еще ряд других, о которых можно подробнее узнать в документации ANSYS Workbench Help.

Далее следует выполнить предварительную проверку возможности применимости данного метода для заданного диапазона входных параметров. В верхней панели в ниспадающем меню кнопки Run следует последовательно выполнить команды Verify Geometry Parameters (проверка возможности построения геометрии в заданных диапазонах входных параметров) и Mesh Morph (проверка возможности морфинга сетки). В случае успешного прохождения этой процедуры можно запустить процесс решения в ANSYS — Run ANSYS Solution. При успешном завершении процесса решения можно будет ознакомиться с откликом конструкции на изменение входных данных. Наиболее наглядным представлением является выбор в разделе Responses опции FEA Result. На рис. 10 и 11 показано отображение результатов расчета в виде контуров эквивалентных напряжений для двух расчетных случаев: в первом случае — DS_L1= 50 мм и DS_L2= 30 мм, во втором — DS_L1= 46,5 мм и DS_L2= 32 мм.

Рис. 8 Поэтому если расчетная модель попадает под ограничения применимости данного метода, то в следующем диалоговом окне среди предлагаемых методов пункт Variational Technology будет неактивным. Далее появится окно описания входных/ выходных переменных, в котором следует задать диапазоны изменения входных параметров (рис. 9).

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 9

www.ansyssolutions.ru

Кроме того, результаты расчетов можно представить в виде диаграммы Response Charts (рис. 12).

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

5

Рис. 12

Рис. 13

Рис. 14

Следует отметить, что в этом примере в качестве входных переменных использовались только две переменные (можно использовать не более 10), описывающие изменение геометрической модели. В качестве входных параметров кроме переменных, описывающих изменение геометрической модели, могут быть использованы переменные, описывающие свойства материалов для статического расчета НДС (модуль Юнга, плотность и коэффициент Пуассона), толщину для оболочечных моделей, инерционные нагрузки (ускорение, скорость вращения). Переменных такого типа можно использовать не более 50. Кроме того, нельзя применять упрощение геометрической модели с помощью опции Vir­ tual topology. На рис. 13-15 наглядно показано, что понимается под изменением топологии гео-

www.ansyssolutions.ru

Рис. 15 метрической модели, которое приводит к невозможности применения метода оптимизации Variational Technology. Пусть имеется исходная геометрическая модель (рис. 13). Предположим, что изменяется параметр, описывающий радиус расположения отверстий. В случае, когда изменение радиуса не приводит к изменению топологии, метод оптимизации Variational Technology применим (рис. 14). Если изменение радиуса приводит к попаданию отверстий на галтель, то метод оптимизации Variational Technology использовать невозможно, так как изменилась топология модели (рис. 15). Метод оптимизации Variational Technology является одним из самых быстрых, но имеет много ограничений по использованию, поэтому следует внимательно оценить возможность его применения для текущей задачи оптимизации.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

Применение modeFRONTIER при расчете изделий из композитных материалов

2

Пример калибровки моделей LS‑DYNA на основе результатов натурных экспери‑ ментов для моделей из композиционных материалов с использованием методов оптимизации многоцелевой программной среды modeFRONTIER. На протяжении последних двадцати лет многие ученые неоднократно пытались понять модель сложного поведения слоистых композиционных материалов при нестационарных режимах нагружения. Цель данных попыток — идентифицировать и характеризовать соответствующие механизмы разрушения, понять их причины и спрогнозировать возможное поведение сложных конструкций при определенных режимах нагружения. В данной статье рассматриваются некоторые основные проектные характеристики, например параметры материала (матрица, наполнение и граница между слоями), последовательность упаковки, последовательность отслоения, толщина отслоения и др. При использовании виртуальных прототипов возникают определенные сложности — в данном случае для ввода реальных свойств материалов необходимо точное сравнение результатов моделирования и эксперимента. Новая процедура применения виртуальных прототи-

пов при проведении численного моделирования предусматривает достаточно простые и экономичные предварительные натурные испытания для калибровки модели. Испытание физических моделей, демонстрирующее реальное поведение композиционных материалов при столкновении, играет существенную роль при проведении численного моделирования. Благодаря испытаниям можно изучить разностороннее влияние свойств композиционных материалов на их поведение при нестационарных режимах нагружения и улучшить эксплуатационные характеристики промышленных изделий. Кроме того, данный метод позволяет понять влияние нефизических численных исходных данных на динамические характеристики композитов с точки зрения численной устойчивости расчета, точности результатов и эффективности численных моделей (скорости расчета). Виртуальные прототипы могут также применяться на этапе оптимизации промышленных изделий, на котором требуется улучшить ряд свойств изделий из композиционных материалов. Процедура использования виртуальных прототипов требует численных исследований с применением инструментов программного ком-

Рис. 1. Модель шлема PTW для расчета в LS-DYNA

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

плекса LS-DYNA, разработанных специально для изучения столкновений и нелинейного динамического поведения совместно с многоцелевой интегрированной платформой modeFRONTIER, используемой для проведения калибровки задаваемых физических свойств моделей. В данном случае виртуальные прототипы применялись для проектирования (и прогноза надежности при аварии) защитного шлема PTW. Для калибровки были проведены испытания на квазистатическое растяжение и столкновение (как правило, необходимо для оценки основных механических характеристик и способности материала шлема к поглощению энергии) на двух различных квадратных образцах композитов и на четырех различных образцах слоистых пластиков. Численные модели LS-DYNA из композитных материалов строились на основе физических свойств материала, полученных в результате натурного эксперимента. С помощью modeFRONTIER были получены необходимые входные параметры для моделей материала LS-DYNA и изучены существующие ограничения применяемых моделей. Были взяты образцы двух различных типов слоистых пластиков, полученных автоклавным формованием (autoclave-moulded composite laminates), и четырех различных типов пластиковсэндвичей с углеродными и органическими волокнами (autoclave-moulded Kevlar — Carbon skins sandwich laminates) с PVC, PMI, PU и сотовым заполнителями. На предприятии были проведены все натурные эксперименты квадратных (110Ѕ110 мм) образцов на стенде Fractovis CEAST drop tower в соответствии со стандартом ASTM 3763. Записывались результаты по действующим нагрузкам, кинетической энергии, скорости и деформации каждого из образцов композиционных материалов. Затем анализируемые слоистые пластики были смоделированы с применением оболочечных элементов с формулировкой BelytschkoTsai. В многослойных оболочечных элементах для каждого из слоев было задано по одной точке интегрирования. Для разных типов композиционных материалов был использован материал type 58 c гладкой поверхностью разрушения (smooth failure surface). Геометрия заполнителя сэндвича была построена с помощью оболочечных и твердотельных элементов, включающих два восьмиузловых гекса-элемента (материал type 63). В LS-DYNA был проведен квазистатический расчет, соответствующий тесту на растяжение слоистых пластиков для определения поведения модели в напряженном состоянии.

