ANSYS Advantage. Russian edition/Petrochemical Industry', Vol 14/2010

НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Êàêàÿ ïîãîäà íà Ìàðñå

EMT_oblojka_14-2009.indd 1

FSI-ðàñ÷åò â ANSYS

Ïðîåêòèðîâàíèå ñîâðåìåííûõ òàíêåðîâ â ANSYS

08.10.2010 20:00:16

14'2010

ADVANTAGE

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

Новости ANSYS Volkswagen подписывает генеральное соглашение с ANSYS ............................ 2

Выходит 4 раза в год 14'2010 Учредитель: ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Генеральный директор: Локтев Валерий Руководитель проекта: Хитрых Денис Над номером работали: Чернов Александр Юрченко Денис Переводчик: Юрченко Анна Интернет группа: Николаев Александр

Использование ANSYS в пищевой и химической промышленности ................. 2 Компания Pratt & Miller использует ANSYS .......................................................... 3 Применение ANSYS в исследовании возобновляемых источников энергии .....4 Ferrari использует технологии ANSYS для оптимизации конструкции автомобилей ........................................................................................................... 5 Почему опасно использовать нелицензионный софт: практика пресечения компьютерного пиратства» ................................................................................... 6

Технологии ANSYS Multiphysics Опыт применения ANSYS при разработке конструкции плавучей сцены....... 10 Использование ANSYS AUTODYN для оптимизации процесса взрывных работ в горной промышленности ........................................................................ 13 Проектирование современных яхт класса люкс с применением ANSYS Mechanical ............................................................................................................. 15 Многодисциплинарные решения ANSYS в судостроении ................................ 17 Исследование темной стороны Вселенной ........................................................ 20

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

Оптимизация конструкции автомобильной двери с использованием ANSYS Workbench ................................................................................................ 22

ANSYS CFD MOBIL совершенствует свое нефтеперерабатывающее оборудование с помощью CFD-комплексов ANSYS .................................................................. 24 Расчет течения многофазного потока в сепараторе природного газа ........... 25 Калибровка измерительных приборов на модуле Phoenix Mars Lander с использованием ANSYS CFD ........................................................................... 27 Увеличение ресурса эксплуатации энергетического котла с помощью ANSYS CFX ....................................................................................... 29 FSI-технологии ANSYS помогли спроектировать экономичную плавающую станцию экологического мониторинга ............................................................... 31 Топологическая оптимизация в литейном производстве ................................. 33 Оптимизация процесса гидравлического разрыва с помощью численного моделирования. Часть 1 ...................................................................................... 34

Мастер-класс © 2010 ANSYS, Inc. © 2010 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» Перепечатка опубликованных материалов только с письменного разрешения редакции, за исключением кратких цитат в материалах информационного характера. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов

Упрощенная процедура постановки FSI-расчета с применением ANSYS Workbench ............................................................................................... 37 Пример параметрического расчета вентиляционного коллектора с использованием ANSYS Workbench................................................................. 39

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

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 1

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:42

Технологии Новости и события

Volkswagen подписывает генеральное соглашение с ANSYS 2 Немецкий автопроизводитель использует многодисциплинарные программные комплексы ANSYS Саутпойнт, Пенсильвания — компания ANSYS, Inc., занимающаяся разработкой программного обеспечения для инженерных расчетов, объявила о том, что Volkswagen AG, один из крупнейших мировых автопроизводителей, подписал генеральное соглашение с ANSYS о расширении использования программных продуктов. Выбор программного обеспечения ANSYS обусловлен универсальностью и многофункциональностью программных комплексов, а также единой платформой ANSYS Workbench, позволяющей существенно сократить время расчетов. Специалисты Volkswagen используют продукты ANSYS для расчета НДС, процессов гидродинамики и нестационарной нелинейной динамики явными методами при проектировании систем кондиционирования, двигателей, фар и др. «Стратегия Simulation Driven Product Development может применяться в любой отрасли промышленности, ускоряя разработку изделия и время выхода на рынок,– сообщил Albrecht Gill, региональный директор по продажам, ANSYS Germany. – Проведения физических экспериментов и изготовления прототипов уже не достаточно для получения конкурентных преимуществ на современном рынке. Компании-лидеры, в том числе Volkswagen, все чаще используют компьютерное моделирование — с целью снижения затрат на разработку и общего контроля проектов».

«На рынке автомобилестроения действует жесткая конкуренция, поэтому нововведения в современных автомобилях должны реализовываться в максимально сжатые сроки. Для сохранения лидерских позиций необходимо активно использовать инновационные программные комплексы для инженерных расчетов. Мы выбрали программное обеспечение ANSYS благодаря многофункциональности, необходимой для решения наших задач, — прокомментировал Ralph Sundermeier, начальник департамента CAE-расчетов, Volkswagen AG. — В среде ANSYS Workbench возможно проводить связанные расчеты и благодаря этому учитывать весь спектр физических явлений».

Ñïåöèàëèñòû Volkswagen èñïîëüçóþò ïðîäóêòû ANSYS äëÿ ðàñ÷åòà ÍÄÑ, ïðîöåññîâ ãèäðîäèíàìèêè è íåñòàöèîíàðíîé íåëèíåéíîé äèíàìèêè ÿâíûìè ìåòîäàìè ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ñèñòåì êîíäèöèîíèðîâàíèÿ, äâèãàòåëåé, ôàð è äð.

Использование ANSYS в пищевой и химической промышленности Специалисты компании GEA Niro применяют технологии ANSYS для расчетов сушки, выпарки и переработки в молочной, пищевой, химической и фармацевтической промышленности Питтсбург – Компания GEA Niro, работающая в молочной, пищевой, химической и фармацевтической промышленности, выбрала программное

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 2

обеспечение ANSYS для оптимизации оборудования и сокращения производственных затрат. Датская компания GEA Niro является лидером в области сушки, грануляции и агломерации молочных, пищевых и химических продуктов. Группа GEA Process Engineering объединяет поставщиков специализированного технологического оборудования. Программные комплексы ANSYS помогают клиентам оптимизировать проект на ранних стадиях разработки.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:43

Технологии Специалисты GEA Niro проводят расчеты процессов выпарки, дистилляции и кристаллизации молочных, пищевых и химических продуктов. Кроме того, проводится оптимизация процессов сушки и других связанных явлений, требующих тщательного изучения. Программные комплексы ANSYS помогают моделировать данные процессы в реальных условиях без необходимости проведения натурных экспериментов. Портфолио ANSYS охватывает все расчетные потребности GEA Niro. «В течение 20 лет мы проводим гидродинамические расчеты, пытаясь максимально усовершенствовать нашу методи-

ку, - сказал Thorvald Ullum, инженер-расчетчик, GEA Niro. – В частности, мы разработали методику DRYNETICS для повышения надежности расчетов распыления. С помощью ANSYS мы сокращаем время расчетов и повышаем надежность в области высокотурбулентных потоков». «Компания GEA Niro является отличным примером использования инновационных технологий в широком спектре приложений. Благодаря использованию ANSYS специалисты устанавливают стандарты для решения проблем на ранних этапах проектирования», — сообщил Adrian Booth, региональный директор ANSYS в Северной Европе.

3

Компания Pratt & Miller использует ANSYS Ведущий производитель гоночных автомобилей использует ANSYS для оптимизации конструкции деталей Саутпойнт, Пенсильвания – компания ANSYS, Inc., занимающаяся разработкой программного обеспечения для инженерных расчетов, объявила о том, что специалисты крупнейшей компании – производителя гоночных автомобилей Pratt & Miller используют программное обеспечение ANSYS для модернизации педалей тормоза. В процессе расчетов использовались программные продукты ANSYS совместно с кодом fesafe (производитель Safe Technology Limited), предназначенным для проведения анализа усталостной долговечности. Это позволило оценить различные проектные решения и выбрать оптимальный вариант, не требующий увеличения веса или ухудшения гоночных характеристик автомобиля. Открытая архитектура ANSYS позволяет использовать сторонние коды, в частности, fe-safe, что позволяет инженерам Pratt & Miller в сжатые сроки выбрать оптимальное проектное решение, соответствующее жестким требованиям по усталостной долговечности деталей. В гоночных автомобилях, в соответствии с пожеланиями гонщиков, механики часто меняют конструкцию и расположение педали тормоза. Перемещение педали от центра приводит к значительному крутящему моменту — вследствие чего растет напряжение и усталость материала. Сотрудники инженерного центра Pratt & Miller отметили преждевременное образование трещин на педали тормоза одной из гоночных машин. Трещина начиналась от шарнирного пальца и воз-

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 3

никала в результате размещения педали вдали от центра. «Мы должны были изменить конструкцию педали. В автогонках усложнение конструкции является существенной проблемой; для каждой детали мы должны четко соблюдать ограничения, поскольку это может существенно повлиять на скорость и, в конечном итоге, результат гонки. Использование компьютерного моделирования стало ключевым моментом при решении данной проблемы», — сообщил Gary Latham, проектировщик инженерного центра компании Pratt & Miller. Специалисты Pratt & Miller’s должны были существенно увеличить усталостную долговечность детали без ухудшения гоночных характеристик автомобиля. Проводилась параметризация толщины ребра педали в CAD-пакете, а также сравнение различных проектных вариантов в среде ANSYS Workbench. С помощью программных комплексов ANSYS проводилось всестороннее изучение проекта и выбирался оптимальный по весовым характеристикам вариант. Анализ усталостной долговечности, проводимый с помощью программного комплекса fe-safe, показал участки, требующие укрепления. Кроме того,

Òðåùèíà â ïåäàëè òîðìîçà, íà ïîâåðõíîñòè èçîáðàæåíî ïîëå ýêâèâàëåíòíûõ íàïðÿæåíèé

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:45

Технологии Новости и события

4

Ðàñ÷åò íàïðÿæåíèé ñ ïîìîùüþ ANSYS: ñõåìà íàãðóæåíèÿ è çàêðåïëåíèÿ (ñëåâà), ïåðâîíà÷àëüíûé âàðèàíò (ïîñåðåäèíå), îïòèìèçèðîâàííàÿ êîíñòðóêöèÿ (ñïðàâà)

инженеры определили, насколько необходимо изменить нагрузки и какое количество материала необходимо, чтобы проектная долговечность составила 1 миллион циклов. На данный момент новый проект находится в стадии производства. «В современном инженерно-техническом мире использование единой платформы для инженерных расчетов становится необходимым условием, — сказал Sandeep Sovani, менеджер ANSYS (автомобильная отрасль). — Клиенты рассматривают множество вариантов в процессе разработки новых изделий. Архитектура ANSYS, благодаря своей адаптивности, открытости и гибкости, позволяет использовать широкий спектр программ: CAD, PLM, внутренние коды и другие технологии. С помощью ANSYS компания Pratt & Miller эффективно использует несколько расчетных технологий для достижения оптимального результата».

Применение ANSYS в исследовании возобновляемых источников энергии Компания Norvento Energia Distribuida использует технологии ANSYS для разработки и оптимизации возобновляемых источников энергии Саутпойнт, Пенсильвания — компания ANSYS, Inc., занимающаяся разработкой программного обеспечения для инженерных расчетов, объявила, что Norvento Energia Distribuida, лидер в разработке возобновляемых источников энергии, использует многодисциплинарный программный комплекс ANSYS для промышленной разработки и оптимизации возобновляемых форм энергии. В частности, специалисты Norvento планируют проводить электромагнитный анализ, а также расчет НДС и теплового состояния с помощью инновационных технологий ANSYS. Одним из недавних проектов компании стало создание нового проекта ветровой турбины для работы в различных энергетических системах. «По нашему мнению, компьютерное моделирование является лучшим инструментом для создания в короткие сроки эффективных инновационных проектов, — сообщил Miguel Hoyos, технический директор компании Norvento Energia Distribuida. — В частности, программные комплексы ANSYS позволяет проводить электромагнитные расчеты вращающихся электрических машин, анализ теплового состояния, связанный с изучаемыми электромагнитными явле-

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 4

ниями, и линейный расчет НДС деталей с большой деформацией. Использование компьютерного моделирования позволяет получить эффективное и экономичное решение». Компания Norvento эффективно использует управление расчетными данными и процессами (SPDM), в связи с чем различные отделы могут одновременно получить доступ к имеющимся программным комплексам, совместно работать над проектом и, в случае необходимости, проводить связанные многодисциплинарные расчеты. «Проектирование ветровой турбины с применением связанных многодисциплинарных расчетов в ANSYS является достаточно продуктивным, поскольку расчетная платформа позволяет решать разнообразные задачи — от анализа аэродинамики до расчета НДС, — сообщил Ahmad Haidari, руководитель направления промышленного маркетинга в ANSYS, Inc. – Используя продукты Ansoft, технические специалисты Norvento могут оптимизировать электромеханическую систему ветровой турбины, уделив внимание электрогенератору, системам регулирования оборотов, трансформаторам, силовой электронике, распределению мощности и др. Многофункциональность инженерных решений и универсальность многодисциплинарных продуктов ANSYS позволяет нашим клиентам получить существенное конкурентное преимущество на современном рынке».

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:46

Технологии

Ferrari использует технологии ANSYS для оптимизации конструкции автомобилей

5

Итальянский автогигант применяет программные комплексы ANSYS для повышения теплового комфорта в салоне автомобиля

намики University of Pisa. — Качественных характеристик, полученных в экспериментах, не достаточно для определения качества проекта и эффективности тех или иных проектных изменеСаутпойнт, Пенсильвания — компания ANSYS, ний. Использование чисто экспериментального Inc., занимающаяся разработкой программного подхода оказалось недостаточным для получеобеспечения для инженерных расчетов, сообщи- ния необходимых данных. Мы использовали ла, что крупнейший итальянский автопроизво- программные комплексы ANSYS поскольку они дитель Ferrari использует технологии ANSYS для обеспечивают адекватные результаты в подобоптимизации конструкции автомобилей. Совре- ных случаях». менные возможности программных комплексов Ученые составили «общий индекс тепловоANSYS позволяют улучшить тепловой комфорт го комфорта» на основе таких параметров, как в салоне автомобиля. тепловое равновесие человеческого тела, испыПоскольку потенциальные покупатели уде- тываемый дискомфорт от сквозняков, горизонляют большое внимание тепловому комфорту в тальные и вертикальные температурные градисалоне, для компании Ferrari данный аспект так- енты. Для этого исследовались такие факторы, же является приоритетным. Чтобы оценить уро- как скорость автомобиля и свойства материалов вень комфорта не только в качественных, но и в (кожа, стекло, алюминий), чувствительность к наколичественных характеристиках, специалисты греванию или охлаждению определенных частей Ferrari совместно с University of Pisa (Италия) тела (ноги, руки, лицо, защищенные одеждой или провели серию исследований. Поскольку приме- нет), интенсивность солнечного излучения, внутнение экспериментального метода является до- ренний объем автомобиля и приток воздуха. рогостоящим и непрактичным, исследователь«Перед специалистами Ferrari и University of ская группа провела серию инженерных расче- Pisa стояла трудная задача — разработать метотов с использованием CFD-кодов ANSYS. дику измерения качества. Задание было выпол«Тепловой комфорт является субъектив- нено благодаря совместной скоординированной ным показателем, который нельзя измерить, — работе с использованием программных комплексообщил Giovanni Lombardi, профессор аэроди- сов ANSYS. — сказал Jim Cashman, президент и исполнительный директор компании ANSYS, Inc. — Преимущество нашей стратегии Simulation Driven Product Development заключается в том, что создание физических моделей или проведение экспериментов больше не требуется — проект можно проверить, оптимизировать и, если необходимо, изменить на ранних этапах разработки. Многие компании во всем мире, работающие в различных отраслях промышленности, по достоинству оценили это преимущество. С помощью ANSYS, Ferrari остается одним из популярных брендов мирового Ïîëå îáòåêàíèÿ â ñàëîíå Ferrari, ïîëó÷åííîå ñ ïîìîùüþ ïðîãðàììíîãî автомобилестроения». êîìïëåêñà ANSYS

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 5

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:47

Технологии Новости и события

6

Почему опасно использовать нелицензионный софт: практика пресечения компьютерного пиратства» Анна Петрова, юридический представитель Ассоциации производителей программного обеспечения (BSA) в России, старший юрист ООО «Балтийское Юридическое Бюро» Ассоциация производителей программного обеспечения Business Software Alliance (www.bsa.org) является ведущей международной организацией, деятельность которой направлена на продвижение безопасного и легализованного программного обеспечения в современном цифровом мире. Организацию BSA можно назвать голосом мировых производителей программного обеспечения и их партнеров, производящих аппаратное обеспечение. Программы и инициативы организации BSA направлены на развитие инноваций и технологий, повышение образовательного уровня в области защиты авторских прав, а также на активное взаимодействие с законодательными и правоохранительными органами различных стан мира в области защиты авторских прав на программы для ЭВМ.

