CADFEM CIS_ANSYS products by Denis Khitrykh

КАТАЛОГ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ

ANSYS Workbench ANSYS Meshing ANSYS DesignModeler ANSYS Mechanical ANSYS Structural ANSYS Multiphysics ANSYS AUTODYN

ANSYS LS-DYNA ANSYS Explicit STR ANSYS CFX ANSYS FLUENT ANSYS POLYFLOW FLUENT for CATIA V5 ANSYS ICEM CFD

ANSYS BladeModeler ANSYS Vista TF ANSYS Icepak ANSYS AQWA ANSYS ASAS ANSYS EKM ANSYS Emag

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

Уважаемые пользователи ANSYS! Бурное развитие технологий ANSYS, нашедших свою реализацию в новом эволюционном поколении программных продуктов для инженерных расчетов, а также ясная корпоративная стратегия и видение стали ключевыми факторами успеха и роста компании, признании ее мировым лидером. Программный комплекс ANSYS является единой программной платформой для реализации полного цикла разработки нового изделия от технического задания на этапе проектирования до проверки правильности принятых решений. За последние годы значительно увеличилась клиентская база во всем мире, включая Россию. Решения ANSYS с успехом используются в инженерной и научной среде, помогая предприятиям внедрять инновации в различных отраслях промышленности. В России компания ANSYS добилась существенного роста благодаря успешной деятельности своих ведущих авторизованных партнеров. Российская компания ЗАО «ЕМТ Р» на сегодняшний день является ведущим партнером ANSYS, Inc. не только в странах СНГ, но и во всей Восточной Европе. Финская компания Process Flow через свой офис в Санкт-Петербурге также добилась неплохих результатов, в основном, благодаря своему опыту и компетенции в области вычислительной гидродинамики. Немецкая компания CADFEM GmbH давно и хорошо известна Европейским инженерным кругам как ведущий партнер и центр компетенции ANSYS в Западной Европе. Начало ее деятельности в России с 1998 г. через Московское представительство во многом способствовало проникновению и началу успешного применения наукоемких программных продуктов ANSYS многочисленными отечественными промышленными и научными организациями, ВУЗами. 4 сентября 2009г. ЗАО «ЕМТ Р», Process Flow Oy Ltd. и СADFEM GmbH объявили о регистрации новой совместной инженерно-консалтинговой компании ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», специализирующейся на оказании качественных профессиональных услуг в области масштабных проектов создания и управления технологиями компьютерного моделирования (CAE) в промышленности, науке и образовании, внедрении и технической поддержке наукоемкого программного обеспечения компании ANSYS, Inc., выполнении сложных и уникальных инженерных расчетов в локальных и глобальных проектах. Основными учредителями ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» являются учредители компании ЗАО «ЕМТ Р». Решение создать новую совместную компанию было продиктовано желанием объединить все лучшее, имеющееся в наших компаниях, и в первую очередь, команды высококлассных

специалистов, обладающих профессиональными знаниями и колоссальным инженерным и внедренческим опытом, свои разработки и направить общие усилия на благо наших клиентов, способствовать эффективному внедрению CAE-технологий и их технической поддержке на высочайшем профессиональном уровне. Решение о создании новой компании было одобрено и приветствуется руководством ANSYS, Inc. Новая компания получила название — ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» (на англ. яз. CADFEM CIS). CIS сокращение от Commonwealth of Independent States — Содружество Независимых Государств, СНГ. Из этого видно, что деятельность компании будет вестись на всей территории стран СНГ. Следует отметить, что ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» никак не связано с бывшим Московским представительством CADFEM GmbH. Это представительство закрыто, однако хотел бы обратить внимание, что техническую поддержку и сопровождение бывшим клиентам представительства CADFEM теперь оказывает ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». Головной офис компании ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» находится в г. Москве. Открыты также филиалы в Северо-западном федеральном округе — г. СанктПетербург, в Приволжском федеральном округе — г. Самара, в Сибирском федеральном округе — г. Иркутск. Компания намерена в ближайшее время открыть филиалы в Уральском федеральном округе в г. Екатеринбург, в Сибирском федеральном округе в г. Новосибирске и Южном федеральном округе в г. Ростов на Дону. В планы компании входит открытии филиалов и в других странах СНГ, в частности, в Украине, Белоруссии, Казахстане. Сегодня Европейская группа компаний CADFEM — это крупнейший инженерный холдинг с филиалами и центрами компетенции в Западной и в Восточной Европе, странах СНГ, тесно и успешно сотрудничающий с компанией ANSYS, Inc. В объединенной компании CADFEM работает более ста пятидесяти высококвалифицированных инженеров, предоставляющих качественный и наиболее полный набор консалтинговых услуг в области компьютерного моделирования, обучения и внедрения решений ANSYS. Мы убеждены, что сотрудничество с нашей новой объединённой, ориентированной на клиентов компанией ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» даст целый ряд ощутимых преимуществ нашим клиентам. С искренним уважением, Валерий Локтев Президент и Генеральный директор ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Содержание История инноваций компании ANSYS, Inc. . . . . . 3 Структура программных модулей ANSYS . . . . . . 6 Лицензирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Расчетная платформа ANSYS Workbench . . . . . 11 ANSYS DesignModeler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 ANSYS Meshing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 ANSYS DesignXplorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Многодисциплинарное моделирование . . . . . . 20

RMxprt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 ANSYS Emag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Препроцессинг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 ANSYS ICEM CFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 TGrid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 ANSYS Mesh Morpher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Система управления расчетными данными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

ANSYS Multiphysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

ANSYS Engineering Knowledge Management — EKM . . . . . . . . . . . . . . 76

Механика деформируемого твердого тела . . . 24

Высокопроизводительные вычисления . . . . . . . 77

ANSYS Mechanical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 ANSYS Professional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Специализированные приложения . . . . . . . . . . . 80

Вычислительная гидродинамика . . . . . . . . . . . . . 34 ANSYS CFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 ANSYS CFD-Post. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 ANSYS POLYFLOW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Быстропротекающие высоконелинейные динамические процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 ANSYS AUTODYN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 ANSYS Explicit STR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 ANSYS LS-DYNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Электромагнетизм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 HFSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

ANSYS AQWA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 ANSYS ASAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 CivilFEM with ANSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 ANSYS Pressure Equipment Module (PEM) . . . . . . 93 ANSYS TurboGrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 ANSYS BladeModeler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 ANSYS Vista TF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 ANSYS Airpak. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 ANSYS Icepak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 ANSYS nCode DesignLife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 EDEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 ANSYS Composite PrepPost. . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 DYNARDO optiSLang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

Инженерный консалтинг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Каталог программных продуктов ANSYS Руководитель проекта

Переводчик и редактор

Над каталогом работали

Хитрых Денис denis.khitrykh@cadfem-cis.ru

Юрченко Анна

Кабанов Юрий Колесник Валерий Крылов Андрей

Каталог ANSYS 2009

Слюсаренко Андрей Юрченко Денис Чернов Александр

ИСТОРИЯ ИННОВАЦИЙ КОМПАНИИ ANSYS, Inc. Компания ANSYS начинает новую эру в инженерных расчетах В марте 2009 года компания ANSYS, Inc. представила новый релиз программного комплекса для инженерных расчетов ANSYS 12.0, который поддерживает инновационную стратегию разработки новых изделий ANSYS — Simulation Driven Product Development™. Практически во всех отраслях промышленности при разработке новых продуктов внедрение компьютерного моделирования стало ключевым моментом — с целью снижения затрат на разработку и производство, а также сокращения времени выхода продукта на рынок. Компании, заботящиеся о своих перспективах, активно внедряют новые технологии, чтобы в ближайшем будущем получить отдачу от инвестиций в инженерные расчеты. Технология Smart Engineering Simulation™, реализованная в ANSYS 12.0 позволяет существенно сократить время проектирования и расчетов, использовать параметрическое моделирование и проводить оптимизацию проекта в различных областях физики, повысить надежность создаваемых виртуальных прототипов и точность результатов инженерных расчетов в целом. Программный комплекс ANSYS 12.0 является наиболее универсальным и доступным инженерным решением, обеспечивающим быструю разработку изделия в виртуальной среде с учетом комплексных и связанных решений — с высокой степенью надежности проектов. Новые возможности инженерных расчетов ANSYS 12.0 позволяют сократить процесс проектирования, создавать инновационные продукты с экономией финансовых и временных ресурсов, уменьшить расходы на создание физических прототипов и проведение экспериментов. В основе ANSYS 12.0 находится платформа ANSYS® Workbench™ 2.0, гибкая и универсальная среда для компьютерного моделирования, позволяющая пользователям легко настраивать, визуализировать и контролировать процесс расчетов. Использование ANSYS Workbench позволяет автоматизировать процесс расчетов, существенно повышая продуктивность и сокращая время выполнения проектов. Инженеры могут легко анализировать множество вариантов, оптимизировать проекты с учетом различных физических явлений.

Программный комплекс ANSYS 12.0 обеспечивает широкие возможности анализа, позволяющие клиентам получать полные динамические характеристики проекта: от частотных характеристик до поведения нелинейных сложных систем. Спектр решений ANSYS чрезвычайно широк, программные продукты охватывают расчет напряженно-деформированного состояния, анализ гидродинамических процессов, теплообмена, электромагнетизма. Программные продукты ANSYS 12.0 являются не только лучшими в своем классе — для них характерна быстрая и надежная связь между собой. Подобная связь обеспечила появление лучших многодисциплинарных возможностей, позволяющих проводить точные и реалистичные расчеты промышленных задач с учетом всей совокупности физических явлений. Внедрение технологий ANSYS 12.0 позволяет пользователям с легкостью проводить связанные многодисциплинарные расчеты. Наряду с существующими технологиями, ANSYS 12.0 предлагает новый эффективный подход к проведению многодисциплинарных расчетов. С внедрением гидродинамического решателя ANSYS® FLUENT® в среду ANSYS Workbench, инженеры получили доступ к средствам создания параметрических моделей, современным инструментам создания расчетных сеток, мощному постпроцессору, а

Реализация инновационной стратегии разработки новых изделий ANSYS — Simulation Driven Product Development™.

Каталог ANSYS 2009 3

ность сохранять все данные проекта напрямую в архив данных ANSYS EKM в соответствии с требованиями рабочей группы или предприятия, а также сохранять данные ANSYS EKM на локальной машине. Компания ANSYS, Inc. на протяжении всей своей истории делала упор на инвестиции в сфере научноисследовательских разработок. Подтверждением тому являются важные технологические приобретения компании (Century Dynamics, FLUENT, Ansoft и др.). Благодаря этому программный комплекс ANSYS 12.0 может считаться лидером в области инженерных расчетов. Для руководителей компаний использование ANSYS является необходимым фактором в условиях высокой конкуренции на рынке.

Президент РФ Дмитрий Медведев вручает награду профессору Дадли Брайану Сполдингу (Великобритания), лауреату Международной энергетической премии «Глобальная энергия» 2009 года. Премия присуждена за многочисленные оригинальные концепции процессов тепломассообмена, которые в механике жидких сред и вычислительной гидродинамике стали базой практических расчетов в энергетике. также возможность двусторонней связи с CAD-системами. Благодаря масштабируемым и настраиваемым решениям, программный комплекс ANSYS 12.0 позволяет клиентам внедрять передовые технологии на том уровне, который обусловлен их собственными потребностями при расчетах. В ANSYS 12.0 возможно установить конфигурацию для продвинутых или профессиональных пользователей, программный комплекс может быть предназначен как для одного пользователя, так и для целой компании, расчеты проводятся как на портативных ПК, так и на мощных кластерных системах. Использование программного комплекса ANSYS 12.0 позволяет инженерным группам повысить эффективность совместной работы над проектами. В рамках одного проекта несколько инженеров могут проводить анализ в определенной области физики или осуществлять многодисциплинарные расчеты. Для облегчения работы над множеством проектов используется программный продукт ANSYS® EKM™, предназначенный для хранения и управления расчетными данными, учета и аудита данных, поиска и восстановления данных, генерации отчетов и проведения сравнения данных, автоматизации процессов, создания базы знаний для типовых видов расчета и создания системы экспертного анализа проектных решений. В версии 12.0 ANSYS Workbench возмож-

Каталог ANSYS 2009

Краткая история ANSYS FEA-коды Историю создания программного комплекса ANSYS можно начать описывать с того времени, когда доктор Джон Свонсон (John Swonson) работал в компании Westinghouse Electric Corporation (Питсбург, США). В начале 1960-х годов компания Westinghouse работала над проектом NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application — ядерный двигатель для космических ракет) в качестве главного субподрядчика, отвечающего за строительство реактора. Джон Свонсон в этот период занимался расчетами на прочность элементов конструкции реактора. Он использовал специализированные компьютерные коды для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) ответственных узлов реактора, подвергающихся воздействию температур и давления. Один из этих расчетных комплексов был создан доктором Э. Вилсоном (E.L. Wilson), профессором университета Калифорнии (University of California, Беркли, США) и основателем компании Computers and Structures Inc. Поскольку в конце 1960-х годов анализ НДС выполнялся отдельно от тепловых расчетов, Джон Свонсон начал разрабатывать тему объединения нескольких расчетных FEA-комплексов с целью создания универсального программного комплекса для выполнения многодисциплинарных расчетов. Однако эта идея не получила поддержки у руководства компании Westinghouse, и в 1969 г. Джон Свонсон покинул компанию, основав собственную компанию, которая получила название Swanson Analysis Systems, Inc. Следует отметить, что в 1970 г., когда вышел первый релиз программного комплекса ANSYS, именно компания Westinghouse стала первым пользователем. Однако Джон Свонсон был не единственным, кто сумел довести исследовательские программные про-

дукты до коммерческого использования. В связи с этим можно вспомнить Ричарда МакНила (Richard MacNeal) и Роберта Швендлера (Robert Schwendler), разработчиков FEA-кода Sadsan, или Язона Лемона (Jason R. Lemon) — основателя компаний Structural Dynamics Research Corporation (1967 г.) и International TechneGroup Incorporated (1983 г.). Главная заслуга Джона Свонсона состоит в том, что он первым определил основной вектор развития коммерческих FEA-комплексов, направленный на разработку универсальных многодисциплинарных решателей, поддерживающих все типы анализа. В 1994 году компания Swanson Analysis Systems, Inc. была приобретена компанией TA Associates, после чего она была переименована ANSYS, Inc. Презентация новой компании состоялась на выставке в AUTOFACT-94 в Детройте. В компании ANSYS, Inc. Джон Свонсон проработал более 30 лет в должности президента и исполнительного директора. После выхода на пенсию в 1999 году он стал ведущим научно-техническим консультантом компании. В 1998 году доктор Свонсон получил награду Американского общества инженеров-механиков (ASME), а в 2003 году стал его почетным членом. Кроме этого, в мае 2004 года доктор Свонсон получил престижную награду — медаль Джона Фрица. Ранее этой награды были удостоены Орвилл Райт, Александр Белл, Альфред Нобель, Томас Эдисон, Джордж Вестингхаус и др. Сегодня доктор Свонсон является авторитетным экспертом в области применения методов конечных элементов и возглавляет компанию Swanson Analysis Services, Inc.

В 2004 г. Ф. Халроу был награжден медалью Los Alamos Medal за выдающийся вклад в развитие численных методов моделирования.

CFD-коды Определяющий вклад в становление и развитие CFD (Computational Fluid Dynamics, вычислительная гидродинамика) как прикладной дисциплины внесли работы, выполненные группой T-3 (Los Alamos Scientific Laboratory, США) в период 1958 — 1967 гг. В 1957 г. Ф. Харлоу (F. H. Harlow) разработал метод Particle-in-Cell (PIC — метод частиц в ячейках) для решения задач гидродинамики в одномерной постановке. Позднее расчетная схема была переработана для использования в задачах с двумя и тремя пространственными переменными. В этом методе жидкость разбивается на большое количество неподвижных эйлеровых ячеек. Кроме того, рассматривается лагранжева сетка, которая отображает элементы жидкости, движущиеся через однородную эйлерову сетку. Эйлерова сетка используется для определения переменных поля, в то время как частицы служат для определения параметров самой жидкости. В 1965 г. Ф. Харлоу совместно с Дж. Уэлчем (J. E. Welch) разработали известный метод MarkerAnd-Cell (MAC — метод маркеров и ячеек). В методе MAC рассматриваются частицы-маркеры, которые непосредственно не участвуют в вычислениях, однако, отслеживая положение отмеченных частиц-маркеров, можно получить картину, аналогичную той, которую мы наблюдаем в гидролотке при введении красящего вещества. Важным этапом в развитии коммерческих CFD-кодов стали работы Д. Б. Сполдинга (D. B. Spalding) и его коллег из Имперского колледжа Лондона (Imperial College London, Великобритания), выполненные в 1960 — 1970-х годах. Эти работы были посвящены развитию теории тепломассопереноса с учетом процессов горения, а также построению новых моделей турбулентности. В 1974 г. Д. Б. Сполдинг создал компанию CHAM Ltd. для продвижения на рынок своего CFD-кода. В этот период группа исследователей из Шеффилдского университета (Sheffield University, Великобритания) под руководством доктора Дж. Свитенбанка (J. Swithenbank) и финансовой поддержке компании Creare занимались разработкой CFD-кода FLUENT. Первый коммерческий релиз этого продукта вышел в октябре 1983 года. В 1987 году на рынке появился код Flow-3d, разработанный в Управлении атомной энергетики Великобритании (United Kingdom Atomic Energy Authority, UKAEA). В середине 1990-х годов продукт Flow-3d был переименован в CFX-4, а в настоящее время носит название ANSYS CFX.

Каталог ANSYS 2009 5

СТРУКТУРА ПРОГРАММНЫХ МОДУЛЕЙ ANSYS Компания ANSYS, Inc. предлагает широкий спектр программного обеспечения для решения задач инженерного анализа с использованием технологий компьютерного моделирования. Главными достоинствами программных продуктов ANSYS является высокая степень интеграции отдельных приложений, интуитивно понятный интерфейс, а также поддержка высокопроизводительных вычислений. Программные продукты ANSYS могут быть классифицированы на основе физических дисциплин и инженерных приложений, на которые они ориентированы: • Механика деформируемого твердого тела. • Электромагнетизм. • Вычислительная гидродинамика. • Быстропротекающие высоконелинейные динамические процессы. Кроме того, в состав программных продуктов ANSYS входят специализированные приложения для подготовки расчетных моделей (препроцессоры), работы с CAD-геометрией (геометрические интерфейсы), генерации сетки (сеточные препроцессоры) и управления расчетными данными.

Расчетная платформа ANSYS Workbench ANSYS Workbench является платформой для разработки и интеграции программных продуктов ANSYS, Inc., а также для адаптации уже существующих расчетных комплексов. ANSYS Workbench позволяет объединить графический интерфейс приложений и обеспечить работу с базами данных этих программных продуктов в рамках одного проекта. ANSYS Workbench включает несколько специализированных модулей для работы с геометрией, генерации расчетной сетки, решения задач оптимизации, такие как ANSYS® DesignModeler™, ANSYS® Meshing™ и ANSYS® DesignXplorer™.

ANSYS DesignModeler Специализированный модуль ANSYS Workbench для работы с импортированной геометрией из сторонних

Каталог ANSYS 2009

CAD-комплексов. Позволяет исправлять дефекты в геометрии, упрощать геометрическую модель или создавать расчетную модель с нуля.

ANSYS Meshing ANSYS Meshing представляет собой многофункциональный сеточный препроцессор на основе платформы ANSYS Workbench. Модуль позволяет генерировать высококачественные расчетные сетки в автоматическом режиме для различных приложений (расчетов НДС, гидрогазодинамического анализа и пр.).

ANSYS DesignXplorer ANSYS DesignXplorer является модулем параметрической оптимизации, интегрированным в расчетную платформу ANSYS Workbench.

Механика деформируемого твердого тела Одной из основных задач при проектировании изделий является обеспечение прочности и надежности изделия при эксплуатационных нагрузках. Компания ANSYS, Inc. представляет широкий спектр решений для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций, динамического анализа, оценки температурного состояния узлов и выполнения связанных расчетов. Эти возможности комплекса в разной мере представлены лицензиями ANSYS® Multiphysics™, ANSYS® Mechanical™, ANSYS® Structural™, ANSYS® Professional™ NLS, ANSYS Professional NLT и ANSYS® DesignSpace™.

ANSYS Multiphysics Многодисциплинарное моделирование встречается во многих приложениях, например, в биомедицине (волнообразные колебания эластичных стенок артерий), в авиастроении (флаттер), строительстве (ветровые и волновые нагрузки на сооружения), трубопроводном транспорте (гидравлический удар и вибрации), электронике (электроупругость, термоэлектричество и пьезо-эффекты). ANSYS Multiphysics — это наиболее полная комплектация расчетного комплекса ANSYS, позволяющая объединить задачи теплообмена, гидро-

газодинамики, электромагнетизма и механики деформируемого твердого тела в одну комплексную многодисциплинарную задачу.

ANSYS Mechanical ANSYS Mechanical позволяет решать широкий спектр задач механики деформируемого твердого тела с учетом нелинейных свойств материалов, пластичности и контактного взаимодействия. Кроме того, комплекс позволяет решать задачи линейной/нелинейной динамики, теплообмена, акустики, а также выполнять связанный анализ.

расчет микроэлектромеханических устройств (МЭМС), электродвигателей, реле и соленоидов. Расчетные возможности комплекса могут быть объединены с ANSYS Mechanical для решения связанных задач. Кроме того, компания ANSYS предлагает комплекс ANSYS® Icepak™ для расчета температурного состояния электронных устройств и компонентов. ANSYS Icepak содержит встроенный генератор гексаэдральных сеток со ступенчатой аппроксимацией и CFD-решатель ANSYS® FLUENT®. Комплекс позволяет импортировать геометрию из MCAD-/ECAD-систем через форматы IDF, MCM, BRD, TCB — «электронные» и STEP, IGES, DXF — геометрические.

ANSYS Structural Лицензия ANSYS Structural содержит все возможности ANSYS Mechanical за исключением тех, которые относятся к решению задач теплообмена.

ANSYS Professional Лицензия ANSYS Professional содержит большинство возможностей ANSYS Mechanical, но обладает несколько ограниченным функционалом при решении задач с нелинейностями.

Электромагнетизм и проектирование электронных устройств Электромагнитные решения ANSYS представлены четырьмя продуктами: ANSYS® Emag™, ANSYS Multiphysics, Maxwell® и HFSS™. Каждый из продуктов ориентирован на тот или иной сегмент рынка электронный устройств и электротехнических изделий, от мощных силовых трансформаторов до устройств типа МЭМС.

Maxwell Maxwell — специализированный программный комплекс для моделирования электромагнитных полей. Используется при проектировании таких устройств, как электромоторы, переключатели, трансформаторы и другие электронные устройства.

Вычислительная гидродинамика Для решения задач вычислительной гидродинамики компания ANSYS, Inc. предлагает два CFD-пакета: ANSYS® CFX® и ANSYS FLUENT. Оба пакета содержат расширенный набор моделей турбулентности, решателей, библиотеку материалов (жидкость/газ). Комплексы позволяют моделировать течения жидкости в объектах с подвижными границами (клапаны, поршни и т.п.), а также в связке с ANSYS Mechanical/Structural решать задачи взаимодействия жидкости и твердого тела (FSI).

ANSYS® CFD™ ANSYS CFD обеспечивает полный доступ ко всем функциональным возможностям CFD-кодов ANSYS: ANSYS CFX и ANSYS FLUENT. ANSYS CFD предназначен для моделирования ламинарных и турбулентных потоков (с учетом/без учета сжимаемости среды); расчета процессов теплообмена (конвекцией, теплопроводностью, излучением), процессов горения; моделирования многофазных потоков и решения задач акустики.

ANSYS® CFD-Post™ Унифицированный постпроцессор для CFD продуктов компании ANSYS, Inc.

HFSS HFSS предназначен для расчета трехмерных высокочастотных электромагнитных полей, определения Sпараметров, анализа электромагнитной совместимости устройств, построения частотно-зависимой модели схем распределения питания и пр.

ANSYS Emag ANSYS Emag ориентирован на решение задач низкочастотных электромагнитных приложений, например,

Быстропротекающие высоконелинейные динамические процессы Для моделирования быстропротекающих процессов и решения задач с большими деформациями и напряжениями с использованием явных методов, компания ANSYS предлагает программные продукты ANSYS AUTODYN и ANSYS LS-DYNA.

Каталог ANSYS 2009 7

ANSYS AUTODYN ANSYS AUTODYN — один из лучших программных комплексов для расчетов задач динамики конструкций, нестационарных течений, моделирования поведения материалов и др. Комплекс получил большую популярность при расчете задач из области физики взрывов и ударов, а также определении отклика конструкций на ударно-волновое воздействие.

кондиционирование), нефтегазовая отрасль. Отметим, что с каждым годом список этих приложений расширяется, а существующие программные продукты дополняются новыми функциональными возможностями.

ANSYS® AQWA™/ANSYS® ASAS™ Расчет морских сооружений и плавучих объектов.

CivilFEM with ANSYS ANSYS® Explicit STR™ Лицензия ANSYS Explicit STR позволяет рассчитывать задачи нестационарной нелинейной динамики явными методами в расчетном модуле Workbench Mechanical среды ANSYS Workbench с использованием решателя ANSYS AUTODYN.

ANSYS LS-DYNA ANSYS LS-DYNA — программный комплекс для анализа высоконелинейных динамических процессов, объединяющий возможности пре- и постпроцессоров ANSYS APDL и решателя LS-DYNA, разработанного компанией Livermore Software Technology Corporation (LSTC).

Расчет объектов промышленного и гражданского строительства.

ANSYS® TurboGrid™ Создание высококачественной гексаэдральной расчетной сетки для проточной части лопаточной машины любого типа: центробежные, осевые, смешанные машины. ANSYS TurboGrid имеет одностороннюю связь с ANSYS® BladeModeler™.

ANSYS BladeModeler Создание геометрии лопаточных машин любого типа на основе готовой библиотеки шаблонов. Построенная твердотельная модель может быть передана в модуль ANSYS DesignModeler для редактирования.

Препроцессинг ANSYS® Vista™ TF В линейке продуктов ANSYS присутствуют специализированные программные комплексы, которые дополняют возможности ANSYS Meshing при генерации расчетной сетки, исправлении дефектов геометрии или упрощении геометрии. Это комплексы ANSYS® ICEM CFD™ и TGrid™.

ANSYS ICEM CFD Многофункциональный сеточный генератор для построения тетраэдрических, декартовых и структурированных/неструктурированных гексаэдрических сеток.

TGrid Специализированный сеточный генератор для работы с комплексной геометрией и поверхностными сетками. Используются продвинутые технологии восстановления геометрии (Wrapping).

Специализированные приложения В линейке программных продуктов компании ANSYS присутствуют специализированные отраслевые приложения. На данный момент эти приложения ориентированы на следующие отрасли: судостроение и строительство морских сооружений, радиоэлектроника, турбомашиностроение, ОВК (вентиляция, отопление и

Каталог ANSYS 2009

Двумерный расчет течения в проточной части турбомашины. ANSYS Vista TF состоит из 4 модулей, предназначенных для проектирования определенного типа турбомашины.

ANSYS® Airpak® Расчет систем вентиляции, отопления и кондиционирования. Используется решатель ANSYS FLUENT.

Система управления расчетными данными Программные продукты для инженерного анализа (CAE) эволюционируют из средств расчетов в отдельном расчетном или исследовательском подразделении предприятия в одну из частей процесса разработки нового изделия и становятся важной составляющей жизненного цикла изделия. Технологии, реализованные в программном продукте ANSYS® EKM™, предназначены для полноценного решения задач хранения и управления расчетными данными, учета и аудита данных, поиска и восстановления данных, генерации отчетов и проведения сравнения данных, автоматизации процессов, создания базы знаний для типовых видов расчета и создания системы экспертного анализа проектных решений.