www.ansyssolutions.ru

ModeFRONTIER позволяет работать с большим объемом информации из разных источников и быстро получать лучшую конфигурацию модели, оптимально соответствующую эксперименту. Данный инструмент позволяет оценить исходные данные, рассчитать точную конфигурацию модели материала, а также добиться чувствительности модели к заданным параметрам. В результате можно получить надежные численные модели для процессов столкновения, а также оценить исходные данные и переменные величины при изучении динамических характеристик композитов и слоистых пластиков с точки зрения поглощаемой и максимальной энергий и воспринимаемой максимальной силы. Затем были рассчитаны механические характеристики и редуцирующие факторы слоистых пластиков и пластиков-сэндвичей. При проведении оптимизации в качестве входных управляемых переменных были использованы полученные таким образом статистически распределенные результаты расчетов и определенный диапазон редуцирующих факторов. Целевой функцией при проведении оптимизации выступало совпадение точек экспериментальных и полученных расчетным путем кривых F-t и E-t. После решения оптимальной задачи использовались два основных средства анализа результатов: Фронт Парето и диаграмма Student. В результате проведенной многокритериальной оптимизации был получен набор данных, описывающий модель материала с хорошим согласованием результатов расчетов и натурных экспериментов по всем оцениваемым парамет­ рам и характером поведения кривых для слоистых пластиков. Была получена дельта: самая меньшая — 5% (для слоистых пластиков), а самая большая — 6% (для пластиков-сэндвичей). Данный подход с использованием методики оптимизации curve-fitting позволил определить для каждого участвующего в расчете материала по одному набору редуцирующих факторов, что, в свою очередь, означало корректность выбранных входных параметров в LS-DYNA. Разработанная методика расчетов моделей из композиционных материалов была использована при оценке ударной стойкости шлема PTW. Принятая процедура проведения натурных экспериментов и расчетов в LS-DYNA (с моделями материала 58 и 63) подразумевает использование в качестве интегрирующей платформы среду modeFRONTIER. Для моделирования тканевой основы (woven fabrics) использовалась модель материала 58, а для пенного заполнителя (crushable foam) — модель материала 63. В аналогичном предыдущем проекте (в этой статье он не обсуждается) применялись триаль-

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

3

Технологии

4

Рис. 2. Результаты проведенной оптимизации для триального и тестового методов

Рис. 3. Результаты проведенной оптимизации по совпадению исследуемых кривых при испытаниях и расчете шлема PTW ный и тестовый методы. Полученные результаты также показали невозможность достижения сходимости результатов по максимальной и поглощаемой энергиям без использования настоящей многокритериальной методики. Представленные результаты демонстрируют качество разработанной методики калибровки параметров материала, используемых при расчете моделей из простых или сложных слоистых пластиков или пластиков-сэндвичей. Разработанная методика успешно использовалась с образцами и моделями различных материалов программного комплекса LS-DYNA. Дополнительную информацию о программном продукте modeFRONTIER вы можете получить на сайтах www.esteco.com или www.network. modefrontier.eu. ЗАО «ЕМТ Р» является официальным дистрибьютором modeFRONTIER в России и странах СНГ.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

Анализ эффективности пылеулавливания вихревого аппарата ВЗП-M 200 с помощью программного комплекса ANSYS CFX

2

Сергей Николаевич Поляков, канд. техн. наук, компания T-Flow, Россия

Введение Реальные условия эксплуатации вихревых аппаратов могут отличаться от средних расчетных, которые приводятся в каталогах фирмизготовителей. Это обусловлено тем, что невозможно на стадии проектирования и изготовления оборудования учесть все множество факторов, влияющих на эффективность работы аппарата. В группу «неучтенных» факторов для аппа­ ратов-пылеуловителей, как правило, входят: • физические свойства дисперсного материала, к которым относятся плотность материала, размер дисперсных частиц, форма частиц, показатель полидисперсности; • начальная концентрация дисперсной фазы, которая должна быть отделена; • рабочая температура газа; • реальный расход газа, определяемый эксплуатируемым тягодутьевым оборудованием, линейными и местными сопротивлениями трубопроводов. Современные средства моделирования, основанные на численном решении уравнений гидрогазодинамики, позволяют проанализировать вклад этих факторов и вычислить расчетную эффективность пылеулавливания на стадии эксплуатации. Программный комплекс ANSYS CFX предоставляет необходимый инструментарий для решения широкого круга задач по анализу эффективности в реальных условиях эксплуатации. В данной работе приведен расчет эффективности пылеулавливания вихревого пылеуловителя ВЗП-М 200. Технологии численного моделирования турбулентных потоков позволяют совершен-

www.ansyssolutions.ru

ствовать существующие конструкции вихревых аппаратов и создавать принципиально новые, которые будут иметь высокий коэффициент улавливания тонкодисперсных частиц.

Конструкция аппарата Аппарат со встречно-закрученными потоками (ВЗП) является наиболее интересным в качестве объекта численного исследования, так как его эффективность улавливания тонкодисперсных частиц является высокой. Конструкция аппарата представлена на рис. 1. Сечения аппарата плоскостью, перпендикулярной оси аппарата и проходящей через верхний и нижний патрубки входа газовзвеси, представлены в верхнем и нижнем правом углу рисунка.

Рис. 1. Конструкция аппарата ВЗП-M 200

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

№ 1

Наименование

Имя переменной

Значение

Размерность

Vверх

14,3

м/с

Vнижн

14,3

м/с

Скорость газовзвеси в верхнем (см. рис. 1) патрубке

2 Скорость газовзвеси в нижнем патрубке 3 Сплошная среда

3

Воздух, 25 °C

4 Дисперсная среда

Песок

5 Плотность частиц

ρs

1700

кг/м3

6

Диаметр частиц

ds

10, 30

мкм

7

Начальная объемная концентрация дисперсной фазы

rs

3,0Ѕ10-61

8

Скорость частиц дисперсной фазы на входных участках

Uверх = Uнижн

12,0

м/с

D

0,200

м

9 Рабочий диаметр аппарата

Цель расчета Цель расчета — определить относительную эффективность улавливания частиц дисперсной фазы при исходных данных, приведенных в таблице: Эффективность улавливания частиц η определяется зависимостью

= 1−

rs rs

(1),

в центральной части аппарата расположен тороидальный вихрь. Он приближен к конической стенке аппарата со стороны тангенциального ввода. Его след в осевой плоскости виден на рис. 3. Также его след можно обнаружить и в сечении, перпендикулярном оси аппарата (рис. 4). Расчетное избыточное давление на верхнем и нижнем входных патрубках аппарата составляет 760 и 1200 Па соответственно.

— объемная концентрация дисперсной где rs фазы на выходе из аппарата. В первом варианте расчета рассматривается эффективность аппарата по улавливанию мелкодисперсных частиц. Обычно диаметр 10 мкм для аппаратов этой конструкции соответствует критическому размеру. Во втором случае рассматривается эффективность по улавливанию частиц средней крупности с диаметром 30 мкм.

Гидродинамический расчет Гидродинамический расчет позволяет определить «сухое» сопротивление аппарата и предсказать траектории движения очень мелких частиц. Численный анализ течения газа внутри циклонного аппарата сводится к решению системы осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса. Для замыкания газодинамических уравнений Навье-Стокса использовалась стандартная (k-ε)-модель турбулентности. Для нахождения скалярных параметров k и ε используются два дополнительных модельных уравнения, содержащих эмпирические константы. Расчетная сетка была построена в сеточном генераторе ANSYS ICEM CFD. Сетка содержит 437 513 гексаэдрических элементов (рис. 2). Картина течения газа в аппарате ВЗП-М является достаточно сложной ввиду того, что

Рис. 2. Общий вид расчетной области

Ей соответствует массовая концентрация ~ 5 г/м3.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