BSA существует с 1988 года, а в России организация начала свою работу в 2005 году и на сегодняшний день имеет своих представителей в Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Ростове-на Дону, Екатеринбурге и других городах, где представляет интересы таких всемирно известных производителей программного обеспечения: Adobe, Altium, ANSYS, Apple, Autodesk, Bentley Systems, Corel, Dassault Systemes SolidWorks Corporation, McAfee, Microsoft, Siemens, Symantec, Tekla и The MathWorks, продукция которых представлено на российском рынке программного обеспечения (ПО). Юристы BSA активно поддерживают работу правоохранительных органов, направленную на пресечение «корпоративного компьютерного пиратства», то есть нарушения авторских прав на программы для ЭВМ, принадлежащих правообладателямучастникам BSA в деятельности компаний. Обычно мы не задаемся вопросом, почему опасно нарушать закон. Ответ кажется вполне очевидным: за нарушение закона может последовать наказание и привлечение к ответственности. Закон тем меньше нарушается, чем более явной кажется неотвратимость и суровость наказания. К сожалению, в случае с нарушением авторских прав на программы для ЭВМ осознание опасности зачастую приходит слишком поздно — только тогда, когда нарушение выявлено и за него нужно отвечать перед законом. Вместе с тем в Российской Федерации за последние десять лет были внесены изменения

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 6

в законы, которые существенно ужесточили ответственность за нарушения авторских прав на программы для ЭВМ, а правоохранительные органы стали активно пресекать и выявлять такие правонарушения.

Что такое «компьютерное пиратство»? В соответствии с принятым в теории и на практике делением нарушений авторских прав на программное обеспечение, можно выделить следующие на виды компьютерного пиратства: изготовление и/или распространение копий программ без соответствующего разрешения правообладателя; непосредственное использование в коммерческой деятельности предприятий/организаций нелицензионных копий компьютерных программ, установленных на рабочие компьютеры сотрудников предприятий/организаций (все виды воспроизведения: запись, хранение в памяти компьютера, эксплуатация программы). Административная ответственность за совершение любых таких действий с компьютерными программами с нарушением авторских прав наступает в том случае, если размер нарушения составил менее 50 тысяч рублей. Нарушение в размере до 250 тысяч рублей влечет уголовную ответственность по ч. 2 ст. 146 Уголовного кодекса РФ и квалифицируется как преступление небольшой тяжести. Нарушение в особо крупном размере, начиная с 250 тысяч рублей и более квалифицируется, как тяжкое преступление и за его совершение лицо может быть наказано, в том числе лишением свободы на срок до шести лет. Размер нарушения рассчитывается на основе стоимости лицензионных экземпляров компьютерных программ, которые использовались, производились или распространялись незаконно без разрешения правообладателя, то есть без лицензии. Нужно отметить, что разница в стоимости «пиратских» и лицензионных копий огромна: пиратский диск может стоить 100 рублей или вообще ничего, если программу скачать из Интернета, а лицензионный продукт может стоить от семисот рублей за электронный переводчик до 30-80 и более тысяч долларов за профессиональные программные расчетно-измерительные комплексы и специализированные промышленные решения. Вместе с тем, не использовать

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:48

Технологии программное обеспечение практические невозможно: это необходимое средство производства в деятельности любой современной компании. Компьютеры, на которых не записаны программы для ЭВМ, просто не работают. При этом, с точки зрения действующих в России норм, запись и хранение программы в памяти компьютера сами по себе уже являются ее воспроизведением и использованием1. Получается, что нарушать авторских прав на ПО очень легко и заманчиво: использование пиратских копий очень доступно, а лицензионные программы по сравнению пиратскими копиями достаточно дороги. Но есть и другая сторона медали: чем больше нелицензионных программ использует компания и чем выше стоимость легальных аналогов, тем вероятнее наступление последствий нарушения закона, как правило, очень тяжелых для любой компании и ее сотрудника, привлекаемого к ответственности.

Проверки: что могут правоохранительные органы? Проверка на предмет нарушения авторских прав на программы осуществляется милицией на основе положений Федерального закона «Об оперативно-розыскной деятельности». Закон предусматривает права милиции на проведение следующих оперативно-розыскных мероприятий (статья 6): сбор образцов для сравнительного исследования, исследование предметов и документов, обследование помещений, зданий, сооружений, участков местности и транспортных средств. Основаниями для проведения милицией проверки компании на предмет обнаружения незаконного использования компьютерных программ в коммерческой деятельности, являются (статья 7 Закона «Об ОРМ»): наличие возбужденного уголовного дела, поручения следователя, руководителя следственного органа, органа дознания или определения суда по уголовным делам, находящимся в их производстве, или ставшие известными органам, осуществляющим оперативно-розыскную деятельность, сведения о признаках подготавливаемого, совершаемого или совершенного противоправного деяния, а также о лицах, его подготавливающих, совершающих или совершивших, если нет достаточных данных для решения вопроса о возбуждении уголовного дела. Из каких же источников правоохранительные органы и/или правообладатели, которые об1 Так, согласованные замечания 1 (4) Договора ВОИС по авторскому праву 1996 г., к которому Российская Федерация присоединилась, указывают: «Право на воспроизведение, как оно определено в Статье 9 Бернской конвенции, и допускаемые этой статьёй исключения полностью применяются в цифровой среде и, в частности, в отношении использования произведений в цифровой форме. Понимается, что хранение охраняемого произведения в цифровой форме в электронном средстве является воспроизведением в смысле Статьи 9 Бернской конвенции».

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 7

ращаются за защитой своих прав в милицию, получают информацию о нарушении авторских прав на используемое в организации программное обеспечение. Наиболее распространенным источником подобной информации являются сообщения, поступающие от действующих или бывших сотрудников компании, которые по тем или иным причинам передают подробную информацию о фактах нарушений на предприятии работодателя. Зачастую это либо уволенные сотрудники, либо те, кому задерживают или не платят заработную плату, либо те, кто сталкивается с грубыми нарушениями условий их труда. Полученная информация (сообщение) проверяется и принимается соответствующее решение о проведении проверки на предмет выявления правонарушения.

7

Как происходит проверка? Проверка, как правило, осуществляется в отношении всех компьютеров компании. Компьютеры последовательно осматриваются, и милиция, выяснив какие программы для ЭВМ на них записаны, запрашивает документы, подтверждающие легальность их использования. Если компания не может предоставить документы и/или иным образом подтвердить наличие лицензий на ПО, компьютеры изымаются для проведения исследования. В дальнейшем, по результатам подготовки материалов проведенных оперативнорозыскных мероприятий и проведенного исследования следственными органами решается вопрос о привлечении ответственного сотрудника компании к административной или уголовной ответственности за нарушение авторских прав на программы для ЭВМ. В случаях, когда компания, в офис которой пришли с проверкой, полагает, что проверяющие нарушают своими действиями положения закона, компания вправе обжаловать такие действия в вышестоящий орган внутренних дел, прокуратуру или суд.

Что важно знать: памятка для ответственного руководителя Вне зависимости от того, каким образом производилась закупка программного обеспечения, и какой тип лицензий используется на предприятии («коробочные» продукты или корпоративные лицензии), — универсальное правило состоит в том, что количество рабочих мест с установленными программами должно соответствовать количеству мест оговоренном в лицензионном соглашении. В случае с программными продуктами ряда правообладателей, также возможно приобрести так называемые ОЕМ-версии программ, которые поставляются только вместе с приобретаемой новой компьютерной техникой. В соответствии с лицензионным соглашением на

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:49

Технологии Новости и события

8

программу, как правило, допускается установка лишь одной ее копии и только на один компьютер, если договором с правообладателем не предусмотрено иное. Необходимо учитывать, что программы лицензируются на строго определенное количество рабочих мест (пользовательских компьютеров), но не на организацию в целом с неограниченным числом пользователей. Это означает, что в первую очередь ответственное руководство должно получить полную картину положения дел в сфере использования программных продуктов на своем предприятии, в частности, лицензирования, для чего необходимо осуществить инвентаризацию программного обеспечения. Следует оценить потребность в программных продуктах, в том числе с учетом дополнительных офисов и дочерних подразделений, и только после этого поднимать вопрос о закупке программного обеспечения. Крайне полезно разработать план по стандартизации, использованию, приобретению и контролю ПО на предприятии, а также план по управлению лицензиями на предприятии, включающий в себя анализ потребностей в ПО, процесс обучения персонала правилам использования ПО, план по снижению затрат на техническую поддержку и график регулярной инвентаризации. В общих чертах в этом и заключается управление программными активами (Software Asset Management). Такой подход позволит избежать не только случаев нехватки лицензионных копий программных продуктов, но и избыточной закупки лицензий филиалами и дочерними подразделениями, когда размер скидки определяется централизованно. В свою очередь, производители ПО либо их партнеры могут помочь клиентам оценить свои потребности, предложить наиболее подходящие схемы лицензирования, обеспечить техническую поддержку и обучение работе с продуктом. Кроме того, рекомендуется хранить не только материальные носители программ (диски, коробки и т.п.), но всю сопутствующую приобретению документацию (договоры, счета, платежные документы, акты, счета-фактуры, переписку и т.п.) В случае выявления правоохранительными органами факта нарушения авторских прав на компьютерные программы в конкретной организации, к уголовной ответственности, как правило, привлекается физическое лицо, по воле которого программное обеспечение незаконно использовалось в деятельности организации и виновного в совершении данного преступления. В первую очередь, это руководитель (директор) компании, который обязан, в силу своих должностных полномочий и ответственности за всю хозяйственную деятельность организации, соблюдать требования законодательства, в том числе, обеспечивать

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 8

законное использование программ для ЭВМ в коммерческой деятельности предприятия. При этом все законно приобретенные программные продукты (права на их использование) должны учитываться в составе имущества предприятия и отражаться в документах бухгалтерского учета (балансе) организации в статье «нематериальные активы», а также отражаться в документах бухгалтерской отчетности, которые также подписываются непосредственно руководителем предприятия. Отсутствие в документах бухгалтерского учета и отчетности сведений о приобретении лицензий на использование ПО часто означает, что программы используются незаконно. Именно поэтому милиция в том числе проверяет бухгалтерскую документацию. При наличии в штате организации специально уполномоченного лица, ответственного за техническое обеспечение деятельности предприятия, включая программное обеспечение компьютерной техники (IT-менеджер, системный администратор и т.п.), а также при наличии объективных доказательств его осведомленности об использовании нелицензионного программного обеспечения в деятельности компании, может рассматриваться вопрос об уголовной ответственности в виде соучастия в совершении преступления двух субъектов — руководителя и специально уполномоченного сотрудника организации, либо только об уголовной ответственности системного администратора.

Использование нелицензионного ПО — риск для бизнеса и руководства Следует различать правовые последствия для физического лица, сотрудника компании, который привлекается к уголовной или административной ответственности за нарушение авторских прав на ПО, и последствия для юридического лица, в чьей деятельности ПО незаконно использовалось. Что грозит физическому лицу, если размер нарушения составил более 50 тысяч рублей2: привлечение к уголовной ответственности, как правило, в виде лишения свободы условно с испытательным сроком и штрафа, а также привлечение к гражданской ответственности и возмещение вреда за нарушение авторских прав. Осужденный сотрудник компании в результате приговора получает судимость и бремя уплаты вреда в результате гражданского иска правообладателей. Юридическому лицу также грозят очень серьезные риски: в результате проверки, компьютеры изымаются для проведения исследования, а после возбуждения уголовного дела хранятся при уголовном деле как вещественные доказатель2 В данной статье я не останавливаюсь подробно на вопросах привлечения к административной ответственности, так как в практике BSA случаи административной ответственности крайне редки.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:50

Технологии ства — вплоть до вынесения приговора. Очевидно, что отсутствие компьютеров и рабочей информации, записанной на них, уже само по себе существенно затрудняет работу компании. Но также юридическому лицу грозит административная ответственность, как правило, в виде штрафа и гражданская ответственность. В данном случае речь идет о гражданской ответственности юридического лица, значительно большей по сравнению с гражданской ответственностью физического лица в уголовном процессе. Правообладатели, в соответствии со ст. 1301 Гражданского Кодекса РФ, вправе обратиться в арбитражный суд и потребовать за нарушение авторских прав выплаты компенсации в двукратном размере стоимости экземпляров произведения, определяемой исходя из цены, которая обычно взимается за правомерное использование произведения. Например, если компания использовала в своей деятельности незаконно ПО на сумму 1 000 000 рублей, то по иску правообладателей она будет обязана выплатить компенсацию в сумме 2 000 000 рублей. Цифры сами по себе говорят о многом: Ассоциация производителей программного обеспечения (BSA) подсчитала, что за 2009 год правоохранительными органами РФ на предмет незаконного использования программ для ЭВМ и соответственно нарушения авторских прав на программы компаний-членов BSA были проверены 689 компаний. В подавляющем большинстве случаев, по результатам проверок, было обнаружено незаконное использование программного обеспечения. К концу 2009 года в 117 случаях были возбуждены уголовные дела и по 55 делам судебными органами РФ были вынесены приговоры, в результате которых к уголовной ответственности были привлечены директора либо ITспециалисты компаний. В целом, за 2009 год, на урегулирование отношений с правообладателями в связи с незаконным использованием программ компаний-членов BSA российские компании потратили более 54 миллионов рублей.

Вот некоторые свежие примеры дел, поддержанных от имени Ассоциации BSA: ООО «МВК-Сервис» 25 сентября 2009 года сотрудниками правоохранительных органов была проведена проверка в ООО «МВК-Сервис». В ходе проверки было выявлено использование в деятельности компании нелицензионного программного обеспечения, авторские права на которое принадлежат компаниям-участникам BSA, на общую сумму 1 794 166 рублей. Уголовное дело по п. «в» ч. 3 ст. 146 (деяние, совершенное в особо крупном размере) УК РФ в отношении директора компании было возбуждено 21 октября 2009 года. 25 февраля 2010

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 9

года районный суд г. Москвы вынес приговор в отношении директора компании и назначил наказание в виде 2-х лет лишения свободы (условно) с испытательным сроком в течение 2-х лет. Нарушитель вину признал полностью, раскаялся в содеянном, возместил причиненный ущерб и активно способствовал раскрытию преступления, что было признано смягчающими обстоятельствами.

24 февраля 2010 года был подписано мировое соглашение, по которому компания добровольно выплатила 260 000 рублей.

9

ООО «Индести» 4 марта 2010 года сотрудниками правоохранительных органов была проведена проверка в ООО «Индести». В ходе проверки было выявлено использование в деятельности компании нелицензионного программного обеспечения, авторские права на которое принадлежат компаниямучастникам BSA, на общую сумму 222 442 рублей. 13 марта 2010 года в отношении директора компании было возбуждено уголовное дело по ч.

2 ст. 146 УК РФ (деяние, совершенное в крупном размере). 22 июня 2010 года районный суд г. Москвы вынес приговор в отношении директора компании и назначил наказание в виде лишения свободы на срок 6 месяцев (условно) с испытательным сроком в течение 6 месяцев. Подсудимая вину признала полностью, раскаялась в содеянном и заявила ходатайство о рассмотрении дела в особом порядке. Суд также удовлетворил гражданский иск в размере 188 608 рублей. В настоящее время с правообладателями ведутся переговоры о мировом соглашении. В заключение, хотелось бы отметить, что методы защиты от «компьютерного пиратства», предусмотренные российским законодательством, эффективно работают, о чем свидетельствуют не только сухие данные статистики, но реально существующие примеры правоприменительной практики. На наш взгляд, основной причиной использования нелегальных программных продуктов на предприятии является плохая информированность и осведомленность руководства. На практике мы видим, что руководители в целом ряде случаев оказывается в абсолютном неведении о ситуации с лицензированием программных продуктов в их компании. Мы полагаем, что знания о преимуществах использования лицензионных продуктов, а также осведомленность о существующих юридических, финансовых и репутационных рисках использования нелегальных копий, как для компании, так и для ее сотрудников, — не позволят ответственному руководству делать выбор в пользу пиратского программного обеспечения. Это было бы крайне недальновидно.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:51

Технологии

Опыт применения ANSYS при разработке конструкции плавучей сцены

10

Автор: Gerhard Lener, ZT Lener, Feldkirch, Австрия

Крупнейшая в мире сцена европейской оперы находится на Боденском озере (Швейцария) и использовалась в качестве декорации к новому фильму «Квант милосердия» о Джеймсе Бонде. Конструкция стоимостью 8 миллионов долларов представляет собой огромный глаз высотой 31 м и шириной 48 м. Частью конструкции является 10-метровое «глазное яблоко», в котором «радужная оболочка» и «зрачок» могут вращаться. Кроме того, «радужная оболочка» служит экраном для сценических спецэффектов. У инженеров возник ряд проблем, связанных с оптимизацией конструкции, которая должна была соответствовать многочисленным нормам безопасности и строительным стандартам. Инженеры компании «ZT Lener» использовали программные комплексы ANSYS для расчета НДС конструкции при различной скорости ветра, в разных положениях движущихся элементов конструкции. Сначала проводился линейный анализ, чтобы проверить техническое состояние конструкции. Затем проводился нелинейный анализ с целью проверки — сможет ли конструкция выдерживать еще большие нагрузки.