ЛИЦЕНЗИРОВАНИЕ

ЛИЦЕНЗИРОВАНИЕ Классификация лицензий программных продуктов ANSYS Компания ANSYS, Inc. предлагает пользователям два вида лицензий: коммерческие и учебно-исследовательские лицензии (для ВУЗов). Главное различие заключается в целях использования. Коммерческие лицензии на программные продукты ANSYS предназначены для использования коммерческими компаниями и организациями, при этом все результаты расчетов являются интеллектуальной коммерческой собственностью этих компаний. Лицензии для ВУЗов предназначены для использования в высших учебных заведениях для целей обучения и некоммерческих исследований (результаты расчетов не являются интеллектуальной собственностью ВУЗа).

Коммерческие лицензии ANSYS Система лицензирования коммерческих лицензий программных продуктов ANSYS характеризуется гибкостью и позволяет пользователям выбрать конфигурацию, оптимальную по цене и функциональным возможностям. Лицензии группируются по областям применения: • ANSYS ENTERPRISE KNOWLEDGE MANAGEMENT PRODUCTS — лицензии на программные продукты по управлению расчетными данными и создание базы данных расчетов (ANSYS EKM Desktop, ANSYS EKM Workgroup, ANSYS EKM Enterprise Server и др.). • ANSYS MULTIPHYSICS & STRUCTURAL MECHANICS PRODUCTS — широкий спектр лицензий для выполнения самых разнообразных расчетов, в том числе для решения многодисциплинарных задач, например, расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) совместно с теплообменом и электромагнитным анализом; расчета НДС с граничными условиями, определенными на основе результатов гидрогазодинамических расчетов (ANSYS® Multiphysics™, ANSYS® Mechanical™/ ANSYS® Emag™, ANSYS Mechanical/ ANSYS CFD-Flo). Существует классификация лицензий по направлениям механики деформируемого твердого тела (МДТТ): • Решение задач МДТТ неявными методами (Implicit) с учетом областей физики решаемых задач (например, лицензия ANSYS Mechanical позволяет рассчитывать НДС совместно с теплообменом, а лицензия ANSYS® Structural™

предназначена для расчетов НДС без учета распределения температур, то есть для однородной температуры всей расчетной модели). Кроме того, существует разделение по возможностям учета нелинейностей (геометрических, физических (модели материалов), контактных взаимодействий), например, лицензия ANSYS® Professional™ NLS имеет ограничения по нелинейностям расчета температурного состояния, а лицензия ANSYS Professional NLT имеет ограничения на нелинейные модели материалов для расчета НДС. • Решение задач МДТТ явными методами (Explicit) — расчет высоконелинейных быстропротекающих процессов (ударные воздействия, проникание, взрывы и др.). Этот раздел представлен тремя программными продуктами: ANSYS® LS-DYNA®, ANSYS® AUTODYN®, ANSYS® Explicit STR™. Используются два решателя: ANSYS LS-DYNA (LSTC) и ANSYS AUTODYN. Для решателя ANSYS LS-DYNA (LSTC) специалисты ANSYS, Inc. разработали специализированный пре/постпроцессор ANSYS LS-DYNA PrepPost. Лицензия ANSYS AUTODYN отличается от лицензии ANSYS Explicit STR используемым пре/постпроцессором и методами решения. В программном продукте ANSYS Explicit STR реализован только лагранжев метод конечных элементов (FE). • ANSYS FLUID DYNAMICS PRODUCTS — лицензии, используемые для решения задач вычислительной гидрогазодинамики (CFD). Используются два основных решателя: ANSYS® CFX® и ANSYS® FLUENT®. Лицензии, представленные в этом разделе, различаются расчетными возможностями и спецификой решаемых задач. • ANSYS PRE AND POST PROCESSING PRODUCTS. В этом разделе представлены лицензии, предназначенные для создания и редактирования расчетных моделей (геометрических моделей и КЭ-моделей). Генераторы сеток представлены тремя программными продуктами: генератором сеток ANSYS® Meshing™, сеточным препроцессором ANSYS® ICEM CFD™ и специализированным приложением TGrid™. Возможности препроцессора ANSYS ICEM CFD зависят от вида лицензии: Tetra/Prism — создание сеток на основе тетраэдров, Hexa — генерация сеток на основе гексаэдров с использованием предварительно созданной блочной топологии.

Каталог ANSYS 2009 9

ЛИЦЕНЗИРОВАНИЕ •

• •

ANSYS CAD INTEGRATION PRODUCTS — лицензии, предназначенные для работы с CAD-геометрией. Геометрия может быть передана в ANSYS посредством использования таких промышленных форматов, как STEP, ACIS, Parasolid и др. ANSYS ELECTRONICS PRODUCTS — лицензия на специализированные программные продукты для расчетов, относящихся к электронике. ANSYS OFFSHORE PRODUCTS — лицензии для расчетов объектов морского строительства.

Учебно-исследовательские лицензии (для ВУЗов) Лицензии для ВУЗов содержат практически весь комплекс расчетных технологий ANSYS, тогда как при использовании коммерческих лицензий необходимо приобретать дополнительные лицензии для решения широкого спектра задач. В одной лицензии для ВУЗов включены возможности, предоставляемые более чем десятью коммерческими лицензиями. Число лицензий может варьироваться, например, 5, 25, 50 лицензий. Лицензии ANSYS для ВУЗов структурно разделены на четыре основных семейства: Teaching, Research, Associate и Toolbox — каждая группа лицензий имеет свою специфику использования и расчетные возможности. Группа лицензий для обучения (Teaching) занимает самую низкую ценовую нишу и включает расчетные возможности программных продуктов начального уровня, предназначенные для обучения в аудитории. Лицензии для обучения (Teaching) имеют ограничения по размерности решаемых задач. Группы лицензий Research и Associate различаются по условиям применения и могут быть использованы как в целях обучения, так и для исследований. Эти группы лицензий не имеют ограничений по размерности решаемых задач, предоставляя неограниченные вычислительные возможности исследователям для соискания научных степеней. Группа лицензий Toolbox позволяет использовать решателям программных продуктов высокопроизводительные вычисления (HPC) и специализированные возможности препроцессинга. Каждая лицензия для ВУЗов может быть приобретена с определенным количеством рабочих мест (рабочее место — активная сессия одного из программных продуктов). Например, лицензия на 25 рабочих мест (task) позволяет пользователям в локальной сети загрузить 25 сессий программных продуктов. При этом допустимы любые сочетания используемых программных продуктов из доступных лицензий. • В 12-й версии решатель ANSYS® FLUENT® включен в лицензии для ВУЗов. • Для всех видов лицензий Teaching, Research и Associate «по умолчанию» доступно распараллеливание решателей на 4 ядра.

Каталог ANSYS 2009

•

Доступна унифицированная лицензия на распараллеливание решателей Academic Research HPC, не зависящая от физики решаемой задачи и подходящая к решателям ANSYS FLUENT, ANSYS CFX, ANSYS Mechanical, ANSYS® Icepak®, ANSYS® AUTODYN®.

Порядок лицензирования программных продуктов ANSYS 1. С компанией ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» подписывается договор на услуги по лицензированию и технической поддержке. 2. Заказчику передаются электронные формы на английском языке (License Form – лицензионная форма и End User Certificate — сертификат конечного пользователя). Заполненные формы подписываются уполномоченным лицом, ставиться печать организации. Отсканированные формы отправляются по e-mail в компанию ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». 3. Заказчик производит установку программы для запроса кода и пересылает в КАДФЕМ Си-Ай-Эс сгенерированный текстовый файл, по которому будет проведена авторизация закупленного программного обеспечения ANSYS. 4. После вступления в силу договора на услуги по лицензированию сканированные формы Заказчика и файл запроса кода отправляются в ANSYS, Inc. для генерации лицензионные кодов и присвоения номера лицензионному договору, на который Заказчик может ссылаться при необходимости подтверждения лицензионной чистоты продукта. 5. Заказчику предоставляется доступ к порталу для загрузки дистрибутива с программным обеспечением ANSYS текущей версии. 6. Полученный из ANSYS, Inc. файл c лицензионными кодами пересылается Заказчику и используется при установке ПО ANSYS. 7. Если Заказчик вместе с лицензией приобрел TECS (усовершенствование технологий и поддержка клиента), то это дает ему право зарегистрироваться на портале компании ANSYS для доступа к информационным и справочным ресурсам, а также дистрибутивам и обновления ПО ANSYS. 8. Бухгалтерские документы (счет-фактура и акт) передаются в течение недели после передачи бессрочных лицензионных кодов. 9. License Form (лицензионная форма) в электронном формате отправляется в европейское подразделение ANSYS, Inc. для подписания ответственным должностным лицом. После подписания она возвращается Заказчику через компанию ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс».

РАСЧЕТНАЯ ПЛАТФОРМА ANSYS WORKBENCH

ANSYS Workbench является платформой для разработки и интеграции программных продуктов ANSYS, Inc., а также для адаптации уже существующих расчетных комплексов. ANSYS Workbench позволяет объединить графический интерфейс приложений и обеспечить работу с базами данных этих программных продуктов в рамках одного проекта.

РАСЧЕТНАЯ ПЛАТФОРМА ANSYS WORKBENCH

ANSYS® DesignModeler™ Специализированный модуль ANSYS® Workbench™ для работы с импортированной геометрией из сторонних CAD-комплексов. Позволяет исправлять дефекты в геометрии, упрощать геометрическую модель или создавать расчетную модель с нуля.

Создание расчетной модели является первым этапом процесса моделирования. При этом расчетная модель может полностью соответствовать реальной геометрии изделия либо содержать те или иные упрощения исходной конструкции, в том числе замену на балочную или оболочечную модели. Компания ANSYS, Inc. предлагает удобный инструмент для создания расчетной модели, который обладает всеми функциональными возможностями CADпакета: создание эскизов, твердотельное параметрическое моделирование, работа с поверхностями, создание моделей из линий (балочные модели) и многое другое.

Твердотельная модель болтового соединения фланцев и расчетная сетка на основе гексаэдров. ANSYS® DesignModeler™ относится к классу продуктов ANSYS с интегрированной в среду ANSYS® Workbench™ базой данных (Data Integrated Application). ANSYS DesignModeler поддерживает все логические операции (вычитание, объединение) при работе с твердыми телами, а также операции выдавливания (extrude), вращения (revolve), протягивания (sweep) и др. при работе с эскизами (кривыми). Кроме того, можно создавать фаски и галтели на гранях твердого тела. В комплекс также встроены готовые геометрические примитивы стандартных трехмерных фигур: сфера, тор, цилиндр, куб и пр. ANSYS DesignModeler позволяет импортировать нескольких геометрических моделей из поддерживаемых CAD-систем и объединять их в одну геометрическую модель с поддержкой операций масштабирования, позиционирования в пространстве, логических

Каталог ANSYS 2009

операций, упрощения и «исправления» элементов, добавления новых и редактирования существующих геометрических объектов. Как правило, импортированная CAD-модель всегда содержит избыточную информацию, которую можно не учитывать в расчете. Соответственно, пользователь должен иметь возможность редактировать исходную геометрию или уменьшать степень ее детализации. ANSYS DesignModeler позволяет удалять конструктивные элементы в CAD-модели, извлекать поверхности из твердых тел, объединять или группировать геометрические объекты, а также отключать (suppress) или активировать объекты (unsuppress) в дереве проекта.

Интеграция DesignModeler с другими модулями среды ANSYS Workbench в схеме проекта, автоматическая передача данных и обеспечение ассоциативной связи и параметрической оптимизации. Кроме того, в ANSYS DesignModeler максимально упрощена процедура создания расчетной области для задач гидрогазодинамики. Расчетная область течения (которая является «обратной» по отношению к конструктивной модели) создается с помощью простой операции «извлечения» из твердотельной модели конструкции.

РАСЧЕТНАЯ ПЛАТФОРМА ANSYS WORKBENCH

ANSYS® Meshing™ ANSYS Meshing представляет собой многофункциональный сеточный препроцессор на основе платформы ANSYS Workbench. Модуль позволяет генерировать высококачественные расчетные сетки в автоматическом режиме для различных приложений: для расчетов НДС, гидрогазодинамического анализа и пр.

Построение расчетной сетки является неотъемлемой частью процесса создания численной модели. Качество расчетной сетки оказывает влияние на точность получаемых результатов, сходимость процесса и время, необходимое для решения задачи. Более того, время, затрачиваемое на создание сеточной модели, зачастую соизмеримо с уходящим на весь процесс моделирования. Таким образом, автоматизированные программные средства ANSYS для создания расчетной сетки

позволяют получать быстрое и адекватное решение. В ANSYS® Meshing™ представлен широкий спектр инструментов создания расчетной сетки — как высокоавтоматизированных, так и требующих непосредственного управления пользователем. Высокоавтоматизированные инструменты позволяют быстро построить расчетную сетку для новой геометрической модели — достаточно указать область физики, и все необходимые настройки по умолчанию будут выбраны автоматически. Такой подход гарантированно позволяет создавать расчетную сетку с первой попытки. ANSYS Meshing поддерживает двунаправленную параметрическую связь с CAD-системами, поэтому, при изменении любого параметра исходной CAD-геометрии, сеточная модель будет автоматически обновлена. Сеточные технологии ANSYS позволяют выбрать тип элемента или технологию, использующую несколько типов элементов одновременно. Таким образом, можно создавать как экономичные гексаэдральные сетки, так и подробные гибридные расчетные сетки. Пользователь самостоятельно может указать зоны геометрической модели и соответствующие типы элементов, что позволяет обеспечить высокую экономичность и адекватность численной модели. В ANSYS представлен широкий набор сеточных технологий, охватывающих практически все разделы физики. При разработке программных продуктов учитывались специфические особенности моделирования НДС, гидрогазодинамики, электромагнетизма, оболочечных моделей, двумерных и балочных моделей.

Методы создания расчетной сетки

Высококачественные тетраэдральные сетки, созданные в ANSYS Meshing c использованием продвинутых функций размера (Advanced Size Function).

Комплекс ANSYS Meshing позволяет строить трехмерные тетраэдральные расчетные сетки с использованием технологий Patch conforming, Patch independent, а также CFX-Mesh. При построении гексаэдральных сеток существует возможность использовать техно-

Каталог ANSYS 2009 13

РАСЧЕТНАЯ ПЛАТФОРМА ANSYS WORKBENCH логии General sweep, Thin sweep, MultiZone и Hexdominant. Поверхностные сетки строятся с использованием треугольных или четырехугольны элементов, а также их комбинаций.

Связь с CAD- и CAE-системами В комплексе ANSYS Meshing реализована возможность двунаправленной параметрической связи с такими известными CAD-системами, как CATIA® V5, Unigraphics® NX™, Autodesk® Inventor®, Autodesk® MDT, CoCreate Modeling™, Pro/ENGINEER®, SolidWorks®, Solid Edge®. Более того, представлена возможность открывать геометрические модели в нейтральных форматах: CATIA® V4, ACIS, IGES, Parasolid®, STEP, STL. Построенную в комплексе расчетную сетку можно экспортировать в сторонние комплексы через следующие форматы: ABAQUS®, ANSYS® Mechanical™, ANSYS® CFX®, ANSYS® AUTODYN®, CGNS, ANSYS® ICEM CFD™, ANSYS® FLUENT®, ANSYS® LS-DYNA®, NASTRAN®, ANSYS® POLYFLOW®, SAMCEF.

Расчеты НДС При расчете напряженно-деформированного состояния использование ANSYS Meshing является предпочтительным и позволяет строить тетраэдральную сетку с использованием элементов второго порядка для геометрических моделей высокой сложности. Благодаря технологии автоматической настройки и отслеживания контактных взаимодействий, даже начинающие пользователи могут моделировать сложные физические явления. Кроме того, пользователи могут создавать гексаэдральные сетки, используя один из семи методов, в зависимости от типа модели и того, хочет ли пользователь создать исключительно гексаэдральную сетку или сетку типа hexdominant. Сеточный препроцессор ANSYS Meshing содержит специфические настройки для различных областей физики, что помогает автоматизировать процесс создания расчетной сетки. При оценочных расчетах, сеточная модель может создаваться в пакетном режиме — такой подход позволяет выявить наиболее важные места в модели. Далее, как правило, выполняется измельчение расчетной сетки в соответствующих областях с целью повышения точности решения. Существуют специфические настройки для расчета НДС, гидрогазодинамики, быстропротекающих процессов и электромагнетизма. С помощью таких настроек комплекс адаптируется под соответствующие нужды и создает расчетную сетку, обеспечивающую высокую точность результатов. Ниже приведены некоторые из технологий, которые помогают выполнять расчеты НДС и явной динамики:

Каталог ANSYS 2009

Примеры расчетных сеток для задач механики деформируемого твердого тела и явной динамики (тест на падение). • • • • • • • • •

Автоматическое отслеживание контакта. Автоматическое создание сеток для оболочечных и балочных конструкций. Редактируемые контактные связи. Быстрое создание расчетной сетки для CADмодели. Создание расчетной сетки для контактирующих абсолютно жестких тел. Адаптация сетки на основе решения. Создание расчетной сетки для прокладок. Создание сетки для тонких и оболочечных элементов. Согласование сетки на условиях периодичности.

Гидрогазодинамика Для задач гидрогазодинамики комплекс ANSYS Meshing позволяет строить неструктурированные треугольные и четырехугольные поверхностные сетки, учитывающие кривизну и сближение поверхностей, при этом обеспечивается плавное изменение размеров элементов и их высокое качество. Техноло-

РАСЧЕТНАЯ ПЛАТФОРМА ANSYS WORKBENCH призматические слои для корректного описания пристеночной области. Кроме того, в дополнение к исключительно гексаэдральным или тетраэдрическим сеткам, ANSYS Meshing позволяет генерировать гибридные сетки как для отдельных тел в сборках, так и для отдельных зон единой расчетной области. На интерфейсных поверхностях может существовать как конформная («узел в узел»), так и неконформная сетка с несовпадающими («висячими») узлами. Пристеночный слой в сборках является единым и генерируется для всех элементов сборки одновременно. Возможность контролировать тип сетки (конформная или неконформная) на интерфейсных поверхностях оказывается полезной в случае связывания отличных по физике областей, например, оболочки трубы, для которой моделируется теплопроводность, и внутренней полости трубы, для которой проводится гидравлический расчет. Также эта опция может быть использована в случае большого несоответствия размеров элементов на интерфейсных поверхностях.

Расчетная сетка для бурового долота (вверху) и крыла самолета с гондолой (внизу). гия PINCH позволяет автоматически удалять мелкие особенности геометрической модели. Совокупность инструментов автоматического построения поверхностной сетки, технологии пристеночных слоев, учитывающей расстояние между соседними поверхностями (layer compression), и алгоритма построения трехмерной тетраэдральной сетки Advancing Front позволяет строить высококачественные расчетные сетки при моделировании задач динамики жидкости и газа. Более того, усовершенствованные технологии задания размера элемента, согласования сетки на условиях периодичности, а также создания структурированных сеток обеспечивают требуемую гибкость при построении расчетной сетки. Как и в случае твердого тела, область течения также может быть разбита гексаэдральными элементами с использованием различных методов. При этом существует возможность внедрить в расчетную сетку

Примеры использования чисто гексаэдральной сетки в энергетической и автомобильной отраслях.

Каталог ANSYS 2009 15

РАСЧЕТНАЯ ПЛАТФОРМА ANSYS WORKBENCH ANSYS Meshing обладает высокой степенью автоматизации процесса генерации сетки, однако в некоторых случаях необходимо контролировать каждый отдельный шаг этого процесса. Для этого следует использовать продвинутые сеточные препроцессоры ANSYS® ICEM CFD™ и TGrid™, которые одинаково хорошо работают как с твердотельными моделями, так и поверхностными сетками, полученными в результате сканирования объекта.

Примеры генерации расчетных сеток для связанных задач: расчет термонапряженного состояния конструкции и FSI-задача.

Связанные продукты Сеточная платформа ANSYS Meshing Platform (AMP) является хорошей основой для интеграции различных сеточных технологий, представленных в таких комплексах как ANSYS® Mechanical™, ANSYS ICEM CFD, TGrid™, GAMBIT , CADOE™ и др. В 12-м релизе ANSYS многие продвинутые технологии этих комплексов были успешно интегрированы

Каталог ANSYS 2009

в ANSYS Meshing, что значительно расширило спектр возможностей при генерации сеток. ANSYS ICEM CFD является отдельным приложением и запускается независимо от ANSYS® Workbench™. Данный комплекс значительно расширяет возможности ANSYS Meshing и ANSYS® DesignModeler™ при генерации сетки, исправлении дефектов геометрической модели или при работе с комплексной геометрией и большими сборками. ANSYS ICEM CFD содержит специальный алгоритм patch independent, который позволяет генерировать сетки для моделей с такими дефектами, как разрывы, наложение поверхностей и пр. Кроме того, он успешно применяется для работы с фасеточной геометрией (STL и др.). ANSYS ICEM CFD позволяет генерировать сетки различных типов на основе гексаэдров, тетраэдров, призм, пирамид, четырехугольников и треугольников. При этом используются такие алгоритмы как Octree, Delaunay, Advanced Front, Hexa-Core, HexaDominant и др. Для работы с моделями, предназначенными, например, для анализа процессов литья, могут применяться алгоритмы Body-Fit Cartezsan и Stairstep Cartesian, которые генерируют декартовы сетки. Сеточный препроцессор ANSYS ICEM CFD поддерживает импорт геометрии из CAD-комплексов через все популярные геометрические форматы (Parasolid, STL, STEP, DXF/DWG и др.) и импорт сетки в форматах Nastran, Patran, Plot3d, TecPlot и пр. Кроме того, ANSYS ICEM CFD содержит продвинутые средства диагностики сетки (более 40 критериев) и разнообразные опции для редактирования и улучшения качества сетки. Программный комплекс ANSYS ICEM CFD также позволяет конвертировать сетки в различные форматы (более 100) для экспорта в CFD и МКЭ-комплексы. Комплекс TGrid является специализированным сеточным препроцессором, предназначенным для решения задач гидрогазодинамики. Обычно TGrid применяется для создания больших неструктурированных тетраэдральных или Hex-core сеток для сложных геометрических моделей. Сеточный генератор TGrid используется главным образом в автомобильной и авиационной отраслях для расчета внешних и внутренних задач гидрогазодинамики крупногабаритных объектов. Сеточный препроцессор TGrid содержит уникальную технологию Wrapper, которая, в сочетании с инструментами диганостики и исправления поверхностной сетки, позволяет существенно упростить процесс создания объемных тетраэдральных сеток для сложных моделей изделия, состоящего из большого числа деталей и узлов. При моделировании сложных конструкций часто приходится предварительно согласовывать поверхностные сетки отдельных элементов конструкции. Комплекс TGrid позволяет импортировать большое количество различных форматов сетки. Кроме того,

РАСЧЕТНАЯ ПЛАТФОРМА ANSYS WORKBENCH он оснащен специальными инструментами для работы с сетками разной топологии, позволяющими формировать единую согласованную расчетную сетку. Операции сглаживания и коррекции формы элементов в комплексе TGrid предназначены для улучшения качества всей расчетной сетки; также присутствует автоматическая технология удаления сильно скошенных элементов, позволяющая создавать поверхностные расчетные сетки наилучшего качества.

Кроме того, существуют определенные типы объектов (с фиксированной толщиной), такие как листовые тела или ферменные/каркасные конструкции, для моделирования которых можно использовать элементы типа BEAM (балки) и SHELL (оболочки). ANSYS Meshing содержит весь необходимый функционал для эффективного и качественного разбиения подобных объектов.

Сетки для модуля ANSYS® Emag™ Расчетные модели для решения задач электромагнетизма обладают специфическими особенностями. Например, модель электромотора содержит узкий воздушный зазор между ротором и статором. Для разбиения подобных областей в ANSYS Meshing включены специальные инструменты. Кроме того, в состав ANSYS входят специализированные программные продукты, объединенные в линейку ANSYS Electonics. К ним относятся, например, ANSYS® Icepak® и продукты компании Ansoft. Эти программные комплексы содержат большой набор инструментов для генерации сеток как на уровне отдельных электронных компонентов, так и на системном уровне, т.е. на уровне интегральных схем и электронного устройства в целом.

Оболочки и 2D-сетки При моделировании различных объектов для уменьшения размерности задачи довольно часто используют двумерное приближение или сводят задачу к циклической/осесимметричной постановке, если в модели присутствует линия симметрии. В этом случае модель разбивается с использованием четырехугольных или треугольных элементов.

Осесимметричная модель с inflation-слоями (загущение сетки к стенке) и увеличенный фрагмент модели.

Пример качественного разбиения воздушного зазора в электромагните (публикуется с разрешения Parker Hannifin, Fluid Control Division).

Упрощенная балочная модель вышки ЛЭП.

Каталог ANSYS 2009 17

РАСЧЕТНАЯ ПЛАТФОРМА ANSYS WORKBENCH

ANSYS® DesignXplorer™ ANSYS® DesignXplorer™ является модулем параметрической оптимизации, интегрированным в расчетную платформу ANSYS Workbench.

ANSYS® DesignXplorer VT™ является модулем параметрической оптимизации на платформе ANSYS® Workbench™. В текущей версии ANSYS Workbench 2.0 инструменты параметрической оптимизации объединены в раздел ANSYS Design Exploration.

Параметрический анализ может быть детерминированным или вероятностным. В общем случае все параметры могут изменяться непрерывно в пределах заданного диапазона (определяя пространство решений). Детерминистический анализ является первым шагом для понимания решения и поиска оптимального варианта в пространстве решений. Вероятностный параметрический анализ часто помогает найти оптимальное решение задачи. Нагрузки, размеры, свойства материала не являются детерминистическими параметрами — размеры всегда имеют некоторый допуск, а параметры материала зависят от технологии производства.

Модуль ANSYS Design Exploration Благодаря тому, что модуль ANSYS DesignXplorer присутствует в качестве отдельного модуля в составе ANSYS Workbench, а также наличию многодисциплинарных решателей, параметрическая оптимизация доступна для многих типов расчетов. ANSYS DesignXplorer поддерживает все доступные в ANSYS

Поверхности отклика, отображающие разброс параметров оптимизации проектируемой конструкции.

Каталог ANSYS 2009

Пользовательский интерфейс ANSYS DesignXplorer.

РАСЧЕТНАЯ ПЛАТФОРМА ANSYS WORKBENCH Workbench шаблоны расчетов (прочностные, CFD и многодисциплинарные). В ANSYS DesingXplorer используются параметрические данные из таких приложений, как ANSYS® Mechanical™, ANSYS® DesignModeler™, и сторонних CAD-систем. Программный комплекс ANSYS DesingXplorer использует три типа параметров: входные, выходные и производные (полученные) параметры. Примерами параметров CAD-систем и ANSYS DesignModeler являются толщина, длина и т. п.; примеры параметров ANSYS Mechanical — давление, свойства материалов, усилия и т. п. К параметрам отклика относятся объем, масса, частота, напряжения, тепловой поток, критическая нагрузка, скорость, массовый расход. Производные параметры могут быть получены на основе аналитических уравнений и комбинирования входных и расчетных параметров.

мальное и максимальное значение каждого параметра. Метод Parameter Correlation выполняет корреляцию данных для анализа степени чувствительности решения к параметрам оптимизации. Метод Design for Six Sigma учитывает изменения входных параметров и предсказывает отклики на диапазон входных переменных с помощью статистических методов распределения решений (Гаусса, Вейбулла и др.).