4

Рис. 3. Картина течения в осевом сечении аппарата

Рис. 4. Картина течения в нормальном сечении аппарата. След тороидального вихря

Расчетная модель газовзвеси в вихревом аппарате Для описания движения твердых частиц в аппаратах вихревого типа (гидроциклонах, циклонах, скрубберах) используются две модели. Первая (Лагранжева) рассматривает траектории одиночных частиц и может достоверно описывать движение твердых крупных и среднедисперсных частиц, если имеет место упругое соударение частиц со стенкой аппарата. Модель позволяет решить задачу об эффективности улавливания статистически. Полученное этим способом решение для всех частиц строится по принципу обобщения поведения в потоке небольшой группы частиц (порядка 1000). Особенностью решений такого типа является расчет «граничного» размера частиц, ниже которого эффективность улавливания считается нулевой, а при значениях больших граничного приближается к 100%. В случае тонкодисперсных (до 10 мкм) и мелкодисперсных частиц (до 100 мкм) соударениями со стенкой пренебрегают, так как они уже не играют существенной роли. При умень-

www.ansyssolutions.ru

шении размера частицы ее масса стремится к нулю, следовательно, среду с такими частицами можно рассматривать как сплошную. Транспорт частиц в этом случае должен рассматриваться с учетом их концентрации в рамках модели Эйлера. Достоинством этой модели является то, что разность концентраций частиц между двумя точками определяет диффузионный поток частиц, который обеспечивается турбулентными пульсациями сплошной среды (в нашем случае воздуха). Этот механизм объясняет существование в вихревых аппаратах областей аномально высоких концентраций тонкодисперсных частиц, полученных опытным путем. Этот экспериментальный факт не может быть описан в рамках модели частиц Лагранжа. Для описания движения частиц дисперсной фазы в этой работе была выбрана модель Эйлера. Движение сплошной среды также описывалось в рамках модели Эйлера. Турбулентность считается общей для двух фаз и описывается (k-ε)-моделью. В расчете учитывается, что дисперсные частицы способствуют дополнительной генерации турбулентности. При описании движения газовой фазы учитывается сила торможения, определяемая по эмпирической зависимости через скорость скольжения фаз, а также сила плавучести, которая существует благодаря разности плотностей, обусловленной разностью объемной концентрации твердой фазы в различных областях аппарата. При описании движения дисперсной среды ее вязкость не учитывалась. Сила сопротивления со стороны газовой фазы определялась по эмпирической зависимости через скорость скольжения фаз. При постановке граничных условий по твердым частицам на стенках аппарата применялось условие скольжения. В расчете с учетом дисперсной фазы использовалась та же сетка гексаэдров, что и в первой задаче.

Результаты расчета по модели Эйлера для частиц диаметром 10 мкм Присутствие твердой фазы в потоке «сглаживает» картину течения (рис. 5) и изменяет картину течения, как в случае движения более вязкой жидкости. Линии тока дисперсных частиц повторяют аналогичные для газа. Линии тока для частиц показывают, что вероятен интенсивный их унос из верхней трети аппарата из-за существования циркуляционной зоны, которая соприкасается с верхним выходным патрубком. Если рассматривать пространственную картину течения, то на выходе завихрителя, продолжающего нижний входной патрубок, обнаруживается

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

гается на стенках улитки верхнего подвода газа и на внутренней поверхности цилиндрической стенки. Для слипающихся частиц возможно образование агрегатов в этих зонах, повышенный износ стенок аппарата.

Рис. 5. Картина течения газа в осевой плоскости аппарата. Сплошные линии — линии тока газа вихревой столб с винтовой осевой линией. Этот случай хорошо известен и описан в литературе. В зоне стыка цилиндрической и конических областей находится область интенсивных пульсаций. Там же существует прецессирующее вихревое ядро (ПВЯ). Эта структура характеризуется вихрем со смещенным центром (рис. 6) и принципиально отличается от структуры, представленной на рис. 4 для чистого газа. Существование ПВЯ сопровождается сильным гидродинамическим шумом, что может приводить к нежелательным вибрациям корпуса аппарата.

Рис. 7. Распределение концентрации твердой фазы в осевом сечении аппарата Для анализа эффективности используется профиль объемной концентрации частиц на выходном патрубке аппарата (рис. 8). Заметим, что ядро потока характеризуется низкой концентрацией частиц, а периферийная часть — высокой. Этот факт неоднократно подтвержден экспериментально. Для определения эффективности требуется выполнить расчет средней концентрации. Эта операция сводится к интегрированию функции концентрации по поперечному сечению патрубка с весовой функцией, которой является осевая компонента скорости частиц.

Рис. 6. Картина тока газа в в нормальном сечении аппарата в присутствии частиц диаметром 10 мкм На рис. 7 приведена картина распределения объемной концентрации твердых частиц в аппарате. Следует отметить, что в донной части сепаратора задано условие полного удаления частиц, которое является идеализированным. При этом расчетные значения для уноса частиц можно рассматривать как предельно достижимые для данной конструкции аппарата. Дисперсная фаза, как это видно из рис. 7, распределяется в объеме аппарата крайне неравномерно. Максимум концентрации частиц в аппарате дости-

www.ansyssolutions.ru

Рис. 8. Профиль концентрации частиц диаметром 10 мкм на выходном патрубке аппарата Средняя концентрация может быть получена при помощи встроенного калькулятора CFXPost. Для данного случая было получено значение средней объемной концентрации 3.47e-7.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

5

Технологии

6

Подставив полученное значение в формулу (1), получим параметр интенсивности η = 87%. Расчетное избыточное давление на верхнем и нижнем входных патрубках аппарата составляет 901 и 1483 Па соответственно.

Результаты расчета по модели Эйлера для частиц диаметром 30 мкм Присутствие частиц твердой фазы с диаметром 30 мкм еще более упорядочивает течение в аппарате, делая его регулярным. В этом можно убедиться, если сравнить, например, рис. 9 и 3. Заметим, что в случае более крупных частиц реализуется более регулярный вихревой столб между нижним завихрителем и верхним выходным патрубком. При этом линии тока для диспресной фазы повторяют линии тока сплошной фазы. Трехмерная картина течения (рис. 10) характеризуется одним вытянутым тороидальным вихрем, занимающим практически весь объем

Рис. 9. Картина течения газа в осевой плоскости аппарата. Сплошные линии — линии тока газа

Рис. 11. Профиль объемной концентрации частиц 30 мкм на выходном патрубке аппарата аппарата. Ось тора совпадает с осью аппарата, то есть течение является симметричным относительно оси вращения. Расчетное распределение объемной концентрации частиц позволяет судить об эффективности аппарата. Следует отметить, что высокая концентрация частиц достигается в непосредственной близости сепарационной зоны. В непосредственной близости от верхнего патрубка концентрация становится низкой. Гидродинамический режим работы аппарата ВЗП-М-200 для частиц с диаметром 30 мкм и объемной концентрацией 3.0e-6 может считаться оптимальным. Если рассмотреть профиль концентрации частиц (рис. 11), то он окажется близок к осесимметричному, а среднее значение концентрации составляет 4.59e-6, что и дает значение эффективности η = 98,4%. Расчетное избыточное давление на верхнем и нижнем входных патрубках аппарата составляет 1064 и 1644 Па соответственно.

Выводы 1.

2.

3.

4.

Рис. 10. Пространственные линии тока газа в присутствии частиц диаметром 30 мкм

www.ansyssolutions.ru

Основным показателем, влияющим на эффективность улавливания частиц, является диаметр аппарата. Эффективное улавливание пыли достигается при регулярном гидродинамическом режиме. Присутствие нерегулярностей, например ПВЯ, ухудшает показатели эффективности. При разработке новых конструкций аппаратов их сравнительная эффективность может оцениваться с помощью изложенной выше методики. Диаметр твердых частиц и объемная концентрация должны учитываться при выборе тягодутьевого оборудования. Для определения мощности воздуходувки может использоваться представленная выше методика.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Технологии

FSI технологии ANSYS в медицине

2

Kendall S. Hunter, Университет Колорадо, США Может ли технология численного моделирования, обычно используемая в таких отраслях, как, например, ракетостроение или проектирование гоночных автомобилей, однажды заглянуть в сердечно-сосудистую систему человека? Способна ли она реально помочь врачам обеспечить лечение с улучшенной диагностикой в клинических ситуациях? Исследователи Центра здравоохранения Университета Колорадо недавно сделали первые шаги в этом направлении, а решение ANSYS по моделированию аэроупругого взаимодействия послужило ключевой технологией для достижения этой цели. Легочные артерии представляют собой кровеносные сосуды, через которые кровь с низким содержанием кислорода протекает из правого желудочка сердца в легкие для газообмена. У здорового человека среднее давление крови в легочной артерии составляет примерно 14-20 мм рт. ст. Повышенный уровень давления в крови (более 25 мм рт. ст. в покое) приводит к объемной перегрузке правых отделов сердца.