Международный музыкальный фестиваль, для которого сооружается новая плавучая сцена. Последнюю сцену соорудили в 2007 г.; амфитеатр вмещал около 7000 зрителей, таким образом, за два года оперу «Тоска» смогли посетить более 320000 человек. Сложная конструкция сцены должна соответствовать всем требованиям к художественному и техническому исполнению оперного произведения. Поскольку новая сцена фестиваля не должна быть похожей на предыдущую, команда проектировщиков вынуждена постоянно искать новые нестандартные решения, связанные с различными областями физики.

Проблемы при проектировании сцены Самой серьезной проблемой при проектировании сцены было обеспечение необходимого за-

Оперная сцена как декорация для фильма В фильме «Квант милосердия» задействованы эпизоды из оперы «Тоска» Дж. Пуччини. Положение «глаза» меняется на протяжении представления, превращая конструкцию в экран, дверь, платформу и место казни главного героя. Брегенц — административный центр области Форарльберг, расположенный на западе Австрии, на границе с Германией и Швейцарией. Каждые два года в г. Брегенц проходит

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 10

Âíåøíèé âèä ïëàâó÷åé îïåðíîé ñöåíû íà Áîäåíñêîì îçåðå (Øâåéöàðèÿ)

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:52

паса прочности — при движении конструкция «глаза» не должна была оказывать избыточное давление на основание. Масса подвижных частей сцены составила около 250 тонн, полная масса сцены и ее основания — 463 тонны. Кроме того, кран, передвигающий компоненты сцены, имел ограничения подъема 12 тонн. Маленький мостик, соединяющий плавучую сцену с берегом, мог выдержать нагрузку не более 1 тонны на квадратный метр. Немало проблем возникло из-за используемого материала: конструкция «глаза» и «глазного яблока» состоит из композиционных материалов со стальным каркасом и деревянной поверхностью. Использование композиционных материалов усложнило проведение расчетов, поскольку в данном случае соединение стальных и деревянных конструкций в плоскости сдвига приводит к возникновению дополнительной жесткости.

Инструменты расчета В процессе проектирования использовался макет сцены 100 к 1, на основе которого была создана трехмерная CAD-модель в Pro/ENGINEER®. Использование программного комплекса ANSYS Mechanical для моделирования плавучей сцены является оптимальным, поскольку пакет обладает широким спектром возможностей. В частности, проводится линейный и нелинейный анализ различных материалов (от металлов до резины).

ANSYS Mechanical обеспечивает доступ ко многим решателям в рамках одной расчетной среды ANSYS Workbench, обеспечивающей двустороннюю связь с большинством CAD-систем. Следует отметить, что в течение последних лет при проектировании плавучих сцен команда проектировщиков успешно решала неординарные прочностные задачи с помощью технологий ANSYS.

Ðàñ÷åòíàÿ ìîäåëü îïîðû äëÿ ñöåíû

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 11

Используя нелинейные модели материалов в ANSYS, инженеры смогли определить области физики, в которых необходимо провести комплексный анализ. При моделировании основной конструкции использовалась традиционная версия ANSYS Mechanical, поскольку в ней существует возможность применять скрипты для генерации входных файлов, что позволяет автоматизировать процесс расчета конструкции в промежуточных точках. Инженеры моделировали стальной каркас с помощью балочных элементов, для деревянной поверхности использовались оболочечные элементы. С помощью двух гидравлических цилиндров «глаз» может поворачиваться на 90 градусов. При этом многие компоненты испытывают наибольшую нагрузку в средней точке поворота. В связи с этим, возникла необходимость расчета поведения конструкции в дополнительных точках — чтобы убедиться, что конструкция не перегружена. С использованием скрипта был проведен анализ напряжений и деформаций в различных точках. В частности, выяснилось, что под действием ветровой нагрузки, конструкция деформируется на 127 мм.

11

Особенности прочностных расчетов Группа инженеров провела в среде ANSYS Workbench расчет ответственных деталей конструкции — треугольных держателей, соединяющих «глаз» с торсионным валом. Благодаря ANSYS Workbench они смогли импортировать CAD-модели в расчетную среду. По результатам расчетов были изменены толщины стенок и положение ребер жесткости держателей — таким образом, деформация и нагрузки были существенно уменьшены. В связи с указанными выше ограничениями по весу, возникла необходимость расчета конструкции в различных точках и положениях. К примеру, стальная конструкция оказалась не

Ñ ïîìîùüþ äâóõ ãèäðàâëè÷åñêèõ öèëèíäðîâ «ãëàç» ìîæåò ïîâîðà÷èâàòüñÿ íà 90 ãðàäóñîâ

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:54

Технологии

12

 ïðîöåññå ðàñ÷åòà áûëè ïîëó÷åíû íàïðÿæåíèÿ è äåôîðìàöèè â ðàçëè÷íûõ òî÷êàõ. Ïîä äåéñòâèåì âåòðîâîé íàãðóçêè, êîíñòðóêöèÿ äåôîðìèðóåòñÿ íà 127 ìì Êîíñòðóêöèÿ «ãëàçà» è «ãëàçíîãî ÿáëîêà» ñîñòîèò èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ ñî ñòàëüíûì êàðêàñîì è äåðåâÿííîé ïîâåðõíîñòüþ достаточно прочной до момента сборки деревянной оболочки, однако в то же время конструкция испытывала меньшую ветровую нагрузку. Расчеты показали, что сцена может нормально функционировать при скорости ветра до 50 км/ч. При скорости ветра свыше 50 км/ч сцена может приводиться в движение — однако при этом элементы конструкции передвигаются медленнее. В этом случае сцену необходимо установить в определенном положении, в котором она может выдерживать сильные ветровые нагрузки.

Оценка прочности конструкции Предельный уровень нагружения конструкции вследствие упругой и пластической деформации рассчитывался с помощью нагрузок и коэффициента запаса прочности от 1.3 до 1.5. Конструкция должна выдерживать проектные нагрузки, а также нагрузки от упругой и пластической деформации (коэффициент запаса прочности 1.0). Динамический расчет различных элементов конструкции показал отсутствие резонанса или вибраций, которые могли бы нарушить или повредить конструкцию. Чтобы удостовериться в отсутствии резонанса при движении нескольких людей, рассчитывались собственные частоты и формы колебаний конструкции «глаза». Во время съемок фильма «Квант милосердия» на сцене было установлено световое оборудование массой 1,500 кг. Соответственно, потребовался дополнительный расчет, чтобы убедиться в достаточной прочности конструкции. В процессе создания плавучей сцены для музыкального фестиваля нет возможности для изготовления прототипов или внесения измене-

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 12

Ïîëå íàïðÿæåííî-äåôîðîìèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ äåðæàòåëÿ ний в проект. Поскольку дата начала фестиваля известна заранее, срок сдачи сцены не может быть перенесен. Безопасность исполнителей, обслуживающего персонала и зрителей зависит от точности изначального проекта. Благодаря использованию ANSYS Mechanical инженеры могут не сомневаться в точности полученных результатов и надежности конструкции новой сцены. Компания CADFEM Germany, партнер по каналу ANSYS, была поставщиком программного обеспечения ANSYS при проектировании оперной сцены.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:55

Технологии

Использование ANSYS AUTODYN для оптимизации процесса взрывных работ в горной промышленности

13

Автор: Dale Preece, отдел научно-исследовательских разработок, «Orica USA Inc.», Колорадо, США

В настоящее время в горнодобывающей отрасли взрывные работы являются необходимым, но не достаточно изученным фактором. Специалисты должны использовать достаточное количество взрывчатых материалов, чтобы разрушить максимальный объем породы. Однако количество используемой взрывчатки зачастую ограничивается требованиями бюджета, а также нормами вибраций, допустимых в отношении прилегающих шахт и зданий. Наиболее эффективным методом является взрыв рядов взрывных скважин с помощью электронных детонаторов с точно установленной задержкой детонации (с точностью до 0,1 мс). При правильно подобранной задержке, ударные волны усиливаются, приводя к максимальному дроблению и выносу породы, руды, угля и других материалов. В противном случае, волны растяжения, которые отражаются от свободных поверхностей (включая вертикальный борт уступа шахты), могут нейтрализоваться из-за скачка уплотнения от взрывов в соседних скважинах. Таким образом, эффективность взрывных работ значительно снижается. Основная проблема данного метода — определение оптимального времени задержки детонации, в зависимости от прочности сжатия и хрупкости подрываемых материалов, типа используемой взрывчатки, диаметра, глубины и расположения взрывной скважины. Обычно горнодобывающие компании устанавливают задержку в детонации опытным путем — используя метод проб и ошибок. Но даже после длительных испытаний компаниям достаточно трудно найти оптимальную задержку по времени. Крупнейший поставщик взрывчатых веществ для использования в горнодобывающей промышленности, компания «Orica», по запросу

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 13

клиентов, занимается исследованиями в области определения точного времени задержки детонации в подземных шахтах и в местах открытых разработок. Для проверки безопасности взрывчатых веществ, инженеры компании используют программный комплекс ANSYS AUTODYN для расчета нестационарной нелинейной динамики. В ANSYS AUTODYN модель материалов Riedel–Hiermaier–Thoma (RHT) предназначена для анализа плотности трещин и дробления породы. Модель RHT адекватно описывает зависящие от давления и остаточные разрушения поверхностей, предел упругости поверхностей и механическое упрочнение в рамках унифицированной модели учитывающей накопление разрушения при растяжении и сжатии — два критических напряженных состояния, которые должны быть корректно согласованы в процессе детонации для достижения максимального дробления породы. Возможность ANSYS AUTODYN для связывания Эйлеровой и Лагранжевой систем координат особенно актуальна в расчетах времени

 ANSYS AUTODYN ïðîâîäèëñÿ òðåõìåðíûé ðàñ÷åò ñîñåäíèõ òî÷åê ñ ðàçëè÷íîé çàäåðæêîé ïî âðåìåíè

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:57

Технологии

14

Ðàñïðîñòðàíåíèå âçðûâíûõ âîëí è ïîëÿ äàâëåíèé âçðûâíîãî ïîëÿ ïðè çàäåðæêå äåòîíàöèè 2 ìñ ìåæäó ñîñåäíèìè òî÷êàìè âçðûâà (ïîêàçàíû âåðòèêàëüíûìè ëèíèÿìè). Óäàðíûå âîëíû (ïîêàçàíû êðàñíûì) âûõîäÿò èç âçðûâíûõ ñêâàæèí, äâèæóòñÿ ââåðõ ÷åðåç âçðûâíîå ïîëå è ñîåäèíÿþòñÿ îêîëî áîðòà óñòóïà è íèæíåé ïîâåðõíîñòè. Òåìíî-ñèíèì öâåòîì íà ðèñóíêå ïîêàçàíî ïîëå äàâëåíèé задержки взрыва. Эйлерова система координат подходит для взрывной детонации, поскольку материал проходит через геометрически неизменную сетку, в связи с чем облегчается расчет больших деформаций, связанных с течением жидкости и газа. Горная порода моделируется в Лагранжевой системе координат, поскольку узлы сетки движутся вместе с материалом, что позволяет провести более точный расчет деформации и разрушения. Поскольку в ANSYS AUTODYN происходит связывание двух систем координат, это позволяет максимально точно рассчитать весь процесс взрыва. Возможность связывания решателей в ANSYS AUTODYN в трехмерных расчетах является неоспоримым преимуществом для использования программного комплекса для моделирования взрывов горной породы. В одном из последних расчетов соседние точки находились на расстоянии 14,63 м, диаметр взрывной скважины составил 30,48 см. Модель RHT использовалась для глинистой породы с прочностью сжатия 5516 кПа. Вертикальным бортом уступа считались стены шахты, в которой происходил взрыв. Проводился трехмерный расчет соседних точек с различной задержкой по времени, включая 0 мс (одновременный взрыв), 2 мс, 8 мс и 15 мс. На рисунке 3 показано распространение взрывных волн и поля давлений взрывного поля при задержке детонации 2 мс между соседними точками взрыва (на рисунке показаны вертикальными линиями). Ударные волны (показаны красным) выходят из взрывных скважин, движутся вверх через взрывное поле и соединяются около борта уступа и нижней поверхности при растягивающем напряжении минимум 689,5

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 14

кПа. Темно-синим цветом на рисунке показано поле давлений. По результатам расчета видно, что накопление повреждений происходит со значительной задержкой после начальной детонации и движения взрывных волн. Разрушения появляются вследствие распространения трещины, зависящего от скорости распространения взрывной волны. Модель RHT корректно рассчитывает скорость распространения волны как часть (обычно около 1/4) скорости звука материала. На рис. 4 показано сравнение разрушений при задержке 20 мс после второй детонации — в поперечном сечении. На рисунке лицевая сторона показана как нижний край прямоугольного сечения. Следует обратить внимание на симметричность разрушений при одновременной детонации. Разрушение и образование осколков увеличивается при отсрочке детонации от 2 мс до 8 мс. При задержке детонации 15 мс наблюдаются максимальные разрушения. Расчеты показали, что большие задержки приводят к ослаблению взрывной волны. Например, при задержке детонации более 50 мс, ударные волны в каждой точке практически не взаимодействовали с соседними точками взрыва. Благодаря использованию ANSYS AUTODYN инженеры смогли быстро и точно определить оптимальную задержку детонации. Кроме того, была возможность оценить действие различных взрывчатых веществ. Использование программных комплексов ANSYS позволяет специалистам компании «Orica» более тесно взаимодействовать с клиентами, предоставляя точную информацию о тех или иных взрывчатых материалах.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:11:58

Технологии

Проектирование современных яхт класса люкс с применением ANSYS Mechanical

15

Автор: Chad Caron, инженер-конструктор, Delta Marine Industries Inc., Вашингтон, США

Владельцы яхт класса «люкс» ожидают, что внутренний интерьер кают должен полностью соответствовать их вкусам и предпочтениям. Судостроительная компания «Delta Marine» производит стофутовые яхты, уделяя особенное внимание прочности, надежности и эксплутационным характеристикам конструкции. Однако при изменении внутреннего дизайна, перестановке стенок и перегородок, конструкция может оказаться чрезмерно перегруженной. Графитовые композиты являются идеальным материалом для изготовления мегаяхт, поскольку они прочнее металлов, что дает возможность построить достаточно легковесное и надежное судно. Использование композиционных материалов дает инженерам больше возможностей в работе над проектом. В прошлом внутренняя отделка кают была ограничена вследствие определенных особенностей элементов конструкции. Благодаря современным исследованиям свойств композиционных материалов, проектировщики получили большую свободу действий. Сегодня расположение перегородок может регулироваться инженерами-проектировщиками в соответствии с требованиями к внутреннему дизайну. Использование традиционных эмпирических методов не подходит для разработки новых

ßõòà «Happy Days»: âíåøíèé âèä

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 15

типов внутреннего интерьера. В связи с этим, для проведения расчета конструкции яхты необходимо использовать новейшее многофункциональное программное и аппаратное обеспечение. Горизонтальными элементами конструкции являются палубы. В последних моделях мегаяхт три палубы изготовлены из пятисантиметровых сэндвич-панелей. Вертикальными элементами конструкции являются свободностоящие перегородки. Компания «Delta» в течение последних семи лет использует программный комплекс ANSYS Mechanical, поскольку в данном пакете наиболее полно представлены свойства композитов. ANSYS Mechanical на тот момент являлся единственным FEA-комплексом, в котором была возможность моделирования композиционных материалов с помощью оболочечных элементов. В течение последних семи лет, по мнению инженеров «Delta», в ANSYS Mechanical были улучшены и расширены возможности расчета композитов. Специалисты «Delta Marine» создают модель яхты в программном пакете Rhinoceros®.