Расчетные возможности ANSYS DesignXplorer В ANSYS DesignXplorer 12.0 доступны следующие схемы метода планирования эксперимента (DOE): Central Composite Design и Optimal Space-Filling. Кроме того, пользователь может самостоятельно определить собственную схему.

Выбор методов оптимизации Goal Driven Optimization (GDO) — многокритериальный метод оптимизации решений на основе простого задания требуемых параметров оптимизации.

Пример отображения чувствительности в ANSYS DesignXplorer.

Создание связей в проекте для осуществления параметрической оптимизации и таблица параметров.

Метод Min-Max Search проверяет все выходные параметры на поверхности отклика и находит мини-

В комплекс включены следущие схемы аппроксимации (fitting schemes): Full Second-Order Polynomial, Kriging (с ручным или автоматическим измельчением), Non-Parametric Regression и Neural Network. В ANSYS DesignXplorer встроены проверенные на практике эффективные алгоритмы оптимизации, такие как Screening, Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA), Nonlinear Programming (NLPQL). Для анализа и визуализации результатов оптимизации в ANSYS DesignXplorer предусмотрены следующие возможности: отображение чувствительности, матрицы корреляции, фронта Парето и др.

Каталог ANSYS 2009 19

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Многодисциплинарное моделирование встречается во многих приложениях, например, в биомедицине (волнообразные колебания эластичных стенок артерий), в авиастроении (флаттер), строительстве (ветровые и волновые нагрузки на сооружения), трубопроводном транспорте (гидравлический удар и вибрации), электронике (электроупругость, термоэлектричество и пьезоэффекты). ANSYS® Multiphysics™ позволяет объединить задачи теплообмена, гидрогазодинамики и механики деформируемого твердого тела в одну комплексную многодисциплинарную задачу.

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ANSYS® Multiphysics™ Наиболее полная комплектация расчетного комплекса ANSYS, включающая в себя все существующие физические дисциплины: расчет напряженно-деформированного состояния конструкции, теплообмен, гидрогазодинамику, электромагнетизм и пр.

Многодисциплинарное моделирование Многодисциплинарное моделирование применяется во многих отраслях, в частности, в биомедицине (волнообразные колебания эластичных стенок артерий), в авиастроении (флаттер), строительстве (ветровые и волновые нагрузки на сооружения), трубопроводном транспорте (гидравлический удар и вибрации), электронике (электроупругость, термоэлектричество и пьезо-эффекты). Неучтенные взаимосвязи тех или иных физических явлений могут проявиться в снижении технологичности, надежности (ресурса) проектируемого изделия. Технологии ANSYS позволяют объединить задачи теплообмена, гидрогазодинамики и механики дефор-

мируемого твердого тела в одну комплексную многодисциплинарную задачу. Для решения подобных задач и эффективного управления расчетными ресурсами и данными компания ANSYS разработала специальную платформу ANSYS® Workbench™ и интегрировала в нее все современные инновационные технологии взаимодействия с CAD-комплексами, исправления дефектной геометрии, создания высококачественных сеток, пре- и постпроцессинга. Архитектура ANSYS Workbench является открытой, что позволяет пользователю успешно интегрировать собственные разработки в эту расчетную среду, тем самым расширяя ее возможности.

Расчетные возможности

Схема проекта для расчета термонапряженного состояния плоского автомобильного предохранителя с учетом электропроводности материалов и теплообмена (конвективного и кондуктивного).

В ANSYS существует две технологии решения связанных задач: использование «многодисциплинарных» элементов и использование специального решателя ANSYS Multi-field Solver. Комплекс ANSYS® Multiphysics™ содержит специальные многодисциплинарные элементы, которые позволяют напрямую решать связанные задачи теплообмена, электромагнетизма, гидродинамики и механики деформируемого твердого тела: SOLID69, FLUID142 и др. Кроме того, для решения сопряженных задач можно последовательно использовать тепловые и структурные элементы, магнитные и тепловые элементы и т. д. В этом случае, например, после анализа температурного состояния конструкции тепловые элементы заменяются соответствующими структурными элементами, и выполняется расчет НДС конструкции. В качестве исходных граничных условий для расчета НДС используется полученное на предыдущем шаге поле температур. Пример парных элементов: SOLID87–SOLID92. В ANSYS Multi-field Solver используется алгоритм неявного последовательного связывания решателей

Каталог ANSYS 2009 21

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Сопряженный электростатический анализ МЭМС-модулятора с учетом деформаций и перемещений отражающей поверхности. На рисунке представлены электрический потенциал (слева), электрическое поле (посередине) и перемещения деформируемой отражающей поверхности модулятора (справа). ANSYS для постановки многодисциплинарной задачи. Обмен данными между решателями носит итеративный характер и не требует использования сторонних программ, таких как MpCCI (Mesh-based parallel Code Coupling Interface) и др. Данные передаются через специальные порты (по аналогии с коммуникационными портами), направление передачи данных определяется текущим состоянием порта. Внешний цикл MF Time Step описывает процесс решения во времени, а внутренние циклы Stager Iteration управляют процессом обмена данными. При этом могут использоваться несовпадающие сетки на границе интерфейсных поверхностей, объединяющих области с разной физикой.

Сотрудники Корейского института ядерной безопасности (Korea Institute of Nuclear Safety — KINS) занимаются разработкой и внедрением программ по ядерной безопасности, в том числе обследованием безопасности, разработкой регулятивных норм и контролем радиоактивности окружающей среды на территории Южной Кореи. Вопрос ядерной безопасности особенно актуален в свете того, что компоненты в системах ядерных реакторов во время работы испытывают огромные нагрузки, которые могут привести к отказу оборудования. С помощью технологий FSI определяются условия, при которых может случиться отказ компонента. В частности, применяя FSI, можно использовать результаты моделирования гидродинамики с конвективным теплообменом как нагрузки при расчете напряженно-деформированного состояния. В данном проекте специалисты KINS проводили совместный теплогидравлический анализ

Каталог ANSYS 2009

и расчет напряженно-деформированного состояния трубы с двумя отводами. Исследовались нестационарный нагрев и охлаждение входной трубы контура реактора, по которой теплоноситель первого контура реактора попадает в пространство между тепловыделяющими сборками в тяжеловодном водо-водяном ядерном реакторе (CANDU). Полученные результаты использовались при последующем анализе ресурса трубы. Для создания конечноэлементной модели исследователи использовали программный комплекс ANSYS® Mechanical™. При расчете прочности конструкции одновременно учитывались давление и температура при создании нормально действующих нагрузок. Для моделирования гидродинамики тяжеловодного теплоносителя и получения распределения температур внутри стальной трубы ис-

Распределение температур в трубе при нагреве и охлаждении (слева направо): 10, 70, 130 секунд. Синим цветом показаны низкие температуры, красным цветом — высокие температуры.

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

пользовался программный комплекс ANSYS® CFX®. Инженеры KINS моделировали задачи изменения суммарного напряжения при нагреве (30 секунд) и охлаждении (100 секунд). Проанализировав результаты и сравнив фазы нагрева и охлаждения, они выяснили, что максимальные температурные напряжения наблюдаются на внутренней поверхности отвода трубы во время фазы охлаждения. Наибольшие значения температурных напряжений, зафиксированные при охлаждении, использовались для определения максимального суммарного напряжения. Согласно кривой усталости для углеродистой стали, срок действия увеличивается более чем на 106 циклов, что значительно превышает ожидаемый период эксплуатации входной трубы контура. Таким образом, исследователи KINS пришли к выводу, что при подобном рабочем сценарии суммарный коэффициент использования почти равен бесконечности, и температурная усталость трубы, вызванная нагревом и охлаждением в течение указанного времени, имеет второстепенное значение. Прогноз суммарного напряжения в результате анализа НДС при постоянном внутреннем давлении 10 МПа. Максимальный уровень суммарного напряжения наблюдался во внутренней части каждого отвода трубы.

Таким образом, компания ANSYS предоставляет своим пользователям эффективные и удобные в использовании расчетные технологии для решения многодисциплинарных задач, которые включают одновременное рассмотрение различных физических явлений и процессов (теплопередача и гидродинамика, электромагнетизм и акустика).

Продукты ANSYS для решения многодисциплинарных задач Для решения многодисциплинарных задач можно использовать самые разнообразные продукты ANSYS как по отдельности, так и в связке. При этом

возможности используемых расчетных комплексов будут определяться типом лицензии. Можно выделить следующие лицензии ANSYS, предназначенные для постановки и решения многодисциплинарных задач: • ANSYS Multiphysics — наиболее универсальная лицензия ANSYS, которая включает самый полный набор возможностей ANSYS во всех областях физики. Данный продукт может быть использован для решения задач механики деформируемого твердого тела, оценки температурного состояния конструкции, выполнения гидрогазодинамического расчета и электромагнитного анализа в любом диапазоне частот. Многодисциплинарное моделирование может быть выполнено как с использованием специальных «многодисциплинарных» элементов, так и с помощью решателя ANSYS Multi-field Solver. • Лицензия ANSYS Mechanical/ANSYS® Emag™ предназначена для решения связанных задач теплообмена, низкочастотного электромагнетизма и механики деформируемого твердого тела. Программный комплекс также содержит специальные типы элементов, которые позволяют напрямую решать многодисциплинарные задачи. Кроме того, данная лицензия поддерживает использование решателя ANSYS Multifield Solver. • Лицензия ANSYS Mechanical/ANSYS CFD-Flo включает все возможности ANSYS Mechanical для решения задач механики деформируемого твердого тела, в том числе задачи теплообмена, а также все возможности базового решателя ANSYS CFX Basic Capability Solver. • Лицензия ANSYS Mechanical является расширенным вариантом лицензии ANSYS® Structural™, поскольку позволяет выполнять анализ температурного состояния конструкции. Она содержит тепловые и структурные элементы, а также специальные многодисциплинарные элементы для решения связанных задач. • Лицензия ANSYS® CFD™ объединяет возможности обоих гидрогазодинамических пакетов– ANSYS CFX и ANSYS® FLUENT®. При совместном использовании лицензий ANSYS CFD и ANSYS Mechanical пользователь получает возможность решать FSI-задачи как при одностороннем, так и при двустороннем взаимодействии решателей.

Каталог ANSYS 2009 23

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА Одной из основных задач при проектировании изделий является обеспечение прочности и надежности изделия при эксплуатационных нагрузках. Компания ANSYS, Inc. представляет широкий спектр решений для расчета напряженнодеформированного состояния конструкций, динамического анализа, оценки температурного состояния узлов и выполнения связанных расчетов. Эти возможности комплекса в разной мере представлены лицензиями ANSYS® Mechanical™, ANSYS® Structural™, ANSYS® Professional™ NLS, ANSYS® Professional™ NLT и ANSYS® DesignSpace™.

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА

ANSYS® Mechanical™ ANSYS® Mechanical™ позволяет решать широкий спектр задач механики деформируемого твердого тела с учетом нелинейных свойств материалов, пластичности и контактного взаимодействия. Кроме того, комплекс позволяет решать задачи линейной/нелинейной динамики, теплообмена, акустики, а также выполнять связанный анализ.

В условиях жесткой конкуренции на мировых рынках, компании должны выпускать новые изделия с применением инновационных технологий, обеспечивающих лучшие эксплуатационные характеристики и больший ресурс работы. В процессе проектирования одной из основных задач является обеспечение прочности и надежности изделия при эксплуатационных нагрузках. Такой класс задач в основном относится к механике деформируемого твердого тела (МДТТ).

Компания ANSYS, Inc. представляет широкий спектр решений для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций, динамического анализа, оценки температурного состояния узлов и выполнения связанных расчетов. Эти возможности в разной мере представлены лицензиями: ANSYS® Mechanical™, ANSYS® Structural™, ANSYS® Professional™ NLS, ANSYS® Professional™ NLT, ANSYS® DesignSpace™. В приведенной ниже таблице показаны только характерные отличия лицензий.

Таблица возможностей лицензий ANSYS ANSYS DesignSpace Расчет НДС в зоне упругих деформаций. Расчет собственных частот и форм колебаний. Линейная устойчивость. Стационарный теплообмен.

ANSYS Professional Расчет НДС в зоне упругих деформаций. Расчет собственных частот и форм колебаний. Линейная устойчивость. Геометрические нелинейности. Линейная динамика. Стационарный теплообмен. Нестационарный теплообмен.

ANSYS Structural Расчет НДС в зоне упругих деформаций. Все нелинейные модели материалов для расчета НДС. Расчет НДС в зоне пластических деформаций. Расчет собственных частот и форм колебаний. Линейная и нелинейная устойчивость. Геометрические нелинейности. Линейная и нелинейная динамика.

ANSYS Mechanical Расчет НДС в зоне упругих деформаций. Все нелинейные модели материалов для расчета НДС. Расчет НДС в зоне пластических деформаций. Расчет собственных частот и форм колебаний. Линейная и нелинейная устойчивость. Геометрические нелинейности. Линейная и нелинейная динамика. Стационарный и нестационарный теплообмен. Акустика. Решение связанных задач «НДС + Тепло» как последовательно, так и используя связанные типы элементов (coupled-field element)

Каталог ANSYS 2009 25

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА

Рабочая среда модуля Workbench Mechanical. Эти лицензии позволяют работать в двух рабочих средах: в интегрирующей среде ANSYS® Workbench™ в модуле Workbench Mechanical (WB Mechanical) и в традиционном графическом интерфейсе ANSYS Mechanical APDL. В программных продуктах ANSYS реализован специализированный язык APDL (ANSYS Parametric Design Language) — язык написания командных сценариев, который может использоваться для автоматизации типовых задач или построения моделей на основе параметров (переменных). APDL также охватывает широкий диапазон возможностей, таких как повторение команд, вызов макросов, применение ло-

Рабочая среда ANSYS Mechanical APDL.

Каталог ANSYS 2009

гических ветвлений, циклов, а также операций со скалярными данными, векторами и матрицами. APDL — скриптовый (подобный FORTRAN) язык программирования в традиционном графическом интерфейсе ANSYS Mechanical APDL (ранее — PREP7). Язык APDL позволяет полностью создать расчетную модель (включая создание параметрической геометрической модели) в виде исполняемой программы или макроса. Традиционная схема расчета задач МДТТ имеет вид: «входной файл — решатель — постпроцессор». Входной файл можно создать тремя способами: 1. В традиционном графическом интерфейсе ANSYS Mechanical APDL (терминология 12-й версии, в 11-й версии — PREP7) в результате использования GUI на языке Tcl/Tk, разработанного в University of California (Berkeley),создается входной файл (*.inp). 2. В графическом интерфейсе расчетного модуля WB Mechanical (терминология 12-й версии, в 11-й версии — WB Simulation) в результате использования GUI, написанного на JavaScript, и данных для расчета в формате eXtensible Markup Language (XML), создается входной файл для решателя, и далее в пакетном режиме batch запускается решатель ANSYS. Кроме того, макросы можно создавать с использованием языка JScript Parametric Design Language (JPDL). 3. Использование текстового редактора, в котором на языке ANSYS Parametric Design Language (APDL) можно написать все действия и запустить этот файл из графического интерфейса или в пакетном (batch) режиме решателя. Пользователь также может комбинировать все указанные действия: загружать тестовые макросы на APDL в традиционном графическом интерфейсе ANSYS Mechanical APDL с помощью команды read input file, либо копирования текста в командную строку из буфера обмена. Можно использовать объекты Commands, содержащие команды на языке APDL. Для этого их необходимо вставить в дерево расчетного модуля WB Mechanical. В расчетном комплексе ANSYS реализовано более 200 типов конечных элементов. Каждый тип конечного элемента предназначен для определенного вида расчета. Каждый тип элемента имеет набор степеней свободы, составляющих первичные узловые неизвестные, определяемые в ходе расчета. Таковыми могут являться перемещения, повороты, температуры, давления и т. д.

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА

Пример SOLID 186 — трехмерного элемента объемного НДС с 20 узлами. Вторичные (производные) результаты, такие как напряжения, поток тепла и т. д., вычисляются на основе этих расчетных степеней свободы. Степени свободы не указываются в узлах пользователем в явном виде, а скорее подразумеваются типом элемента, связанного с узлами. Поэтому при любом расчете в комплексе ANSYS выбор типов элементов является операцией высшего приоритета. Типы конечных элементов можно разделять по различным критериям, например, по принципу описания геометрической топологии расчетной модели: объемные, оболочечные и балочные. Кроме указанных типов, существует большой спектр специализированных элементов. Например, семейство элементов COMBIN, которые позволяют задавать элементы с возможностью включения/отключения в процесс расчета, описывать нелинейные упругие элементы, задавать комбинацию упругого ползуна и демпфера. Семейство элементов MATRIX позволяет задавать матрицы жесткости, демпфирования или масс, задавать группу предварительно соб-

Пример конечного элемента предварительного нагруженного соединения PRETS179.

ранных конечных элементов, которые в процессе расчета будут рассматриваться в качестве отдельного элемента (суперэлемент). Отдельно можно выделить различные виды элементов, описывающих взаимодействие между частями расчетной модели: контактных элементов (CONTA, TARGE), многоточечных связей (MPC) и элементов взаимодействия (INTER). Для передачи нагрузок из одной области физики в другую используются двумерные и трехмерные элементы поверхностных эффектов МДТТ (SURF). Также существуют связанные типы элементов (coupled-field element) в которых реализованы степени свободы разных областей физики. Это позволяет решать совместно задачи двух и более областей физики в одном расчете. В расчетном комплексе ANSYS можно использовать идеализированные расчетные модели двух типов (балочные и оболочечные).

Расчет балок (Beam Analysis) и задание поперечных сечений Балочные элементы используются для создания одномерной идеализированной модели трехмерной конструкции. Использование балочных элементов намного эффективнее (с точки зрения расчетного времени) по сравнению с оболочечными или твердотельными конечными элементами.

Оболочечный анализ и задание поперечных сечений Оболочечные элементы используются для создания двухмерной идеализированной модели трехмерной

Пример использования балочной модели.

Каталог ANSYS 2009 27

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА конструкции. Использование оболочечных элементов намного эффективнее (с точки зрения расчетного времени) по сравнению с твердотельными конечными элементами. Самой полнофункциональной является лицензия ANSYS Mechanical, поскольку с ее помощью можно решать широкий спектр задач.

Расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) с учетом всех нелинейностей Основным видом расчетов в инженерной практике являются расчеты статической прочности, в которых вычисляются перемещения и вращения в узлах конечно-элементной (КЭ) модели. Нестационарный расчет НДС, реализованный в программных продуктах ANSYS, является более сложным и рассчитывает динамический отклик конструкции на переменные во времени воздействия. Поскольку расчет полной трехмерной модели является очень ресурсоемким (особенно если учитываются нелинейности), рекомендуется вначале провести расчет упрощенной модели (балки, точечные массы, упругие элементы и демпферы). Если принято решение рассчитывать полную трехмерную модель, рекомендуется предварительно проводить расчет по определению собственных частот форм колебаний для правильного выбора шага интегрирования по времени. Для выполнения расчета необходимо задать модель материала. В расчетных средах ANSYS Mechanical APDL и WB Mechanical реализованы различные форматы представления моделей материалов. В расчетной среде WB Mechanical управление моделями материалов осуществляется в разделе Engineering Data среды ANSYS Workbench. Модели материалов пред-

Модель материала в среде WB Mechanical.

Каталог ANSYS 2009

Задание модели материала в среде ANSYS Mechanical APDL. ставлены в формате eXtensible Markup Language (XML). Для рабочей среды ANSYS Mechanical APDL модели материалов сохраняются в библиотеки материалов в виде командных файлов. В отдельных задачах необходимо использовать более сложные модели материалов, позволяющие рассчитывать пластические деформации с учетом релаксации напряжений или деформации, не зависящие от времени. Расчет может усложняться учетом таких нелинейных эффектов, как пластичность, увеличение жесткости при наличии нагрузок (stress stiffening), наличие больших деформаций, больших изгибов, сверхупру-

Расчет пластических деформаций с учетом релаксаций напряжений.

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА

Пример назначения связей между степенями свободы вращения и перемещения. гость (hyperelasticity), ползучесть и сложные контактные взаимодействия. Расчет взаимодействия отдельных частей расчетной модели является сложной задачей. Описать такое взаимодействие можно на уровне связей узлов и уравнения ограничений. Если необходимо для двух или более степеней свободы задать одинаковые значения, следует их связать. Набор связанных степеней свободы (DOF) содержит ведущую (главную) и одну или более других степеней свободы. При применении процедуры связывания в матрице жесткости остается только главная степень свободы, а все остальные удаляются. Значение, рассчитанное для главной степени свободы, далее присваивается остальным степеням свободы из набора связанных степеней свобод. Линейные уравнения ограничений обеспечивают расширенные средства связи значений степеней свободы, чем те, что предоставляют простые связи.

мости от нагрузок, свойств материалов, граничных условий и других факторов поверхности могут входить в контакт друг с другом и выходить из него внезапно и непредсказуемо. Вторая проблема заключается в необходимости учета трения. Существует несколько видов трения и моделей, описывающих поведение взаимодействие тел с учетом трения, и все эти модели являются нелинейными. Фрикционный контакт может быть хаотическим, создавая трудности при сходимости. Если трение в модели учитывать не требуется и зона взаимодействия тел является фиксированной, можно вместо контактного взаимодействия создавать уравнения связи или связи между степенями свободы. В задачах с малыми деформациями применяются только уравнения связи. Контактные задачи делятся на два основных класса: взаимодействие жесткого и деформируемого тел и взаимодействие двух деформируемых тел. Комплекс ANSYS имеет три модели контакта: «узел с узлом», «узел с поверхностью» и «поверхность с поверхностью». Каждый тип модели использует разные наборы контактных элементов и применяется для решения разных задач. Для решения контактных задач применяются штрафные функции, метод множителей Лагранжа, модифицированный метод Лагранжа, MPC-контакт сборок, метод множителей Лагранжа для нормального направления и штрафные функции для тангенциального направления. Далее на базе выбранной теории прочности делаются выводы о прочности конструкции.

Решение контактных задач Контактные задачи имеют две существенные проблемы. Первая заключается в том, что истинная контактная зона до решения задачи неизвестна. В зависи-

Оценка температурного состояния Неоднородное распределение температур под воздействием внешних температурных воздействий (естественная и вынужденная конвекция, теплообмен излучением с окружающим пространством и поверхность–поверхность, источники тепла) приводит к температурным деформациям и термическим напряжениям. Задачи могут быть стационарными и нестационарными (параметры меняются во времени). Нелинейности в модели материала описываются функциями зависимости теплопроводности и теплоемкости от температуры. Также можно задать параметры термического контакта, включая проводимость, излучение, коэффициенты фрикционного нагревания.

Динамика Пример статического расчета сложной сборки с контактными взаимодействиями.

Динамический анализ предназначен для определения динамического поведения конструкции или детали, когда инерция (массовые эффекты) и демпфирование играют важную роль.

Каталог ANSYS 2009 29

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА Классификацию задач динамики можно провести на основе примеров использования для решения определенных задач. Трансмиссия может разрушиться, если ее частоты совпадут с частотами двигателя. Для решения этой проблемы необходимо провести модальный анализ для определения вибрационных характеристик (форм и частот собственных колебаний). Бампер может устоять при невысокой скорости соударения, но разрушится при большой скорости. При вращении роторов возникают установившиеся знакопеременные силы, действующие на подшипники и опоры. Эти силы вызывают перемещения и напряжения, зависящие от скорости вращения. Для правильного подбора подшипников следует провести гармонический расчет для определения отклика конструкции при установившейся, гармонической нагрузке. Здания и мосты в сейсмоопасной зоне должны конструироваться таким образом, чтобы они могли выдержать землетрясение. При проектировании этих объектов необходимо выполнить спектральный анализ для определения отклика конструкций на сейсмическое нагружение. Агрегаты космических кораблей и самолетов должны выдержать случайное нагружение в заданном диапазоне частот в течение заданного периода времени. При проектировании этих изделий надо провести расчет на случайные вибрации (Random Vibration Analysis) для определения отклика агрегатов. Переходный динамический анализ (Transient Dynamic Analysis) используется для определения отклика конструкции на изменяющиеся во времени нагрузки.

Результаты модального анализа тормозного диска.

Каталог ANSYS 2009

Переходный динамический анализ. Модальный анализ (Modal Analysis) используется для вычисления собственных частот и форм колеба-

Расчетная модель и спектральный анализ мостового пролета.

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА ний структур. При этом поддерживаются различные решатели. Гармонический анализ (Harmonic Response) используется для определения отклика (поведения под заданной нагрузкой) расчетной модели при воздействии на нее гармонической, изменяющейся по времени нагрузки. Анализ переходного динамически изменяющегося процесса (Full Transient Analysis) используется для определения отклика конструкции в результате действия переменных во времени нагрузок. Допустимы все типы нелинейностей. Спектральный анализ (Spectrum Analysis) — расширенный модальный анализ, который используется для вычисления напряжений и деформаций при возбуждении «случайной» статистической функцией возбуждения PSD.

Анализ потери устойчивости конструкций Данный тип анализа используется для вычисления нагрузок устойчивости (buckling loads) и определения форм потери устойчивости. Возможны два вида анализа — линейный анализ устойчивости и нелинейный анализ устойчивости.

Механика разрушения Механика разрушения — раздел физики твердого тела, изучающий закономерности зарождения и роста трещин. В механике разрушения широко используется аппарат теории упругости, пластичности, материаловедения. В традиционной механике разрушения используется энергетический подход, который подразумевает, что для распространения трещины необходима энергия. Поля напряжений и деформаций на вершине трещины определяются коэффициентами интенсивности напряжений (КИН). Существует три основных параметра механики разрушения: К — коэффициенты интенсивности напряжений (SIFs), G — скорость высвобождения энергии и J-интеграл. Для того чтобы точно вычислить влияние пластических деформаций на величину скорости высвобождения энергии G, нужно получить точное решение упругопластической задачи в поле напряжений при вершине трещины. Такое решение пока не получено, однако существует косвенный метод, в основе которого лежит расчет J-интеграла. При квазистатическом анализе для линейно-упругих материалов J-интеграл не зависит от направления (не зависит от контура интегрирования). В связи с этим, J-интеграл однозначно определяется измене-

Три модели разрушения: Mode I — разрушение раскрытием (как правило, наиболее опасный случай), Mode II — разрушение скольжением/сдвигом, Mode III — разрушение растяжением. нием упругой потенциальной энергии деформации при бесконечно малом приращении трещины. Это означает, что при упругих деформациях J-интеграл равен скорости высвобождения энергии деформации. J-интеграл напрямую не предоставляет достаточно информации по определению индивидуальных коэффициентов интенсивности напряжений. Для случая, когда присутствует больше одной модели разрушения, коэффициенты интенсивности напряжений не могут быть найдены из уравнения для J-интеграла. Для получения индивидуальных коэффициентов интенсивности напряжений применяется метод интеграла взаимодействия (Interaction Integral) для получения индивидуальных коэффициентов интенсивности напряжений. Общая схема расчета при этом выглядит следующим образом: вначале происходит наложение полученных результатов полей напряжений и деформаций на решение. Затем из полученных результатов вычисляется интеграл взаимодействия.

Результаты расчета рабочего колеса центробежного компрессора с дефектом.

Каталог ANSYS 2009 31

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА Роторная динамика Пример расчета собственных частот и форм колебаний сложного составного вала показан на рисунках ниже.

Постановка задачи роторной динамики.

Результаты расчета критических частот ротора ГТД.

Композиционные материалы В ANSYS композиционные материалы можно моделировать с помощью специальных, слоистых, элементов, с использованием которых можно решать любую прочностную задачу включая нелинейные свойства, большие прогибы и упрочнение под нагрузкой.