Внешний вид расчетной сетки, сгенерированной в ANSYS ICEM CFD. Расчетная область для задачи расчета течения внутри сосуда ограничена голубыми ячейками. Оболочечная модель окрашена в сиреневый цвет Диагностика и оценка повышенного давления крови в легочной артерии является комплексной процедурой. Кроме катетеризации полостей сердца она может включать и такие методы визуализации циркулирующей крови, как, например, традиционная или магнитно-

www.ansyssolutions.ru

резонансная ангиография. Несмотря на то что указанные методы являются эффективными при диагностике сосудистых заболеваний, они в настоящее время не могут обеспечить необходимую детализацию или применяться с повторяемостью, достаточной для объяснения причин развития заболевания, и с трудом могут использоваться для предсказания результатов клинического вмешательства. До настоящего времени клиницисты в основном характеризовали повышенное давление в легочной артерии путем оценки сопротивления легочных сосудов, определяемого как среднее падение давления, разделенное на среднюю скорость потока. При учете только усредненных условий влиянием жесткости сосудов пренебрегают. Однако у пациентов с повышенным давлением в легочной артерии это влияние может составлять до 40% от общей нагрузки, преодолеваемой правой половиной сердца. Со временем сосуды могут утолщаться в ответ на повышенное давление. Считается, что такое внутреннее утолщение и увеличение жесткости сосуда изменяет периферический поток и еще больше повышает давление. Следовательно, такое поведение может быть частью петли обратной связи, из-за которой уровень давления крови в легочной артерии постоянно растет. Исследователи из Университета Колорадо изучают влияние жесткости легочной артерии с помощью программного обеспечения ANSYS для моделирования нестационарного аэроупругого взаимодействия потока крови и стенок сосудов легочной артерии. Применяя технологию численного моделирования, исследователи могут лучше понять основы физических процессов, происходящих при повышенном давлении в легочной артерии, оценить степень влияния жесткости сосудов на изменяющуюся структуру течения и, что, возможно, более важно, на периферийную гемодинамику. Со временем регулярное клиническое использование численного моделирования для каждого отдельного пациента, где геометрия сосудов определяется из медицинского «изображения», сможет обеспечить лучшее понимание развития повышенного давления в легочной ар-

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

3

Контуры давления на стенках сосуда на пике систолы терии и улучшить предсказуемость результатов при хирургическом вмешательстве. Исходная геометрия сосудов была получена по результатам ангиографии в двух плоскостях внутреннего легочного дерева, выполненной при катетеризации полостей сердца 18-месячного пациента мужского пола. Таким образом была получена информация о средней линии сосуда и его диаметре, которая затем использовалась при создании трехмерной математической модели сосуда в CAD-программе. Далее геометрия была передана в ANSYS ICEM CFD для построения высококачественной объемной сетки, составленной из гексаэдров. При построении результирующей сетки применялись данные кольцевых сеток от всех стенок, так что она получилась почти ортогональной. Поверхностная сетка, созданная в ICEM CFD, использовалась затем в ANSYS при построении оболочечной модели стенки сосуда с учетом изменения ее толщины. В этих исследованиях применялась модель сверхупругого материала Arruda-Boyce. Параметры модели были взяты из биомеханических исследований свойств растяжения-сжатия легочных артерий с нормальным и повышенным давлением для модели крысы и объемных моделирований легочных артерий человека. Остаточное напряжение здесь не рассматривалось вследствие трудностей внедрения подобных эффектов в клинических моделях, при которых прямые измерения внутри артерии не могут быть выполнены. Входное и выходные сечения были жестко закреплены. Оставшиеся узлы модели могли деформироваться в ответ на прилагаемые усилия.

www.ansyssolutions.ru

Контуры деформации стенки сосуда на пике систолы Кровь моделировалась как несжимаемая ньютоновская жидкость с постоянной динамической вязкостью. Рассматривался ламинарный режим течения. На входе в расчетную область с помощью CEL (внутренний язык CFX для написания выражений) был задан полусинусоидальный профиль давления, зависящий от времени. Граничные условия на выходе также были определены с использованием CEL и резистивного соотношения, в котором выходное давление для каждой ветви определялось как произведение локальной мгновенной скорости потока на коэффициент сопротивления [1, 2]. Первые результаты данного пилотного исследования подтвердили предполагаемое поведение системы. Последующие исследования с уточненными клиническими данными и данными визуализации обеспечат подтверждение и совершенствование методологии моделирования. Со временем клиническое применение бесконтактного моделирования для каждого отдельного пациента поможет глубже понять развитие повышенного давления в легочной артерии и улучшить прогнозирование результатов возможного лечения. Литература: 1.

Vignon-Clementel, I.E.; Figueroa, C.A.; Jansen, K.E.; Taylor, C.A.: Outflow Boundary Conditions for Three-Dimensional Finite Element Modeling of Blood Flow and Pressure in Arteries. Comp. Meth.App. Mech. Engr. (CMAME) 2006.

2.

Olufsen, M.S.: Structured Tree Outflow Conditions for Blood Flow in Larger Systemic Arteries. Am. J. Physiol. (AJP) 276(1): H257-H268,1999.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Мастер-класс

Вы спрашивали — мы отвечаем

2

Создание вычислительного кластера на платформе Microsoft Windows x64 для ANSYS Distributed Solvers (в режиме Distributed Memory Parallel) Александр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р»

Данная статья базируется на личном опыте автора по созданию вычислительного двухузлового кластера на платформе операционной системы MS Windows 2003 Server R2 x64. Протокол MPI — это стандартный интерфейс прикладного программирования (API) и спецификация на передачу сообщений. Он был разработан специально для высокопроизводительных вычислений, выполняемых на больших компьютерных системах или на объединенных в кластер обычных компьютерах. Автором статьи была использована реализация специального программного обеспечения для управления передачей данных между вычислительными узлами Message Passing Interface (MPI) — бесплатная свободно распространяемая реализация MPI — MPICH2.

MPICH2 — разработка Аргонской национальной лаборатории США (http://www.mcs.anl.gov/ research/projects/mpich2/). По приведенной web-ссылке можно свободно загрузить последние версии MPICH2. При ознакомлении с руководством ­«ANSYS, Inc. Installation Guide for Windows Release 11.0 002309 January 2007» перед пользователем встает дилемма по выбору реализации MPI для операционных систем Microsoft Windows. В разделе «Configuring Distributed ANSYS» указаны две реализации MPI, которые могут

www.ansyssolutions.ru

быть использованы решателями ANSYS 11.0 в режиме распределенной памяти: MPICH2 и Microsoft Compute Cluster pack (MS MPI). В данной статье не будет рассматриваться вариант использования протокола MS-MPI, который является вариантом открытого стандарта MPICH2 Аргонской национальной лаборатории. В указанном выше официальном руководстве ANSYS, Inc. предлагается использовать реализацию MPICH2, дистрибутив которой будет находиться по пути Program Files\ Ansys Inc\V110\ANSYS\MPICH2\mpich2-1.0.3-1win64-x86-64.zip после инсталляции программных продуктов ANSYS. Однако далее предлагается компилировать MPICH2, используя или компиляторы для C/C++ (MS Visual C/C++ for x64 либо другие компиляторы C/C++, совместимые с MS), или компиляторы Fortran compiler for x64. Естественно, данная ситуация многих пользователей не устраивает. Инструкция основывалась на данных января 2007 года, когда еще не было реализации MPICH2 в виде исполняемого файла (Binaries Win EM64T/AMD64). Текущая версия реализации MPICH2 — 1.0.6p1, дата выпуска которой — 31 октября 2007 года. Автором статьи была использована версия mpich2-1.0.6p1-win64-x86-64. Перед установкой MPICH2 надо инсталлировать обновление Microsoft Visual C++ 2005 Redistributable Package — vcredist_x64.exe, которое можно загрузить с сайта компании Microsoft.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Главное требование к развертыванию кластера для ANSYS на операционных системах Microsoft Windows x64 — каждый узел кластера должен быть членом домена Active Directory. Это нужно для того, чтобы под учетной записью пользователя на ведомых узлах запускались нужные программы (без подключения вычислительных узлов к домену нельзя будет использовать общую учетную запись пользователя для запуска программ на вычислительных узлах). Пользователи сети с помощью единого процесса входа в систему могут получать доступ к разрешенным ресурсам из любой точки сети. Членство в домене Active Directory обязательно и для ведущих, и для вычислительных узлов. Все вычислительные узлы должны располагаться в том же домене Active Directory, что и ведущий узел. Если домен уже есть, то надо просто подключить к нему компьютер и добавить учетную запись пользователя домена (которая будет