ßõòà «Happy Days»: ïîêàçàíî îáùåå ñìåùåíèå â êîíñòðóêöèè

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:00

Технологии

16

ßõòà «Mr. Terrible»: ïåðâàÿ ìîäà âèáðàöèé Ðàìî÷íàÿ ñòðóêòóðà, çàêðåïëÿþùàÿ äâå ïàëóáû è ïðåïÿòñòâóþùàÿ ãîðèçîíòàëüíûì êîëåáàíèÿì. Ïîêàçàíû äåôîðìàöèè êîíñòðóêöèè íà îïðåäåëåííîé ÷àñòîòå Затем модель Rhinoceros экспортируется в нейтральный формат и затем импортируется в ANSYS Mechanical для построения геометрии. С помощью композиционных оболочечных элементов моделируют набор слоев (слой к слою), а части корпуса моделируются с помощью балочных элементов. Анализ частот колебаний судна зависит от общего распределения веса яхты. Внутренняя отделка кают может привести к увеличению веса из-за используемых материалов, таких как дерево и камень. Инженеры компании определили внутреннюю весовую нагрузку различных материалов, используемых для внутренней отделки. Вес этих материалов, а также вес структурных и механических компонентов, в сочетании с гидродинамической присоединенной массой воды, влияют на частоты и формы колебаний яхты. Успех проекта зачастую зависит именно от точности расчета частот и форм колебаний. Проектирование мегаяхт проходит в два этапа: на первом рассчитывается прочность конструкции, а на втором — частоты колебаний. Владельцы яхт заинтересованы в комфорте внутренних помещений, при этом должна сохраняться высокая скорость движения судна. Очень важно провести оптимизацию элементов конструкции — они должны быть достаточно прочными и не перегруженными, поскольку это уменьшит скорость судна. ANSYS Mechanical используется для расчета общих и локальных напряжений от слоя к слою. С помощью ANSYS Mechanical можно точно определить область нагружения, вплоть до конкретного слоя. Это значительно упрощает проектирование элементов конструкции яхты. Кроме того, существует возможность перераспределения нагрузок между слоями. Даже в случае соответствия проектным нагрузкам, яхта может быть подвержена вибрациям. Инженеры проводят модальный анализ с использованием той же модели в ANSYS

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 16

Mechanical, в результате чего определяются частоты собственных колебаний матрицы массы. Результаты расчетов последних проектов показали, что первая мода вибрации вызывает поперечные колебания, это означает, что корпус судна вибрирует горизонтально, при этом палубы двигаются раздельно — подобно колоде карт скользящей вперед-назад. Инженеры решают эту проблему путем добавления рамочной структуры, закрепляющей две палубы и препятствующей горизонтальным колебаниям. Специалисты компании «Дельта» моделировали подобную конструкцию, используя 0/90 и +45/–45 плоские листы и одномерное углеродное волокно. По результатам расчета были определены нагрузки на конструкцию, а также оптимальные слоистые структуры для каждой из частей рамочной конструкции. Инженеры «Дельта» также рассмотрели продольную (вторую) моду вибрации, полученную из модального анализа. Данная мода создает сильный изгибающий момент вблизи середины корабля — в этой области было организовано упрочнение корпуса и палуб, так как из опыта известно, что именно в этой области обычно возникает наибольший изгибающий момент.

ßõòà «Mr. Terrible»: âíåøíèé âèä Использование ANSYS Mechanical позволяет точно определить места нагружения, благодаря чему инженеры могут укрепить конструкцию там, где это необходимо. В связи с этим, проектировщики могут свободно располагать стенки и перегородки с минимальным влиянием на вес конструкции. В результате, яхта сохраняет высокую скорость без ущерба внутреннему дизайну помещений.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:01

Технологии

Многодисциплинарные решения ANSYS в судостроении

17

Авторы: Dirim Sener, директор по планированию, и Levent Kaydihan, ведущий инженер по компьютерному моделированию, Delta Marine Engineering Co., Стамбул, Турция

Большие торговые корабли часто подвержены нагрузкам, возникающим под действием гребных винтов и двигателей. Данные нагрузки приводят к вибрациям, способным повредить конструкцию корабля. Компания «Delta Marine Engineering Co.» занимается проектированием различных типов судов, включая сухогрузы, контейнерные суда, танкеры, пассажирские корабли, паромы, яхты и военные корабли. Основная задача конструкторов — удерживать вибрацию конструкции на низком уровне и избегать резонансных явлений. Для этого

Ãóñòîòà ñåòêè äëÿ òàíêåðà 4,750-dwt (ââåðõó) è ïåðâàÿ ôîðìà èçãèáíûõ êîëåáàíèé äëÿ òàíêåðà 7,500-dwt (â íèçó)

необходимо проведение инженерных расчетов для основных элементов конструкции корабля и его взаимодействия с окружающей водой.

Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà (ñâåðõó) è ôîðìà êîëåáàíèé ñóäîâîé íàäñòðîéêè íà ïàðîìå

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 17

Для комплексных прочностных и гидродинамических расчетов специалисты компании «Delta Marine» используют программные комплексы ANSYS Mechanical и ANSYS FLUENT. Таким образом, инженеры могут обнаружить вибрации и другие проблемы на ранних этапах проектирования и внести проектные изменения, в частности, в конструкцию винта. Это позволяет избе-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:02

Технологии

18

жать дорогостоящих изменений, которые приводят к многомиллионным убыткам, в случае если проблема не обнаружена до создания судна. При проектировании каждого корабля возникают новые нестандартные проблемы, в связи с чем специалисты вынуждены проводить индивидуальный расчет для каждого судна. В нормальном режиме эксплуатации на судно действуют нагрузки от винта и двигателя. Двухтактный основной двигатель в 300-метровом сухогрузе весит около 550 т. и работает на 1.5 Гц. Винт также работает с частотой 1.5 Гц. Основная задача инженеров — избежать резонансных явлений в конструкции. При движении гребного винта возникает давление на заднюю часть корабля, при этом также может появляться вибрация, особенно при возбуждении собственной формы колебаний конструкции.

определения основных частот и форм колебаний. Для этого модель корабля, созданная с помощью собственного кода «Delta Marine», импортируется в ANSYS Mechanical. Собственный код компании рассчитывает влияние окружающей воды на конструкцию корабля. Рассчитывается потенциальное течение вокруг корпуса, определяются линии тока и сопротивление при движении корабля в воде. Кроме того, при расчете нагрузки воды учитываются добавленные массы.

Гидродинамический расчет нагрузок Поскольку каждая лопасть гребного винта проходит через различные области течения, меняется упор винта, а также сила сжатия, действующая на вал винта. Специалисты «Delta Marine» используют программный комплекс ANSYS FLUENT для расчета нагрузок, возникающих вследствие работы гребного винта и, в частности, действующих на вал. Расчеты проводятся для вращающегося гребного винта. Поскольку процесс нестационарный, область винта моделируется с помощью подвижной сетки. На каждом шаге по времени винт поворачивается на 1 градус, расчет завершается минимум после одного полного оборота.

Определение уровня вибраций и скоростей Кроме того, создается конечноэлементная модель корабля и проводится расчет вибраций для

Êîíñòðóêöèÿ òàíêåðà ñî âñòðîåííûìè öèñòåðíàìè äëÿ ïåðåâîçêè ñåðû На следующем этапе инженеры используют статические силы (полученные в гидродинамическом расчете) в конечноэлементной модели для расчета деформаций, вынужденных колебаний и скоростей. Затем полученные значения сравниваются со стандартом ISO 6954:2000 “Вибрация механическая. Руководящие указания по измерению, составлению отчета и оценке воздействия вибрации на пребывание человека на борту пассажирских и торговых судов”. При расчете деформаций вынужденных колебаний,

Äàâëåíèÿ èç ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî ðàñ÷åòà èñïîëüçóþòñÿ â ðàñ÷åòå âèáðàöèé. Íà ðèñóíêå ïîêàçàíû êîíòóðû ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 18

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:04

19

Ðàñ÷åòíàÿ ìîäåëü òàíêåðà äëÿ ïåðåâîçêè àñôàëüòà/áèòóìà (ñëåâà) ïîëå òåïëîâûõ íàãðóçîê (ïîñåðåäèíå) è ïîëå òåìïåðàòóð (ñïðàâà) в ANSYS Mechanical применяются переменные силы, полученные в гидродинамических расчетах. Обычно создание подробной конечноэлементной модели корабля занимает 4-6 месяцев. Когда модель готова, модальный анализ занимает один день. Если уровень вибраций превышает стандарты ISO, заказчик не принимает корабль. Определив причину вибраций на ранних этапах проектирования, специалисты «Delta Marine» вносят проектные изменения, добавляя перегородки, укрепляя элементы конструкции, изменяя количество оборотов вала или число лопастей гребного винта. После изготовления корабля, внесение изменений является чрезвычайно дорогостоящим и не всегда выполнимым. Для сравнения, изменение формы корпуса на ранних этапах проектирования не требует финансовых затрат, внесение же изменений после изготовления корабля практически невыполнимо. Поскольку изготовления двигателя и гребного винта — достаточно длительный процесс, заказ и поставка этих компонентов происходит задолго до сборки корабля. В связи с этим, специалисты «Delta Marine» пытаются решить возникающие проблемы, меняя конструкцию корпуса корабля. Обычно оцениваются вибрационные характеристики в трех — четырех проектах, и выбирается оптимальный вибрационный отклик.

Прочностной анализ конструкции цистерн Технологии ANSYS Mechanical также используются для исследования поведения грузовых цистерн в условиях максимальных гидростатических и гидродинамических нагрузок. К примеру, проектирование и изготовление контейнеров для перевозки серы и битума усложняется в связи с тем, что цистерны могут быть встроенной частью конструкции либо располагаться свободно. Для поддержания высокой вязкости, груз перевозится при температуре до 250 °С. При использовании встроенных цистерн, могут

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 19

возникать большие тепловые нагрузки на конструкцию контейнера вследствие разности температур груза и воды за бортом. Как правило, концентрацию напряжений можно устранить с помощью структурных изменений. В случае невстроенной конструкции, необходимо категорически избегать возникновения тепловых нагрузок. Ниже приведены три этапа исследования на прочность встроенных цистерн для перевозки битума и серы.

1. Проводится тепловой анализ с использованием экспериментально полученных граничных условий температуры и коэффициентов теплоотдачи. С помощью теплового анализа определяется поле конечных температур конструкции.

2. Распределение температур, полученное в тепловом анализе, используется в прочностном расчете, в результате чего определяются значения итоговых тепловых нагрузок, необходимые при проектировании основной конструкции корабля. Таким образом, обеспечивается безопасность эксплуатации встроенной конструкции цистерны при тепловых нагрузках.

3. Рассчитываются тепловые нагрузки на основную конструкцию корабля, а также локальные гидростатические или гидродинамические нагрузки с учетом изгибающего момента и силы трения. Таким образом, рассчитывается отклик конструкции при общих и локальных нагрузках. Инженеры «Delta Marine» проводят прочностные и гидродинамические расчеты с помощью программных комплексов ANSYS для решения нестандартных конструкторских задач. Использование компьютерного моделирования помогает получить точные результаты, максимально сократив количество экспериментов. С помощью моделирования, возможно проанализировать большее количество проектов и выбрать оптимальную конструкцию корабля. В то же время, уменьшаются производственные затраты и сокращается время изготовления судна.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:06

Технологии

Исследование темной стороны Вселенной 20 Автор: Ingrid Fang, ведущий инженер, Fermi National Accelerator Laboratory, Иллинойс, США

Наблюдая за сверхновыми звёздами, ученые пришли к выводу, что расширение Вселенной ускоряется со временем. При этом был открыт неизвестный ранее вид энергии с отрицательным давлением (т.н. тёмная энергия). Темная энергия является предметом интереса многих ученых, поскольку она равномерно распределена, имеет низкую плотность и не взаимодействует посредством известных фундаментальных типов взаимодействия. Единственный способ изучить свойства темной энергии — провести сверхточные измерения скорости вселенной. Исследования проводятся в рамках проекта «Dark Energy Survey»1 в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Батавия, Иллинойс, США). Цель проекта — определить изменения в скорости расширения вселенной с помощью снимков около 300 млн. галактик, измерения их формы и красного смещения (изменения частоты света и других форм электромагнитного излучения, наблюдаемые для всех далёких источников). С помощью этих измере-

ний ученые смогут изучить расширение вселенной в течение 2/3 всего ее существования — т.е., с того момента, когда вселенная существовала на протяжении нескольких миллиардов лет. Удаленные галактики будут фотографироваться с помощью специальной камеры «Dark Energy Camera» (DECam) — одной из крупнейших в мире камер с использованием ПЗС-матриц (прибор с зарядовой связью, CCD), используемых в обычных цифровых камерах. Длина камеры составляет 2.5 м, вес 3.6 тонн, четкость изображения — 500 мегапикселей.

Ïîäðîáíàÿ ìîäåëü ïåðâè÷íîãî çåðêàëà

Óïðîùåííàÿ ìîäåëü êîíñòðóêöèè òåëåñêîïà è êàìåðû 1 В проект Dark Energy Survey входят следующие организации: Fermilab, University of Illinois at Urbana-Champaign, University of Chicago, Lawrence Berkeley National Laboratory, University of Michigan, University of Pennsylvania, The Ohio State University, Argonne National Laboratory, NOAO/CTIO, CSIC/Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (Barcelona), Institut de Fisica D’Altes Energies (Barcelona), CIEMAT (Madrid), University College London, University of Cambridge, University of Edinburgh, University of Portsmouth, University of Sussex, Observatorio Nacional, Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas, Universidade Federal do Rio de Janeiro, and Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Funding has been provided by U.S. DOE, NSF, STFC (UK), Ministry of Education and Science (Spain), FINEP (Brazil) и др.

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 20

Ïîëå òåìïåðàòóð â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè ïðè òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåé ñðåäû 20 °C

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:07

Äåôîðìàöèè êîðïóñà è ôîòîïðèåìíèêà â íàïðàâëåíèè îñè Z ïîä äåéñòâèåì âàêóóìíûõ, òåïëîâûõ è ãðàâèòàöèîííûõ íàãðóçîê ïðè òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåé ñðåäû 20 °C DECam будет располагаться на 4-метровом телескопе в Национальной оптической астрономической обсерватории «Cerro Tololo InterAmerican Observatory» на севере Чили. Для получения точных измерений необходимо, чтобы CCD смыкались с линзами телескопа и первичным зеркалом. Допустимое несовпадение каждого элемента составляет около 10-15 микрон. Группа проектировщиков разработала более 300 элементов и систем фотокамеры DECam. В ANSYS Mechanical проводился расчет компонентов и систем, чтобы убедиться в том, что отклонения корпуса, механические и тепловые деформации, а также формы колебаний камеры находились в этих пределах. Также с помощью ANSYS Mechanical определялись температуры отдельных компонентов и полная тепловая нагрузка на систему охлаждения. Все расчеты проводились для двух окружающих температур (20 °С и –5 °С), характерных для места расположения телескопа. Из-за сложности конструкции камеры, были созданы две отдельные расчет-

Âíåøíèé âèä êàìåðà DECam

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 21

ные модели. Полная модель камеры, содержащая 679 твердотельных элементов высокого порядка (без детализации компонентов), использовалась для расчета деформаций. На основе полученных результатов была создана подробная модель на 3112000 элементов. В процессе расчетов сотрудники Fermilab использовали платформу ANSYS Workbench для экономии времени — благодаря CAD-интеграции, автоматическому построению сеток и полной параметризации. В ANSYS импортировалась оригинальная CAD-модель, программный комплекс ANSYS DesignModeler использовался для упрощения геометрии. В среде ANSYS Workbench автоматически определялись и устанавливались контакты и соединения сборок. Графические возможности ANSYS Workbench значительно облегчили работу с геометрией и граничными условиями, нагрузками, контактами и др. При традиционном подходе, наоборот, нужно выбирать все узлы на поверхности для ее описания. В ANSYS Workbench инженер автоматически выбирает поверхность и задает граничные условия, нагрузки или контакты. По результатам расчетов, были получены данные по отклонению конструкции и температурам CCD-схем. Затем были внесены проектные изменения для подсистем. Благодаря серии расчетов, инженеры убедились в точности измерений камеры DECam.