Усталостная долговечность Одной из основных причин разрушения конструкций является усталость, обусловленная разрушением при повторяющейся циклической нагрузке. При числе циклов до разрушения (порядка 1e4 — 1e9) обычно уровень напряжений более низкий по сравнению с пределом прочности материала. Подход долговечности в зависимости от уровня напряжений (Stress-Life) обычно используется для расчета многоцикловой усталости.

Каталог ANSYS 2009

Пример определения свойств слоистой оболочки с помощью сечений и результаты расчета НДС для выбранного слоя. При относительно небольшом числе циклов до разрушения пластические деформации часто ассоциируют с расчетом малоцикловой усталости. Это приводит к уменьшению времени усталостной долговечности. Подход долговечности в зависимости от уровня деформаций (Strain-Life) более применимы к расчету малоцикловой усталости.

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА

ANSYS® Professional™ Лицензия ANSYS® Professional™ содержит большинство возможностей ANSYS Mechanical, но обладает несколько ограниченным функционалом при решении задач с нелинейностями.

Лицензия ANSYS® Professional™ позволяет проводить прочностной и динамический расчеты, а также выполнять анализ температурного состояния проектируемого изделия как в традиционном графическом интерфейсе, так и в графическом интерфейсе среды ANSYS® Workbench™. Используя лицензию ANSYS Professional, пользователи получают доступ к передовым решениям в области инженерного анализа, не требующим глубокого знания метода конечных элементов. Лицензия ANSYS Professional расчетного комплекса ANSYS позволяет решать не только линейные прочностные, динамические и тепловые задачи, но также и контактные задачи, проводить геометрически нелинейные расчеты и оптимизацию. Продукт поддерживает программирование на встроенном параметрическом языке APDL. Возможно проводить расчет сложных сборок, включая контактные элементы «твердое тело–оболочечная деталь». Начинающие пользователи для быстрого освоения основных процедур постановки расчета могут ис-

Традиционный интерфейс ANSYS (лицензия ANSYS Professional).

Расчетная модель и результаты расчета узла конструкции велосипеда в графическом интерфейсе ANSYS Workbench. Использовались возможности лицензии ANSYS Professional. пользовать готовые шаблоны проведения типовых видов расчетов, которые последовательно описывают все основные шаги создания расчетной модели. В среде ANSYS Workbench реализована двунаправленная ассоциативная связь с большинством ведущих CAD-пакетов, включая распознавание и использование для оптимизации параметров, которые были заданы при описании размеров геометрических моделей в CAD-системе. В комплексе реализованы средства автоматической генерации конечноэлементной сетки с возможностью дальнейшей ручной коррекции. При необходимости использования более мощных и сложных средств работы с расчетными моделями, пользователь может воспользоваться возможностями традиционного интерфейса ANSYS.

Каталог ANSYS 2009 33

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА

Для решения задач вычислительной гидродинамики компания ANSYS, Inc. предлагает два CFD-пакета: ANSYS® CFX® и ANSYS® FLUENT®. Оба пакета содержат расширенный набор моделей турбулентности, решателей, библиотеку материалов (жидкость/газ). Комплексы позволяют моделировать течения жидкости в объектах с подвижными границами (клапаны, поршни и т. п.), а также в связке с ANSYS® Mechanical™/Structural™ решать задачи взаимодействия жидкости и твердого тела (FSI).

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА

ANSYS® CFD™ ANSYS® CFD™ обеспечивает полный доступ ко всем функциональным возможностям CFD-кодов ANSYS: ANSYS® CFX® и ANSYS® FLUENT®. ANSYS® CFD® предназначен для моделирования ламинарных и турбулентных потоков (с учетом/без учета сжимаемости среды); расчета процессов теплообмена (конвекцией, теплопроводностью, излучением), процессов горения; моделирования многофазных потоков и решения задач акустики. В настоящее время большинство ведущих компаний мира используют продукты линейки ANSYS® CFD™. В комплексах представлен наиболее широкий спектр современных физических моделей, а также существует возможность проводить мультидисциплинарные расчеты в рамках среды ANSYS® Workbench™. Обширные возможности программных комплексов ANSYS CFD применяются в различных отраслях промышленности, в частности, для расчета задач внешней аэродинамики в авиационной, автомобиль-

ной и других отраслях; моделирования горения в энергетических котлах и камерах сгорания газотурбинных двигателей; при изготовлении стекольной продукции; исследованиях процессов движения крови по сосудам; изготовлении полупроводников; проектировании «чистых помещений» и водоочистных сооружений. ANSYS CFD также используется для моделирования двигателей внутреннего сгорания, аэроакустических систем, внутренней гидродинамики в турбомашинах, а также при моделировании устройств, работающих с многофазными средами. Благодаря дружественному пользовательскому интерфейсу и устойчивым решателям продукты, ANSYS CFD могут быть освоены в короткие сроки. Интеграция ANSYS CFD в среду ANSYS Workbench, а также единый постпроцессор ANSYS® CFD-Post™ в совокупности создают наиболее полный комплекс для моделирования, доступный инженерам. Специалисты технической поддержки ANSYS постоянно проводят тренинги и специализированные курсы повышения квалификации для своих пользователей. На протяжении многих лет специалисты ANSYS внедряют современные модели и обеспечивают техническую поддержку с целью оптимального использования комплексов ANSYS CFD в различных отраслях промышленности.

ANSYS CFD и среда ANSYS Workbench В 12-й версии наибольшие изменения претерпел графический интерфейс ANSYS® FLUENT®, что является основой для более глубокой интеграции этого газодинамического пакета в расчетную среду ANSYS Workbench. При этом сохранилась возможность загрузки ANSYS FLUENT с традиционным интерфейсом с поддержкой TUI (текстовой строки).

ANSYS CFD полностью интегрирован в среду ANSYS Workbench, являющуюся основой инженерного моделирования, в нее интегрированы все инструменты и программные комплексы ANSYS. Адаптивная архитектура позволяет пользователям с легкостью создавать модели, начиная от задач гидродинамики до комплексного мультифизичного взаимодействия

Каталог ANSYS 2009 35

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА

Пример моделирования аневризмы аорты в ANSYS CFX. Показаны напряжения на стенках сосудов. систем путем простых операций «перетаскивания» (drag-and-drop). Пользователи могут с легкостью оценить параметры изделия в нескольких расчетных точках или сравнить ряд альтернативных концепций. Среда ANSYS Workbench позволяет получить общий доступ к таким инструментам как связь с CAD-комплексами, построение и модификация геометрии и расчетной сетки. Постпроцессор ANSYS CFD-Post может использоваться для одновременного сравнения результатов нескольких расчетов, а также для создания высококачественных анимаций, иллюстраций и графиков.

Геометрическая модель ANSYS® DesignModeler™ — программный модуль, разработанный для создания и подготовки расчетной модели. Он прост в использовании, построен на полностью параметрической среде; присутствует возможность прямой двусторонней связи с ведущими CAD-пакетами. Комплекс является единым унифицированным геометрическим препроцессором для всех продуктов ANSYS.

Расчетная сетка Проведение высококачественного CFD-моделирования требует соответствующей технологии создания расчетной сетки. ANSYS® Meshing™ содержит множество технологий в единой среде, позволяющих

Каталог ANSYS 2009

Cart3D — специализированный модуль ANSYS ICEM CFD, разработанный NASA и предназначенный для анализа высокоскоростных потоков с использованием «невязкого» решателя и перестраиваемых декартовых сеток. пользователям выбрать наилучший метод для каждого элемента или узла геометрической модели. Также доступен продвинутый сеточный генератор ANSYS® ICEM CFD™, который содержит множество технологий редактирования сеток, а также возможность создания блочно-структурированной гексаэдральной расчетной сетки.

Сетки, численные методы и параллельный расчет Решатели ANSYS CFD работают с неструктурированными сетками, т. е. сетка может состоять из элементов различных форм, например, для двумерных сеток используются четырехугольные и треугольные элементы, а для трехмерных сеток — гексаэдральные, тетраэдральные, полиэдральные, призматические и пирамидальные элементы. Большие расчетные сетки, которые могут содержать и более миллиарда узлов и элементов, могут автоматически дробиться на части для расчета на компьютерном кластере.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА

Динамические и подвижные сетки

В августе 2008 года команда инженеров Luna Rossa Challenge во главе с Ignazio Maria Viola выполнила расчет аэродинамики яхты класса «Кубок Америки» в газодинамическом пакете ANSYS CFD с размерностью задачи более 1 миллиарда расчетных узлов. В основе ANSYS CFD лежат современные устойчивые решатели такие как pressure-based coupled, fully-segregated pressure-based и два density-based решателя, позволяющие получать устойчивое и точное решение для практически неограниченного спектра режимов течения. Программный комплекс ANSYS CFD прекрасно масштабируется, параллельный счет возможен на всех типах платформ NT, Linux и Unix. Могут использоваться как многопроцессорные, так и кластерные системы. Технология динамической балансировки автоматически отслеживает и анализирует производительность параллельного счета, при этом происходит перераспределение расчетных элементов между процессорами так, чтобы сбалансировать нагрузку на процессоры при использовании сложных физических моделей. Основные усилия ANSYS при работе над 12-й версией были направлены на увеличение скорости решателей для различных приложений и типов расчетов, как стационарных, так и нестационарных. В среднем скорость решателей увеличилась на 1020% по сравнению с 11-й версией. Также значительно повысилась производительность решателей ANSYS CFX и ANSYS FLUENT при распределенных вычислениях. Что касается повышения точности расчетов при сохранении устойчивости решателей, то для решения этой проблемы в ANSYS CFX была добавлена новая итеративная схема высокого порядка c ограничителями, а в опциях дискретизации уравнений в ANSYS FLUENT появилась схема второго порядка аппроксимации с ограничителями невязких потоков.

Динамические сетки в ANSYS CFD позволяют моделировать произвольное движение отдельных частей изделий — при помощи этой технологии можно моделировать двигатели внутреннего сгорания, клапаны, сброс боеприпасов, старт ракеты, динамику судна на волнах. При необходимости, в процессе моделирования могут одновременно использоваться различные методы перестраивания сетки. Динамические сетки совместимы с большинством моделей ANSYS CFD, включая модели горения, модели разрушения струи, многофазные модели, в том числе расчет свободной поверхности и течения сжимаемой жидкости. Кроме того, в ANSYS CFD доступны модели скользящих сеток и множественных вращающихся систем координат (MFR), которые используются для проектирования смесительных баков, насосов и турбомашин.

Турбулентность В ANSYS CFD присутствует наиболее широкий спектр разнообразных моделей турбулентности, включающий опробованные временем k-ε, k-ω и модель Рей-

Моделирование ламинарно-турбулентного перехода при обтекании подводной части морской буровой платформы.

Каталог ANSYS 2009 37

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА нольдсовых напряжений (RSM) для сильно закрученных или анизотропных течений. Благодаря постоянному увеличению производительности компьютеров и уменьшению их стоимости, модели крупных вихрей (LES) и более экономичные модели неприсоединенного вихря (DES) стали чрезвычайно популярны при решении промышленных задач. Новые инновационные модели, позволяющие рассчитывать ламинарнотурбулентный переход и современная модель (SAS), автоматически определяющая масштаб турбулентных вихрей, обычно применяются в случаях, когда точности стационарных моделей турбулентности недостаточно. Различные пристеночные функции и метод enhanced wall treatment позволяют максимально точно описать потоки, ограниченные стенками. Спектр настроек моделей турбулентности и открытость для глубоких изменений позволяют моделировать эффекты турбулентности для любых условий течения жидкости.

Вращающиеся машины Комплекс ANSYS CFD на протяжении многих лет является лидером среди программ, занимающихся CFD-моделированием вращающихся машин. Он является лидером в области, в которой требования к точности, скорости и устойчивости расчета чрезвычайно высоки. ANSYS CFD содержит полный набор моделей, возможность сквозного расчета стационарных и вращающихся компонентов турбомашин, а также специализированные надстройки для удобства подготовки и анализа задач турбомашиностроения. Благодаря этому программный комплекс является наиболее полным и отвечает многочисленным требованиям инженеров-расчетчиков. В семействе продуктов ANSYS присутствуют модули ANSYS®

Расчет течения в проточной части многоступенчатой турбины.

Каталог ANSYS 2009

BladeModeler™ и ANSYS® TurboGrid™ для быстрого и удобного создания геометрической модели лопаточного колеса и построения высококачественной гексаэдральной расчетной сетки.

Акустика Задачи акустики являются предметом множества промышленных приложений. В комплексе ANSYS CFD шум, возникающий вследствие нестационарных флуктуаций давления, может быть рассчитан несколькими способами. Нестационарный расчет давления на стенке с использованием модели LES может быть преобразован в частотный спектр с использованием встроенного инструмента быстрых преобразований Фурье (FFT). Модель Williams-Hawkings используется для моделирования распространения источников звука от различных объектов, начиная от тел плохо обтекаемой формы и заканчивая вращающимися лопастями вентилятора. Модель источника широкополосного шума позволяет оценить мощность источника звука, основываясь на результатах моделирования в стационарной постановке, как следствие она является практичным инструментом для быстрой оценки изменений в изделии.

Химически реагирующие среды Моделирование химических реакций, особенно в турбулентном режиме, является одной из наиболее сильных сторон программного комплекса ANSYS CFD, поскольку в нем представлены современные модели, такие как EDС, PDF (модель, построенная на функциях распределения плотности вероятности) и модели конечной скорости химической реакции (FRC), а также хорошо зарекомендовавшие себя модели: диссипации вихря (EDM), равновесной доли смеси, модели горения FLAMELET и PREMIXED. ANSYS CFD позволяет достоверно моделировать горение различных газообразных, жидких и твердых топлив. Кроме того, доступны модели для расчета образования SOx и NOx. Возможности поверхностных реакций ANSYS CFD позволяют учитывать реакции между газом и поверхностью химического реагента, а также между различными химическими реагентами — эта технология позволяет моделировать процессы напыления и травления. Модели химических реакций ANSYS CFD могут использоваться в сочетании с моделями турбулентности LES и DES — эта связка позволяет моделировать такие эффекты, как стабилизация и затухание пламени.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА

Компания ANSYS, Inc. продолжает внедрять инновации в область математического моделирования процессов в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Компания ANSYS, Inc. постоянно внедряет инновации в область математического моделирования процессов в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). В 12-м релизе эти новшества затронули главным образом программный комплекс ANSYS CFX. Во-первых, в препроцессоре появилась дополнительная опция, ориентированная на задачи ДВС, кроме этого, упростилась процедура управления процессом перестроения сетки с использованием возможностей внешнего сеточного генератора ANSYS ICEM CFD. Наконец, в пакете появились дополнительные математические модели горения жидких топлив, например, в дизельных двигателях. Во-первых, это модель ECFM, разработанная Colin O. и Benkenida A. (2003) для пламен частично или полностью перемешанных смесей, учитывающая искривление фронта пламени вследствие крупномасштабной турбулентности, и ее модификация для пламен предварительно не перемешанных смесей — модель ECFM3Z (3Zones Extended Coherent Flame Model). В последней модели рассматриваются три зоны смешения: область чистого топлива, сгоревших газов и зона свежей смеси, где используется стандартная ECFM модель.

Расчет температурного состояния графической карты в ANSYS CFX. вания конвекции, теплопроводности и излучения. В частности, доступны такие модели излучения как Р1 и Rosseland для оптически толстых сред, когда необходимо учитывать оптические свойства среды, и модель surface-to-surface, основанная на угловых коэффициентах, когда оптическое влияние среды не учитывается. Кроме того, доступна DO-модель, применимая к среде с любой оптической толщиной, включая стекло. Также доступна модель солнечного излучения, позволяющая проводить моделирование систем климат-контроля. Среди других возможностей ANSYS CFD, связанных с теплообменом, можно назвать модели кавитации, сжимаемой жидкости, модель теплообменника, модель двумерной теплопроводности, модели реального газа и влажного пара, плавления и затвердевания. Модели испарения из капель или влажных частиц и выход летучих из угля доступны в модели дискретных фаз (DPM). Явное задание источников/ стоков теплоты и полный набор тепловых граничных условий дополняют возможности комплекса при расчете задач со сложным теплообменом.

Обработка данных в постпроцессоре Теплообмен, фазовые переходы и излучение Поскольку различные механизмы теплообмена сопутствуют промышленным задачам течения жидкости, в ANSYS CFD включена возможность моделиро-

Обработка данных в постпроцессоре ANSYS CFD-Post может использоваться для создания презентационного графического материала, анимации и отчетов, для облегчения представления результатов CFD-моделирования. Затененные и полупрозрачные поверхности, линии тока, векторные и контурные поля, зада-

Каталог ANSYS 2009 39

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА ние пользовательской полевой функции и создание сцен — это всего лишь некоторые из доступных возможностей постпроцессора ANSYS CFD-Post. Результаты расчета могут экспортироваться в другие постпроцессоры или комплексы CAE для последующего анализа. Кроме того, результаты расчета могут также быть переданы в ANSYS® Mechanical™ для проведения FSI-расчета. Начиная с 12-й версии, ANSYS CFD-Post стал универсальным постпроцессором для обоих газодинамических пакетов ANSYS. Среди множества мелких изменений и дополнений в ANSYS CFD-Post следует отметить возможности сравнения результатов многовариантных расчетов.

Многофазные потоки Благодаря широким возможностям ANSYS CFD инженеры могут получить необходимую информацию относительно оборудования, для которого экспериментально-исследовательская работа затруднена. В ANSYS CFD используется многофазная модель Эйлера с отдельным набором уравнений динамики жидкости для каждой из жидкости или фазы. Более того, есть специализированные модели для случая, когда одна из фаз является сыпучей средой, или когда нужно моделировать границу раздела между жидкостями. В большинстве случаев можно использовать более экономичную модель Mixture, в которой решается только один набор уравнений динамики жидкости смеси веществ. Существует возможность моделирования произвольного числа фаз, включая любую комбинацию жидких, твердых или газообразных. Как следствие, можно моделировать пузырьковые пото-

Расчет гидродинамики судна в ANSYS CFX c использованием модели VOF.

Каталог ANSYS 2009

ки в жидкости, реакторы с орошаемым слоем. Учет теплообмена между различными фазами также может быть учтен, что позволяет моделировать гомогенные и гетерогенные реакции. Спектр распределения размеров пузырьков может быть учтен с помощью модели population balance. Модель VOF применяется для моделирования течений со свободной поверхностью, например, океанских волн, где поверхность раздела фаз играет первостепенную роль. Модель дискретных фаз (DPM) может применяться для проектирования распылительных сушилок, распылителей жидкого топлива, угольных топок, непрерывного волокна, и т. п. Модель кавитации применяется при проектировании насосов и топливных форсунок.

Связанные расчеты Расчеты взаимодействия конструкции с потоком жидкости (или FSI расчеты) встречаются во многих инженерных приложениях. Например, в нефтегазовой отрасли FSI технологии ANSYS получили широкое применение при расчете вибраций отдельных элементов конструкций морских буровых платформ, возбуждаемых потоком жидкости вследствие отрыва вихрей от поверхности этих объектов (так называемое вихревое возбуждение). В основном это касается тел цилиндрической формы, например в буровой установке это

Аэродинамика лопасти ветроэнергетической установки. Срыв концевых потоков.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА

Автоколебания лопаток осевого компрессора.

водоотделяющая колонна, внутри которой расположена буровая колонна. В авиационной отрасли и в турбомашиностроении к этому классу проблем относятся задачи о динамической неустойчивости, когда малые внешние возмущения в потоке, носящие случайный характер, могут вызвать сильные колебания конструкции. Например, флаттер лопаток турбин, самолетов. Задача о флаттере аэроупругой конструкции сводится к определению критической скорости течения, при которой конструкция становится нейтрально устойчивой, т. е. её реакция на конечное возмущение конечна, либо она теряет устойчивость, и ее реакция на конечное возмущение становится неопределенной. Таким образом, задачи устойчивости и задачи реакции упругой системы на внешнее воздействие являются взаимосвязанными. Аэроупругие колебания могут быть обусловлены периодическим срывом вихрей. Частота срыва вихрей зависит от формы тела и скорости набегающего потока. Если частота близка к собственным частотам тела, то возникает механический резонанс и происходит разрушение конструкции. Классическим примером реализации подобных сценариев является разрушение Тэкомского моста в ноябре 1940 года. Кроме того, в последние годы FSI технологии ANSYS стали широко использоваться и в медицине. Исследователи Центра здравоохранения университета Колорадо недавно сделали первые шаги в этом направлении, а решение ANSYS по моделированию аэроупругого взаимодействию проявило себя как ключевая технология для достижения этой цели. Легочные артерия является кровеносными сосудами, через которые кровь с низким содержанием кислорода протекает из правого желудочка сердца в легкие для газообмена. У здорового человека среднее давление кро-

Пример расчета ветровой нагрузки на конструкции моста. ви в легочной артерии составляет примерно 14-20 мм рт. ст. Повышенный уровень давления в крови (более 25 мм рт. ст в покое) приводит к объемной перегрузке правых отделов сердца. До настоящего момента клиницисты, в основном, характеризовали повышенное давление в легочной артерии путем оценки сопротивления легочных сосудов, определяемого как среднее падение давления, разделенное на среднюю скорость потока. При учете только усредненных условий, влиянием жесткости сосудов пренебрегают. Исследователи из Университета Колорадо изучают влияние жесткости легочной артерии, используя программное обеспечение ANSYS для моделирования нестационарного аэроупругого взаимодействия потока крови и стенок сосудов легочной артерии. Применяя технологию численное моделирование, исследователи мо-

Контуры давления на стенках сосуда на пике систолы (слева) и контуры деформации стенки сосуда на пике систолы (справа).

Каталог ANSYS 2009 41

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА гут глубже понять основы физических процессов, происходящих при повышенном давлении в легочной артерии, оценить степень влияния жесткости сосудов на изменяющуюся структуру течения, и что, возможно, более важно, на периферийную гемодинамику. Со временем, регулярное клиническое использование численного моделирования для каждого отдельного пациента, где геометрия сосудов определяется из медицинского «изображения», сможет обеспечить лучшее понимание развития повышенного давления в легочной артерии и улучшить предсказуемость результатов при хирургическом вмешательстве.

Специальные средства Пользовательское программирование активно используются пользователями для расширения и адаптации возможностей ANSYS CFD для специфических нужд. Полная документация и учебные примеры по созданию собственных функций включены в техническое сопровождение. Благодаря глобальной сети технической поддержки ANSYS осуществляется помощь пользователям, связанная с созданием шаблонов для многократно повторяющейся настройки различного оборудования. Также доступны модули расширения для многих приложений, например, PEM и твердотельные топливные ячейки, «баланс популяции», магнитогидродинамика, создание непрерывного волокна.

Пример моделирования многофазного потока в пузырьковой колонне с использованием ANSYS FLUENT.

Каталог ANSYS 2009

В течение 60 лет компания Cameron’s Valves and Measurement Group является ведущим мировым производителем запорных клапанов, используемых в нефтегазовой и нефтехимической отраслях промышленности. Диск клапана позволяет исключить обратное течение природного газа, нефти или другой среды. Таким образом, запорные клапаны обеспечивают мгновенную защиту компрессоров от аварии. Работая над одним из последних проектов, технические специалисты компании Cameron использовали программные продукты ANSYS для разработки новой серии запорных клапанов. Первостепенной задачей было снизить перепад давления в клапане и увеличить период, в течение которого клапан оставался бы полностью открытым при расходе ниже минимально рабочего. Это особенно актуально при запуске системы, когда максимальный расход в трубопроводе устанавливается в течение многих недель, месяцев и даже лет. Для снижения перепада давления необходимо определить области с максимальной интенсивностью турбулентности. Для этого применялся программный комплекс ANSYS CFX. Кроме этого, для планирования эксперимента и оптимизации формы диска использовался комплекс ANSYS DesignXplorer. За счет эффективного проведения множества последовательных гидродинамических расчетов ANSYS DesignXplorer позволил быстро прийти к требуемому результату. В данном случае была найдена форма диска, соответствующая минимальным потерям давления в тракте. Данный комплекс позволяет проводить оптимизацию при помощи поверхностей отклика. Инженер может менять входные параметры и сразу видеть результаты. Кроме этого, была проведена оптимизация сборки рычага и заслонки с целью уменьшения нагрузок и деформации деталей. Для этого использовались программные комплексы ANSYS DesignXplorer, ANSYS DesignModeler и ANSYS Mechanical. В результате масса и инерционные параметры деталей сократились на 50%, благодаря чему клапан смог дольше оставаться в открытом положении при низких расходах. Также была проведена оптимизация рабочего угла, что увеличило время работы клапана в открытом положении на 75%.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА С помощью ANSYS Mechanical рассчитывались нагрузки при нелинейном контактном взаимодействии в деталях, работающих под давлением. Кроме этого, рассчитывалась ударная сила и отклонение закрытой заслонки в аварийном режиме. Использование современных программных комплексов ANSYS позволило разработать проекты клапанов нового поколения с улучшенными техническими характеристиками; их выход на рынок запланирован на начало 2009 г. Для изучения рабочих характеристик клапанов при различных расходах и типах жидкости использовались программные комплексы ANSYS CFX и ANSYS DesignXplorer. Поскольку конечное положение рычага и заслонки зависит от множества факторов (действия входного течения жидкости, гравитации и внешних нагрузок), то для моделирования эксплуатационных характеристик одного клапана требуется значительное количество времени. Расчет проводился для 50 клапанов различных размеров и конфигураций. При стандартном подходе моделирование эксплутационных характеристик при всех возможных условиях подачи жидкости для 50 моделей клапанов может затянуться на долгие годы. Перед специалистами компании Cameron стояла задача сократить время расчета до 1 суток. В результате совместной работы компаний Cameron и ANSYS, Inc. был разработан подход с использованием ANSYS CFX и ANSYS DesignXplorer, в котором могли моделироваться эксплутационные характеристики для каждой модели клапана при различном расходе и условиях подачи входящей жидкости в требуемые сроки. Всевозможные наклонные положения сборки диска и рычага моделировались с помощью ANSYS DesignXplorer, для работы с геометрическими моделями использовался ANSYS DesignModeler. После этого результаты экспортировались в ANSYS CFX для определения перепада давления в зависимости от расхода на входе клапана. Кроме этого, в ANSYS CFX определялся момент вращения на рычаге. Затем результаты расчетов в ANSYS CFX были переданы в ANSYS DesignXplorer для моделирования 15-ти фаз движения клапана (от полностью открытого до полностью закрытого

Изменение распределения давления в клапане от полностью открытого до полностью закрытого положения (снизу вверх). положения) и расхода жидкости на входе (от минимума до максимума). В итоге была получена кривая зависимости потерь давления от расхода на входе в клапан в условиях равновесия. Подобные кривые отображают режим течения при различных расходах. Они создавались для всех 50-ти моделей клапанов, причем результаты были получены за несколько часов.

Поверхность отклика отображает зависимость угла наклона от перепада давления в запорном клапане.

Каталог ANSYS 2009 43

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА

ANSYS® CFD-Post™ Унифицированный постпроцессор для CFD продуктов компании ANSYS, Inc.