ные пути на сетевые Universal Naming Convention (UNC). В переменную Path добавить пути: …\Program Files \MPICH2, …\Program Files \MPICH2\bin, …\Program Files\ANSYS Inc\v110\ANSYS\bin\ winx64\DANSYSMPICH. Чтобы убедиться в работоспособности MPICH2 и ANSYS, для начала необходимо провести тест MPI, который присутствует в папке ANSYS. Для этого в командной строке следует перейти в директорию cd …:\Program Files\ MPICH2\bin и выполнить команду: wmpiexec.exe –np 2 …:\Program Files\ANSYS Inc\v110\ANSYS\ bin\winx64\DANSYSMPICH\ mpitestmpich.exe. После этого должен появиться запрос на право запуска процесса учетной записи пользователя domain\user и запрос пароля. В случае удачного прохождения теста должно появиться сообщение следующего вида:

­ спользоваться при входе в операционные сии стемы узлов кластера) в группу учетных записей «Локальные администраторы компьютера». Установка на всех узлах кластера должна быть в совершенно идентичные места структуры директорий, в том числе имена дисков! На всех вычислительных узлах необходимо сделать доступными следующие папки: …\Program Files \MPICH2, …\Program Files\ANSYS Inc, …\work_ansys (для размещения задачи). Конфигурирование будущего кластера для решателей ANSYS осуществляется с помощью графической утилиты ANS_ADMIN: Пуск → Программы → ANSYS 11.0 → Utilities → ANS_ADMIN. В диалоговых окнах необходимо описать предполагаемые вычислительные узлы. В системных переменных ANSYS110_DIR и ANSYSLIC_DIR необходимо изменить локаль-

После проверок локальной работы MPICH2 следует провести проверку работоспособности MPICH2 с управляющего узла на вычислительных узлах: cd …:\Program Files\MPICH2\bin, wmpiexec.exe –np 2 \\<имя узла>\ ANSYS Inc\ v110\ANSYS\bin\winx64\DANSYSMPICH\ mpitestmpich.exe. Должно появиться сообщение об успешном прохождении MPI Test. После этого на управляющем узле с помощью ANSYS Product Launcher во вкладке High Performance Computing Setup необходимо задать опцию Use Distributed ANSYS. Теперь, указав Specify Multiple Hosts и выбрав вычислительные узлы, настроенные ранее с помощью графической утилиты ANS_ADMIN, можно запустить ANSYS в режиме Distributed Solvers (в режиме распределенной памяти Distributed Memory Parallel).

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

3

Мастер-класс

Вы спрашивали — мы отвечаем

2

Подвижные, деформируемые и перестраиваемые сетки в ANSYS CFX и FLUENT Часть 1

Процесс создания любой CFD-модели состоит из нескольких этапов, главными из которых являются следующие: • выбор физической модели; • выбор и обоснование допущений и упро­щений физики и геометрии задачи; • создание или импорт геометрической модели в сеточный генератор; • построение расчетной сетки в сеточном генераторе (GAMBIT, ICEM CFD и др.); • импорт расчетной сетки в решатель и задание граничных, начальных условий, а также параметров решателя; • получение собственно решения; • анализ результатов и верификация модели.

его движении в закрытом объеме через эти отверстия жидкость может перетекать из одной части камеры в другую. Модель данного устройства будем строить в трехмерной постановке. Для работы с геометрией и расчетной сеткой в комплексе FLUENT существует сеточный генератор GAMBIT, который имеет интуитивный интерфейс, а также обширные возможности для построения геометрии и расчетной сетки (рис. 2).

Чтобы показать возможности комплекса ANSYS FLUENT в области моделирования подвижных, деформируемых сеток, рассмотрим задачу работы гидродемпфера (рис. 1). В данном устройстве поршень имеет два отверстия, и при

Рис. 2. Общая панель инструментов GAMBIT

Рис. 1. Внешний вид гидродемпфера

www.ansyssolutions.ru

Геометрию можно строить двумя способами: снизу вверх, когда строятся точки, затем линии, поверхности и объемы, или сверху вниз — при этом строятся объемы, с которыми выполняются булевы операции (вычитания, пересечения, объединения). При необходимости геометрию можно импортировать в GAMBIT, используя любые широко известные форматы. Кроме того, существуют прямые интерфейсы к популярным CAD. При построении расчетной сетки в GAMBIT доступны любые типы элементов: двумерные четырехугольники, треугольники и трехмерные

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

гексаэдры, тетраэдры, призмы и пирамиды, в том числе элементы второго порядка. Построим геометрию гидродемпфера в среде GAMBIT, при этом воспользуемся комбинированной технологией построения. Для создания поверхности окружности необходимо зайти в меню построения поверхностей, выбрать из меню готовых примитивов окружность и в соответствующем поле задать радиус, равный 100 мм. Выполнение команды подтверждаем нажатием кнопки Apply.

окружности 10 и выбираем вторую систему координат, нажимаем Apply. Далее выбираем третью систему координат и снова нажимаем Apply. В результате получаем картину, изображенную на рис. 4. На следующем этапе нам необходимо вычесть две малые окружности из большей, чтобы получить три отдельные поверхности. Для этого воспользуемся панелью булевых операций (рис. 5). Выбираем операцию Вычесть. В первом поле поверхностей выбираем большую поверхность, во втором поле выбираем две малые поверхности; ставим галочку Retain, чтобы сохранить две малые поверхности после вычитания, нажимаем Apply.

Рис. 3. Построение окружности Для построения отверстий в окружности создадим две дополнительные системы координат. Заходим в меню инструментов, выбираем системы координат и указываем смещение вдоль оси Y для текущей системы координат 50, нажимаем Apply, затем вводим значение –100 и еще раз нажимаем Apply. Возвращаемся в меню построения поверхностей, задаем радиус

Рис. 4. Сечение будущей модели

www.ansyssolutions.ru

Рис. 5. Булева операция вычитания Теперь создадим первую часть камеры при помощи вытягивания полученных поверхностей вдоль заданной оси координат. Для этого нужно зайти в панель меню создания объемов и выбрать опцию Sweep Faces (рис. 6). Далее в поле для поверхностей следует выбрать все созданные

Рис. 6. Создание объема вытягиванием поверхности

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

3

Мастер-класс

4

поверхности, в поле Path выбрать Vector и нажать кнопку Define. Затем в поле Magnitude указываем 100, нажимаем Apply, и еще раз в меню Sweep Faces нажимаем Apply. В результате получаем объем первой части камеры (рис. 7).