21

Строение камеры DECam «Dark Energy Camera» (DECam) предназначена для снимков удаленных галактик и состоит из сложных оптических компонентов. Детали камеры должны примыкать друг другу, чтобы точно определялись отклонения конструкции и красное смещение удаленных галактик. Система из пяти кварцевых линз и фильтров помогает сфокусировать свет и выделить характерные частоты. Фокусировка происходит с помощью шестиногой конструкции, соединяющейся с первичным зеркалом телескопа. Выдержка CCD контролируется затвором объектива. В устройстве находится фотоприемник, содержащий ПЗС (CCDs), охлаждаемые с помощью жидкого азота. Также в фотоприемнике находятся датчики для обработки сигнала от CCD. Сотрудники Fermilab использовали ANSYS Mechanical для изучения механических и тепловых деформаций, а также форм колебаний камеры. Кроме того, определялась температура отдельных деталей и общая тепловая нагрузка на систему охлаждения.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:09

Технологии

Оптимизация конструкции автомобильной двери с использованием ANSYS Workbench

22

Компания «Brose Group» (г. Кобург, Германия), производитель компонентов автомобильных дверей, электромоторов, а также механизмов стеклоподъемников, объединяет более 40 автомобильных заводов. В мире насчитывается 52 представительства компании, в которых работает более 14000 людей. В интервью ANSYS Advantage Sandro Wartzack, специалист по компьютерному моделированию компании «Brose», рассказал об использовании технологий ANSYS. Др. Wartzack защитил диссертацию, посвященную интеграции методов конечноэлементного анализа (FEA) и технологий KnowledgeBased Engineering (KBE) в процессе проектирования.

Опишите, пожалуйста, стратегию моделирования в компании «Brose». В нашей компании компьютерное моделирование используется на всех этапах создания проектов. Мы постоянно работаем над стратегией использования CAE-методов, чтобы максимально улучшить качество продукции, сократить количество экспериментов и, соответственно, производственные затраты. В 90-х гг. в компании работал всего один инженер по компьютерному моделированию, сегодня во всех подразделениях компании работают 45 таких специалистов. Внедряя инновационные CAE-технологии, мы заметили, что их использование помогает также нашим клиентам сократить расходы.

Êîìïàíèÿ «Brose Group» — ïðîèçâîäèòåëü êîìïîíåíòîâ àâòîìîáèëüíûõ äâåðåé

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 22

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:09

В частности, технологии ANSYS активно используются при проектировании систем автомобильных дверей. С помощью инженерных расчетов, мы смогли уменьшить массу всей системы на 50% по сравнению с продуктами 10летней давности. Поскольку для дверных систем можно использовать меньшее количество материала, производители автомобилей, устанавливая наши компоненты, получают более легкие, а значит, более экономичные и дешевые продукты.

Насколько вашей компании подходит политика ANSYS в развитии многодисциплинарных программных комплексов, технологии создания виртуальных прототипов и использования единой расчетной среды ANSYS Workbench? Наши специалисты тесно сотрудничают в рамках масштабных проектов. Использование многодисциплинарных продуктов ANSYS, а также единой среды ANSYS Workbench позволяет сотрудникам, находящимся в разных офисах, эффективно работать. Нам чрезвычайно важно проводить прочностные и гидродинамические расчеты в одной среде. Кроме того, использование усовершенствованных решателей ANSYS существенно облегчает нашу работу. Сегодня тестирование новых компонентов занимает более 1000 часов, однако мы хотим сократить количество физических прототипов, заменив их виртуальными. Я думаю, в будущем процесс разработки будет еще теснее связан с компьютерным моделированием.

Насколько широко используются параллельные вычисления? Для нас 12 — 20 часов — норма для цикла нелинейных расчетов. Однако размер моделей и их сложность постоянно увеличивается, в связи с чем мы должны использовать мощное аппаратное обеспечение для расчетов. В этом аспекте, продуктивность CAE-расчетов намного выше по сравнению с показателями 10-летней давности. В то время инженер мог использовать 1 — 2 процессора, теперь мы работаем на высокопроизводительных кластерах. Мы финансово поощряем наших CAE-специалистов в поиске инновационных путей сокращения процесса проектирования — в частности, сокращения стандартного 250-часового расчета до 80 часов или менее.

Опишите технологический уровень компании «Brose» через 20 лет. С точки зрения экологии, мы стремимся производить более легковесную продукцию для со-

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 23

23

Ñòàíäàðòíàÿ êîíå÷íîýëåìåíòíàÿ ìîäåëü äëÿ íåñòàöèîíàðíîãî ðàñ÷åòà â ANSYS Mechanical (35 êîìïîíåíòîâ è 4 ìëí. DOE) êîìïîíåíòîâ àâòîìîáèëüíûõ äâåðåé кращения выбросов углекислого газа. Кроме того, сохранится тенденция к повышению автомобильной безопасности. В частности, мы должны производить продукты с электронными компонентами повышенной безопасности. С моей точки зрения, в области автомобильных дверей и системы сидений необходимо внедрение модульных компонентов. В этом случае наша компания должна будет разработать концепцию модульной двери со съемными панелями наружной обшивки различных цветов.

Какой уровень развития инженерного моделирования будет в это время? Каждый год мы увеличиваем использование CAE-технологий на 50%, потому что это чрезвычайно важно для нашего бизнеса. Интенсивное использование компьютерного моделирования позволяет производить продукты меньшей массы и, соответственно, более низкой стоимости. Я думаю, через 10 лет мы будем изготавливать значительно меньше физических прототипов, уделяя особенное внимание созданию виртуальных прототипов и комплексным многодисциплинарным расчетам, проводимым в единой среде. Кроме того, чрезвычайно важна область визуализации. В настоящее время мы уже активно используем 3-D визуализацию в виртуальных лабораториях. Возможность наглядно показать результаты моделирования и варианты проектов помогает команде инженеров выбрать оптимальное решение для каждого конкретного случая.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:12

Технологии

MOBIL совершенствует свое нефтеперерабатывающее оборудование с помощью CFD-комплексов ANSYS

24

Greg Muldowney, Mobil Technology Company, Нью-Джерси (США)

За последние 10 лет компания Mobil сэкономила несколько десятков миллионов долларов, используя CFD-технологии при проектировании таких изделий как, реакторы, сепараторы и экстракторы. Реконструкция нефтеперерабатывающих комплексов подразумевает проведение ряда мероприятий по вводу в эксплуатацию наиболее экономичного оборудования или усовершенствованию старого с минимальными финансовыми затратами. Основные изменения в конструкциях технологических аппаратов направлены на повышение скоростей реакций, улучшение процессов смешения и разделения фракций, процессов тепло- и массообмена. Традиционно разработка нового оборудования в нефтеперерабатывающей отрасли сопровождается экспериментальными исследованиями, которые не всегда дают полную картину процессов, происходящих в исследуемом аппарате либо в силу временных ограничений, или ограничений, накладываемых измерительной аппаратурой. При этом очень детальные результаты CFD-моделирования позволяют визуализировать структуру потока в любой точке и сечении конструкции, а так же получить интегральные характеристики для всех рассчитываемых переменных (давления, температуры, энтальпии, концентрации и пр.). Компания Mobil использует гидрогазодинамический пакет FLUENT в своих сложных проектах начиная с середины 90-х годов, особенно при проектировании тех изделий, где улучшение характеристик многофазного потока напрямую влияет на производительность аппарата. За указанный период компания Mobil успешно завершила более 50 проектов, в которых пакет FLUENT использовался при расчете двумерных и трехмерных моделей, течений со свободной поверхностью, гомогенных двухфазных

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 24

потоков, гранулярных многофазных потоков, с учетом и без учета процессов теплообмена. Все это свидетельствует о широких возможностях программного комплекса FLUENT при решении актуальных задач нефтеперерабатывающей отрасли.

Повышение производительности реактора с затопленным слоем В качестве примера успешного использования CFD-технологий в компании Mobil можно привести проект разработки нового реактора сферической формы для каталитических превращений. Программный комплекс FLUENT использовался для анализа структуры газового потока в объеме реактора с твердым катализатором. Требовалось организовать структуру потока газа таким образом, чтобы он равномерно омывал поверхность катализатора. Кроме того, необходимо было согласовать расход газа и толщину каталитического слоя для повышения производительности реактора.

Îáúåìíàÿ êîíöåíòðàöèÿ íåôòè â ðàçëè÷íûõ ñå÷åíèÿõ êîëîííû

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:12

Оптимизация конструкции установки для селективной очистки Селективная очистка нефтепродуктов осуществляется путем экстракции вредных примесей из нефтяных фракций с помощью растворителей для улучшения их эксплуатационных и физикохимических характеристик. Этот процесс является одним из основных при производстве смазочных масел, например, для поршневых двигателей самолетов, газонокосилок и пр. Сначала поток нефти поступает на вход экстракционной секции, где он разбивается на капли и контактирует с растворителем. Для обеспечения необходимого времени удержания сырья в зоне смешения весь объем колонны разделяется с помощью перегородок на несколько полуизолированных зон. Очень важно правильно выбрать положение разделительных перегородок, а также соотношение масла и растворителя, и температуру, при которой осуществляются процесс очистки. Традиционно эти вопросы решались полуэмпи-

рическим путем, что позволяло достичь эффективности процесса экстракции до 70%. Компания Mobil первой применила CFD-технологии для повышения эффективности очистки масла в новых конструкциях экстракционных колонн. Специалисты компании выполнили численные расчеты гидродинамики многофазного потока в двух различных аппаратах, различающихся масштабом. Затем использовали результаты расчетов в пакете FLUENT при проектировании более габаритной конструкции посредством задания масштабного коэффициента (через экстраполяцию результатов). Расчетная сетка для внутренней области имела размерность порядка 150 000 ячеек. Применялась двухслойная зональная модель турбулентности и модель Эйлера для многофазных потоков. Таким образом, CFD-технологии могут быть полезными при модернизации существующих экстракционных колонн и создании новых..

25

Расчет течения многофазного потока в сепараторе природного газа Marco Betting, Bart Lammers, Bart Prast, Twister BV В переработке природного газа используются специальные системы, позволяющие удалить из потока газа воду, тяжелые углеводороды, а также кислотные пары, и подготовить его для транспортировки конечному потребителю. С точки зрения инженера-технолога эти системы представляют собой совокупность сепарационного оборудования, тепломассообменных аппаратов, разделителей потока и пр. В то время как инженер-технолог разрабатывает оптимальную схему процесса, оперируя требуемыми технологическими этапами и равновесной термодинамикой, конструктор старается оптимизировать каждый отдельный технологический этап системы, основываясь на теории многофазных потоков и неравновесной термодинамике. Гидродинамическое взаимодействие между этапами не всегда учитывается достаточно подробно, несмотря на то, что оно может

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 25

существенно повлиять на общие характеристики системы. Разработка нового оборудования для переработки нефти и газа требует много времени и средств. Компания Twister BV предлагает инновационные решения в области газопереработки, которые могут сыграть заметную роль в решении этих задач. Специалисты компании разрабатывают сверхзвуковой сепаратор Twister™ , основываясь на уникальных исследованиях физических явлений, включающих аэродинамику, термодинамику и гидродинамику. Результат их работы — революционная технология обработки газа. Их главная задача — пройти путь от исходной концепции трубки Twister до полноценного промышленного производства сепараторов, через создание ряда опытных образцов и их натурных испытаний.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:14

Технологии

26

Êîíñòðóêòèâíûå ñõåìû è îñíîâíûå ðåæèìíûå ïàðàìåòðû ñâåðõçâóêîâîãî ñåïàðàòîðà Twister™ В сложных условиях, обусловленных переработкой кислого природного газа при высоких давлениях, очень важно уменьшить затраты на этапах разработки, испытаний и доработоки прототипов. Использования технологий вычислительной гидродинамики позволило компании Twister BV за 4 года снизить затраты на проектирование более чем на 70%. Компания Twister BV совместно со специалистами ANSYS разработала модифицированную версию пакета ANSYS CFX (на момент разработки — версия 5.7), способную моделировать неравновесный фазовый переход в многокомпонентных смесях реальных газов. Для выполнения этой работы Twister BV выбрала команду консультантов ANSYS, Inc. благодаря их опыту в данной проблеме и гибкости программного продукта CFX.

Основные особенности усовершенствованного пакета CFX для моделирования многофазных потоков •

Полные уравнения состояния, учитывающие эффекты фазового перехода.

• Многокомпонентные газы с несколькими конденсирующимися компонентами.

• Гомогенная модель зарождения капель позволяет определить плотность распределения капель.

• Модель роста капель позволяет моделировать изменения их размеров с учетом конденсации и испарения с их поверхности.

• Модели коагуляции капель учитывают их размер, плотность их распределения и степень турбулентности набегающего потока.

• Модели со скольжением фаз позволяют рассчитать отделение капель от сплошной фазы.

• Учитывается турбулентная дисперсия.

• Учитывается скрытая энергия фазового перехода.

• Уравнения всех перечисленных выше моделей решаются совместно с уравнениями сохранения массы, импульса и энергии. Разработка и верификация этого специализированного кода CFX сыграла очень важную

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 26

роль в доработке газожидкостного сепаратора с дросселем для промышленного использования.

Усовершенствование установки Twister Для оптимизации работы сепаратора необходимо определить размеры капель, которые определяются исходя из скорости диффузии пара к каплям и взаимного слияния капель. Распределение размеров капель главным образом зависит от интервала времени между зарождением новых капель. Рассчитанное распределение определяет скорость движения жидкой фазы и, следовательно, также определяет эффективность сепарации. Для этого расчета были разработаны соответствующие модели. Модифицированная версия CFX также позволила инженерам и конструкторам лучше понять зависимость между элементами технологического цикла, например, между низкотемпературным сепаратором и дроссельным клапаном. Компании TwisterBV и ANSYS, Inc. совместно создали эффективный CFD-комплекс для расчета процессов обработки природного газа. Его уникальные возможности дают возможность инженерам проводить оптимизацию технологических аппаратов, и позволяют повысить производительность установок по переработке газа.