Одним из важнейших этапов CFD-моделирования является анализ результатов. Для визуализации полученных результатов необходим постпроцессор, он позволяет пользователю понять характер и особенности течения в конструкции. Комплекс ANSYS® CFDPost™ является общим постпроцессором для всех гидрогазодинамических кодов ANSYS, предоставляющий пользователю исчерпывающий набор инструментов для визуализации и анализа результатов. Комплекс ANSYS CFD-Post обладает современным и интуитивным пользовательским интерфейсом, более того, он позволяет создавать высококачественные иллюстрации полевых величин с любым уровнем детализации. Неполный перечень возможности визуализации включает отображение векторных величин, линий тока, вихревых структур, анимации, трехмерных изображений. Высококачественные иллюстрации помогают представлять результаты расчетов коллегам и заказчикам, они также позволяют объяснить и внести ясность в сложные явления динамики жидкости и газа. Представление количественной информации является важнейшей частью комплекса ANSYS CFDPost. Благодаря встроенным возможностям постпроцессора пользователь может оперативно получить

любые необходимую количественную информацию: средневзвешенные данные, массовый расход, силы, максимальные/минимальные значения и множество других возможностей. В комплексе существуют возможности отображения табличных данных, построения графиков, создания автоматических отчетов, а также использования специализированных инструментов для анализа параметров турбомашин. Не менее важным аспектом является автоматизация процесса. Пользователь может с легкостью создать макрос, например, записать интерактивные действия в файл сессии, с последующей возможностью повторного выполнения в подобных задачах. Кроме того, существует возможность автоматического создания иллюстраций, графиков, таблиц и отчетов для различных результатов расчетов. Важной особенностью ANSYS CFD-Post является возможность работы в пакетном режиме, что, в свою очередь, позволят автоматизировать процессы и интегрировать его в цикл оптимизации. В ANSYS CFD-Post содержатся ключевые технологии, позволяющие получить требуемую информацию из проведенного CFD-расчета.

Сравнение результатов Комплекс ANSYS CFD-Post позволяет анализировать одновременно несколько расчетов, что значительно упрощает процесс сравнения различных вариантов изделия или условий работы. Результаты FSI-расчета также могут сравниваться одновременно, с синхронизацией шага по времени для нестационарных расчетов. Более того, предоставляется возможность визуализации полевой величины различия между двумя расчетами, а также оценки ее количественных характеристик.

Трехмерные результаты ANSYS CFD-Post предоставляет пользователю исчерпывающий набор инструментов для визуализации и анализа результатов CFD-моделирования.

Каталог ANSYS 2009

Любые изображения, создаваемые в комплексе ANSYS CFD-Post, могут быть сохранены как обычные двумерные рисунки в таких форматах как JPG или PNG. Одна-

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА

Сравнение результатов многовариантного расчета в ANSYS CFD-Post.

Пример создания трехмерного изображения в ANSYS CFD-Post для результатов моделирования внешней аэродинамики болида F1 (команда Sauber).

ко использование двумерных изображений в презентациях не всегда является достаточно убедительным и информативным. В этих случаях можно воспользоваться средством сохранения трехмерных изображений в ANSYS CFD-Post. Такие изображения можно просматривать с помощью бесплатно распространяемой ANSYS утилитой для просмотра трехмерных изображений — CFD-Viewer. Более того, существует возможность встраивать такие трехмерные изображения в Microsoft® PowerPoint®, что, в свою очередь, значительно повышает информативность презентации.

Настраиваемые отчеты Каждая сессия в комплексе ANSYS CFD-Post включает создание отчета на основе стандартного шаблона. Простые операции добавления и удаления текста, изображений, графиков, таблиц и т.д. позволяют пользователям выбрать величины, данные и характеристики, сохраняемые в отчете. Отчеты автоматически обновляются с новыми результатами расчета. Итоговый отчет может быть преобразован в формат HTML, в том числе с трехмерными изображениями.

Анализ турбомашин Постпроцессор ANSYS CFD-Post может работать в специальном режиме, оптимизированном для анализа турбомашин, позволяющий отобразить меридиональное сечение (например, выводить значения па-

Пример создания пользовательского отчета в ANSYS CFD-Post.

Каталог ANSYS 2009 45

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА раметров, осредненные в окружном направлении), размножить отдельный межлопаточный канал для отображения лопаточного колеса целиком, построить любое поперечное сечение между корневым и периферийным сечениями. В этом режиме доступны специализированные шаблоны и опции отображения графиков, а также автоматическое формирование отчетов для различных типов турбомашин.

Анимация Независимо от типа анализа (стационарный или нестационарный), благодаря использованию анимации, полученные CFD-результаты выглядят более динамичными. Создать анимацию можно с помощью меню выбора ключевых кадров, после чего полученную анимацию можно сохранить в высококачественном компактном формате MPEG 4. Благодаря множеству графических инструментов, таких как текстурирование, анимации из комплекса ANSYS CFD-Post без сомнения впечатлят аудиторию.

Вычисления и выражения Программный комплекс ANSYS CFD-Post содержит большой спектр функций для выполнения операций над результатами расчета, в том числе для получения интегральных характеристик. Подобные операции можно реализовать с использованием языка выражений, являющегося неотъемлемой частью комплекса

ANSYS CFD-Post предлагает широкий набор инструментов для анализа результатов расчета течения в турбомашинах.

Отображение результатов расчета напряженно-деформированного состояния конструкции в ANSYS CFD-Post (распределение напряжений по Мизесу).

Каталог ANSYS 2009

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА

ANSYS® POLYFLOW® ANSYS® POLYFLOW® предназначен для моделирования технологических процессов, характерных для производства изделий из полимеров/пластмасс, резины, стекла.

ANSYS® POLYFLOW® — программный комплекс, предназначенный для моделирования процессов обработки полимеров, стеклоформовки, обработки пищевых продуктов (в том числе и неньютоновских жидкостей), а также для расчетов поведения материалов с нелинейными эффектами расширения, эффектами памяти, вязкоэластичных сред, где используются расчётные модели Giesekus-Leonov, Phan Thien-Tanner, FENE P, POMPOM. Новая версия ANSYS POLYFLOW 3.12 отличается быстротой и эффективностью благодаря использованию новых специализированных решателей, таких как Algebraic Multi-Frontal Solver, Secant Solver, ILU Solver, Interative Solver. Для проведения расчета НДС результаты моделирования в ANSYS POLYFLOW могут экспортироваться в другие комплексы линейки программных продуктов ANSYS 12.0, что существенно облегчает процесс создания виртуальных прототипов и делает процесс внедрения новых разработок и технологий в серийное производство крайне полезным и эффективным. В ANSYS POLYFLOW существует обширная библиотека моделей вязкоупругих материалов (пластмасса, резина, паста, тесто), обладающих одновременно свойствами жидкости и твердого тела, что, в свою очередь, обычно создает значительные проблемы при использовании традиционных CFD-кодов или пользовательских программ.

• • • • • • • • • • • • • • • • • •

Возможности моделирования •

• •

Постановка задачи: 2D (двумерная), 2.5D (двумерная, включающая третью компоненту скорости), 2D осесимметричная, 2D осесимметричная с вращением, 3D потоки, 3D оболочечные элементы и 2D мембраны (отливка плёнки). Моделирование изотермических и неизотермических процессов. Стационарные и нестационарные расчеты.

Моделирование гидродинамики обычных ньютоновских жидкостей. Расчет различных режимов поведения вязкоэластичного потока. Теплообмен конвекций, излучением; теплопроводность, электрический нагрев. Моделирование свободной поверхности с помощью деформируемой расчетной сетки. Инверсионная проблема для экструзии. Внутренние подвижные поверхности. Статические и динамические контактные точки. Пористые среды (подчиняющиеся закону Дарси). Химические смеси и реакции. Объёмные источники тепла, массы, вязкостный нагрев, электрический потенциал, джоулев нагрев, всплытие пузырей. Жидкостно-структурное взаимодействие (FSI). Тепловая вязкоэластичная модель Narayanaswamy для застывающей стеклянной массы (доступна с версии 3.12). Упрощенный термомеханический анализ напряжений после охлаждения. Контактное взаимодействие. Технология суперпозиции расчетных сеток. Пользовательское программирование (с использованием UDF). Оптимизация. Экспертная система для диагностики сходимости решения и выдачи рекомендаций по исправлению начальных критериев для невязок, анализа доступных системных ресурсов (оперативной памяти) и пр.

Расчетная сетка •

Типы элементов: четырехугольники, треугольники, гексаэдры, тетраэдры, призмы, пирамиды, трехмерные тонкие оболочки. Гибридные сетки.

Каталог ANSYS 2009 47

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА −

•

Метод Лагранжа для перестроения трехмерных тонких оболочек. Вывод текущей информации о генерации сетки в информационном окне графического интерфейса

Решатели

Адаптивная сетка в моделировании процесса формовки. • • • • •

• • •

Сетки типа «P-Mesh» (группы из существующих 1D, 2D или 3D топологий). Возможность использования неконформного сеточного интерфейса. Интерполяция, включающая в себя константы, линейные и квадратичные зависимости. Импорт сеток из GAMBIT, GeoMESH, FIGEN, POLYMESH, POLYM3D, Ideas V12, PATRAN. Адаптивная сетка (для задач динамики): − Конформная адаптация для треугольной и тетраэдральной сеток. − Склеивание узлов и сеток любых типов. − Задание критериев адаптации (на основе кривизны изделия, кривизны свободной поверхности, размеров изделия, локальной деформации расчетной сетки и пр.). Автоматическая интерполяция решения после сеточного перестроения на каждом шаге. Опции манипулирования расчётной сеткой (например, масштабирование, перемещение, вращение). Технология перестроения деформируемой сетки: − Эффективное перестроение 2D сетки методом «SPINES». − Надежное перестроение 2D сетки c использованием методов Optimesh, Elastic, Lagrangian, Thompson. − Эффективное перестроение 3D сетки c использованием методов Optimesh, Streamwise.

Каталог ANSYS 2009

ANSYS POLYFLOW использует метод конечных элементов на полностью неструктурированных сетках. В комплекс встроено несколько решателей, которые позволяют проводить вычисления с одинарной или двойной точностью. Существует опция автоматического выделения оперативной памяти. Кроме того, решатели ANSYS POLYFLOW содержат возможности: • Схемы Newton-Raphson и Picard iteration для расчёта вязкости. • Модели эластичной вязкости EVSS и DEVSS. • Время интегрирования: Implicit Euler, Implicit Galerkin, Crank-Nicolson.

Реологические модели В комплекс ANSYS POLYFLOW встроены реологические модели Newtonian (constant), Bird-Carreau, Cross, Carreau-Yasuda, Bingham, Herschell-Bulkley.

Пример использования ANSYS POLYFLOW при производстве пластмасс, кабелей, резиновых изделий специального назначения. Температурная зависимость свойств материалов может быть задана полиномиальной зависимостью, по Аррениусу (в первом приближении), в приближе-

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА нии Аррениуса и двум касательным напряжениям связанных с двумя направлениями, по Фулчеру, по рекомендациям WLF

Вязкоэластичные модели В программном комплексе ANSYS POLYFLOW существуют следующие вязкоэластичные модели: Maxwell, Oldroyd-B, White-Metzer, Phan Thien-Tanner, Giesekus, FENE P, а также интегральные вязкоэластичные модели (для 2D и 3D тонких оболочек), такие как LodgeMaxwell, Doi-Edwards, Papanastasiou-Scriven-Macosko. Температурная зависимость свойств вязкоэластичных материалов может быть реализована в нескольких вариантах.

Химические реакции и моделирование процессов горения • • •

Экспорт файлов из графического интерфейса ANSYS POLYFLOW в ANSYS CFX-Post.

Модель конечной скорости химических реакций (для горения). Модель с пенообразованием. Модель с затвердеванием реагирующих компонентов.

Параллельные вычисления • •

Процесс распараллеливания решения возможен на всех поддерживаемых платформах ANSYS. Используется метод декомпозиции расчетной области с использованием внутренней технологии кода ANSYS POLYFLOW — METIS.

Моделирование технологических процессов, связанных с экструзией пластмасс и материалов, находит широкое применение в автомобильной отрасли.

Постпроцессор и экспорт файлов В текущем релизе ANSYS POLYFLOW 3.12 реализована возможность прямого экспорта файлов с расширением *.cdb в расчетные пакеты ANSYS® Mechanical™, ANSYS® Structural™ и в постпроцессор ANSYS® CFXPost™. Кроме того, имеется возможность экспорта результатов расчёта в различные файловые форматы, расчетные пакеты и постпроцессоры, такие как EnSight, FIELDVIEW, Ideas и др. Примеры использования ANSYS POLYFLOW 3.12 в технология литья пластмасс и резиновых изделий: ANSYS POLYFLOW часто используют при моделировании процессов выдувки пластиковых бутылок, термоформовке упаковочных материалов для медицинских и пищевых продуктов, экструзии при разра-

Последовательный расчет деформаций в сложном профиле с различной скоростью экструзии. Результаты представлены в постпроцессоре ANSYS CFX-Post. ботке резиновых уплотнений, стеклоформовке и пр. Технологии и решения ANSYS POLYFLOW также нашли широкое применение в фармацевтической индустрии при штамповке таблеток и упаковочного материала.

Каталог ANSYS 2009 49

БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИЕ ВЫСОКОНЕЛИНЕЙНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Для моделирования быстропротекающих процессов и решения задач с большими деформациями и напряжениями с использованием явных методов, компания ANSYS предлагает программные продукты ANSYS AUTODYN и ANSYS LS-DYNA.

БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИЕ ВЫСОКОНЕЛИНЕЙНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ANSYS® AUTODYN® ANSYS® AUTODYN® – один из лучших программных комплексов для расчетов задач динамики конструкций, нестационарных течений, моделирования поведения материалов и др.

ANSYS® AUTODYN® — один из лучших программных комплексов для расчетов задач динамики конструкций, нестационарных течений, моделирования поведения материалов и др. Комплекс получил большую популярность благодаря расчетам задач из области физики взрывов и ударов, а также определению отклика конструкций на ударно-волновое воздействие. ANSYS AUTODYN нашел применение в таких приложениях как: • Оптимизация и разработка систем броневой защиты и бронебойных систем. • Разработка противоминной защиты транспортных средств. • Разработка мер по защите зданий и оценка страхового риска при взрывах и городских центрах. • Оценка уязвимости электростанций при падении самолетов. • Расчет действия перфорационных зарядов для нефтяных обсадных труб. • Расчет вывода из эксплуатации нефтедобывающих платформ.

•

Разработка системы противометеоритной защиты международной космической станции. • Оценка безопасности ускорителей частиц. • Определение свойств материалов, подвергаемых высокодинамическим воздействиям. ANSYS AUTODYN включает набор решателей с явным типом интегрирования для анализа динамики твердых тел, жидкостей, газов и их комбинаций в 2D и 3D постановках: • Метод конечных элементов (FE) для расчетов динамики конструкций. • Метод ALE с адаптивным выравниванием сетки. • Решатели, основанные на методе конечных объемов для расчета быстропротекающих нестационарных процессов вычислительной гидродинамики (CFD) для ламинарных течений: VOF (Volume Of Fluid) — решатели метода конечных объемов для многокомпонентных сред и FCT (Flux Corrected Transport) — решатель повышенной точности для расчета течений идеального газа, предназначенный для более точного расчета воздушных ударных волн.

Моделирование падения и удара о твердую поверхность мобильного телефона в ANSYS AUTODYN.

Каталог ANSYS 2009 51

БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИЕ ВЫСОКОНЕЛИНЕЙНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ •

Беcсеточный метод (метод сглаженных частиц) для расчета больших деформаций и разрушений (SPH). Комплекс ANSYS AUTODYN поддерживает работу со всеми типами структурных элементов: оболочками, мембранами, балками, стержнями, пружинами, демпферами и т.д. Для увеличения производительности программный комплекс ANSYS AUTODYN представляет собой интегрированный продукт, в который входят препроцессор, постпроцессор и расчетный модуль. Интерактивный графический интерфейс позволяет визуализировать результаты решения в реальном времени. В ANSYS AUTODYN реализована возможность рестарта и преобразования типа задачи на любом этапе решения из FE в CFD постановку и наоборот. Данные могут быть изменены/ добавлены/ удалены на любой стадии расчета. ANSYS AUTODYN полностью интегрирован в среду семейства продуктов ANSYS® Workbench™, при этом реализованы: • Поддержка двунаправленной параметрической связи с ANSYS® DesignModeler™ и CAD-моделями.

• •

Доступ к мощному сеточному препроцессору, основанному на ANSYS Workbench. Импорт преднагруженного состояния по результатам расчетов в ANSYS Structural.

Контактные алгоритмы и связывание решателей Контактные технологии ANSYS AUTODYN включают следующие возможности: • Три контактных алгоритма для лагранжевых частей. • Связи для решателей в координатах Лагранжа и Эйлера: − Произвольные сеточные поверхности. − Связывание с тонкими структурами. − Двухсторонняя связь с тонкими структурами. − Связывание с пористыми структурами. • Связи между структурными элементами. • Связи между конечными элементами и SPHчастицами. • Возможность расчета с различными временными шагами для разных частей модели (subcycling). • Возможность комбинации структурированных и неструктурированных сеток.

Модели материалов

Взрыв мины и ее действие на днище бронированного автомобиля Hammer.

Каталог ANSYS 2009

Комплекс ANSYS AUTODYN содержит обширный набор моделей материалов, включающий модели механического и термодинамического поведения. Итоговая модель физико-механического поведения материала строится на комбинации модели прочности, уравнения состояния и модели разрушения: • Модели прочности: − упругая модель; − вязкопластическая модель; − модели с деформационным упрочнением; − модели с упрочнением в зависимости от скорости деформации; − модели с термическим разупрочнением; − модели компактирования пористых материалов; − модели бетона и грунта; − модель для стекла и керамики; − трехинвариантная модель; − ортотропная модель прочности; − ортотропная модель для объемных элементов;

БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИЕ ВЫСОКОНЕЛИНЕЙНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ •

Интеграция ANSYS AUTODYN в среду ANSYS Workbench. − •

ортотропная модель для оболочечных элементов; − модель многослойных оболочек. Уравнения состояния: − линейное; − идеальный газ; − Ми-Грюнайзена; − аналитическое многофазное; − табулированное многофазное; − двухфазное «жидкость-газ»; − продукты детонации заряда ВВ; − табулированное для пористых сред; − p-alpha для пористых сред.

Модели разрушения: − по максимуму напряжений/деформаций; − по интенсивности напряжений/деформаций; − сдвиговое разрушение; − ортотропное разрушение; − модель Johnson-Holmquist; − модель Johnson-Cook; − ортотропное по максимальному напряжению/деформации; − модели Tsai-Wu, Tsai-Hil; − модель разупрочнения трещинами; − стохастическая модель. • Пользовательские модели материалов. • Практически все модели могут быть использованы со всеми решателями, в том числе учитывать прочностные и вязкие свойства материалов в эйлеровых координатах. • Практически все модели могут быть использованы с эрозией (смерть элементов). ANSYS AUTODYN включает базу данных с константными наборами для более 270 различных материалов: металлов, керамики, стекла, бетона, грунтов, взрывчатых веществ, воды, воздуха и многих других твердых, жидких и газообразных веществ.

Расчет кумулятивного заряда с использованием многокомпонентного метода в эйлеровых координатах.

Расчет дробления кольца с использованием стохастической модели разрушения материала.

Программный комплекс работает как в последовательном, так и параллельных режимах под управлением Microsoft® Windows®, Linux® и UNIX® систем. Поддерживаются как системы с общей памятью, так и кластерные системы с распределенной памятью.

Каталог ANSYS 2009 53

БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИЕ ВЫСОКОНЕЛИНЕЙНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ANSYS® Explicit STR™ Лицензия ANSYS® Explicit STR™ позволяет рассчитывать задачи нестационарной нелинейной динамики явными методами в расчетном модуле Workbench Mechanical среды ANSYS® Workbench™ с использованием решателя ANSYS® AUTODYN™.

Продукт ANSYS® Explicit STR™ позволяет рассчитывать задачи нестационарной нелинейной динамики явными методами в расчетном модуле Workbench Mechanical (WB Mechanical) среды ANSYS® Workbench™ с помощью решателя ANSYS® AUTODYN®. При этом в

ANSYS 12.0 возможно использование только лагранжевого неструктурированного решателя явного метода конечных элементов. Принцип работы программного комплекса ANSYS Explicit STR аналогичен работе ANSYS® Structural™ и ANSYS® Mechanical™ в модуле WB Mechanical за исключением дополнений, характерных для нестационарных нелинейных задач.

Окно проекта при работе с ANSYS Explicit STR (Explicit Dynamics). Рабочая среда ANSYS Mechanical в режиме Explicit Dynamics.

Моделирование удара по пивной банке в среде ANSYS Explicit STR.

Каталог ANSYS 2009

В управлении инженерными данными (Engineering Data) реализованы специализированные модели материалов для задач нелинейной динамики (Explicit). В ANSYS Explicit STR доступна библиотека константных наборов для различных материалов, аналогичная ANSYS AUTODYN. Особенностью работы для задач нестационарной нелинейной динамики Explicit Dynamics в дереве в каталоге Connections используется раздел Body Interactions, в котором задаются взаимодействия тел, характерные для задач Explicit.

БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИЕ ВЫСОКОНЕЛИНЕЙНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ANSYS® LS-DYNA® ANSYS® LS-DYNA® — программный комплекс для анализа высоконелинейных динамических процессов, объединяющий возможности пре- и постпроцессоров ANSYS APDL и решателя LS-DYNA, разработанного компанией Livermore Software Technology Corporation.

ANSYS® LS-DYNA® — программный комплекс для анализа высоконелинейных динамических процессов, объединяющий возможности пре- и постпроцессоров ANSYS APDL и решателя LS-DYNA, разработанного компанией Livermore Software Technology Corporation (LSTC) – подразделении Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL). На сегодняшний момент ANSYS LS-DYNA является наиболее мощным и популярным пакетом для моделирования динамических задач. В основу вычислительных алгоритмов заложен явный метод интегрирования по времени полной системы уравнений механики сплошных сред. Явный тип интегрирования является оптимальным для решения кратковременных динамических задач с быстроменяющимися параметрами и позволяет свести систему уравнений к последовательно и независимо решаемым алгебраическим уравнениям, что, кроме того, упрощает использование физических соотношений для описания поведения материалов и позволяет использовать очень сложные модели. Типичные приложения ANSYS LS-DYNA: • Задачи ударостойкости конструкций при больших деформациях, скоростях деформаций и разрушении материалов: столкновения автомобилей и других транспортных средств, тесты на падение различного оборудования, аварийное разрушение промышленного оборудования и силовых установок, баллистический удар и проникание тел в различные среды, прогрессирующее разрушение зданий и сооружений и пр.

•

Задачи взрыва и ударно-волнового нагружения конструкций: детонация зарядов взрывчатых веществ, распространение ударных волн в различных средах. Связанные динамические задачи взаимодействия жидкостей и конструкций: падение и прострел контейнеров с жидкостью, аварийная посадка летательных аппаратов на воду, воздействие высокоскоростных струй жидкостей и газов на конструкции при больших деформациях и перемещениях. Квазистатические и динамические задачи поведения материалов при больших деформациях: обработка металлов давлением, резка, задачи геомеханики и деформирования материалов со сложным физико-механическим поведением. Термо-механические нестационарные задачи.

Решатели и основные технологии: • • • •

Лагранжев континуальный явный метод конечных элементов. Решатель для тонких оболочек с различными формулировками. Решатель для балочных и дискретных элементов. Произвольный лагранжев-эйлеров метод ALE (Arbitrary Lagrangian-Euleran).

Пример моделирования разрушения лопаток компрессора.

Каталог ANSYS 2009 55

БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИЕ ВЫСОКОНЕЛИНЕЙНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ • • • • • • •

• • • • • • •

Однокомпонентный эйлеров метод. Многокомпонентный эйлеров метод МЕН (Multimaterial Euler Hydrodynamics). Безсеточный метод сглаженных частиц SPH (Smooth Particle Hydrodynamics). Безсеточный метод Галеркина EFG (Element Free Galerkin). Неявный лагранжев решатель для переходных процессов и модального анализа. Моделирование заклепок, точечной сварки, сварных швов. Встроенные модели манекенов, ремней безопасности, преднатяжителей и подушек безопасности для задач автомобильной промышленности. Расчет теплопроводности, решение связанных нестационарных термо-механических задач. Адаптивное и интерактивное перестроение сеток. Подключение пользовательских процедур обработки элементов, контактов, граничных условий, моделей материалов и пр. Возможности внесения серьезных изменений при рестарте. Импорт преднагруженного состояния и экспорт деформируемой модели в ANSYS® Structural™. Подключение модулей оптимизации. Распараллеливание на SMP- и MPP- платформах.

Модели материалов Программа включает более 200 различных моделей, описывающих физико-механическое поведение материалов в условиях динамического деформирования: • металлы и пластические материалы; • хрупкие материалы: стекло, керамика; • эластомеры; • геоматериалы (грунты, скальные породы, бетоны); • анизопропные и ортотропные композиты; • пористые материалы; • текстильные материалы; • жидкости и газы; • древесина; • энергетические материалы (взрывчатые вещества и пороха, модели детонации и горения, в том числе и кинетические); • абсолютно жесткие тела. Для многих моделей существует возможность подключения дополнительного уравнения состояния.

Каталог ANSYS 2009

Аварийное разрушение подземного газопровода.

Контактные технологии Комплекс ANSYS LS-DYNA включает наиболее быстрые и эффективные контактные алгоритмы по сравнению с аналогичными алгоритмами в конкурентных программных продуктах. Основные возможности комплекса ANSYS LS-DYNA по моделированию контактного взаимодействия: • Более 30 различных контактных алгоритмов для лагранжевых частей: − автоматический контакт; − контакт с эрозией; − контакт типа «склейка» с возможностью разрушения; − контакт ребер; − контакт балок и тросов; − контакт для соединений с натягом; − термический контакт. • Автоматический поиск и устранение начальных внедрений. • Контакт эйлеровых и лагранжевых частей, а также нескольких эйлеровых частей. ANSYS LS-DYNA обладает всеми функциональными возможностями базового решателя и большинством макрокоманд языка APDL. Поддерживается возможность последовательного импорта результатов из других продуктов ANSYS в ANSYS LS-DYNA и обратно для расчетов динамических задач с учетом преднагруженного состояния и упругого последействия. Начиная с 12-й версии в ANSYS появилась возможность подготавливать расчетную модель в среде ANSYS® Workbench™.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Электромагнитные решения ANSYS представлены четырьмя продуктами: ANSYS® Emag™, ANSYS® Multiphysics™, Maxwell® и HFSS™. Каждый из продуктов ориентирован на тот или иной сегмент рынка электронный устройств и электротехнических изделий, начиная от мощных силовых трансформаторов и заканчивая устройствами типа МЭМС.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Maxwell® Maxwell® — специализированный программный комплекс для моделирования электромагнитных полей. Используется при проектировании таких устройств, как электромоторы, переключатели, трансформаторы и другие электронные устройства.

Maxwell® — ведущий программный комплекс для моделирования электромагнитных полей, используемый для проектирования и исследования двумерных и трехмерных моделей двигателей, датчиков, трансформаторов и других электрических и электромеханических устройств. Наибольшее применение комплекс Maxwell нашел в таких отраслях, как авиастроение, автомобилестроение и биомедицина. Программный комплекс Maxwell базируется на методе конечных элементов и с высокой точностью решает электромагнитные задачи в статической, гармонической и переходной постановках. Комбинация Maxwell с программным комплексом Simplorer® позволяет рассчитывать мощные высокоуровневые электромеханические системы. Подобные технологии позволяют пользователям выполнять комплексный расчёт систем, состоящих из цифровых и аналоговых цепей, датчиков, электромагнитных устройств, механических, гидравлических и других типов нагрузок, и в конечном счёте создавать наиболее полную электромеханическую модель конечного продукта — автомобиля, самолёта и т. д. Maxwell позволяет передавать данные в модуль ePhysics™ для выполнения теплового и прочностного анализов.

Моделирование электромагнитных полей Maxwell позволяет выполнять 2D/3D переходной, гармонический и статический магнитный анализ, электростатический и электродинамический расчёты, вычислять силу, момент, электрическую ёмкость, индуктивность, реактивное и активное сопротивление.