торцевые поверхности полученных внутренних цилиндров (на рис. 8 они подсвечены красным цветом). Далее нажимаем кнопку Define, в поле Magnitude указываем 25 и нажимаем Apply. В меню Sweep Faces нажимаем Apply. В результате получаем объем жидкостной части поршня. Для создания основного объема камеры дополнительно к сформированным торцевым поверхностям внутренних цилиндров нам необ-

Рис. 7. Объем меньшей части камеры Теперь построим область поршня — для этого нам нужно лишь вытянуть малые поверхности на толщину поршня. Объем строится только для области течения, никаких твердотельных частей в данной задаче мы строить не будем. Для построения области поршня воспользуемся тем же инструментом создания объемов Sweep Faces; в поле для поверхностей выбираем только

Рис. 8. Исходные поверхности для создания объема поршня

www.ansyssolutions.ru

Рис. 9. Поверхность с отверстиями

Рис. 10. Копирование поверхности с отверстиями

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

ходимо скопировать поверхность с отверстиями. Для этого воспользуемся инструментом копирования. Чтобы применить эту команду, необходимо перейти в меню работы с поверхностями и далее выбрать опцию Move/Copy. В этом меню нужно выбрать поверхность, которую мы собираемся копировать (на рис. 9 она подсвечена красным цветом), и выбрать опцию Copy, а в поле координаты Z указать 25 (рис. 10). Теперь создадим последнюю часть камеры при помощи той же технологии вытягивания. Для этого нужно вернуться в меню создания объемов и выбрать способ Sweep Faces. В поле для поверхностей выбираем скопированную поверхность, а также две торцевые поверхности внутренних цилиндров; в поле Path выбираем Vector, нажимаем кнопку Define. В поле Magnitude указываем 300, нажимаем Apply. В меню Sweep Faces нажимаем Apply. В результате всех действий получаем объемную геометрию рассматриваемой задачи гидродемпфера (рис. 11).

5

Рис. 13. Окончательный вид области решения объема в меньшей части камеры. В результате проделанной операции получаем окончательный вид области решения (рис. 13). Следующим этапом построения модели гидродемпфера является создание расчетной сетки. Мы будем строить неструктурированную гексаэдральную расчетную сетку при помощи технологии Cooper, которая позволяет получать объемную расчетную сетку из поверхностной. Построим поверхностную расчетную сетку, из которой будем вытягивать объемную. Для этого нужно зайти в раздел построения расчетных сеток Mesh, далее — Face (рис. 14). В данной панели необходимо указать три поверхности, на которых мы будем строить расчетную сетку (на рис. 15 они подсвечены красным цветом).

Рис. 11. Объемная геометрия расчетной области Теперь нам нужно сгруппировать объемы. Для этого воспользуемся булевой операцией Unite Real Volumes (рис. 12). Объединим три объема в большей части камеры, а затем три

Рис. 12. Объединение объемов

www.ansyssolutions.ru

Рис. 14. Окно опций построения поверхностной сетки

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Мастер-класс

6

Рис. 15. Исходные поверхности Также следует выбрать тип элемента Quad и метод построения сетки Pave. В поле Spacing нужно ввести значение 5, далее нажать кнопку Apply. Теперь мы можем построить объемную сетку для меньшего объема камеры. Но перед этим зайдем в меню параметров генератора Cooper (рис. 16) и зададим параметр Smooth Projected Face Mesh равный 0. Далее заходим в меню построения объемной сетки (рис. 17), указываем объем меньшей части камеры, а также задаем все торцевые поверхности данного объема в поле Sources. Нажимаем Apply. Далее в этом же меню выбираем первый малый объем области поршня и нажимаем Apply. После этого выбираем второй объем и, наконец, самый большой объем рассматриваемой области. Каждый раз подтверждаем выполнение операции нажатием на клавишу Apply. В результате получаем расчетную сетку, как показано на рис. 18.

Рис. 17. Построение объемной сетки

Рис. 18. Объемная расчетная сетка

Рис. 16. Корректировка параметров сеточного генератора

www.ansyssolutions.ru

Теперь мы должны указать поверхности, на которых будем задавать граничные условия (ГУ), в частности движущиеся поверхности. Для этого переходим в меню задания граничных условий, как показано на рис. 19. В данной панели нужно указать поверхности, которые на рис. 20 подсвечены красным цветом. Присвоить имя internal_1 и указать тип граничного условия INTERNAL. Нам также нужно определить поверхность поршня с отверстиями: выбираем поверхность, как показано на рис. 21, и присваиваем имя surface_1; тип ГУ — WALL. Далее нужно повторить эти операции для противоположной стороны отверстий и поверхности поршня, указав соответственно имена internal_2 и surface_2.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

7 Рис. 22. Сохранение расчетной сетки Запустим 3D-версию FLUENT, перейдем в панель File→Read→Case и откроем сохраненный ранее файл hydro.msh. Дальше нам нужно масштабировать расчетную сетку, так как она была сделана в миллиметрах. Для этого заходим в панель Grid→Scale (рис. 23). В поле Grid Was Created in выбираем мм, нажимаем Scale, затем Close.

Рис. 19. Панель задания граничных условий

Рис. 23. Панель масштабирования

Рис. 20. Поверхности граничных условий

Теперь нам нужно выбрать нестационарный режим расчета. Для этого нужно зайти в панель решателя Define→Models→Solver (рис. 24).

Рис. 21. Поверхности граничных условий После указанных действий мы можем сохранить построенную расчетную сетку. Для этого нужно перейти в панель сохранения сетки (File → Export → Mesh), как показано на рис. 22. В поле File Name вводим hydro.msh. Теперь мы можем выйти из GAMBIT и загрузить решатель FLUENT.

www.ansyssolutions.ru

Рис. 24. Панель решателя

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Мастер-класс

8

В этом окне выбираем опцию Unsteady. Нажимаем ОК. Следующим шагом мы настроим параметры динамической сетки. Для этого зайдем в панель Define → Dynamic Mesh → Parameters, в появившемся окне включаем опцию Dynamic Mesh, в результате появится окно рис. 25.

Рис. 26. Панель свойств материалов

Рис. 25. Панель опций Dynamic Mesh В этом окне выбираем Layering как опцию Mesh Methods; в поле Collapse Factor указываем 0.4, и нажимаем ОК. Для описания движения сетки или ее деформации можно воспользоваться заданием профиля. Создадим текстовый файл со следующим содержимым: ((movement_linear 2 point) (time 0.0 1.0) (z 0.0 0.3) Сохраним этот файл в рабочей директории текущей сессии FLUENT под именем z_c.prof. Заходим в панель работы с профилями Define→Profiles и нажимаем кнопку Read. В появившемся окне выбираем созданный нами файл z_c.prof, нажимаем ОК, затем закрываем панель Boundary Profiles. Далее переходим в панель Define→Dynamic Mesh→Zones. В этой панели в поле Zone names выбираем internal_1; заходим в закладку Meshing Options и указываем в полях Cell High значение 0.005, нажимаем Create. Повторяем эту процедуру с зонами internal_2, surface_1, surface_2. Так как нас интересует задача со свободной поверхностью, то определим соответствующие модели и опции. Выберем модель свободной поверхности Define→Models→Multiphase. В появившемся окне выбираем Volume of Fluid. Все настройки оставляем по умолчанию. Нажимаем ОК. Теперь нам нужно описать физические свойства моделируемых материалов, в нашем случае это будет сжимаемый газ (воздух) и несжимаемая вода. Зайдем в панель описания физических свойств материалов Define→Materials. В появившемся окне в поле Density выбираем ideal-gas (рис. 26), нажимаем Create/Change и закрываем эту панель.

www.ansyssolutions.ru

Теперь добавим воду в список моделируемых сред. Для этого нужно в текущей панели нажать кнопку Fluent Database, далее в меню Fluent Fluid Materials нужно выбрать water-liquid и последовательно нажать Copy и Close. После этого закрываем панель Materials. Определим соответствие материалов и фаз. Для этого зайдем в панель Define→Phases. В меню Phase выбираем Phase1, нажимаем кнопку Set. В появившемся окне выбираем в air поле Phase Material. Для Phase2 выбираем water-liquid. Перед счетом нужно обязательно задать начальные условия в области решения, для этого нужно зайди в панель Solver → Initialize → Initialize, в появившемся окне нажимаем Init. Также нам нужно задать начальное положение свободной поверхности. Для этого определим зону при помощи панели Adapt → Region.