Ïîëå ÷èñëà Ìàõà â ïðîäîëüíîì ñå÷åíèè ñåïàðàòîðà

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:28:53

Технологии

Калибровка измерительных приборов на модуле Phoenix Mars Lander с использованием ANSYS CFD

27

Авторы: Jeff A. Davis, аспирант, и Carlos F. Lange, преподаватель, лаборатория гидродинамики, University of Alberta, Edmonton, Канада

Поскольку Марс является самой близкой к Земле планетой, большинство межпланетных миссий ориентированы именно на Марс. Целью миссии «Phoenix» было изучение планеты на пригодность для жизни. Как только модуль прибыл на Марс в мае 2008 г., связь с ним прервалась. Однако два часа спустя начали поступать сигналы. Следует отметить, что во время космических экспедиций, малейшая ошибка может свести на нет многолетние усилия и миллионы долларов, затраченные на подготовку. Группа канадских ученых из University of Alberta участвовала в разработке метеостанции

«Phoenix» (MET), измеряющей температуру, давление, скорость и содержание частиц в атмосфере. В состав марсианской атмосферы, в основном, входит углекислый газ (95.3 %), азот (2.7 %) и аргон (1.6 %). Гравитационная константа составляет 38% от земной, а атмосферное давление составляет 1% от аналогичного показателя на Земле. В связи с этим, было чрезвычайно сложно и дорого проводить экспериментальные исследования модуля, и упор делался на численное моделирование. Миссия «Phoenix» стала первым масштабным космическим проектом, в котором исполь-

Ìîäåëü ïîñàäî÷íîãî ìîäóëÿ Phoenix

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 27

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:15

Технологии

28

Âëèÿíèå îïîðû íà äàò÷èê ñêîðîñòè; êðàñíûì è æåëòûì ïîêàçàíî íàïðàâëåíèå ïîòîêà

Êîíòóðû òåìïåðàòóðû, ïîêàçûâàþùèå âëèÿíèå âíóòðåííåé òåïëîòû íà ñàìûé íèæíèé èç òðåõ äàò÷èêîâ òåìïåðàòóðû зовались расчетные гидродинамические комплексы для калибровки измерительных приборов. При моделировании уникальных атмосферных условий Марса, ученые обнаружили, что конвективный и лучистый тепловой поток модуля может влиять на получаемые показания атмосферного давления, скорости ветра и температуры. Кроме того, помехи в датчиках скорости и давления могли влиять на значение силы и/или направления ветра. Сотрудники University of Alberta проводили калибровку измерительных приборов с помощью программного комплекса ANSYS CFX. Анализируя результаты расчетов, ученые обнаружили, что при определенных режимах ветра, излучаемое модулем тепло могло влиять на датчики температуры и искажать реальные данные [2]. После высадки модуля на Марсе команда ученых использовала результаты проведенных расчетов для анализа предварительных данных и выявления неточностей. Именно благодаря этому данные с «Phoenix» были расшифрованы корректно. Аналогичный анализ был проведен для датчика давления, показания которого могли изменяться в зависимости от скорости ветра. Контрольный датчик ветра «Telltale» был спроектирован учеными University of Alberta специально для модуля «Phoenix», в связи с чем потребовалась дополнительная калибровка по измерению скорости. Этот этап являлся необходимой частью исследования, поскольку данные «Telltale»

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 28

расшифровывались в первую очередь и играли важную роль в общих измерениях. Кроме того, ученые хотели максимально сократить общее время расчетов. В связи с условиями космической экспедиции, время и энергоресурсы для снятия ежедневных показаний были ограничены. Для определения приоритета по сбору данных, иногда было необходимо воспользоваться результатами компьютерного моделирования. В таких ситуациях необходимо было быстро проводить новые расчеты. Жесткие ограничения по времени были выполнены благодаря проведению высокопроизводительных расчетов на вычислительных кластерах в программных комплексах ANSYS. Расчеты проводились на кластерах 64-bit Linux, каждый узел состоял из двух процессоров quad-core Opteron™ 2350 AMD. Бенчмаркинг показал сверхлинейное ускорение счета в 4.47 раза на четырех CPUs и линейное ускорение в 8.00 раз на 8 ядрах — каждый расчет проводился локально на одном узле. Эффективность высокопроизводительных вычислений и использование многоядерных процессоров позволило выполнить расчет в поставленные сроки. Программное обеспечение ANSYS CFX помогло ученым провести калибровку измерительных приборов и оперативно проанализировать данные, передаваемые на Землю — пока продолжалась миссия Phoenix на Марсе — и определить, влияние модуля на передаваемые данные. Ëèòåðàòóðà — [1] Taylor, P.; et al. Temperature, Pressure, and Wind Instrumentation on Phoenix MET. J. Geophys. Res., 2008, v. 113. E00A18 doi:10.1029/2008JE00308.

— [2] Davy, R.; et al. Initial Analysis of Air Temperature and Related Data from the Phoenix MET Station and Their Use in Estimating Turbulent Heat Fluxes. J. Geophys. Res. In press.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:18

Технологии

Увеличение ресурса эксплуатации энергетического котла с помощью ANSYS CFX

29

Специалисты ведущей бразильской генерирующей компании Tractebel Energia использовали ANSYS CFX для определения потенциальных мест эрозии стенок котла на угольном топливе.

Jairo Souza, Henrique Monteiro, Leonardo Rangel, ESSS, Бразилия, Artur Ellwanger, Marcelo Bzuneck, Luiz Felippe, Tractebel Energia, Бразилия, Ahmad Haidari, Karl Kuehlert, ANSYS, Inc.

Растущая экономика Бразилии требует серьёзных источников энергии. Более половины потребляемой энергии в Бразилии приходятся на восстанавливаемые источники, такие как гидроэлектростанции и биотопливо. Оставшаяся часть энергии получается путем сжигания органического топлива, главным образом угля. Станция Jorge Lacerda принадлежит компании Tractebel Energia, и является одной из крупнейших станций в Латинской Америке. Комплекс состоит из трех отдельных электростанций, каждая из которых производит электроэнергию мощностью более 1 ГВт/час. Например, станция UTLC имеет мощность в 1.26 ГВт/час. В качестве топлива на этой станции используется уголь. Энергетический котел, установленный на станции UTLC, имеет габариты 10×20×60 м и содержит 4 ряда горизонтальных горелок, по 6 горелок в ряду. Все горелки работают на пылевидном угле. Факел горелок нагревает стальные трубки (поверхности нагрева — экраны), внутри которых течет пар, поступающий на вход паровой турбины. Турбина, в свою очередь, соединена с электрическим генератором. Одной из проблем при эксплуатации котлов является прогорание теплообменных трубок вследствие температурной эрозии. Ремонт котла подразумевает его полную остановку, что ведет к большим финансовым затратам. Поэтому при проектировании котлов важно не только обеспечить низкую эмиссию вредных веществ, но и свести к минимуму вероятность прилипания факела к теплообменным поверхностям, которое приводит к прогоранию трубок.

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 29

При поиске оптимальных путей минимизации эрозии стенок котла сначала необходимо разобраться с ее механизмом. Можно выделить три причины, которые вызывают эрозию стенок котла. Первая причина — химическая коррозия, обусловленная отложением серы на стенках котла, во-вторых, высокая температура стенок, и, наконец, конструктивная причина, связанная с несоосностью котла. В последнем случае, эрозия усугубляется так же трением твердых частиц угля о стенки котла. После тщательного исследования состояния эродированных стенок котла на станции

Ðèñ. 1. Êîíñòðóêöèÿ êîòëà, óñòàíîâëåííîãî íà ñòàíöèè UTLC

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:19

Технологии

30

Ðèñ. 2. (a) — ïðîôèëü ñêîðîñòè âîçäóõà â ïëîñêîñòè ñèììåòðèè; (á) — êðàñíûì êðóãîì âûäåëåíà îáëàñòü ïîòîêà ñ áîëüøîé çàêðóòêîé UTLC, специалисты компании Tractebel Energia пришли к выводу, что основной причиной износа трубок являются конструктивные дефекты. Инженеры Tractebel Energia в сотрудничестве со специалистами ESSS и ANSYS провели численное исследование процессов, происходящих в котле. Задача решалась в многофазной постановке (частицы угля и воздух). Расчет был выполнен для одиночной горелки с целью определения воздействия факела горелки на соседние стенки. Горелка состоит из нескольких цилиндрических обечаек, которые закручивают и разбивают поток, что улучшает смешивание воздуха с частицами угля и способствует стабилизации пламени. Хорошее перемешивание и стабильность пламени являются благоприятными факторами, обеспечивающими низкий недожог, низкие выбросы (например, окиси азота) и высокий к.п.д. котла. При моделировании одиночной горелки инженеры постарались «разрешить» все характерные особенности турбулентного потока, чтобы получить более точные характеристики выходного потока и использовать их для моделирования всего котла. Для этого в гидрогазодинамическом комплексе ANSYS CFX содержатся все необходимые инструменты. Результаты, представленные на рис. 2а-б, свидетельствуют о том, что пламя отходит от среза горелки и касается стенок котла приблизительно на расстоянии 3 м от горелки. Траектории движения частиц угля повторяют линии тока. Кроме того, на рисунках хорошо видно, что столкновения частиц угля со стенкой происходят при больших скоростях. Определив интенсивность столкновений твердых частиц со стенками, инженеры Tractebel Energia смогли построить карту областей, в которых будет происходить температурная и механическая эрозия стенок (экранов) котла. Специалисты компании Tractebel Energia планируют и в дальнейшем использовать передовые решения ANSYS, Inc. для оптимизации конструкции своих новых энергетических котлов

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 30

Ðèñ. 3. Íàïðÿæåíèÿ ñäâèãà. Êðàñíûé öâåò ñâèäåòåëüñòâóåò î íàèáîëåå âåðîÿòíîì ìåñòå ýðîçèè ñòåíîê и улучшения характеристик уже существующих котлов.

Моделирование процессов горения органических топлив Решения ANSYS успешно используются по всему миру при проектировании горелочных устройств, работающих на угле, газе или мазуте. Кроме того, они нашли применение при разработке таких устройств, как газификаторы, химические реакторы и пр. Изучение процессов горения очень часто связано с модернизацией существующего оборудования или разработкой принципиально новых технологий сжигания ископаемого топлива.

ANSYS предлагает полный набор программных средств для проведения подобных исследований, которые помогают повысить к.п.д. горелочного устройства, улучшить его экологические характеристики, снизить уровень вибраций и акустического шума. Расчет горелочного устройства включает моделирование таких процессов как, расчет течения газа, лучистого теплообмена, кинетики химических реакций и пр. Частицы угля или капли жидкого топлива определяются в расчете как вторая дополнительная фаза, связанная с основным потоком. При этом концентрация частиц может быть определена в широком диапазоне значений, что позволяет моделировать движение как одиночной частицы (или группы частиц), так и слоя из твердых частиц (кипящий слой). В результате моделирования мы получаем как интегральные характеристики рассчитываемых переменных, так и их локальные значения. Это относится к скорости, давлению, концентрации компонентов, температуре и пр. В CFD-комплексах ANSYS также присутствуют дополнительные модели, которые позволяют оценивать уровень выбросов вредных веществ (углеводородных соединений, оксидов азота и углерода), прогнозировать эрозию стенок топочных камер и мн. др.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:21

Технологии

FSI-технологии ANSYS помогли спроектировать экономичную плавающую станцию экологического мониторинга При разработке конструкции новой плавающей станции для экологического мониторинга команда инженеров Grantec Engineering Consultants Inc. должна была решить несколько проблем. Во-первых, снизить сопротивление поплавков, и как следствие, повысить стабильность работы всей системы (повысить остойчивость), а также разработать требования к системе крепления станции. Для этих целей инженеры Grantec решили использовать FSI-технологии ANSYS, позволяющие моделировать поведение плавающей станции с датчиком при различных волновых нагрузках. В процессе моделирования инженеры Grantec обнаружили, что первоначальный вариант конструкции поплавков является неприемлемым, так как в процессе работы поплавки оказываются полностью погруженными в воду вследствие дополнительного момента от нагрузки, действующей на датчик. Для решения указанной проблемы инженеры предложили новую систему крепления датчика на шарнирах, снизив сопротивление поплавков, компания Grantec сэкономила несколько тысяч долларов на якорную систему крепления. Компания Grantec располагается в провинции Новая Шотландия (Канада) и специализируется на оказании консалтинговых услуг инженерного характера для различных отраслей таких как, энергетика, судостроение, проектирование морских сооружений и пр. В своей работе специалисты Grantec используют как CFD-комплексы ANSYS, так и МКЭ-комплексы.

31

тех проектах, где учет влияния потока жидкости на элементы конструкции является критичным. «Совсем недавно для передачи нагрузок из одного программного комплекса в другой приходилось писать собственно программное обеспечение. При этом не существовало никакой единой интегрирующей платформы, и инженеры различной специализации использовали программные комплексы, разработанные независимо друг от друга, отличающиеся интерфейсом, внутренним математическим аппаратом, идеологией и пр. Поэтому, когда компания ANSYS, Inc. в 1996 г. предложила своим пользователям совершенно революционную на тот момент интегрирующую платформу Workbench, мы сразу по достоинству оценили ее возможности и стали активно ее внедрять в свои проектные работы».

FSI-технологии являются составной частью многодисциплинарных решений ANSYS, использующих специализированный Multifield-решатель, который позволяет организовать одностороннюю или двустороннюю связь между различными модулями ANSYS для передачи соответствующих нагрузок. Подобное связывание может быть использовано как в стационарных, так и в нестацио-

Преимущества связанных расчетов По словам Ричарда Гранта, основателя компании, значительное количество проектов Grantec включают как гидрогазодинамические расчеты, так и прочностные. Однако, если ранее подобные расчеты выполнялись независимо друг от друга, то сейчас специалисты компании отдают предпочтение связанным расчетам, особенно в

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 31

Ðèñ. 1. Ðàñ÷åò ãèäðîäèíàìèêè ïëàâàþùåé ñòàíöèè ýêîëîãè÷åñêîãî ìîíèòîðèíãà. Âèä ñâîáîäíîé ïîâåðõíîñòè

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:22

Технологии

32

Ðèñ. 2. Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà (ñëåâà) è íàïðÿæåíèÿ â óçëå êðåïëåíèÿ äàò÷èêà (ñïðàâà) нарных задачах, с учетом деформации элементов конструкции или движения отдельных ее частей.

Плавающая станция для мониторинга качества воды Команда инженеров Grantec использовала FSIтехнологии ANSYS при разработке плавающей станции для мониторинга качества воды с якорной системой удержания. Заказчиком проекта являлось Министерство природоохраны Канады. Система удержания станции позволяет ей двигаться в любом направлении, единственным ограничением является длина якорного троса. Датчик крепится на вертикальной штанге. Сама конструкция плавающей станции во многом напоминает конструкцию катамарана: два поплавка и жесткий каркас. Гидрогазодинамические комплексы ANSYS позволяют моделировать развитие носовой и кормовой систем волн, прогнозировать их интерференцию и, в целом, рассчитывать сопротивление плавающего объекта. Учитываются как вертикальные перемещения объекта, так и угловые (колебания в продольной плоскости). Одновременно с гидродинамическим расчетом выполняется расчет напряжений и деформаций в конструкции. Численное моделирование выявило небольшой уровень деформаций в поплавках и каркасе, и значительные деформации в месте крепления датчика. Используя ANSYS, инженеры Grantec смогли провести серию расчетов при различной геометрии поплавков и при разных значениях присоединенной массы (воды). При увеличении высоты волн увеличивается нагрузка, действующая на станцию и выносной датчик, и в определенном диапазоне высоты волн и скорости, станция полностью погружается в воду. Для решения этой проблемы был выбран наиболее простой путь: вместо оптимизации геометрии поплавков инженеры решили из-

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 32

менить систему крепления датчика к раме. Это позволило уменьшить величину нагрузки, передаваемой от датчика к раме, что в итоге повысило остойчивость плавающей станции. Система крепления датчика моделировалась с помощью специальных элементов типа PIPE59, поддерживающих свойства растяжения–сжатия, кручения–изгиба, и с компонентами усилий, моделирующих течение воды. Распределенные нагрузки, приложенные к трубе вследствие влияния гидродинамических эффектов, вычисляются на основе уравнения Моррисона. Подобная упрощенная постановка FSI-расчета позволяет получить адекватные результаты даже без использования перестраиваемых или деформируемых сеток.

Эксплуатационная платформа с гравитационным фундаметом В компании Grantec накоплен большой опыт по расчету различных морских и наземных гидротехнических сооружений. В частности, на рис. 3 показаны результаты расчета гравитационной буровой платформы с мощным бетонным основанием для противодействия плавучим льдам. В основании платформы располагаются пустоты, которые используются при транспортировке и монтаже платформы. Далее эти пустоты заполняются балластной водой.

Ðèñ. 3. Âîëíû îìûâàþò âåðõíþþ ÷àñòü ãðàâèòàöèîííîãî ôóíäàìåíòà

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:23

Технологии

Топологическая оптимизация в литейном производстве 33 Thorsten Schmidt, технический директор, Heidenreich & Harbeck AG, Moelln, Германия и Boris Lauber, инженер, FE-DESIGN GmbH, Karlsruhe, Германия Сегодня для инженеров-проектировщиков первостепенной задачей является разработка высокоточных деталей с низким процентом брака, для достижения которой все чаще используется компьютерное моделирование. В связи с требованиями рынка, разработчики вынуждены постоянно модернизировать продукцию, сокращая при этом временные и финансовые затраты на производство. Немецкий литейный завод Heidenreich & Harbeck AG был основан в 1927 г. для производства чугунных конструкций. Сегодня компания производит широкий спектр литых деталей при постоянном комплексном совершенствовании изделий и сборочных узлов из отдельных отливок. Опираясь на спецификацию изделия, составленную клиентом, специалисты конструкторского отдела Heidenreich & Harbeck AG разрабатывают индивидуальные методики, которые впоследствии внедряются при изготовлении изделий.

Harbeck применяют программные комплексы ANSYS. При этом для работы с большими моделями специалисты использовали инструмент топологической оптимизации FE-DESIGN TOSCA, имеющий интерфейс с ANSYS Professional. Раньше в процессе проектирования инженеры-разработчики руководствовались, прежде всего, производственными ограничениями к изготовлению изделия. Однако расчет напряженно-деформированного состояния изделий показал множество недостатков и слабых мест конструкций, особенно в частях, подверженных сильным нагрузкам. В связи с этим, специалисты должны были проводить множество расчетов и вносить поправки в проект для выполнения требований заказчика.