Каталог ANSYS 2009

Автоматическая адаптивная сетка В программном комплексе Maxwell используется уникальная технология автоматической адаптации сетки, разработанная компанией Ansoft. Устойчивый алгоритм генерации сетки автоматически создаёт и уточняет конечноэлементную сетку для более точного решения; генерация и оптимизация сетки достаточно проста и понятна для пользователя.

Динамическая связь с ePhysics Результаты решения в Maxwell 3D могут быть переданы в модуль ePhysics для расчёта температурного и напряжённо-деформированного состояния изделия. Эта технология позволяет рассчитывать электромеханические устройства, для которых требуется многодисциплинарное моделирование.

Динамическая связь с Simplorer Динамическая связь с модулем Simplorer позволяет создавать многоуровневые системы, комбинировать логические, цифровые, аналоговые элементы с электромагнитными моделями, и решать комплексные электромеханические задачи.

Импорт геометрии Maxwell позволяет импортировать CAD-модели для оптимального расчётного процесса при разработке изделия.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Многопроцессорные и распределённые вычисления Maxwell позволяет использовать мощь многопроцессорных компьютеров и распределённых систем для ускорения работы при проектировании больших систем.

ближений. Эти модули имеют прямую связь с программным комплексом Maxwell и обеспечивают полное автоматические создание геометрии и аналитический анализ. Пользователь может достаточно быстро осуществить предварительные расчёты в RMxprt и PExprt, выбрать необходимый вариант конструкции и произвести строгий анализ с использованием Maxwell.

Оптимизация Программный модуль Optimetrics™ обеспечивает параметризацию, оптимизацию, расчёт чувствительности и статистический анализ в процессе работы в Maxwell. Optimetrics автоматически производит оптимизацию конструкции, быстро определяет оптимальные значения геометрических параметров для обеспечения заданных пользователем критериев.

Модификация пре- и постпроцессора Программные модули RMxprt™ (проектирование электрических машин) и PExprt™ (проектирование магнитных компонент) используютcя для разработки устройств на основе традиционных аналитических при-

Приложения • • • •

•

Электромеханика: моторы и генераторы, поступательные и вращающиеся электромагниты, реле, МЭМС. Электромагнетизм: катушки, постоянные магниты, датчики. Силовая электроника: трансформаторы, преобразователи, токопроводящие шины, IGBT транзисторы и другие устройства. Поведение электромагнитных полей: изучение экранирования, электростатический разряд, электромагнитное экранирование, электромагнитная совместимость, полупроводники. Биомедицина.

Проект полной электромеханической схемы, выполненный в Simplorer.

Каталог ANSYS 2009 59

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Моделирование работы электрического двигателя в Simplorer и Maxwell 2D.

−

Ключевые возможности Maxwell •

• • • •

Моделирование низкочастотных двумерных и трехмерных электромагнитных полей методом конечных элементов: − Переходный нелинейный анализ (при движении (вращение, поступательное движение, вращение по произвольной траектории) компонентов; cтыковка с внешней электрической схемой; анализ размагничивания постоянного магнита; вычисление магнитных потерь). Гармонический электромагнитный анализ: анализ вихревых токов с учётом скин-эффекта. Магнитостатика. Расчет электрических полей (переходной анализ; электростатика; расчёт растекания тока и пр.). Отображение результатов и формирование отчётов: − Визуализация и анимация полей (контурная, векторная, цветовая заливка). − Визуализация конечноэлементной модели (полностью или частично). − Токи, наведённая электродвижущая сила (ЭДС), магнитный поток, мощность потерь, запасенная энергия.

Каталог ANSYS 2009

•

• •

•

Магнитные потери, потери на гистерезис (включая частные петли). Исполнение и интеграция: распределённые вычисления параметрических моделей; поддержка 64-bit платформ; cвязь с Simplorer, ePhysics, HFSS™, RMxprt, PExprt. Геометрическое моделирование: − стандартные примитивы; − логические операции (объединение, вычитание, пересечение); − прямой импорт SAT и DXF файлов; − импорт STEP, IGES и Pro/E файлов посредством AnsoftLinks™. Технология автоматической адаптивной сетки. Универсальный менеджер материалов: − пользовательские, групповые и системные библиотеки; − линейные, нелинейные анизотропные материалы; − ориентация свойств по системам координат. Интеграция с Optimetrics: − параметризация геометрии и материалов; − оптимизация, анализ чувствительности, статистический анализ.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

HFSS™ HFSS™ предназначен для расчета трехмерных высокочастотных электромагнитных полей, определения S-параметров, анализа электромагнитной совместимости устройств, построения частотно-зависимой модели схем распределения питания и пр.

HFSS™ (High Frequency System Simulator) — специализированный программный комплекс для трехмерного анализа высокочастотных электоромагнитных полей и высокоскоростных компонентов. HFSS позволяет с высокой точностью рассчитывать параметры СВЧ-устройств: матрицы рассеивания, матрицы импедансов и пр. Кроме того, комплекс позволяет рассчитывать S-параметры, которые могут использоваться далее в программах анализа линейных и нелинейных схем. Для электродинамического моделирования в HFSS используется метод конечных элементов в полной волновой постановке. Использование метода конечных элементов обеспечивает высокую степень универсальности численных алгоритмов, которые оказываются весьма эффективными для широкого круга задач. Используя программный комплекс HFSS, инженер может определить паразитные параметры (S-рассеивание, Y-проводимость, Z-импеданс), визуализировать трехмерное электромагнитное поле в ближней и дальней зоне, а также сгенерировать Full-Wave SPICE™ модель для оценки эффективности прохождения сигнала, включая потери при передаче, потери на отражение при не согласованных нагрузках, паразитные связи и излучение. База данных HFSS включает широкий спектр материалов с различной диэлектрической проницаемостью, магнитной проницаемостью, электрическими и магнитными тангенсами угла потерь. Пользователи могут использовать однородные, неоднородные, анизотропные, проводящие, резистивные и полупроводниковые материалы при моделировании. В 12-й версии HFSS появились новые иерархические базисные функции высокого порядка, которые в сочетании с итерационным решателем обеспечивают более точный расчёт электромагнитных полей. В связи с этим, можно использовать сетки меньшей размерности, а также эффективнее моделировать большие структуры (на длину укладывается большое количество длин волн).

Новый отказоустойчивый и высококачественный алгоритм генерации сетки увеличивает возможности HFSS при моделировании устройств со сложной геометрией. HFSS полностью совместим с программным комплексом Ansoft Designer®, используемым для сквозного проектирования радиоэлектронных систем, и Nexxim® — комплексом для анализа интегральных схем различного типа. Подобная интеграция HFSS позволяет комбинировать комплексные высоконелинейные электрические схемы с учётом свойств транзисторов и трехмерных моделей волновых компонент для решения сложных проблем при разработки электронных устройств.

Возможности комплекса HFSS Моделирование 3D высокочастотных электромагнитных полей: • • • • • • • • • •

Адаптивное сканирование для быстрой развёртки по частоте. Включение скин-эффекта, потерь и зависимостей от частоты. Извлечение паразитных параметров: матриц рассеивания, проводимости, импеданса. Автоматическое генерирование адаптивной сетки. «Лечение» геометрии, контроль разбиения сетки и гарантированная генерация сетки для импортированных CAD-моделей. Низкий, средний и высокий порядок элементов. Прямой и итерационный решатель Решатель матрицы собственных частот (для 64-bit систем). Периодический порт. Автоматическое назначение поля от нескольких источников, включая малые токи и бегущие волны.

Каталог ANSYS 2009 61

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ −

Full-Wave SPICE™ модели: •

Совместимость с Nexxim , HSPICE , Spectre RF и MATLAB®.

Вычисляемые параметры: • • • • • •

S-параметры (несимметричные, дифференциальные, нормированные, параметры согласования). Вычисление дальнего поля (2D, 3D, коэффициент усиления, диаграмма направленности). Вычисление импеданса и режима работы порта. Вычисление мощности поглощения. Волновое преобразование. Потери в материале и на излучение

− −

Maxwell® 3D (для расчета ферромагнитных компонент). ePhysics™ (для связанного теплового и прочностного анализа). AnsoftLinks™ (для импорта компоновок (Cadence, Mentor Graphics и Zuken) и геометрии (DXF, GDSII, Pro/E, Catia, STEP, IGES)).

Отчёты и визулизация: • • • • • • • • •

Визуализация матриц рассеивания, проводимости, импеданса. XY (2D) круговая диаграмма полных сопротивлений. Характеристическая поверхность сопротивлений. Дифференциальные S-параметры, коэффициенты отражения. Анимация и трехмерное отображение полей на поверхности. Ток, электрическое и магнитное поля. Диаграмма излучения. Векторное и скалярное представление. Калькулятор.

Настройки •

•

Параметрический расчёт и оптимизация: параметризация геометрии и материалов, N-мерное отображение, автоматическая оптимизация, анализ чувствительности и статистический расчёт. Распараллеливание расчётов: дискретное и с интерполяцией диапазона частот; изменение параметров; автоматическая оптимизация; анализ чувствительности и статистический расчёт. Динамическая связь с продуктами Ansoft: − Nexxim® и Ansoft Designer® (для расчёта аналоговых схем и моделирования ВЧ-/СВЧсистем и конструирования высокоскоростных устройств). − HFSS-to-HFSS связь позволяет решать большие 3D задачи, разбивая их на компоненты. − SIwave™ (для анализа электромагнитная совместимости (EMI/EMC)).

Каталог ANSYS 2009

Распределение поля от бортовой антенны.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Моделирование антенн, установленных на спутнике.

микросхем (SiP, PoP, CSP, BGA, LTCC, MCM, LTCC, MCM), печатных плат, ВЧ-/СВЧ-устройств (антенны, фильтры, волноводы, вращатели, трансформаторы МЭМС, персональные беспроводные устройства и пр.).

Излучение автомобильной антенны.

Процесс проектирования Комплекс HFSS содержит инструменты для твёрдотельного моделирования волноводов, антенн, соединителей, корпусов и т.п. Кроме того, в HFSS встроены средства диагностики импортированной геометрии на наличие дефектов. Применяя специальное приложение AnsoftLinks™, пользователь может импортировать в HFSS компоновки (слои) из таких комлексов, как Cadence, Mentor Graphics, Synopsys, Zuken, или геометрические данные в форматах DXF, GDSII, Pro/E, Catia, STEP и IGES. Полученные в HFSS S-параметры и SPICE-модели можно экспортировать с программные приложения для анализа ВЧ/СВЧ аналоговых схем такие как, Ansoft Designer®, DesignerSI™, Nexxim® и др.

Конструкция аппликатора с массивом РФ-антенн

Применение HFSS используется в разнообразных приложениях электронной индустрии: при проектировании высокоскоростных микросхем, интерконнекторов, корпусов

Температура опухоли через 6 мин после начала процедуры (47°С)

Каталог ANSYS 2009 63

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

RMxprt™ Проектирование вращающихся электрических машин.

RMxprt™ — универсальный программный продукт из линейки Ansoft для быстрого проектирования и оптимизации вращающихся электрических машин. Применяя RMxprt, пользователь может быстро рассчитать различные варианты конструкции проектируемой электрической машины. Программный комплекс автоматически создаёт многоуровневую модель изделия, которая включает геометрию, свойства материалов, разводку катушек, решает полный технический проект с силовой электроникой и системой управления. RMxprt предлагает множество параметризированных моделей электрических машин: асинхронные, синхронные, машины с щётками и электронной коммутацией — которые позволяют быстро и легко вводить требуемые конструктивные параметры и предварительно выбрать оптимальное соотношение параметров в начале процесса разработки. Критические характеристики, такие как зависимость момента от скорости, мощность потерь, магнитный поток в зазоре, коэффициент мощности (cos ψ) и другие параметры вычисляются очень быстро. В RMxprt использована классическая аналитическая теория расчёта электрических моторов, а также метод магнитных цепей для определения характеристик с учётом нелинейных магнитных характеристик. RMxprt позволяет транслировать геометрию, свойства, электрическую схему управления в Maxwell® 2D/3D для более точного расчёта методом конечных элементов. В программном комплексе содержится полная библиотека проволоки в соответствии со стандартами ANSI и IEC. RMxprt создаёт высокоточное пространство состояний, включающее в себя описание физической модели двигателя (геометрия, характеристики обмоток и нелинейные свойства материалов). Инженер может использовать эту модель, описывающую поведение двигателя, для исследования цепей питания, систем управления двигателем и создания полной электромеханической модели с управлением и датчиками в Simplorer®. Программный комплекс RMxprt дает возможность проанализировать множество вариантов за считан-

Каталог ANSYS 2009

ные минуты — это полезный инструмент для инженеров, позволяющий получить необходимые характеристики электрического двигателя с использованием входных данных. RMxprt может интегрироваться со сторонним программами посредством скриптов VB script, Tcl/TK, JavaScript®, Perl, Excel and MATLAB®. Типы машин: • Трехфазные асинхронные двигатели. • Однофазные асинхронные двигатели. • Трехфазные синхронные двигатели и генераторы. • Бесщеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. • Частотно-регулируемые синхронные двигатели и генераторы. • Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. • Вентильно-индукторные двигатели. • Синхронные двигатели с улучшенными пусковыми свойствами. • Универсальные коллекторные двигатели. • Обычные двигатели и генераторы постоянного тока. • Генераторы переменного тока с когтеобразными полюсами.

Типы параметризированных обмоток доступных в RMxprt.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

ANSYS® Emag™ ANSYS® Emag™ ориентирован на решение задач низкочастотных электромагнитных приложений, например, на расчет микроэлектромеханических устройств (МЭМС), электродвигателей, реле и соленоидов. Расчетные возможности комплекса могут быть объединены с ANSYS® Mechanica™l для решения связанных задач.

Электромагнитные решения ANSYS предназначены для анализа: • Низкочастных приложений: электродвигатели, реле, соленоиды, магниты. • Высокочастотных приложений: радиочастоты и проектирование микроволновых устройств, радиочастотная микроэлектромеханика (RF MEMS). Возможности электромагнитных решений ANSYS: • Анализ работы устройства с приложенными нагружениями и граничными условиями. • Визуализация электромагнитного поля в устройстве и вокруг устройства. • Эффект электромагнитного джоулевого нагрева и результирующие температуры. • Извлечение ключевых параметров проектирования, таких как крутящий момент двигателя или S-параметры. Электромагнитные решения ANSYS являются инструментом виртуального прототипирования, который может заменить множество электромагнитных физических испытаний. Это уменьшает время выхода продукта на рынок, сокращает затраты на модернизацию и позволяет увеличивать и оптимизировать характеристики изделия с минимальными затратами на физическое прототипирование.

Электромагнитные продукты Электромагнитные решения ANSYS: • ANSYS® Emag™. • ANSYS® Multiphysics™. • Maxwell®. • HFSS™. Продукт ANSYS Emag используется для моделирования низкочастотных приложений (электродвигатели, реле, соленоиды, магниты). ANSYS Emag может

Пример расчета электромагнита в ANSYS. Показана полная плотность магнитного потока. быть использован отдельно или в комбинации с другими программными продуктами ANSYS, такими как ANSYS® Mechanical™. Продукт ANSYS® Multiphysics™ ориентирован на анализ как низко-, так и высокочастотных приложений. Кроме решений ANSYS Emag, ANSYS Multiphysics содержит множество других возможностей и является наиболее полным многодисциплинарным продуктом, доступным на рынке сегодняшний день.

Низкочастотный электромагнетизм Продукты низкочастотного электромагнитного анализа ANSYS используются для стационарного, нестационарного, гармонического анализа низкочастотных электрических и магнитных полей. Пользователи могут моделировать низкочастотные электрические то-

Каталог ANSYS 2009 65

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ ния резонанса, распространения, излучения и рассеивания. Таким образом, программный комплекс позволяет выполнять расчет радиочастотных/микроволновых пассивных компонентов и цепей, проводить проектирование антенн. ANSYS Multiphysics позволяет рассчитать напряженность электрического и магнитного поля, добротность, параметры матрицы рассеивания, напряжение, ток, характеристическое сопротивление, сечение радара, ближнее и дальнее электромагнитные поля вне области модели и диаграммы направленности антенн.

Использование технологий ANSYS Multiphysics для термоэлектрического анализа гибридной микросхемы.

ки и электрические поля в проводящих и емкостных системах, а также магнитные поля от токов или постоянных магнитов. Возможно моделирование траектории заряженных частиц в электрических и магнитных статических полях. В ANSYS Emag включены все свойства вращающихся машин (двигатели и генераторы переменного тока), датчиков и приводов, силовых генераторов, систем силовых трансформаторов и микроэлектромеханических систем (MEMS). ANSYS Emag обеспечивает всесторонний анализ различных электромагнитных явлений на всех этапах проектирования. Комплекс позволяет задавать схему цепи в графическом виде, а затем прикладывать такие гармонические нагрузки как ток и напряжение непосредственно к конечно-элементной модели. При формировании схемы цепи пользователи могут произвольно располагать резисторы, конденсаторы, диоды, катушки индуктивности, проводники, трансформаторы, источники напряжения и тока, так же как и другие электрические компоненты. Связь цепи с конечно-элементной областью позволяет моделировать питаемые цепью устройства, где нелинейные эффекты (насыщение) должны быть учтены.

Связанный тепловой электромагнитный анализ Во многих электромагнитных системах электромагнитная энергия теряется в форме тепла в диэлектриках с потерями и проводниковых материалах (джоулев нагрев). Электромагнитное решение ANSYS может моделировать эффекты джоулевого нагрева посредством связанного расчета электромагнетизма и теплопереноса. Данный анализ важен для расчета радиочастотных аттенюаторов, резистивных нагревателей, радиочастотных нагревателей и микроволновых печей.

Высокочастотный электромагнетизм ANSYS Multiphysics позволяет моделировать высокочастотные явления электромагнетизма, включая явле-

Каталог ANSYS 2009

Пример расчета электролизера.

ПРЕПРОЦЕССИНГ

В линейке продуктов ANSYS присутствуют специализированные программные комплексы, которые дополняют возможности ANSYS® Meshing™ при генерации расчетной сетки, исправлении дефектов геометрии или упрощении геометрии. Это комплексы ANSYS® ICEM CFD™ и TGrid™.

ПРЕПРОЦЕССИНГ

ANSYS® ICEM CFD™ Многофункциональный сеточный генератор для построения тетраэдрических, декартовых и структурированных/неструктурированных гексаэдрических сеток.

ANSYS® ICEM CFD™ является отдельным приложением и запускается независимо от ANSYS® Workbench™ 12.0. Данное приложение следует рассматривать как расширение возможностей ANSYS® Meshing™ и ANSYS® DesignModeler™ при генерации сетки, исправлении дефектов геометрической модели или при работе с комплексной геометрией/большими сборками. Можно выделить следующие возможности программного комплекса ANSYS ICEM CFD, которые дают ему преимущества перед сеточным препроцессором ANSYS Meshing: • Генерация сетки для моделей с дефектами (разрывы, наложение поверхностей) и фасеточной геометрии (STL и др.). • Эффективное разбиение больших моделей/ сборок. • Высококачественные сетки на основе гексаэдров (структурированные/неструктурированные). • Продвинутые средства диагностики и редактирования существующей сетки. • Конвертация сетки в различные форматы (более 100) для экспорта в CFD- и МКЭ-комплексы. Сеточный генератор ANSYS ICEM CFD поддерживает импорт геометрии из CAD-комплексов через все популярные геометрические форматы (Parasolid, STL, STEP, DXF/DWG и др.) и импорт сетки в форматах Nastran, Patran, Plot3d, TecPlot и пр. Кроме того, ANSYS ICEM CFD содержит развитые средства диагностики сетки (более 40 критериев) и самые разнообразные опции для редактирования и улучшения качества сетки. В ANSYS ICEM CFD также встроен постпроцессор для обработки результатов CFD-расчетов и препроцессор, позволяющий на стадии генерации сетки определить граничные условия, свойства материалов и т. п. Основные функциональные возможности ANSYS ICEM CFD: • Собственный геометрический препроцессор для создания «с нуля» расчетной модели или редактирования импортированной CAD-модели.

Каталог ANSYS 2009

• • •

•

Возможность работы как с NURBs-поверхностями, так и с фасеточной геометрией, например, сохраненной в формате STL. Генерация сеток различных типов на основе гексаэдров, тетраэдров, призм, пирамид, четырехугольников, треугольников. Возможность генерации сетки на основе дефектной геометрии, содержащей разрывы, выступающие поверхности, пересечения поверхностей, с использованием технологии Patch Independent. Сглаживание, измельчение/укрупнение расчетной сетки, изменение типа элемента, трансфинитная интерполяция с использованием как линейных, так и квадратичных интерполяционных функций. Поддержка более 100 форматов для передачи сетки в CFD- и МКЭ-комплексы (такие как ANSYS® LS-DYNA®, ABAQUS™, NASTRAN™ и многие другие). Поддержка batch-режима и пользовательское программирование на Tcl/Tk.

Технологии ANSYS ICEM CFD в ANSYS Meshing Основные усилия компании ANSYS, Inc. направлены на создание максимально эффективной технологии генерации сетки на основе объединения всех лучших методов в единую «сеточную» платформу ANSYS Meshing, которая является составной частью ANSYS Workbench. Данная стратегия является долгосрочной и в перспективе должна привести к созданию унифицированного сеточного препроцессора для всех приложений ANSYS. В 12-й версии ANSYS произошло замещение CFXMesh™ и Gambit® программным модулем ANSYS Meshing. Все функциональные возможности Gambit и CFX-Mesh были не просто «перенесены» в ANSYS Meshing, но и значительно улучшены и модернизиро-

ПРЕПРОЦЕССИНГ ваны. Кроме того, такие уникальные технологии ANSYS ICEM CFD, как Hexa MultiZone (создание гибридных сеток) или Shell Meshing (разбиение оболочек и листовых тел), также были интегрированы в ANSYS Meshing. Тем не менее, отдельные технологии ANSYS ICEM CFD, связанные с генерацией структурированных/ неструктурированных сеток из гексаэдров (на основе метода Hexa Blocking), продолжат свое развитие только в ANSYS ICEM CFD, и их интеграцию в ANSYS Meshing следует ожидать не ранее 14-го релиза ANSYS.

Прямые интерфейсы с CAD ANSYS ICEM CFD поддерживает прямой импорт геометрии из CATIA, SolidWorks, UG, Pro/E, Inventor, OneSpace, SolidEdge либо посредством прямого интерфейса с CAD-комплексом, или с помощью ANSYS Workbench Readers — специального приложения, связывающего все модули ANSYS Workbench на уровне геометрических данных. Кроме того, используя ANSYS Workbench Readers в ANSYS ICEM CFD можно напрямую загружать файлы ANSYS DesignModeler, Simulation (*.dsdb, *.agdb, *.cmdb) и пр. В 12-й версии ANSYS ICEM CFD был обновлен UGинтерфейс до релиза NX 6.0, Pro/ENGINEER — до Wildfire4, IDI — I-DEAS NX5 (I-DEAS 13). Также реализована поддержка данных Rhino3D и триангуляция облака точек.

Объемные сетки в ANSYS ICEM CFD ANSYS ICEM CFD состоит из двух модулей: модуль ANSYS ICEM CFD Tetra/Prism и модуль ANSYS ICEM CFD Hexa. Каждый из указанных модулей лицензируется отдельно. Модуль Tetra/Prism предназначен для генерации объемных сеток на основе тетраэдрических элементов. Базовым методом модуля Tetra/Prism является метод Octree, в котором вся расчетная область изначально разбивается на тетраэдрические элементы одного размера, и только потом происходит локальное измельчение сетки в определенных областях геометрии. Кроме метода Octree ANSYS ICEM CFD предлагает еще три альтернативных подхода для генерации объемной сетки на основе тетраэдров: Quick, Tgrid и Smooth. • Quick (Delaunay) — базовый метод генерации т. н. Bottom-up сеток без возможности управления размером объемных элементов, но включающий специальный алгоритм измельчения сетки в скошенных областях. Самый устойчивый и быстрый алгоритм.

•

TGrid — разновидность стандартного метода Delaunay, но с более «жестким» контролем изменений размеров элементов, находящихся около стенки (поверхности) и «мягким» (нежестким) на удалении от поверхностей (внутри расчетной области). Отсутствует возможность измельчения сетки в скошенных областях. • Smooth (Advancing Front): поверхностная сетка должна образовывать замкнутый объем. Отличный от Delaunay метод генерации объемной сетки, позволяющий создавать сетки без резкого изменения размера элементов внутри расчетной области. Этот метод чувствителен к размерам элементов на ограничивающих поверхностях. Кроме того, в 12-ю версию ANSYS ICEM CFD был добавлен еще один метод генерации объемной сетки — метод TGrid AFT, который обладает большей устойчивостью по сравнению со стандартным алгоритмом TGrid Tetra. Модуль Hexa предназначен для генерации объемной сетки на основе гексаэдрических элементов с помощью технологии Blocking (блочная топология), которая не требует предварительной декомпозиции модели на Sweep-объемы. Создаваемая блочная топология для расчетного объекта является параметрической и в дальнейшем может быть применена и к другим объектам, имеющим схожую топологию. Основные возможности и преимущества модуля ANSYS ICEM CFD Hexa: • Современный графический интерфейс. • Автоматическое проецирование элементов блочной топологии на CAD-поверхности. • Автоматическая генерация и масштабирование «О»-сеток. • Автоматическое согласование размеров элементов сетки с размерами геометрических объектов. • Измельчение сетки в областях с большими градиентами расчетных переменных (результаты CFD-моделирования). • Сглаживание сетки. • Многоблочные структуры, неструктурированные сетки. • Определение условий периодичности. • Вращение, масштабирование, перемещение, зеркальное отображение блоков. • Автоматическое преобразование двумерной (2D) блочной топологии в трехмерную топологию (3D). • Вытягивание грани блока для создания расширенной блочной топологии.

Каталог ANSYS 2009 69

ПРЕПРОЦЕССИНГ

ANSYS ICEM CFD предлагает несколько методов для генерации объемных сеток на основе тетраэдрических элементов. • • •

Разнообразные опции проецирования элементов блочной топологии. Изменение ориентации блоков. Оценка качества элементов сетки.

Диагностика и редактирование сетки Качества сетки может быть оценено в ANSYS ICEM CFD c помощью самых разнообразных критериев (более 40). Наиболее важными критериями являются следующие критерии: Aspect Ratio — отношение длины элемента к его толщине (или максимальной длины к минимальной), Skew Angle — угол между двумя соседними ребрами, лежащими в одной плоскости, Determinant (Якобиан), Distortion (искривление) — отклонение формы элемента относительно идеальной формы и др. Редактирование сетки является важным этапом при создании качественной сетки, поскольку проблемная сетка может привести к ошибкам при дискретизации уравнений и значительно ухудшить процесс сходимости задачи. В ANSYS ICEM CFD доступно два режима редактирования сетки: ручной и автоматический режимы. В автоматическом режиме выполняются такие операции как сглаживание сетки, измельчение/укрупнение, объединение сеток с разной топологией элементов.

Постпроцессинг ANSYS ICEM CFD Visual3 — это гибкий, многофункциональный и настраиваемый под задачи пользователя постпроцессор. Он содержит все стандартные

Каталог ANSYS 2009

ANSYS ICEM CFD обладает уникальной технологией для генерации высококачественных структурированных сеток на основе гексаэдров.

инструменты современного постпроцессора, такие как плоскости сечения, изоповерхности, контурная заливка, линии тока, анимация, CFD-калькулятор и т. п. Кроме того, ANSYS ICEM CFD Visual3 можно использовать для постановки задачи с односторонним FSI (FSI, Fluid Structure Interaction — взаимодействие жидкости с твердым телом): результаты CFD-расчета (давление и температура) могут быть приложены к узлам КЭ-модели в качестве нагрузки и далее переданы в любой МКЭ-комплекс. Мы также рекомендуем Вам ознакомиться с возможностями унифицированного CFD-постпроцессора — ANSYS® CFD-Post™.