Рис. 27. Панель выбора зоны адаптации

Рис. 28. Панель задания начальных условий в зоне

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

В появившемся окне задаем параметры, как показано на рис. 27. Нажимаем кнопку Mark и закрываем панель. Теперь заходим в панель Solver → Initialize → Patch и указываем параметры, как показано на рис. 28. Далее нажимаем Patch. Теперь необходимо задать ускорение свободного падения и опорную плотность, как показано на рис. 29.

9

Рис. 31. Параметры отображения поля массовых долей tours, задаем параметры, как показано на рис. 31. Нажимаем Display и закрываем окно. Заходим в панель Display → Views. В поле Views выбираем Right, нажимаем Apply, и далее Close. Также закрываем панель Animation Sequence кнопкой ОК и панель Solution Animation. Теперь можем запустить задачу на счет. Для этого перейдем в панель Solve → Iterate и укажем параметры, как показано на рис. 32.

Рис. 29. Опорные параметры Теперь создадим продольное сечение области решения для визуализации результатов расчета. Для этого зайдем в панель создания плоских поверхностей Surface → Plane, нажимаем Create. В результате строится плоскость Plane-6. Зададим параметры анимации. Мы будем визуализировать раздел фаз между водой и воздухом. Зайдем в панель Solve → Animate → Define. В появившемся окне зададим параметры, как показано на рис. 30.

Рис. 32. Панель параметров шага по времени По окончании счета мы можем просмотреть созданную анимацию. Для этого нужно зайти в панель Animate → Play. В появившемся окне нажимаем кнопку Воспроизвести. При желании можно сохранить анимацию в формате MPEG. Для этого выбираем MPEG в поле Write/Record Format и нажимаем кнопку Write.

Рис. 30. Панель параметров анимации Далее нажимаем кнопку Define, в появившемся окне в поле Storage Type указываем In Memory, в поле Display Type выбираем Con-

www.ansyssolutions.ru

Во второй части статьи, которая будет опубликована в следующем номере журнала, мы расскажем о возможностях ANSYS CFX по работе с подвижными и деформируемыми сетками, а также о языке CCL, который является полезным инструментом при решении подобных задач.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Мастер-класс

Вы спрашивали — мы отвечаем

2

Моделирование сопряженного теплообмена в трубчатом теплообменнике 16 шагов В настоящей статье мы расскажем об основных этапах моделирования в ANSYS CFX сопряженного теплообмена в кожухотрубчатом теплообменнике с U-образными трубами. За основу взята реальная конструкция теплообменного аппарата, разработанного Proodos Industrial Boilers (Греция). Расчет был

выполнен в программном комплексе ANSYS CFX версии 10.0. Для создания сетки использовался сеточный генератор ANSYS ICEM CFD. 3D-модель теплообменника была построена в AutoCAD и передана в ICEM через формат DWG. Внешний вид теплообменника показан на рисунке.

Конструкция кожухотрубного теплообменника с U-образными трубами

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Шаг 1. Конструкция теплообменника

Шаг 3. «Лечение» геометрии

Трехмерная модель теплообменного аппарата была создана в AutoCAD и сохранена в формате DWG. Конструкция теплообменника включает кожух с двумя трубами, фланец, входную и выходную камеры и трубную решетку с 16 U-образными трубами. Внутренний диаметр труб составляет 15 мм, толщина стенок — 1,5 мм. Средняя длина U-образной трубы составляет ~2000 мм.

Исходная трехмерная модель теплообменника была построена в AutoCAD и сохранена в формате dwg. Сеточный генератор ICEM CFD поддерживает импорт геометрии через этот формат. Так как конструкция теплообменника является симметричной в плоскостях X=0 и Z=0, то геометрия строится для 1/4 области решения. После импорта была выполнена операция построения топологии Repair Geometry→Build Topology в ICEM CFD с точностью 0,1 мм, которая показала отсутствие «дыр» и щелей в геометрической модели. Была обнаружена только одна проблемная зона — в месте соединения подводящей трубы и коллектора. Она может быть быстро устранена путем удаления кривой полуокружности, которая ограничивает проблемную поверхность

Шаг 2. Принцип работы теплообменника Схема течения — с противотоком. Холодная вода с температурой 20 °C попадает в теплообменник через верхнюю трубу на кожухе. Далее поворачивает налево, затем направо и выходит из теплообменника через нижнюю трубу. Разделительная перегородка не позволяет холодной воде напрямую попасть из верхней подводящей трубы в нижнюю трубу. Горячая вода с температурой 90 °C через нижнюю камеру поступает на вход в U-образные трубы. Далее она движется по трубам, разворачивается на 180° и попадает в выходную камеру. Таким образом, в данном случае мы имеем классический пример сложного теплообмена, который включает наряду с вынужденной конвекцией (передача тепла от горячего теплоносителя стенке) передачу тепла теплопроводностью через стенки труб.

Шаг 4. Генерация расчетной сетки Вследствие различных масштабов длин, присутствующих в рассматриваемом устройстве (lp/tp=2000/1,5=1333, где lp и tp — длина и толщина стенок труб соответственно), предпочтительно использовать гексаэдрическую расчетную сетку для области жидкости внутри труб, для стенок труб и для межтрубного пространства. Применение этого типа элементов позволяет достигнуть достаточного измельчения сетки в области пограничного слоя при допустимом

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

3

Мастер-класс

4

уровне количества ячеек в 2,7 млн для половины симметричной части всей области решения. Для достижения компромисса между временем создания модели и точностью получаемых результатов использовалась технология с несовпадающими узлами на интерфейсе между гексаэдральной и тетраэдральной сетками. Название этого интерфейса в области жидкости — SURFSCOMMON, а в области фланца — FLANGECOMMON. Было сохранено два различных проекта ICEM: первый, содержащий область труб, назывался tubes.prj, а второй, содержащий остальные части области решения, — shell.prj.

• • • • •

Natural size — 2 мм; Num. Of Elements in gap — 3; Refinement — 9; Tri-Tolerance — 0.001; Surface mesh control только на SURFSCOMMON, установлен в 6 мм.

4. Призматические слои: Созданы на «мокрых» поверхностях (SHELL, CUP, FLANGE, PLATE). Начальное количество слоев в Mesh sizes for Parts — 2; Hight ratio — 1,25; конечное количество слоев: 5 (разбивание слоя #0 (начальный первый слой) на 3 части с коэффициентом роста (показатель степени) 1,25, и слоя #1 (начальный второй слой) на 2 части с коэффициентом роста 1,25. Сохраненный файл (shell.msh) расчетной сетки для ANSYS CFX содержит 1/4 всей области решения.

Шаг 5. Гибридная (тетраэдральная/призматическая) расчетная сетка При построении расчетной сетки в проекте shell.prj применялись следующие параметры: 1. Названия Parts — групп поверхностей, необходимых для определения граничных условий и интерфейсов: • CUP — поверхности коллектора (камеры); • FLANGE — поверхности фланца; • FLANGECOMMON — интерфейс между гексаэдрическими и тетраэдрическими элементами в области FLANGE; • PLATE — поверхности разделительной перегородки; • SHELL — поверхность труб (внутренняя и наружная стенки); • SURFSCOMMON — интерфейс между гексаэдрическими и тетраэдрическими элементами в области жидкости (течения); • SYMMX — плоскость симметрии.

2. Задание Material points — произвольных точек внутри областей с разными физическими свойствами (жидкость/газ, твердое тело): • WATER1T — холодный теплоноситель; • WATER2T — горячий теплоноситель; • METALT — трубы и фланец (металл).

3. Параметры сетки: • Scale factor — 1; • Max Element — 12 мм;

www.ansyssolutions.ru

Шаг 6. Гексаэдральная сетка В проекте tubes.prj создавалась гексаэдральная расчетная сетка. Использовались следующие ключевые параметры: 1. Названия Parts: • FLANGEHEXA — поверхности фланца; • FLANGECOMMON — интерфейс Hexa/ Tetra в области фланца;

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

• • • •

• • •

SURFSCOMMON — интерфейс Hexa/Tetra в области жидкости; SYMMXHEXA — плоскость симметрии; TUBESHEXAINNER — внутренняя поверхность труб; TUBESHEXAOUTER — внешняя поверхность труб.