Êîíñòðóêöèÿ âûïóñêíîãî òðàêòà äî/ïîñëå îïòèìèçàöèè

Ïðèìåð îïòèìèçàöèè âûïóñêíîãî òðàêòà äâèãàòåëÿ На стадии разработки специалисты Heidenreich & Harbeck используют трехмерные CAD-пакеты, программное обеспечение для контроля действующего производства (ЧПУ), инструменты калькуляции затрат, работающие на основе трехмерных CAD-моделей, а также специализированные программы для составления плана проекта. Для проведения расчетов деформаций, нагрузок и напряжений, возникающих в изделиях, специалисты Heidenreich &

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 33

В настоящее время в Heidenreich & Harbeck первым этапом проектирования является создание с помощью CAD-пакетов пространства проектных решений, которое впоследствии импортируется в ANSYS Professional. В ANSYS происходит процесс построения сетки, задание нагрузок и граничных условий. Необходимые для проведения оптимизации объемные элементы задаются в ANSYS Professional как компоненты. После этого файл входных данных решателя ANSYS Professional имортируется в пакет TOSCA Structure. Процедура оптимизации проводится в пакетном режиме. Оптимизация с помощью TOSCA Structure — интерактивный процесс, при котором на одном этапе запускается решатель ANSYS Professional, а на следующем — модуль оптимизации для оценки результатов моделирования и изменения свойств материалов.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:23

Технологии

Оптимизация процесса гидравлического разрыва с помощью численного моделирования

34

Часть 1 Johannes Will, Dynamic Software and Engineering GmbH, Weimar, Андрей Крылов, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Введение Месторождения природного газа и нефти часто располагаются в областях со сложной, слоистой структурой грунта с низкой проницаемостью. Пример такого месторождения — техасское газовое месторождение Barnett Shale в США, штате Техас. Для эффективной разработки таких месторождений и повышения дебита скважин, необходимо провести мероприятия по повышению проницаемости грунта. Гидравлический разрыв регулярно используется при добыче нефти и газа для создания сети проницаемых трещин, соединяющих скважину с максимально большим объемом продуктивного пласта, что позволяет повысить приток флюида к скважине и увеличить добычу. Задача оптимизации процедуры гидравлического разрыва состоит в том, чтобы максимизировать объем продуктивного пласта, соединенного трещинами со скважиной. С использованием современных технологий измерения, таких как сейсмическое картирование, можно качественно определить эффективность гидравлического разрыва. Но важно понимать, что все современные технологии измерения результатов гидравлического разрыва дают информацию постфактум. Они не смогут показать, какие результаты дал бы различный дизайн гидравлического разрыва на выбранной скважине. Также они не способны показать, как один и тот же проект поведет себя в различных скважинах. Поэтому сейчас для определения наиболее удачного дизайна гидроразрыва очень часто используется затратный метод проб и ошибок.

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 34

В связи с этим, разработка дизайна и оптимизация гидравлического разрыва, с использованием компьютерного моделирования является очень перспективной технологией с точки зрения разработки месторождений в сложных условиях. Модели дизайна гидравлического разрыва пласта (ГРП) сегодня используются как основа для оптимизации процесса разрыва. Однако для них не характерно полное понимание механики распространения трещин в породе. Следовательно, необходимо соединить две технологии, чтобы прямые физические измерения развития сети трещин в породе при ГРП могли быть объединены с трехмерной расчетной моделью. Исходные параметры модели — из доступных данных каротажа и другой опытной информации о коллекторе — должна быть калибрована с использованием прямых измерений, чтобы правильно определить уровень важности различных механизмов сдерживания разрыва грунта. Только при таком уровне диагностического подтверждения гидравлического разрыва и связанного с ним моделирования, можно действительно понять, что влияет на геометрию и развитие трещин при ГРП. Используя такой подход, можно разработать достоверную модель ГРП для месторождений со сложной структурой, и провести оптимизацию, чтобы обеспечить необходимую проводимость и максимальную эффективную длину трещин и максимизировать приток флюидов. Основа успешного компьютерного моделирования — возможность расчета стимулирован-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:25

ного объема с достаточной точностью и эффективностью. Зачастую существующее коммерческое программное обеспечение имеет ограниченные возможности, особенно, когда требуется принимать во внимание трехмерные объемные явления. Есть большая потребность в модели, которая могла бы эффективно работать с трехмерными задачами. Эффективная 3D модель должна позволять провести расчет различных вариантов процедуры гидравлического разрыва. Чтобы оптимизировать дизайн ГРП, необходимо использовать параметрическую модель, и важно, чтобы расчет каждого варианта происходил быстро, поскольку в процессе калибровки и оптимизации приходится рассчитывать порядка двухсот различных вариантов дизайна. Поэтому важно подобрать баланс между точностью и скоростью, чтобы компьютерные расчеты не отнимали слишком много времени.

Необходимо ли решать задачу в трехмерной постановке? Когда в коллекторе наблюдается заметная анизотропия напряженного состояния пласта или давления, для его расчета необходима полноценная трехмерная модель. Для слоистой структуры грунта нужно обязательно учитывать влияние пласта грунта на рост трещины . В таких условиях, анизотропия напряжений в порах и трещинах грунта, это один из доминирующих факторов при росте трещины. Следовательно, его необходимо включить в уравнения материальных балансов для правильного анализа поведения грунта. Исследования показали, что в последние десятилетия не существовало коммерческого ПО или модели, которая могла бы провести расчет ГРП для месторождений со сложной структурой грунта в трехмерной постановке. Для расчета такой задачи существующие коммерческие программные продукты должны учитывать следующие аспекты: Если развитие трещины определяется • трехмерным напряженным состоянием пласта и трехмерной картиной расположения естественных пор, трещин и неплотностей грунта, то в этом случае необходимы комплексные модели, определяющие направление роста и форму трещины, исходя из трехмерной картины напряжений, характеристик и естественных пор грунта. Особенности роста трещины вдоль границ • раздела пластов, или через них, недостаточно хорошо изучены и недостаточно учитываются в большинстве современных моделей.

• Главные физические параметры, определяющие скорость развития трещины, — на-

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 35

пряженное состояние грунта, давление в порах и неплотностях грунта, напряжения закрытия трещины и механические свойства породы (модуль Юнга, расположение и геометрия трещин и неплотностей в грунте, твердость).

35

Таким образом, трехмерная модель должна отражать как минимум три главных физических явления: открытие трещин в грунте; гидродинамику в системе трещин; рост проницаемости коллектора.

Как учитывать неопределенность параметров коллектора? После разработки подходящей модели ГРП, следующей задачей стала работа с неопределенными параметрами коллектора, такими как свойства породы, геометрические размеры пластов, или условия в породе. Даже при качественном выполнении всех доступных геологических измерений, большое число параметров имеет существенные неопределенности. Многие параметры требуется брать из литературы или принимать, основываясь на собственном опыте. В связи с этим, появляется необходимость эффективного анализа чувствительности, чтобы можно было выбрать наиболее важные входные параметры и калибровать численные модели с помощью экспериментальных данных. Для этих и других оптимизационных задач использовался пакет оптимизации optiSLang компании Dynardo. Анализ чувствительности был проведен с использованием стохастических методов (модификация Латинского гиперкуба), которые сканировали область решений и проводили статистические измерения важности каждого модельного параметра. В этой статье мы ограничились использованием статистического измерения (коэффициент важности CoI), который использовался для выбора наиболее важных неопределенных параметров. Процесс калибровки и оптимизации затем проводился только с этими важными параметрами. Коэффициент важности измеряет величину вариаций отклика модели на вариации одного неопределенного параметра. Основа измерений важности — различные способы оценки корреляции, такие как линейная, квадратичная или монотонная нелинейная корреляция (ранговая корреляция Спирмена). Окончательно, эти данные о корреляции были использованы для оценки важности, которая характеризуется наибольшими значениями коэффициентов корреляции. Для данной задачи, на месторождении Barnett пришлось работать более чем с 200 неопределенных параметрами. Здесь мы столкну-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:26

Технологии

36

лись с проблемой выделения из них немногих наиболее важных неопределенных или неизвестных параметров. Исходные данные для анализа чувствительности — диапазон изменения каждого неопределенного параметра. Используя этот диапазон, optiSLang создает набор возможных сочетаний параметров, и в автоматическом режиме проводит расчеты по модели с этим сочетаниями. C этими параметрами, optiSLang автоматически изменяет геометрию коллектора, автоматически строит расчетную сетку и проводит нелинейный нестационарный расчет задачи ГРП. Используя этот подход, возможно автоматически определить ключевые параметры, подробнее проанализировать главные физические явления и получить основу успешной калибровки модели.

Трехмерная модель ГРП Для создания эффективной трехмерной параметрической модели, анализа и пост-процессинга, был использован конечно-элементный пакет ANSYS. Ниже представлена информация о численном расчете. Вначале создается геометрическая модель коллектора и в автоматическом режиме строится расчетная сетка с элементами в форме гексаэдров. Чтобы можно было смоделировать анизотропные условия в породе, отдельные пласты инициализируются независимо друг от друга и соединяются вместе с помощью неподвижного контакта. Затем проводится нелинейный переходный расчет предварительного нагружения, который продолжается переходным связанным расчетом гидрогазодинамики и напряженно-деформированного состояния. Для этого исполь-

зуются заданные значения напряжения в пласте и давления в порах грунта. Чтобы можно было интегрировать моделирование в процесс калибровки, все этапы подготовки задачи (геометрия, сетка, граничные условия, и т.д.) полностью параметризованы — таким образом, все расчеты с разными исходными данными можно проводить автоматически (см. рис.1). Параметры трещин в породе содержат данные о деформации, действующих силах и условиях течения. Геометрические параметры содержат приблизительные данные о толщине пластов, и данные о расположении скважины. Процесс гидравлического разрыва моделируется с помощью расчета течения жидкости при изменении давления в коллекторе при закачке воды, и связанного с ним расчета механики развития трещины. Для рассмотрения течения жидкости в трещинах, развития и раскрытия трещин используется подход «smeared continuum». Отметим, что для промышленного использования необходимы большие возможности в параметрическом моделировании, построении структурированных расчетных сеток, расчете контактных задач, эффективность численных расчетов нелинейных задач прочности и гидродинамики и гибкая обработка результатов расчетов. Эффективный трехмерный расчет ГРП не означает, что может быть рассчитан только один процесс гидравлического разрыва. Для того чтобы оптимизировать дизайн гидравлического разрыва, требуется разработать максимально эффективную параметрическую расчетную модель, поскольку в процессе калибровки и оптимизации проводится расчет более 200 вариантов дизайна.

Ñõåìà ðàáîòû ïðîãðàììíîãî êîìïëåêñà ïðè ðàñ÷åòå ðàçëè÷íûõ äèçàéíîâ ÃÐÏ

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 36

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:26

Мастер класс

Упрощенная процедура постановки FSI-расчета с применением ANSYS Workbench

37

Aashish Watave, ANSYS, Inc., Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Интегрирующая расчетная платформа ANSYS Workbench содержит все необходимые инструменты для упрощенной постановки многовариантного или связанного многодисциплинарного расчетов. В этой статье мы рассмотрим основные шаги, необходимые для выполнения FSIрасчета клапана с заслонкой в виде диска. При этом будут использованы следующие комплексы: ANSYS FLUENT — для расчета течения жидкости в клапане и ANSYS Structural — для расчета напряженно-деформированного состояния элементов клапана. На рисунке ниже показана схема связывания различных модулей ANSYS

(геометрического препроцессора, сеточного генератора, решателей) для выполнения подобных расчетов. Синие линии используются для передачи и идентификации таких данных как геометрия, сетка (узлы и элементы) и результаты расчетов. Красные линии используются для передачи входных и выходных переменных.

Ñõåìà ïðîåêòà â ANSYS Workbench

Ðàñ÷åò òå÷åíèÿ â êëàïàíå ñ ïîâîðîòíîé çàñëîíêîé (ñâåðõó — çàñëîíêà ïîä óãëîì 15°, ñíèçó — çàñëîíêà ïîä óãëîì 50°)

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 37

Äåôîðìàöèè çàñëîíêè, ñâÿçàííûå ñ âîçäåéñòâèåì ïîòîêà æèäêîñòè (ñâåðõó — çàñëîíêà ïîä óãëîì 15°, ñíèçó — çàñëîíêà ïîä óãëîì 50°)

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:27

Мастер класс 1

Ãåîìåòðèÿ ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà äâóìÿ ñïîñîáàìè: 1. ñ ïîìîùüþ èìïîðòà â ANSYS DesignModeler (DM) ÷åðåç ïðîìåæóòî÷íûå ãåîìåòðè÷åñêèå ôîðìàòû. Äàëåå ýòà ãåîìåòðèÿ ìîæåò áûòü óïðîùåíà èëè âûëå÷åíà (â òîì ñëó÷àå, åñëè îíà ñîäåðæèò äåôåêòû).

2. Ãåîìåòðèÿ ìîæåò áûòü ñîçäàíà íåïîñðåäñòâåííî â DM ñ èñïîëüçîâàíèåì ñðåäñòâ ïîñòðîåíèÿ ýñêèçîâ, áóëåâûõ îïåðàöèé ñ òâåðäûìè òåëàìè, îïåðàöèé ïðîòÿãèâàíèÿ, çàìåòàíèÿ è ïð. Êðîìå òîãî, DM ïîçâîëÿåò ïàðàìåòðèçîâàòü ãåîìåòðè÷åñêóþ ìîäåëü.  íàøåì ñëó÷àå ìû ïàðàìåòðèçîâàëè óãîë ïîâîðîòà çàñëîíêè.

2

Âñå ïàðàìåòðû, êîòîðûå áóäóò èñïîëüçîâàíû äëÿ èçìåíåíèÿ ãåîìåòðèè â ïðîöåññå âûïîëíåíèÿ ìíîãîâàðèàíòíîãî ðàñ÷åòà, çàäàþòñÿ â ñïåöèàëüíîé ïàíåëè Table of Design Points. Ýòó ïàíåëü ìîæíî âûçâàòü, äâàæäû íàæàâ íà ñòðîêó Parameter Set.  êà÷åñòâå ïàðàìåòðîâ ìîãóò âûñòóïàòü íå òîëüêî ãåîìåòðè÷åñêèå ðàçìåðû, íî è ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà ðàáî÷èõ ñðåä, ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ íà âõîäå/âûõîäå (ðàñõîä, ñêîðîñòü, äàâëåíèå, òåìïåðàòóðà) è ò. ï.

3

Ïåðåä ðàçáèåíèåì ðàñ÷åòíîé îáëàñòè (âíóòðåííåãî òðàêòà) â ANSYS Meshing íåîáõîäèìî îòêëþ÷èòü òå ýëåìåíòû ñáîðêè, êîòîðûå íå ñâÿçàíû ñ îáëàñòüþ òå÷åíèÿ. Äàëåå ìîæíî ñîçäàòü ñïåöèàëüíûå âûáîðêè (named selections) è «ïåðåíåñòè» â íèõ òå ïîâåðõíîñòè, êîòîðûå â äàëüíåéøåì áóäóò èñïîëüçîâàíû äëÿ çàäàíèÿ ãðàíè÷íûõ óñëîâèé (âõîä, âûõîä, ñòåíêà). Êðîìå òîãî, ê ýòèì âûáîðêàì ìîæíî ïðèâÿçàòü ðàíåå îïðåäåëåííûå âõîäíûå ïàðàìåòðû. Íà ðèñóíêå ñïðàâà ïîêàçàí ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ ïàðàìåòðà P8-ip1 â ïðåïðîöåññîðå ANSYS FLUENT äëÿ çàäàíèÿ äàâëåíèÿ íà âõîäå â êëàïàí ðàâíîãî ïî âåëè÷èíå 500 Ïà.

4

Ðåçóëüòàòû, ïîëó÷åííûå â ANSYS FLUENT, ìîãóò áûòü ïðîàíàëèçèðîâàíû â ïîñòïðîöåññîðå CFD-Post. Äëÿ ýòîãî äîñòàòî÷íî íàæàòü íà ñòðîêó Results cell ñõåìû ïðîåêòà. Ñ ïîìîùüþ ÿçûêà âûðàæåíèé (CEL) â ïîñòïðîöåññîðå ìîæíî îïðåäåëèòü âûõîäíûå ïàðàìåòðû, íàïðèìåð, ïåðåïàä äàâëåíèÿ (ΔP) èëè îñðåäíåííîå ïî ïîâåðõíîñòè äàâëåíèå íà çàñëîíêå. Ýòè ïàðàìåòðû òàêæå ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû â òàáëèöå ïàðàìåòðîâ Table of Design Points. Âûõîäíûå ïàðàìåòðû òàêæå ìîãóò áûòü îïðåäåëåíû íåïîñðåäñòâåííî â ANSYS FLUENT.