Вертикальные приложения ANSYS® Mesh Prototyper™ — специализированное приложение, разработанное для исправления дефектов в геометрической модели. ANSYS Mesh Prototyper содержит дополнительные опции, которые не включены в стандартные средства редактирования ANSYS ICEM CFD. Данный программный комплекс можно использовать, например, для восстановления геометрической модели на основе данных лазерного сканирования (стереолитографии). ANSYS® ICEM CFD IC3M™ — приложение, ориентированное на подготовку расчетной модели/сетки для моделирования процессов горения в ДВС с помощью стороннего CFD-комплекса.

ПРЕПРОЦЕССИНГ

TGrid™ Специализированный сеточный генератор для работы с комплексной геометрией и поверхностными сетками. Продвинутые технологии восстановления геометрии (Wrapping).

Комплекс TGrid™ является специализированным сеточным препроцессором для задач гидрогазодинамики. Он обычно используется для создания больших неструктурированных тетраэдральных или Hexcore расчетных сеток для сложных геометрических моделей. Сеточный генератор TGrid, в основном, используется в автомобильной и авиационной промышленности для расчета внешних и внутренних задач гидрогазодинамики крупногабаритных объектов. Из-за усиливающейся конкуренции автомобильная промышленность во всем мире постоянно производит новые модели изделий с улучшенными характеристиками, что, в свою очередь, требует проведения быстрых высококачественных расчетов задач гидрогазодинамики крупногабаритных изделий. Более того, производителям часто необходимо вводить различные изменения в расчетную сетку изделия в короткие сроки. Использование TGrid позволяет существенно ускорить создание объемной сетки на основе поверхностной сетки или геометрии изделия в формате STL.

Использование технологии Wrapper для описания геометрии носовой полости человека и генерация высококачественной сетки на основе тетраэдров в TGrid 5.0. Гибкость и адаптивность сеточного генератора TGrid позволяет использовать его в широком спектре приложений, начиная от расчета внешней аэродинамики болида F1 до моделирования распределения капелек внутри носовой полости человека.

Технология Wrapper

Болид Formula 1. Объемная сетка типа Hexcore и призматические слои.

При моделировании теплового состояния подкапотного пространства автомобиля одной из наиболее сложных задач является построение расчетной сетки. Комплекс TGrid содержит набор наиболее современных методов и автоматических инструментов, позволяющих существенно упростить данный процесс. Весь процесс построения расчетной сетки для подкапотного пространства на основе технологии Wrapper является полностью автоматическим. Более того, существует возможность создания настраиваемых пользовательских интерфейсов, чтобы иметь возможность явно задавать ключевые параметры и автоматизировать отдельные процессы.

Каталог ANSYS 2009 71

ПРЕПРОЦЕССИНГ Ключевые возможности технологии Wrapper •

Полный набор инструментов задания глобального и локального размеров расчетных элементов с учетом кривизны и взаимной приближенности поверхностей, а также возможность задания фиксированного размера для всей модели и различных размеров для отдельных областей модели. • Применение технологии Wrapper к одной или нескольким зонам, с глобальным или выборочным учетом особенностей геометрии. • Полный набор инструментов постобработки, включая удаление избыточного количества элементов, удаление взаимно пересекающихся поверхностей, и исчерпывающий набор инструментов улучшения качества сетки. • Технология восстановления отдельной поверхности для моделирования теплового щита, совместно с технологий двумерной теплопроводности shell conduction, доступной в ANSYS® CFD™, позволяет решать подобные тепловые задачи точно и эффективно. Кроме того, автоматизированная технология Wrapper применяется для создания поверхностной сетки в задачах моделирования теплового комфорта пассажиров. Она также используется в биомедицинской, нефтяной, строительной и аэрокосмической отраслях.

Инструменты для работы с поверхностной сеткой Часто при моделировании сложных конструкций приходится предварительно согласовывать поверхностные сетки отдельных элементов конструкции. Комплекс TGrid позволяет импортировать большое количество различных форматов сетки. Кроме того, он оснащен специальными инструментами для работы с сетками разной топологии, позволяющими формировать единую согласованную расчетную сетку. Операции сглаживания и коррекции формы элементов в комплексе TGrid предназначены для улучшения качества всей расчетной сетки; присутствует также автоматическая технология удаления сильно скошенных элементов, позволяющая создавать поверхностные расчетные сетки наилучшего качества. В комплексе содержится множество дополнительных инструментов, например: • Создание поверхностной сетки в виде плоскости, куба, цилиндра. • Перестройка расчетной сетки в отдельной зоне, инструменты проецирования и дробления зон.

Каталог ANSYS 2009

Пример использования TGrid для генерации сетки для очень сложных геометрических моделей — сборок, состоящих из нескольких десятков или сотен отдельных элементов и узлов.

•

Операции перемещения, вращения, масштабирования, копирования различных зон элементов.

Создание объемной расчетной сетки Средства создания объемной сетки, а также призматических пристеночных слоев комплекса TGrid широко используются в автомобильной и авиационной отраслях промышленности. Процедура автоматической генерации объемной сетки в TGrid требует выбора соответствующих алгоритмов построения призматического слоя и объемной сетки.

Ключевые технологии построения призматических элементов •

•

Создание призматического слоя на основе задания высоты первого элемента у стенки, соотношения сторон первого элемента у стенки, и соотношения сторон последнего элемента пристеночного слоя. Закон изменения высоты элементов может быть линейным, геометрическим и экспоненциальным. Отслеживание взаимной приближенности поверхностей в совокупности с технологиями сжатия слоя, удаления отдельных подслоев и

ПРЕПРОЦЕССИНГ

Предварительная диагностика поверхностной сетки на наличие дефектов (например, висячих узлов) и генерация тетраэдральной сетки для морской нефтедобывающей платформы.

• •

автоматического проецирования на боковую поверхность. Большой набор инструментов улучшения качества расчетной сетки после построения пристеночного призматического слоя. Несколько алгоритмов согласования сетки на боковой части призматического слоя.

Ключевые технологии построения тетраэдральных сеток •

•

нология Hexcore в комплексе TGrid призвана решать такие задачи посредством создания декартовой сетки окруженной тонким слоем тетраэдральных элементов. В случае необходимости, декартова сетка может быть расширена до плоских внешних границ для улучшения критерия соотношения гексаэдральных элементов к тетраэдральным элементам. Для точного моделирования следа и зон рециркуляции при построении тетраэдральной или Hexсore сетки возможно задать прямоугольную область сгущения. Подобная технология может также использоваться для моделирования струй и следа за решетками. Для обеспечения гладкого перехода есть возможность задать несколько слоев изменения величины размера элемента на границах подобных зон. Резкие и незапланированные изменения в крупногабаритных моделях обычно являются довольно затруднительными и в большинстве задач пользователь намерен перестроить расчетную сетку всей области решения. Программный комплекс TGrid предлагает альтернативное решение подобной задачи благодаря технологии Cavity remesh. Данная технология позволяет пользователю добавлять, удалять или заменять части и компоненты в тетраэдральной и Hexсore сетках без необходимости перестраивать сетку всей области решения. Граница области перестроения может быть экспортирована, для нее отдельно может быть построена объемная сетка с последующим внедрением нового элемента в исходную сеточную модель.

Современная схема инициализации Delaunay обеспечивает успешное построение расчетной сетки при любой адекватной поверхностной сетке. Алгоритм измельчения сетки на основе технологии Advancing front или Skewness-based с задаваемым коэффициентом изменения размера элемента и инструментами улучшения качества после создания расчетной сетки. Алгоритм сглаживания сетки на основе критерия качества с возможностью перемещения узлов поверхностной сетки.

Дополнительные инструменты для работы с объемными сетками Большинство пользователей в автомобильной и аэрокосмической отраслях доверяют преимущественно декартовым сеткам с высококачественными призматическими слоями у стенки для обеспечения наибольшей точности моделирования пристеночных эффектов. Тех-

Пример генерации гибридной сетки в TGrid 5.0 для задачи аэродинамики самолета.

Каталог ANSYS 2009 73

ПРЕПРОЦЕССИНГ

ANSYS® Mesh Morpher™ Программный комплекс, предназначенный для работы с сетками из сторонних расчетных комплексов. ANSYS® Mesh Morpher™ — специализированный модуль, встроенный в FE Modeler и предназначенный для редактирования конечноэлементых моделей, созданных в препроцессорах таких CAE-систем, как NASTRAN, Abaqus и др. После импорта конечноэлементная модель конвертируется либо в КЭ-форматы соответствующих расчетных комплексов ANSYS, или перекодируется в КЭ-формат, описывающий геометрическую топологию сетки — MESH200.

2. Проведено три операции морфинга конечноэлементной модели: перемещение грани и два поворота граней. На рисунке слева показан поворот грани.

3. В результате создаем три параметра в Parameter Set. Определив значения этих параметров, получаем параметрическую изменяемую конечноэлементную модель.

Далее происходит диагностика модели, проводится анализ качества сетки и при необходимости для изменения КЭ-модели применяются возможности ANSYS Mesh Morpher. В модуле FE Modeler реализована возможность создания геометрической модели на базе импортированной КЭ-модели. Рассмотрим пример параметрического изменения КЭ-модели с использованием средств ANSYS Mesh Morpher. 1. Модель куба создана в препроцессоре PREP7 ANSYS Mechanical APDL и сохранена в *.cdb формате.

Каталог ANSYS 2009

4. Измененную модель (см. рисунок сверху) можно далее использовать для расчета в программных продуктах ANSYS.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫМИ ДАННЫМИ

Технологии, реализованные в программном продукте ANSYS® EKM™, предназначены для полноценного решения задач хранения и управления расчетными данными, учета и аудита данных, поиска и восстановления данных, генерации отчетов и проведения сравнения данных, автоматизации процессов, создания базы знаний для типовых видов расчета и создания системы экспертного анализа проектных решений.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫМИ ДАННЫМИ

ANSYS Engineering Knowledge Management — EKM Управление расчетными данными, создание базы знаний для часто встречающихся видов расчета и создание системы экспертного анализа проектных решений.

Данные решенных задач являются ценным объектом интеллектуальной собственности, который обычно безвозвратно теряется в случае ухода специалиста из компании. По опыту известно, что инженеры, которые пытались воспользоваться прежними наработками (файлами баз данных прошлых расчетов и расчетными моделями) сталкивались с большими трудностями или вообще не могли разобраться в ситуации. В результате, расчеты, аналогичные по подходам и методикам, приходится проводить заново, вместо внесения небольших изменений и дополнений к уже существующим расчетным моделям. Все это приводит к снижению производительности труда и потере рабочего времени. Программные продукты для инженерного анализа (CAE) эволюционируют из средств расчетов в отдельном расчетном или исследовательском подразделении предприятия в одну из частей процесса разработки нового изделия и становятся важной составляющей жизненного цикла изделия. К обеспечению обмена данными численного моделирования между расчетными подразделениями, разграничению прав доступа к информации, обеспечению наполнения базы знаний для расчетов типовых конструкций и созданию системы экспертного анализа проектных решений стали применять термин «Управление расчетными данными и процессами» — Simulation Process and Data Management (SPDM). Основной акцент в развитии таких систем в настоящий момент ставится на том, чтобы сотрудники, обладающие правом доступа к соответствующей информации, могли получить доступ к нужным данным в нужное время. Технологии, реализованные в программном продукте ANSYS® EKM™ (ANSYS Engineering Knowledge

Каталог ANSYS 2009

Управление расчетными данными, создание базы знаний для часто встречающихся видов расчета и создание системы экспертного анализа проектных решений

Management), предназначены для полноценного решения задач хранения и управления расчетными данными, учета и аудита данных, поиска и восстановления данных, генерации отчетов и проведения сравнения данных, автоматизации процессов, создания базы знаний для типовых видов расчета и создания системы экспертного анализа проектных решений. Используя конфигурационные файлы XML, можно добавлять пользовательские свойства для объектов. В ANSYS EKM присутствует автоматическое распознавание данных расчетных моделей ANSYS® Mechanical™, ANSYS® CFX®, ANSYS® FLUENT®, ANSYS® POLYFLOW®, входных файлов ANSYS Workbench Mechanical, а также файлов сторонних KE-комплексов (NASTRAN, ABAQUS и др.).

ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ

В последние годы решение задач большой размерности в сжатые сроки является актуальной проблемой для многих промышленных компаний. С каждой новой версией решатели ANSYS совершенствуются, включается поддержка более современных операционных систем и реализаций MPI. Сотрудники компании КАДФЕМ Си-Ай-Эс, совместно с партнерами, регулярно проводят тестирования различных аппаратных решений для инженерных расчетов с использованием CAE-комплексов компании ANSYS, Inc.

ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ

Высокопроизводительные вычисления В последние годы решение задач большой размерности в сжатые сроки является актуальной проблемой для многих промышленных компаний. Следует отметить, что при недостаточном объеме доступной оперативной памяти задача большой размерности может не решиться. Таким образом, наличие оперативной памяти является необходимым условием для решения подобных задач. Скорость решения зависит от количества используемых ядер и наличия соответствующих лицензий на распараллеливание решателей. В некоторых случаях ключевым фактором является скорость операций ввода/вывода дисковой системы. Для использования большого количества ядер необходимы соответствующие лицензии: • В ANSYS® Mechanical™ для использования более двух процессов требуются дополнительные лицензии. • В ANSYS® CFD™ для использования более одного процесса требуются дополнительные лицензии. • В продуктах ANSYS Explicit: − ANSYS® LS-DYNA® — для использования более одного процесса требуются дополнительные лицензии ANSYS LS-DYNA Parallel.

Зависимость числа сессий решателей от числа используемых ядер.

Каталог ANSYS 2009

−

ANSYS® AUTODYN® — для использования более двух процессов требуются дополнительные лицензии. С выходом версии программных продуктов ANSYS версии 12.1 вместо ранее используемых лицензий на распараллеливание решателей программных продуктов ANSYS (ANSYS® Mechanical™ HPC, ANSYS® CFD™ HPC, ANSYS® AUTODYN® HPC, FLUENT® Parallel, CFX® Parallel, POLYFLOW® Parallel, или ANSYS® Icepar®) будут использоваться новые унифицированные лицензии (для всех решателей, кроме ANSYS LS-DYNA) на распараллеливание решателей.

Новые лицензии на распараллеливание решателей ANSYS HPC Новые лицензии ANSYS HPC позволяют распараллеливать решатели для программных продуктов ANSYS: • Механика деформируемого твердого тела (Mechanical products): − ANSYS® Multiphysics™, ANSYS Mechanical/ Emag, ANSYS Mechanical/CFD-Flo, ANSYS Mechanical, ANSYS® Structural™, ANSYS® Professional™ NLS, ANSYS Professional NLT, ANSYS AUTODYN, ANSYS AUTODYN Single Task, ANSYS® Emag™. • Вычислительная гидрогазодинамика (Fluids products): − ANSYS CFD, ANSYS FLUENT, ANSYS CFX, ANSYS® CFD-Flo™, ANSYS® Icepak™, ANSYS POLYFLOW. • Лицензии на запуск решателей в пакетном режиме (Batch Solver): − ANSYS Multiphysics Solver, ANSYS Mechanical Solver, ANSYS Structural Solver, ANSYS Emag Solver, ANSYS CFD Solver, ANSYS FLUENT Solver, ANSYS CFX Solver, ANSYS CFD-Flo Solver, ANSYS CFX-FCS. • ANSYS HPC Packs — лицензия, позволяющая одновременно распараллеливать только один из решателей в соответствии с определенным в лицензии числом ядер.

ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ • •

•

ANSYS HPC — лицензия на запуск определенного числа решателей с максимально возможным числом ядер, определенных в лицензии. ANSYS HPC Workgroup — вид лицензии ANSYS HPC, представленный в виде блоков по числу используемых ядер (128, 256, 512, 1024, и 2048). Лицензия является общей для любого числа рабочих мест и числа запускаемых решателей. ANSYS HPC Enterprise — вид лицензии ANSYS HPC, представленный в виде блоков по числу используемых ядер (128, 256, 512, 1024, и 2048). Лицензия является общей для любого числа рабочих мест и числа запускаемых решателей. Особенность этой лицензии состоит в предоставлении доступа региональным представительствам компании по всему миру — лицензии на распараллеливание решателей могут быть использованы в любом месте расположения вычислительных ресурсов. Задание на запуск в удаленном режиме может быть осуществлено из любой точки мира. Для использования этой лицензии необходимо внести соответствующую информацию в Раздел 5 Лицензионной Формы (License Form).

Число ANSYS HPC Packs 1 2 3 4 5 на запуск решателя Максимальное число параллельных процессов 8 32 128 512 2048 (Cores) для решателей

•

ANSYS HPC Packs будут работать только для программных продуктов версии 12.1 • ANSYS Mechanical HPC, ANSYS CFD HPC, ANSYS AUTODYN HPC, будут работать с программными продуктами версии 12.1 ANSYS HPC Packs не могут быть поставлены до выхода версии 12.1.

Основные режимы распараллеливания решателя: • •

Распараллеливание с общей памятью Shared Memory Parallel (SMP); Распараллеливание в режиме распределенной памяти Distributed Memory Parallel (DMP).

Использование лицензий ANSYS HPC Лицензии на распараллеливание решателей программных продуктов ANSYS (ANSYS HPC, ANSYS HPC Workgroup, и ANSYS HPC Enterprise) позволяют использовать параллельные процессы (ядра процессоров) для решателей из доступного пула лицензий, а число используемых одновременно решателей зависит от вида лицензии. Эти лицензии выполняет те же функции, которые ранее выполняли лицензии Mechanical HPC и CFD HPC. Один или несколько лицензий ANSYS HPC Packs могут быть использованы для одной сессии решателя одновременно. Для запуска дополнительной сессии решателя используется дополнительная лицензия. При этом возможно использовать ресурсы нескольких (до 4) дополнительных лицензий ANSYS HPC Packs для использования дополнительных ядер при запросе следующей сессии решателя. Максимальное число — 5 лицензий на 2048 параллельных процессов решателей (см. таблицу): • Лицензии ANSYS HPC Per-Process, Workgroup, Enterprise будут работать для версий программных продуктов 12.0 или 12.1, только при использовании менеджера лицензий 12.1 License Manager.

Пример расчета теплообменного аппарата в ANSYS FLUENT в режиме распаралеривания Сотрудники компании КАДФЕМ Си-Ай-Эс, совместно с партнерами, регулярно проводят тестирования различных аппаратных решений для инженерных расчетов с использованием CAE-комплексов компании ANSYS, Inc.

Каталог ANSYS 2009 79

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

В линейке программных продуктов компании ANSYS присутствуют специализированные отраслевые приложения. На данный момент эти приложения ориентированы на следующие отрасли: судостроение и строительство морских сооружений, радиоэлектроника, турбомашиностроение, ОВК (вентиляция, отопление и кондиционирование), нефтегазовая отрасль. Отметим, что с каждым годом список этих приложений расширяется, а существующие программные продукты дополняются новыми функциональными возможностями.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

ANSYS® AQWA™ Расчет морских сооружений и плавучих объектов.

Организация и выполнение проектов шельфового строительства — весьма сложная задача, включающая вопросы развития инфраструктуры будущего месторождения и разработки эффективных технологий добычи, переработки и транспортировки нефтепродуктов. Компания ANSYS, Inc. на протяжении многих лет тесно сотрудничает в области совершенствования расчетных технологий с такими мировыми лидерами, как BP, Conoco Philips, Exxon Mobil, Shell, US Navy и др. Компания ANSYS, Inc. предлагает специализированные программные продукты для шельфового строительства — ANSYS® AQWA™ и ANSYS® ASAS™. Комплексы ANSYS AQWA и ANSYS ASAS имеют модульную структуру. Комплекс ANSYS AQWA предназначен для определения гидростатических и гидродинамических нагрузок на объекты морского строительства. В ANSYS ASAS используются статические и динамические методы для анализа линейной и нелинейной упругости, рассчитываются малые и большие упругопластические смещения, учитываются собственные частоты колебаний, потеря остойчивости, ползучесть, определение шероховатости поверхности и ее образование вследствие нароста биомасс. Оба комплекса проводят расчет как для регулярного, так и нерегулярного волнения, с учетом взаимодействия опорных оснований и свойств материалов, из которых они изготовлены (бетон или сталь). Изначально комплекс ANSYS ASAS разрабатывался для освоения шельфа Северного моря, однако он хорошо зарекомендовал себя при решении и других проектных задач: при прочностном анализе корпуса судна с учетом заполнения балластных цистерн, моделировании нагрузок при перевозке генеральных грузов, а также конструировании жестких и гибких опорных оснований, гравитационных платформ, молов, дебаркадеров, определении взаимодействия «грунт–опора–верхнее строение». Следует подчеркнуть, что ANSYS AQWA и ANSYS ASAS хорошо взаимодействуют друг с другом и могут обмениваться моделями нагружения, что позволяет адекватно воспроизводить все расчетные случаи.

Расчет волновой нагрузки на морские сооружения ANSYS AQWA — специализированный программный комплекс для расчета морских гидротехнических сооружений. ANSYS AQWA одобрена международной организацией Norwegian Maritime Directorate, прошла проверку по 200 тестам в рамках исследовательской программы NTNF и в 23 научно-исследовательских организациях. Результаты исследований предоставляются по запросу лицензионных пользователей. Программный комплекс ANSYS AQWA состоит из трех модулей: • ANSYS AQWA Diffraction. • ANSYS AQWA Suite. • ANSYS AQWA Suite with Cable Dynamics. В 12-м релизе ANSYS модуль ANSYS AQWA Diffraction был включен в расчетную платформу ANSYS® Workbench™. Соответственно, он получил доступ к интегрированным сеточным технологиям ANSYS Workbench, развиваемым в рамках сеточной платформы ANSYS® Meshing™ (AMP), а также ко всем функциональным возможностям геометрического препроцессора ANSYS® DesignModeler™. Это позволяет существенно ускорить процесс подготовки расчетной модели для ANSYS AQWA.

ANSYS AQWA Diffraction — модуль для расчета дифракции волн среди множественных морских объектов ANSYS AQWA Diffraction выполняет расчет в трехмерной постановке линейного распространения и дифракции волн с выводом всех возникающих сил (волновой нагрузки). Этот комплекс предназначен в первую очередь для расчета действующей нагрузки на плавучие объекты, причальные сооружения, отбойные сооружения, морские буровые и эксплуатационные платформы. Вычисление волновой нагрузки второго

Каталог ANSYS 2009 81

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Модель основания морской платформы, созданная в ANSYS DesignModeler.

Распределение давления по корпусу судна.

Импорт модели платформы в расчетный модуль ANSYS AQWA Diffraction, создание сетки, выполнение расчета и анализ результатов расчета.

Передача поля давления из ANSYS AQWA Diffraction в ANSYS Mechanical для расчета НДС элементов корпуса судна.

порядка дает возможность рассчитывать волновую нагрузку по всей глубине опорной части морской платформы.

ANSYS AQWA Diffraction — расчет корпусов судов ANSYS AQWA Diffraction рассчитывает силы и инерционные нагрузки, действующие на корпус судна или опорную часть платформы с учетом плавучести. Эти данные могут быть использованы затем при прочностном расчете в ANSYS® Mechanical™ или ANSYS ASAS. Поскольку существуют специальные механизмы учета действующих нагрузок по площади модели, дупустимо даже топологическое несоответсвие между гидродинамической и конечно-элементной моделями.

Каталог ANSYS 2009

Расчет интерференции волн между двумя близкорасположенными судами.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Пакет ANSYS AQWA Suite для динамического анализа плавучих эксплуатационных систем Пакет ANSYS AQWA Suite включает набор модулей (в том числе ANSYS AQWA Diffraction) для проектирования и расчета самых разнообразных морских нефтегазопромысловых сооружений. Эта лицензия позволяет рассчитывать модели плавучих установок для освоения глубоководных месторождений, модели плавучих систем на столбовидном буе (SPAR), плавучих эксплуатационных систем на базе танкера (FPSO), полупогружных буровых платформ, эксплуатационных платформ с натяжными опорами, а также модели вспомогательных судов-тендеров. Кроме того, в ANSYS AQWA Suite включены специальные элементы для работы с эксплуатационными платформами с избыточной плавучестью (TLP).

Опции для динамического расчета в частотном и временном диапазонах ANSYS AQWA Suite рассчитывает нагрузки, возникающие при дрейфе буровых и эксплуатационных платформ, а также при действии на них волновой нагрузки во время шторма. Кроме того, можно рассчитывать в нестационарной постановке эффекты, которые возникают при столкновении судов с платформой и разломе/разрушении морских сооружений.

Моделирование операции подъема.

Пример использования ANSYS AQWA при проектировании морской ветроэнергетической установки.

Опции для анализа результатов расчета ANSYS AQWA предоставляет пользователю широкий набор средств для просмотра и анализа результатов расчета: • Построение нескольких графиков на одной странице. Масштабирование графиков. • Вывод статических результатов по заданному параметру. • Перевод данных из временного диапазона в частотный диапазон и обратно. • Вывод данных в задданном временном диапазоне. • Обработка результатов с использованием встроенного математического аппарата.

Изменение натяжений тросов (при постановке на якорь) во времени.

Каталог ANSYS 2009 83

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Преимущества ANSYS AQWA Программный комплекс ANSYS AQWA разрабатывался с 1970-х гг. и представляет собой интегрированное решение для выполнения гидродинамического анализа, в том числе и для расчета нагрузок на буровые и эксплуатационные платформы. ANSYS AQWA позволяет использовать в расчетах пользовательские истории нагрузок посредством DLL-библиотек, созданных с помощью языков C++ или FORTRAN. ANSYS AQWA автоматически рассчитывает положение объекта на поверхности моря с учетом скорости

потока воды. Также в расчет может быть включена дополнительная матрица масс на каждом шаге по времени. Это позволяет моделировать инерционные нагрузки на корпуса судов и опорные части платформ. Указанные возможности ANSYS AQWA особенно полезны при разработке систем автоматического позиционирования, систем управления, буксировки, демпфирующих систем и пр. Программный комплекс ANSYS AQWA поддерживает обмен данными с ANSYS Mechanical и CFD-пакетами ANSYS. Кроме того, многие задачи морского строительства могут быть решены непосредственно в ANSYS® CFX® и ANSYS® FLUENT®.

Таблица расчетных возможностей ANSYS AQWA ANSYS AQWA Diffraction

ANSYS AQWA Suite

ANSYS AQWA Suite with Cable Dynamics

Создание модели/препроцессинг

•

Гидростатика

•

Дифракция и распространение волн

•

Передача нагрузок в FEA-комплексы/ решатели

•

Расчет равновесного положения объектов

•

Расчет динамики морских объектов в частотном диапазоне

•

Расчет динамики морских объектов во временном диапазоне

•

Квазистационарный анализ систем постановки на якорь

•

Расчет динамики швартовочных систем с учетом трения и инерционных эффектов Компании КАДФЕМ Си-Ай-Эс и ЦКБ «Коралл» совместном выполнили серию расчетов транспортировки ППБУ (ЛСП-1) для месторождения им. Юрия Корчагина в Каспийском море. Исследование проводилось в расчетном комплексе ANSYS AQWA, что позволило избежать проведения натурных испытаний. Были рассмотрены гидродинамические эффекты, возникающие между близкорасположенными объектами на волнении, использованы новые возможности ANSYS AQWA с реализацией методики проведения подобных расчетов. В результате получены как общие гидродинамические нагрузки относи-

Каталог ANSYS 2009

•

тельно ЦТ всей конструкции, так и для каждого элемента корпуса в отдельности. Данные нагрузок для каждого случая волнения использовались при дальнейшем проведении исследований напряженно-деформированного состояния всей конструкции в целом.