2. Blocking Materials: WATER1 — холодный теплоноситель; WATER2H — горячий теплоноситель; METALH — трубы и фланец.

Особенности построения сетки Создание блочной структуры для отдельной трубы. Размножение базовой блочной структуры для полного соответствия окончательной блочной структуры исходной компоновке U-образных труб. Автоматическое создание «О»-сеток вокруг труб и внутри труб. Высокая плотность сетки внутри труб. Сохраненный файл расчетной сетки (tubes. msh) для ANSYS CFX содержит 1/4 всей области решения.

В CFX-Pre в главном меню выберите опцию Create a new simulation, а в списке Simulation Type — General mode. Присвойте новому проекту имя ShellTube. Затем сохраните файл.

5

Шаг 8. Импорт сетки В дереве проекта в разделе Mesh выберите опцию Import Mesh. В Mesh format укажите ICEM CFD. Перейдите в папку, в которую мы ранее сохранили файлы с сеткой. Сначала мы импортируем файл с именем shell.msh, а затем — с именем tubes.msh.

Шаг 9. «Отзеркаливание» сетки После импорта сеток в разделе Mesh появятся две сборки: Assembly и Assembly 2. Выберите их и примените для них команду Transform mesh assembly с опцией Reflection. Плоскость отражения — XY Plane, Z=0. Поставьте галочку напротив Delete Original и Glue Matching Assemblies. Нажмите кнопку OK.

Шаг 7. Препроцессинг в CFX-Pre Запустите диалоговую панель CFX Launcher и укажите рабочую директорию проекта (Working directory). Далее из диалоговой панели Launcher загрузите препроцессор CFX-Pre.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Мастер-класс Шаг 10. CEL-выражения

6

В диалоговой панели для задания выражений необходимо написать следующие формулы и объявить следующие переменные: • T1av = 30 [C]; • T1in = 20 [C]; • T2av = 85 [C]; • T2in = 90 [C]; • Th1out = areaAve(T)@outletw1 — 273.15 [K]; • Tmav = 0.5*(T1av + T2av ); • denwat20 = 997 [kg m^-3]; • hour = 3600 [s]; • qw1 = 1 [m^3]; • mw1 = qw1*denwat20/hour; • qw2 = 2 [m^3]; • mw2 = qw2*denwat20/hour.

Шаг 11. Задание свойств расчетной области (Domains) Выберите Create a domain в панели инструментов. Присвойте новому домену имя water1. Выберите четыре поверхности WATER1* в качестве Location. В поле Domain type выберите Fluid Domain; В поле Fluids List — Water; Ref. Pressure — 0 [Pa].

Heat Transfer Mode — Thermal Energy; Turbulence Model — SST; Initialization — All to Automatic. В закладке Temperature Option выберите опцию Automatic with value и укажите в качестве начальной температуры Temperature — выражение T1av, созданное ранее. Нажмите кнопку Ok. Таким образом, домен water1 полностью определен.

берите домен water1 и примените к нему команду Duplicate selected object (дублирование домена). Выберите четыре поверхности WATER2* в качестве Location. Используйте для этого домена в качестве начальной температуры выражение T2av. Создайте еще один домен с именем metal. Выберите четыре поверхности METAL* в качестве Location. В поле Domain type выберите Solid Domain; Fluids List — Copper; Heat Transfer Mode — Thermal Energy. Используйте для этого домена в качестве начальной температуры выражение Tmav. Нажмите кнопку Ok. Таким образом, домен metal полностью определен.

Шаг 12. Граничные условия •

•

•

Теперь вы должны создать второй домен с именем water2. Для этого в дереве проекта вы-

•

•

•

www.ansyssolutions.ru

Для домена water1: выберите Create a Boundary Condition в панели инструментов. Задайте имя inletw1. Выберите «SHELLOPEN1 2» в качестве Location и в поле Boundary Type укажите Inlet, Mass Flow Rate — mw1, Turbulence — Medium intensity 5%, Static Temperature — T1in. Нажмите кнопку Ok; подобным же образом создайте граничное условие типа Outlet и присвойте ему имя outletw1. В качестве поверхности укажите SHELLOPEN1.

Average Static Pressure — 0 [Pa]; теперь определите граничное условие симметрии — Symmetry. Присвойте этому граничному условию имя symmw1. Выберите следующие поверхности: SYMMX B, SYMMXHEXA C, SYMMXHEXA C 2. Для домена water2: выберите Create a Boundary Condition в панели инструментов. Задайте имя inletw2 и выберите CUPOPEN1 в качестве Location. В поле Boundary Type укажите Inlet, Mass Flow Rate — mw2, Turbulence — Medium intensity 5%, Static Temperature — T2in. Нажмите кнопку Ok; далее создайте граничное условие типа Outlet. Присвойте ему имя outletw2. В качестве поверхности укажите CUPOPEN1 2.

Average Static Pressure — 0 [Pa]; теперь определите еще одно граничное условие симметрии. Присвойте этому граничному условию имя symmw2. Выберите следующие поверхности: SYMMX A, SYMMX A 2, SYMMXHEXA A, SYMMXHEXA A 2.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

Для домена metal необходимо определить только одно граничное условие — Symmetry. Присвойте этому граничному условию имя symmm. Выберите следующие поверхности: SYMMX C, SYMMXHEXA B, SYMMXHEXA B 2. По умолчанию на всех оставшихся поверхностях будет задано граничное условие Wall — адиабатная стенка с прилипанием.

Side 1 в качестве Location укажите поверхности SURFSCOMMON B, SURFSCOMMON B 3. В поле Side 2 — SURFSCOMMON B 2, SURFSCOMMON B 4. Тип соединения — Automatic. То же самое необходимо выполнить и для домена water2. Для домена metal в поле Interface type необходимо выбрать Solid Solid. Дополнительные интерфейсы типа Fluid Solid будут созданы автоматически после выполнения команды Write Solver File — сохранение файла-определения. В версии 11.0 интерфейсы типа Fluid Fluid, Fluid Solid, Solid Solid создаются автоматически.

Шаг 14. Настройки решателя CFX Настройки решателя по умолчанию являются приемлемыми для данной задачи. Создадим одну точку для отслеживания изменения температуры на выходе из домена water1. Для этого необходимо создать выражение вида areaAve(T)@outletw1.

Шаг 13. Задание интерфейсов Для домена water1: Выберите Create a Domain Interface в панели инструментов. Задайте имя Domain Interface w1. В поле Interface type укажите Fluid Fluid. В поле Domain (Filter) выберите water1. В поле

Шаг 15. Solver manager Задача рассчитывается в два этапа. На первом этапе используем настройки решателя по умолчанию. Затем после 20-30 итераций останавливаем задачу и меняем значения шагов по времени для доменов fluid и solid на следующие: для домена water1 Physical Timescale = 2.0 [s], для домена water2 Physical Timescale = 0.2 [s]. Для домена metal в поле опции Solid Timescale оставляем Auto Timescale. Процесс сходимости контролируем по изменению температуры теплоносителя на выходе из домена water1.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008

7

Мастер-класс

8

Шаг 16. Результаты расчета Горячая вода с объемным расходом 4 м3/ч поступает на вход теплообменника с температурой 90 °C и выходит с температурой 80 °C. Холодная вода с объемным расходом 2 м3/ч имеет началь-

www.ansyssolutions.ru

ную температуру 20 °C, а конечную — 40 °C. Мощность теплообменника по результатам расчета составляет 47,1 кВт. На рисунке показано распределение температуры горячего и холодного теплоносителей внутри теплообменника.

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008