5

Ïðè ãåíåðàöèè êîíå÷íî-ýëåìåíòíîé ñåòêè äëÿ ðàñ÷åòà íàïðÿæåííî-äåôîðìèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ ýëåìåíòîâ êëàïàíà ñëåäóåò îòêëþ÷èòü (îïåðàöèÿ suppress) òåëà (bodies), îòíîñÿùèåñÿ ê îáëàñòè òå÷åíèÿ.  êà÷åñòâå íàãðóçîê ïðè ðàñ÷åòå ÍÄÑ êëàïàíà áóäåò èñïîëüçîâàòüñÿ äàâëåíèå íà âíóòðåííèõ ñòåíêàõ òðàêòà è ïîâåðõíîñòÿõ çàñëîíêè. Ïðè ýòîì ìîæíî èñïîëüçîâàòü íåñîâïàäàþùèå óçåë-â-óçåë ðà÷åòíûå ñåòêè äëÿ «ïðî÷íîñòíîãî» è ãèäðîãàçîäèíàìè÷ñåêîãî àíàëèçîâ. Ïîñëå òîãî êàê áóäåò çàâåðøåí ðàñ÷åò ïåðâîé òî÷êè (Design Point No. 0), ïðîãðàììà àâòîìàòè÷åñêè ïåðåîïðåäåëèò ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ è ïåðåéäåò ê ðàñ÷åòó âòîðîé òî÷êè è ò. ä. Ðåçóëüòàòû êàæäîãî ðàñ÷åòà ìîæíî ñîõðàíèòü îòäåëüíî.

38

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 38

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:29

Мастер класс

Пример параметрического расчета вентиляционного коллектора с использованием ANSYS Workbench

39

Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

В данной статье мы рассмотрим пример постановки параметрического гидравлического расчета вентиляционного коллектора с применением дополнительных возможностей ANSYS Workbench. В качестве гидрогазодинамического комплекса мы будем использовать ANSYS FLUENT. Однако описанный алгоритм можно применять и для других решателей ANSYS таких как, ANSYS CFX или ANSYS Mechanical. Внешний вид коллектора показан на рис. 1. Коллектор имеет четыре входа и один выход. Требуется оптимизировать геометрию коллектора таким образом, чтобы он имел минимальное гидравлическое сопротивление при заданном расходе газа на входе. При этом можно изменять диаметр основной трубы (в заданном диапазоне величин) и положение отводной трубы относительно левого торца основной трубы. В первоначальном варианте отводящая труба смещена

относительно торца основной трубы на 60 см. Диаметр всех труб равен 5 см. Очевидно, что для снижения суммарного гидравлического сопротивления коллектора, отводящую трубу следует сместить вправо, ближе к центру основной трубы. Далее мы построим CAD-модель коллектора с коэффициентом масштаба 1:10. Загрузим ANSYS Workbench. Затем перетащим шаблон Fluid Flow (FLUENT) из панели Toolbox в окно Project Schematic. Дважды нажмем на раздел Geometry для открытия геометрического препроцессора ANSYS DesignModeler. В появившейся панели Desired length unit выберем мм.

Создание параметризованной модели коллектора в DesignModeler При создании параметризованных моделей в DesignModeler основными инструментами являются эскизы (Sketches) и опорные плоскости. Выберите плоскость ZXPlane и нажмите на иконку New Plane (на рис.2 она обведена красной линией). В панели Detail View отредактируй-

Ðèñ. 2. Ñîçäàíèå îïîðíîé ïëîñêîñòè

Ðèñ. 1. Ãåîìåòðèÿ âåíòèëÿöèîííîãî êîëëåêòîðà

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 39

те свойства новой плоскости: измените имя плоскости на «main_plane», выберите опцию Offset X, и укажите значение –65 мм. Далее нажмите кнопку Generate.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:30

Мастер класс

40

Для создания эскиза следует переключиться в режим Sketching. В качестве опорной плоскости используем плоскость «main_plane». Команда Circle, формирующая окружность, вызывается из панели Draw. В качестве центра окружности указываем начало координат опорной плоскости. Для задания радиуса окружности (равного 5 мм) следует перейти в раздел Dimensions и выбрать элемент Radius. Присвойте эскизу имя «main_section».

Ðèñ. 3. Çàäàíèå ðàäèóñà îêðóæíîñòè

Далее создадим окружность с радиусом 5 мм (эскиз «cross_section_of_first_branch») и прокрутим эту окружность относительно оси X системы координат плоскости «plane_revolution_ branch» (заметим, что ось Z по умолчанию направлена по нормали к опорным плоскостям). В результате мы построим криволинейный участок подводящего патрубка, показанный на рис. 6. Нажмите на иконку Revolve в верхнем контекстном меню. В строке Base Object укажите эскиз «cross_section_of_first_branch». Далее используйте ось X в качестве оси вращения. Для этого сначала выберите плоскость «plane_ revolution_branch» в дереве проекта, а затем с помощью курсора мыши выберите на экране ось X. Задайте угол вращения, равным 90° и не забудьте изменить направление вращения на противоположное (опция Reversed). Нажмите Apply.

Теперь протянем созданную окружность в направлении оси Y. Для этого используем команду Extrude. В строке Depth задайте 200 мм, а в Direction Vector выберите опцию None (Normal). В результате мы построим геометрию прямолинейного участка основного патрубка.

Ðèñ. 5. Îïîðíàÿ ïëîñêîñòü äëÿ âðàùåíèÿ îêðóæíîñòè

Ðèñ. 4. Ñâîéñòâà îïîðíîé ïëîñêîñòè äëÿ ñîçäàíèÿ ýñêèçà ïîäâîäÿùèõ òðóá Перейдем к построению подводящих труб. Сначала создадим опорную плоскость для эскиза контура подводящих труб. Снова используем иконку New Plane. В появившейся панели Details View определяем настройки, показанные на рис. 4. Нажимаем Generate. Нам потребуется еще одна плоскость, которую мы будем использовать для вращения окружности — контура торца подводящей трубы. Настройки этой плоскости показаны на рис. 5. Присвойте этой плоскости имя «plane_revolution_ branch».

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 40

X Z Y

Ðèñ. 6. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ êîìàíäû Revolve Аналогичным образом можно построить оставшиеся три входных участка. Расстояние между осями подводящих труб в масштабной

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:31

модели составляет 40 мм (в реальной модели — 40 см). Для построения отводящей трубы можно использовать в качестве опорной плоскости можно использовать плоскость «main_plane». Ось этой трубы должна быть смещена на 60 мм относительно левого торца основной (раздающей) трубы.

В заключение мы с помощью команды Named Selection определим поверхности, на которых будут задаваться граничные условия. На рис. 9 они выделены красным (вход — Inlet) и синим (выход — Outlet) цветами. Сохраняем проект и закрываем DesignModeler.

41

Ðèñ. 9. Âûáîð ïîâåðõíîñòåé äëÿ çàäàíèÿ ãðàíè÷íûõ óñëîâèé Ðèñ. 7. Îòâîäÿùàÿ òðóáà äèàìåòðîì 5 ñì Для выполнения многовариантных расчетов (с оптимизацией) необходимо определить несколько параметров. В нашем случае мы будем использовать два параметра: диаметр раздающей трубы и расстояние от оси отводящей трубы до левого торца раздающей трубы. Вернемся в дерево проекта, выберем ветку «main_plane» и отредактируем свойства эскиза «main_section»: необходимо поставить галочку напротив параметра R1 (радиус окружности). В появившуюся панель Parameter Name вбейте имя R1. Для определения второго параметра отредактируйте свойства плоскости, которой принадлежит эскиз отводящей трубы (рис. 8). Присвойте этому параметру имя «dist_1».

Генерация сетки Для генерации сетки переходим в раздел Mesh шаблона проекта. Прежде всего, необходимо отредактировать настройки панели Details of Mesh. Определите основные опции этой панели следующим образом: Physics Preference = CFD; Solver Preference = Fluent; Use Advanced Size Function = On: Proximity and Curvature. Далее нажмите правой кнопкой мыши на раздел Mesh в дереве проекта и в появившейся панели выберите Insert→Inflation. Затем выберите мышкой все необходимые поверхности и определите настройки панели Details of “Inflation” в соответствии с рис. 10. И, наконец, выполните команду Mesh→ Generate Mesh.

Препроцессинг задачи в комплексе FLUENT

Ðèñ. 8. Çàäàíèå ïàðàìåòðà â DesignModeler

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 41

После генерации расчетной сетки закройте модуль Meshing и вернитесь в Project Schematic. Загрузите программный комплекс FLUENT в режиме Double Precision (двойная точность). При этом сгенерированная ранее сетка будет автоматически подгружена в препроцессор FLUENT. В разделе Viscous Model выберите Realizable k-ε модель турбулентности. Далее определите материал, т. е. задайте свойства воздуха. Для этого перейдите в раздел Set Material и выберите Air.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:33

Мастер класс

42

Теперь определим граничные условия на соответствующих поверхностях. Перейдите в раздел Boundary Conditions. В появившейся панели выберите inlet и нажмите кнопку Edit. Далее напротив параметра Mass Flow Rate задайте 0.5 кг/с — массовый расход воздуха через коллектор. Значения других оставшихся параметров оставьте по умолчанию. Нажмите Ok.

подобрать такую геометрию коллектора, чтобы он обладал минимальным гидравлическим сопротивлением. Для этого нам необходимо будет в процессе расчета осуществлять мониторинг статического давления на входе и выходе из коллектора. Перейдите в раздел Results→ Reports→Parameters и нажмите кнопку Create. В выпадающем меню выберите Surface Integrals. Далее определите настройки опций панели Surface Integrals следующим образом: Report Type = Area-Weighted Average; Field Variable = Pressure→Static Pressure; Surfaces = outlet. Нажмите затем кнопку Save Output Parameter и присвойте имя новой переменной –pressure_ outlet.

Ðèñ. 10. Âûáîð ïîâåðõíîñòåé äëÿ ãåíåðàöèè ïðèçìàòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ После этого определите граничное условие на выходе коллектора. Для этого выберите поверхность outlet. Далее напротив параметра Gauge Pressure поставьте 0. Это означает, что избыточное давление воздуха на выходе из коллектора равно 0. Нажмите Ok. Задав граничные условия, можно перейти к настройкам опций решателя FLUENT. В начале отредактируем свойства раздела Solution Methods (см. рис. 11). Затем перейдем в раздел Calculation Activities. Включите опцию Automatically Initialize Solution and Modify Case. Далее нажмите кнопку Edit внизу панели. Выберите опцию Initialize with values from case и далее откройте закладку Case Modification. В пустом поле наберите следующие команды: /mesh scale 10 10 10 /solve init fmg yes (масштабирование модели и FMG-инициализация). И, наконец, задайте 300 расчетных итераций. Нажмите Ok. В заключение определим выходные переменные, необходимые для постановки задачи оптимизации. По условиям задачи мы должны

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 42

Ðèñ. 11. Íàñòðîéêè ðàçäåëà Solution Methods Аналогичным образом задайте выходную переменную pressure_inlet. Сохраните проект и закройте FLUENT. Обратите внимание, что в шаблоне Fluid Flow (FLUENT) появился новый раздел Parameters.

Постановка параметрического расчета После задания параметров в любом из модулей ANSYS Workbench в основном окне появляются несколько дополнительных панелей: Outline of All Parameters, Table of Design Points и др. На рис. 12 показана панель Outline of All Parameters, в которой содержится описание входных и выходных параметров. В качестве входных параметров у нас выступают диаметр (радиус) основного коллектора R1 и параметр dist_1, который задает положение отводной трубы относительно левого торца основной трубы. Выходным параметром выступает параметр

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:34

deltaP = pressure_inlet-pressure_outlet — перепад давления в системе. Для создания новой переменной deltaP необходимо перейти в поле New expression и набрать в этом поле следующее выражение: P19P18. Новому параметру автоматически будет присвоен индекс P20.

Ðèñ. 12. Ïàíåëü Outline of All Parameters Далее необходимо отредактировать таблицу расчетных вариантов Table of Design Points. Откройте таблицу и создайте три новых расчетных точки: DP1, DP2 и DP3 (см. рис. 13). Далее нажмите на кнопку Update All Design Points в верхнем контекстном меню. Для отображения процесса обновления расчетных точек следует нажать на кнопку Show Progress. После завершения процесса моделирования всех расчетных вариантов таблица Table of Design Points будет обновлена и дополнена информацией обо всех расчетных вариантах. Результаты расчетов можно визуализировать на экране и отобразить в виде графиков, диаграмм и т. п. Проанализировав результаты многовариантного расчета можно на основе определенных критериев выбрать наиболее оптимальный вариант конструкции коллектора.

Ðèñ. 13. Ïàíåëü Table of Design Points Однако ANSYS предлагает более мощный инструмент для анализа результатов многовариантных расчетов. Используя детерминирован-

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 43

ный метод планирования эксперимента (Design of Experiments — DOE) и оптимизации, можно автоматически исследовать пространство проектных параметров и выбрать соответствующие проектные параметры для получения минимальных потерь давления в вентиляционном коллекторе. Перетащим шаблон Response Surface из Toolbox в Project Schematic. Этот шаблон будет автоматически прилинкован к блоку Parameter Set. Далее отредактируем свойства раздела Design of Experiments, поставив галочку напротив опции Preserve Design points after DX runs. Включение этой опции позволит сохранить все промежуточные результаты расчетов во время выполнения процедуры DOE-оптимизации. Теперь следует задать диапазоны изменения значений входных параметров. Для этого откройте панель Outline of Schematic B2: Design of Experiments и отредактируйте разделы P21 и P22. Для параметра P21-R1 задайте диапазон изменения от 5 см до 15 см (рис. 14), для параметра P22-dist_1 задайте диапазон изменения от 40 см до 140 см.

43

Ðèñ. 14. Çàäàíèå äèàïàçîíà èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðà R1 (ðàäèóñ îñíîâíîé òðóáû) îò 5 ñì äî 15 ñì В завершение нажмите на кнопку Update Design of Experiments. После того, как Workbench отработает все варианты следует вернуться на главную страницу проекта. Для этого нажмите на кнопку Return to Project. Для построения поверхности отклика дважды нажмите на раздел Response Surface и далее выполните команду Update Response Surface. На рис. 15 показана результирующая поверхность отклика. Используя DOE-результаты можно быстро подобрать наиболее оптимальный вариант конструкция коллектора, т. е. решить задачу оптимизации. Перетащим шаблон Goal Driven Optimization из Toolbox в Project Schematic и прилинкуем раз-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:35

Мастер класс дел B2 к разделу C2. Далее выберем метод оптимизации Screening (раздел Optimization Method) и укажем количество расчетных вариантов, равное 1000 (Number of Initial Samples).

дел D3 и выберите из выпадающего меню опцию Minimize. Нажмите кнопку Update Optimization.

44

Ðèñ. 16.  òàáëèöå ïðåäñòàâëåíû íàèáîëåå îïòèìàëüíûå âàðèàíòû ãåîìåòðèè êîëëåêòîðà, êîòîðûå óäîâëåòâîðÿþò çàäàííîìó êðèòåðèþ (ìèíèìàëüíîå ãèäðàâëè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå òðàêòà)

Ðèñ. 15. Âíåøíèé âèä ïîâåðõíîñòè îòêëèêà Далее необходимо определить целевую функцию, в нашем случае — это гидравлическое сопротивление тракта. Перейдите в раз-

Исходные файлы для повторения урока вы можете получить, отправив запрос автору на адрес Denis.Khitrykh@cadfem-cis.ru. Заранее приносим свои извинения за возможную задержку с ответом.

Ðèñ. 17. Êà÷åñòâåííîå ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ãèäðàâëè÷åñêîãî ðàñ÷åòà êîëëåêòîðà ñ ðàçëè÷íîé ãåîìåòðèé

www.ansyssolutions.ru

EMT_5-14-2010_ver0.indd 44

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

09.10.2010 0:12:36

НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Êàêàÿ ïîãîäà íà Ìàðñå

EMT_oblojka_14-2009.indd 1

FSI-ðàñ÷åò â ANSYS

Ïðîåêòèðîâàíèå ñîâðåìåííûõ òàíêåðîâ â ANSYS

08.10.2010 20:00:16