Внешний вид КЭ-модели понтона и ППБУ.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Возможности ANSYS AQWA Diffraction Расчет дифракции и распространения волн: • Панельный метод. • Расчет дифракции и распространения волн среди множественных объектов морского терминала. • Полное вычисление QTF матрицы. Препроцессинг: • Автоматическое построение модели корпуса судна/платформы на основе каркасной модели. • Импорт моделей из ANSYS. • Диагностика сетки. • Масштабирование, вращение, перемещение модели. Удаление отдельных частей и сегментов модели. Постпроцессинг: • Раздельный вывод смачиваемых/несмачиваемых поверхностей. • Анимация профиля волн и захлестывания волной верхних строений морской платформы. • Отображение поверхности и дна моря, конструкционных элементов швартовки и системы постановки на якорь, систем сочленений и пр.

Возможности ANSYS AQWA Suite Виды расчетов: • Статическая и динамическая стабильность объектов. • Равновесное положение на воде всей сборки морских объектов. • Расчет воздействия волн первого и второго порядка при дрейфе объекта. • Нестационарный анализ с учетом особых воздействий, включая нелинейные гидродинамические эффекты. • Нестационарный анализ при малых перемещениях (при дрейфе) морских объектах и при приливно-отливных течениях.

• • • •

Связанный анализ морских платформ с предварительной постановкой на якорь. Расчет морских платформ, установленных на шельфе. Оболочечные, трубчатые и смешанные модели. Связанный динамический анализ системы «корпус судна/морской платформы–системы постановки на якорь». Учет добавленных сил и инерционных нагрузок, возникающих при стационарных течениях.

Виды нагрузок: • Постоянные нагрузки от ветра и течения. • Регулярные и нерегулярные волны; задание спектральной нагрузки; вероятностный анализ. • Временная зависимость формы волны и скорости ветра. • Расчет профиля волн. Системы постановки на якорь: • Линейные упругие тросы. • Шкивы с тросами. • Линейные барабанные лебедки. • Тросы с нелинейными характеристиками. • Составные якорные линии с нелинейными характеристиками. • Постоянные закрепления на тросах. • Стационарные и плавающие ограждения. • Моделирование разрывов в якорных системах. • Якорные линии с квазистатическими или динамическими характеристиками. Расчет усилий в сочленениях: • Полностью фиксированные сочленения. • Шарнирные соединения. • Шаровые соединения. • Универсальные соединения. Расчет динамики швартовочных систем: • Расчеты в частотном и временном диапазонах. • Расчет отдельных элементов швартовочных систем. • Учет веса буев и зажимов. • Расчет с учетом композитных элементов.

Каталог ANSYS 2009 85

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

ANSYS® ASAS™ Расчет напряженно-деформированного состояния и ресурса буровых и добывающих морских платформ. ANSYS® ASAS™ — специализированный программный комплекс, предназначенный для расчета напряженно-деформированного состояния и ресурса буровых и добывающих морских платформ различной конструкции, включая каркасные платформы с опорными частями, с закрепленными на дне (Jackets), самоподъемные буровые платформы (Jack-ups), морские эксплуатационные основания с гравитационным фундаментом (Concrete gravity based platforms), водоотделяющие колонны (Risers), плавучие эксплуатационные системы на базе танкера (FPSOs), полупогружные платформы с натяжными опорами (TLPs), полупогружные буровые платформы (SemiSubmersibles). Программный комплекс ANSYS ASAS имеет две конфигурации: пакет опций ANSYS ASAS и пакет опций ANSYS ASAS Offshore. ANSYS ASAS позволяет выполнять расчеты как в линейной, так и нелинейной постановке, включая проверку на соответствие нормам, принятым в нефтегазовой отрасли. Расчетная модель может быть создана с использованием ANSYS® Mechanical™, ANSYS Mechanical APDL и ANSYS® DesignModeler™. Кроме того, в качестве препроцессора можно использовать и FEMGV®.

Расчетный комплекс ANSYS ASAS OFFSHORE дополняет основные возможности ANSYS ASAS. В него включены модули для задания волновой нагрузки, опции для расчета взаимодействия «свая-опора-почва», расчета на ресурс с учетом спектрального волнового и ветрового воздействий. ANSYS ASAS OFFSHORE изначально создавался как специализированный расчетный комплекс для оценки сложных

Модель полупогружной платформы, созданная с помощью ANSYS Mechanical.

Визуализация результатов расчета в ANSYS ASAS Visualizer.

Каталог ANSYS 2009

Внешний вид расчетной сетки.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ферменных металлоконструкций, таких как опорные части платформ, самоподъемные буровые платформы, подводные сооружения и пр.

ANSYS ASAS Программный комплекс ANSYS ASAS является основой для проведения линейного и нелинейного конечно-элементного анализа нефтегазопромысловых платформ. Отличительной особенностью комплекса ANSYS ASAS является наличие широких расчетных возможностей по анализу как объемных, так и каркасных конструкций, включая проверку несущей способности по соответствующим отраслевым стандартам. Пакет содержит три основных решателя и несколько дополнительных специализированных модулей, которые значительно увеличивают производительность расчетного комплекса.

Решатели ANSYS ASAS ASAS(L) предназначен для решения линейных задач в статической и динамической постановках с учетом наличия зазоров в конструкции. Комплекс содержит большой набор объемных и оболочечных элементов, которые могут комбинироваться с балочными элементами для описания сложных конструкций. Для балочных элементов реализована обширная библиотека поперечных сечений. Решатель ANSYS ASAS имеет 32-битную архитектуру. Он позволяет выполнять модальный анализ с учетом демпфирования в композитных материалах; поддерживает MPC-связи и соблюдает жесткие ограничения. Существует возможность комбинировать нагрузки и создавать подструктуры с автоматическим соединением разных групп элементов посредством суперэлементов. ASAS(NL) расширяет возможности ANSYS ASAS в проведении нелинейных расчетов, включая расчет пластичности, динамический расчет, расчет устойчивости и расчет больших перемещений. В модуль также включена возможность расчета связанных задач, таких как взаимодействие опорных частей платформ и регулярных и нерегулярных волн. ANSYS ASAS поддерживает импорт данных из ANSYS AQWA в виде Response Amplitude Operators (RAO’s) для моделирования нагрузки на плавающие эксплуатационные сооружения. BEAMST выполняет проверку полученных при расчете результатов на соответствие отраслевым стандартам, включая AISC (10-й редакции) и LRFD (2-й редакции) на соответствие напряжений; API RP2a-WSD (21-й редакции) на соответствие напряжений, RP2A-LRFD (1-й редакции); BS5950 (часть 1,

Нелинейный отклик конструкции на воздействие ударной нагрузки.

1992 год); NORSOK 2000; NORSOK, NS3472 1984; NPD 1992; DS449 1984 (с поправками 1994 года); DS412 1984 (с поправками 1994 года). Модуль BEAMST так же может быть использован для анализа результатов, полученных с помощью ANSYS® Mechanical™.

ANSYS ASAS Offshore Пакет опций ANSYS ASAS Offshore расширяет расчетные возможности ANSYS ASAS для расчета каркасных/ферменных конструкций таких как, самоподъем-

Модель каркасного основания платформы.

Каталог ANSYS 2009 87

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ WINDSPEC предназначен для анализа усталости трубчатых конструкций (буровой мачты, крана на платформе) под действием ветровой нагрузки. Программный комплекс ANSYS ASAS OFFSHORE был создан в 1970-х гг., и прошел проверку на многих сооружениях в Северном море, где более половины морских буровых и добывающих платформ было рассчитано с использованием программного комплекса ANSYS ASAS.

Преимущества лицензий ANSYS ASAS ANSYS ASAS создавался специально для проектирования морских нефтегазопромысловых сооружений. Модель самоподъемной буровой платформы.

Визуализация приложенных к конструкции нагрузок.

Пример работы с таблицами EXCEL.

ные буровые платформы или каркасные платформы с опорами, закрепленными на дне. Он включает четыре дополнительных модуля для решения специализированных задач: ASAS-WAVE/MASS, SPLINTER, FATJACK и WINDSPEC. ASAS-WAVE/MASS расчитывает волновую нагрузку и добавленную массу на трубчатые каркасные опорные части платформ. Комплекс содержит большой набор волн различного типа, который может быть применим как к мелководным, так и к глубоководным участкам морского шельфа. SPLINTER рассчитывает задачи «свая-опора-почва» и «свая-почва». FATJACK рассчитывает детерминистическую и спектральную долговечность опорных частей и верхних строений каркасных морских платформ.

Результаты проверки кода на соответствие отраслевым нормам.

Каталог ANSYS 2009

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ Можно выделить следующие ключевые возможности данного программного комплекса: • Интегрированная база данных. Результаты расчета, полученные в разных модулях ANSYS ASAS, записываются в общую базу. • Прямой интерфейс к MS EXCEL® и Mathcad®. Результаты ANSYS ASAS могут быть просмотрены и обработаны в указанных программах, что очень полезно при проверке результатов расчета на соответствие различным стандартам. • Поддержка пользовательского программирования с использованием FORTRAN. • ANSYS ASAS VISUALIZER — графический постпроцессор комплекса ANSYS ASAS. • Передача расчетных данных в ANSYS. Комплекс ANSYS ASAS является составной частью глобальной линейки продуктов ANSYS. Соответственно, возможности этого комплекса могут быть дополнены другими программными продуктами ANSYS в части решения многодисциплинарных или узконаправленных задач. Например, для расчета НДС конструкции можно использовать ANSYS Mechanical, а для решения задач гидродинамики — программные комплексы ANSYS® CFX® и ANSYS® FLUENT®. Кроме того, данные комплексы могут быть использованы вместо AutoReaGas™ для моделирования взрывов и утечки газа на морских платформах или для расчета ветровых нагрузок.

• •

• • • • • • • • • •

Возможности программного продукта ANSYS ASAS Создание расчетной модели: • Расчетная модель может быть создана средствами препроцессора ANSYS или с использованием FEMGV®. • Гибкая архитектура входных файлов данных использует ссылки на вложенные файлы посредством оператора @filename. • Все входные файлы могут быть отредактированы в текстовом редакторе. • Присутствует библиотека стандартных сечений профилей металлоконструкций. • Возможность добавления дополнительных степеней свободы для создания штифтовых и скользящих соединений. • Создание расчетных моделей из жестких пластин. • Декартова, цилиндрическая и сферическая системы координат.

• • • • • • • • •

•

2- и 3-узловые стержни и балки, включая трубчатые и коробчатые элементы с учетом напряжений сдвига. Полный набор объемных элементов, включая высокоточные 8-узловые и 20-узловые параллелепипеды, 6- и 15-узловые клинья, 10-узловые тетраэдры, 15- и 20-узловые многослойные элементы. Оболочечные элементы 1- и 2-порядка с формулировками тонких и толстых оболочечных элементов. Специальные элементы для моделирования трещин и элементы для связи объемных и оболочечных элементов. Большинство элементов поддерживают решения связанных задач. Изотропные, ортотропные и анизотропные материалы. Возможность изменения системы единиц измерения. Импорт полей давлений и ускорений из ANSYS AQWA. Поддержка расспараллеливания на 2 или 4 ядра. Реализована возможность анализа с использованием суперэлементов. Определение конечных элементов в группы. Гибкие сочленения для трубчатых элементов. Динамический анализ в частотном и временном диапазонах. Учет демпфирования в композитных материалах при расчете в частотном диапазоне. Учет гистерезисного демпфирования при расчете во временном диапазоне. Расчет локальной и глобальной устойчивости конструкций. Нелинейные расчеты с учетом больших перемещений. Учет пластичности материала. Расчет ползучести. Расчет механики разрушения, включая упруголинейную постановку. Расчет с учетом нескольких типов нагрузок, включая нагрузку на узлы, давление, распределенную нагрузку, температуру на гранях и сторонах конечных элементов, угловые ускорения. Расчет сейсмической устойчивости.

Каталог ANSYS 2009 89

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ • • • • •

•

Сложный теплообмен, в том числе нестационарный. Термонапряженное состояние конструкции. Учет контакта «труба в трубе». Ламинаты и композитные материалы. Расчет упругого разрыва композитных материалов по законам Azzi Wu, Norris, Tsai Wu, на основе максимальных напряжений или максимальных деформаций. Расчет неупругого разрыва композитных материалов по закону Tsai Wu и на основе максимальных напряжений в ламинате.

Проверка кода: • Проверка кода на соответствие отраслевым стандартам. • Проверка соединимости элементов. • Расчет промежуточных сил и напряжений, возникающих вдоль элементов. • Напряжения в волокнах конструкционных элементов. • Комбинация и масштабирование ранее определенных нагрузок. • Расчет опорных частей платформ на устойчивость. • Определение связей между различными конечными элементами. • Спектральный расчет. Расчет волновой нагрузки: • Расчет волновой нагрузки по различным теориям, включая линейные волны, одиночные волны 1-порядка, волны Стокса 5-порядка и др. • Ввод в расчет волновой кинематики в форме полей скоростей и ускорений. • Расчет сил, с использованием уравнений Моррисона, действующих на затопленные элементы морской платформы.

Каталог ANSYS 2009

• • • •

Расчет коэффициентов сопротивления и массовых коэффициентов для затопленных опорных конструкций. Расчет нагрузки от течения. Учет изменения уровня моря (при приливах и отливах). Расчет собственного веса и плавучести для отдельных элементов или всей опорной части платформы.

Расчет взаимодействия «свая-опора-почва»: • Расчет нагрузки на единичную сваю или свайную группу. • Расчет нагрузки на сваи с переменным поперечным сечением. • Автоматическое построение кривых P-Y и T-Z. • Нелинейный расчет нагрузок с использованием суперэлементов системы «свая-опора-почва». • Учет восстановления напряжений в прочностных элементах. • Расчет касательной и секущей жесткости при итерациях нелинейного расчета с использованием кривых P-Y и T-Z для определения свойств почвы. • Расчет с учетом линейных свойств верхних слоев почвы. Усталостная долговечность: • Усталость при спектральной нагрузке. • Расчет действия на конструкцию волнового спектра по законам ScottWeigel, Jonswap, Pierson-Moskowitz или по закону, определенному пользователем. • Расчет по эмпирически определенным факторам концентрации напряжений. • Расчет эффектов рассеивания волн.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

CivilFEM with ANSYS Расчет объектов промышленного и гражданского строительства.

CivilFEM with ANSYS является лучшим приложением известной конечно-элементной программы от компании Ingesiber для промышленного, гражданского, транспортного и гидротехнического строительства. В CivilFEM with ANSYS используются дружественный и удобный графический интерфейс, схожий стиль ввода исходных данных и выдаваемых результатов, что упрощает решение сложных задач в области строительства. Способность генерировать КЭ-модели любых пространственных конструкций с нелинейным поведением означает появление нового и эффективного средства современных строительных расчетов на ПК. На данный момент программный комплекс называется CivilFEM Multidiscipline и объединяет в себе функционал базовой части модуля CivilFEM with ANSYS INTRO и ряда специализированных модулей, представленных ниже.

Модули CivilFEM with ANSYS CivilFEM with ANSYS INTRO позволяет выполнять динамические и сейсмические расчеты, расчет нелинейной потери продольной устойчивости, проверку и проектирование железобетонных и металлических профилей, расчеты в области механики грунтов, гидротехнических сооружений, сокращая время, необходимое для проектирования и расчетов. Библиотека материалов, сортаменты металлических профилей, включены в эту программу, чтобы упрастить генерацию модели. Все свойства материалов приведены в CivilFEM с учетом зависимости от времени и позволяют определять истинные соотношения «напряжениедеформация». Пользователь может создать и сохранить свои собственные материалы и сечения в соответствующих библиотеках CivilFEM. Модуль CivilFEM Bridge and Civil Nonlinearities Module включает набор рабочих инструментов, упрощающих и совершенствующих анализ конструкций мостов. Этот модуль допускает генерацию геометрического поперечного сечения из библиотеки, вида моста в плане и вертикальных разрезов.

Модуль CivilFEM Bridge and Civil Nonlinearities Module допускает введение предварительно напряженных тросов в анализ при определении их возможной прокладки по всему мосту и генерацию подвижных транспортных нагрузок по длине проезжей части мостового пролета. Возможность решения нелинейных задач и расчет этапов строительства мостового перехода делает этот модуль незаменимым при реализации проверочных и проектировочных задач. Модуль CivilFEM Advanced Prestressed Reinforced Concrete Module позволяет создавать и выполнять решение бетонных предварительно нагруженных конструкций. Он включает графический 3D редактор напрягаемой арматуры, который позволяет в полной мере определять или изменять вид напрягаемой арматуры, вычислять мгновенные (первые) и длительные (вторые) потери преднапряжения и последовательное распределение напряжений в каждом элементе напрягаемой арматуры. Возможности модуля ориентированы на расчет мостов и конструкций других типов, таких как предварительно нагруженные плиты, силосы и другие подобные конструкции.

Конечно-элементная модель мостового пролета, полученная средствами CivilFEM with ANSYS.

Каталог ANSYS 2009 91

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ Модуль CivilFEM Geotechnical Module — это мощный инструмент, позволяющий инженерам легко решать наиболее типичные геотехнические задачи в области промышленного и гражданского строительства. Модуль снабжен геотехнической базой данных, которая включает необходимые для расчета и проектирования геотехнические характеристики. Средства модуля позволяют выполнять анализ устойчивости склонов и откосов, как классическими методами (Феллениуса, Бишопа, Янбу), так и методом конечных элементов; расчет подкрепленных стенок, устойчивости склонов и откосов, анализ фильтрации грунтовых вод и сейсмические воздействия. Геотехнический модуль позволяет создавать слоистые напластования, моделируя с их помощью давление грунта на конструкцию.

Сфера применения CivilFEM with ANSYS • • • • • • • •

Промышленные и гражданские здания (в том числе высотные здания и сооружения). Электростанции (АЭС, ГЭС, ТЭС). Плавучие платформы и морские сооружения. Мосты различных конструкций (бетонные, стальные). Подземные сооружения (туннели, шахты). Плотины и другие гидротехнические сооружения. Башни, мачты, радиотелескопы и т. п. Сооружения различного назначения (металлургия, нефтехимия и т. д.).

Редактор предварительно нагруженной арматуры.

Каталог ANSYS 2009

Учет строительства над тоннелями. CivilFEM with ANSYS Nuclear Power Plant —это набор инструментов программного комплекса CivilFEM with ANSYS для решения различных задач в атомной промышленности. Комплекс обеспечивает надежный и быстрый анализ сложных бетонных армированных конструкций на основе широкой библиотеки различных стандартов строительства и норм, принятых в атомной промышленности. Система проверки качества данного программного комплекса охватывает все уровни проектирования и расчетов. Стандарты Американской атомной промышленности: • 10CFR50 Appendix B. • ASME NQA-1. • ANSI N45.2. • ASME NQA-2, Part 2.7. • NUREG/CR-4640. Система контроля качества и сертификации (Россия): • Регистрационный номер ПС в ЦОЭП при РНЦ КИ №490 от 10.09.2002. • Регистрационный номер паспорта аттестации ПС №145 от 31.10.2002.

Пример расчета волнорезов.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

ANSYS Pressure Equipment Module (PEM) Расчет аппаратов и сосудов под давлением. Модуль PEM интегрирован в расчетную платформу ANSYS® Workbench™. ANSYS Pressure Equipment Module (PEM) — это специализированный расчетный модуль, предназначенный для проектирования и анализа сосудов и аппаратов, работающих под высоким давлением. ANSYS Pressure Equipment Module интегрирован в геометрический модуль ANSYS® DesignModeler™.

Примеры шаблонов для задания форм днища. • • Рабочий Module.

интерфейс

ANSYS

Pressure

Equipment

•

Преимущества использования модуля ANSYS PEM: • • • • •

Подготовка рабочей геометрии с помощью ANSYS DesignModeler. Наличие готовых параметрических моделей днищ сосудов различного исполнения. Уменьшение времени проектирования оборудования высокого давления с учетом вспомогательных устройств, конструкций и деталей. Создание систем на основе лучших практических подходов и действующих нормативных документов. Оптимизация конструкции по весу и/или жесткостным характеристикам конструкции, улучшение качества и увеличение ресурса оборудования.

Циклическое нагружение. Параметрическое моделирование элементов оборудования и отводных фланцев. Двустороння ассоциативная связь с рабочей CAD-системой. ANSYS Pressure Equipment Module поддерживает работу с такими комплексами, как SolidWorks, SolidEdge, ProEngineer, Unigraphics, Mechanical DeskTop Inventor, CATIA V5. Кроме того, геометрия может быть передана посредством форматов Parasolid, ACIS и IGES.

Моделирование элементов оборудования: • • • • • •

моделирование фланцев и отводов; моделирование днищ сосудов; армирование области врезки фланца или отвода; армирование фланца или отвода; стержневая геометрия, поддержка балок, оболочек; библиотека параметрических поперечных сечений для балок и оболочек;

Каталог ANSYS 2009 93

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ • • • • •

поддержка смешанных балочно-оболочечных моделей; генерация расчетной сетки на основе треугольных или четырехугольных элементов; локальное сгущение сетки; задание допуска на проработку мелких деталей геометрии; контроль начального размера сетки на ребрах и поверхностях.

Модель материала и нагрузки: • •

•

База данных материалов и поперечных сечений, включая возможность создания собственной библиотеки материалов. Задание механических и тепловых вариантов нагружения (точечные нагрузки, распределенные нагрузки, давление, гидростатическое давление, назначенные перемещения, центробежные силы, температуры). Ограничение перемещений, упругая заделка, назначенные перемещения.

Доступные типы расчетов: • • • •

Статический расчет: деформации, напряжения, перемещения, реакции Анализ усталостной долговечности. Тепловой анализ (расчет термических напряжений). Анализ линейной устойчивости балок, плит или оболочек — позволяет вычислять максимальное давление, приводящее к потере устойчивости.

Пример расчетной задачи, выполненной в модуле ANSYS Workbench Mechanical.

Области применения: • • • •

тепловые и атомные станции; нефтехимическая промышленность; морское строительство; автомобилестроение.

Системные требования: • • • •

Платформа Intel; Windows XP, 32, 64-bit; Windows Vista, 32, 64-bit; Предустановленная CAD-система (Autodesk, ProEngineer, CATIA V5 и др.).

Работа с результатами: •

•

Визуализация в локальных зонах (области, в которых мембранные напряжения классифицируются как PL) в соответствии с Codap, ASME, EN 13445; Средства для анализа напряжений (в зависимости от классификации элементов в локальных или глобальных зонах): − глобальные главные мембранные напряжения; − локальные главные мембранные напряжения; − суммарные главные мембранные напряжения; − эквивалентные напряжения.

Каталог ANSYS 2009

Варианты конструкций сосудов и аппаратов под давлением.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

ANSYS® TurboGrid™ Создание высококачественной гексаэдральной расчетной сетки для проточной части лопаточной машины любого типа: центробежные, осевые, смешанные машины. ANSYS® TurboGrid™ имеет одностороннюю связь с ANSYS® BladeModeler™.

При проектировании таких высокотехнологичных изделий, как газовые турбины, турбокомпрессоры и т. п. всегда использовались самые передовые расчетные технологии. Существует два ключевых критерия, по которым можно оценивать эффективность разрабатываемых средств проектирования. Во-первых, это качество и масштаб рассматриваемой модели. С другой стороны, это простота в использовании, степень интеграции и надежность. Всем этим требованиям отвечают специализированные приложения ANSYS, объединенные в линейку продуктов ANSYS Turbo. В состав ANSYS Turbo входят следующие программные комплексы: ANSYS® TurboGrid™, ANSYS® BladeModeler™, ANSYS® Vista™ TF. ANSYS TurboGrid — сеточный препроцессор, позволяющий в автоматическом режиме создавать высококачественные гексаэдрические сетки для лопаточных машин любого типа. Это может быть проточная часть осевого компрессора, осерадиальная турбина, гребной винт, лопасти вентилятора, крыльчатка центробежного насоса и т. п. ANSYS TurboGrid интегрирован в среду ANSYS® Workbench™ 2.0 и запускается из раздела Component Systems. Кроме того, это приложение может быть запущено непосредственно из ANSYS CFX-Launcher. Высокая степень интеграции с ANSYS Workbench дает возможность использовать этот комплекс в многовариантных расчетах или в задачах оптимизации. ANSYS TurboGrid взаимодействует с ANSYS® CFX® и ANSYS® FLUENT® на уровне сеточной модели. Кроме того, структура выходного файла ANSYS TurboGrid поддерживает специальный режим работы препроцессора ANSYS CFX — Turbomachinery. В 12-ю версию ANSYS TurboGrid была включена инновационная технология построения структурированных сеток для лопаточных машин, которая получила название Automated Topology and Mesh (ATM). ATM позволяет генерировать высококачественные анизотропные сетки на основе гексаэдров. Данный метод был разработан для замены традиционного метода

контрольных точек — Control Points (CP). С внедрением этого метода процедура генерации сетки для проточной части лопаточной машины была максимально упрощена. Теперь для генерации сетки достаточно выбрать соответствующий шаблон межлопаточного канала и указать глобальный размер элемента. Кроме того, можно повышать/понижать уровень дискретизации сетки с сохранением ее топологии. Основные возможности ANSYS TurboGrid: • Автоматическая генерация топологии сетки вокруг лопатки (для одной или нескольких лопаток). • Автоматическая генерация «О»-сетки. • Автоматическое определение контрольных точек (для метода CP). • Автоматическое сглаживание топологии. • Автоматическая параметризация меридионального сечения. • Автоматическое определение интерфейсов между ротором и статором.

Внешний вид блочной топологии (2D): а — традиционный метод контрольных точек, б — инновационный метод ATM.

Каталог ANSYS 2009 95

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ •

Автоматическое выделение поверхностей для задания условия периодичности. • Автоматическое протягивание поверхностей лопаток до втулки, обода (бандажа). • Автоматическое определение размера элементов в пристеночной области, в районе кромок и зазоров. • Автоматический вывод информации о количественных и качественных характеристиках сетки. В дополнение к этому, можно указать следующие возможности (по разделам):

Топология • • •

H-, J-, L- и C-сетки в районе входной и выходной кромок лопатки. Автоматическая генерация многоблочной топологии. Возможность определения «пользовательской» топологии.

Слои и контрольные точки • • •

Автоматическая генерация слоев (сечений) на основе заданного числа слоев или положений. Добавление или удаление контрольных точек. Автоматическая оценка качества сетки по критериям Skew (скошенности) и Aspect Ratio.

Геометрия • • • •

Качественное сравнение методов CP (слева) и ATM (справа).

Платформы • IBM® Power (AIX® 5.3). • Windows® 2000 или XP (32-bit); Windows® XP64. • RedHat® Enterprise Linux® 3 или 4. • SuSE® Professional Linux® 9 или 10. При наличии зазора между кожухом и верхней кромкой лопатки его можно задать в ANSYS TurboGrid двумя способами: напрямую или в процентах от высоты лопатки. Также следует отметить, что ANSYS TurboGrid поддерживает оба типа кромок: гладкие (закругленные) и обрезанные.

Кривые Безье (линейные, квадратичные). Поверхности: линейчатые, B-поверхности. Задание оси вращения. Экспорт геометрии в формате ANSYS® ICEM CFD™.

Пример генерации высококачественных гексоэдральных сеток для лопаточных машин различного типа.

Каталог ANSYS 2009

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

ANSYS® BladeModeler™ Создание геометрии лопаточных машин любого типа на основе готовой библиотеки шаблонов. Построенная твердотельная модель может быть передана в модуль ANSYS® DesignModeler™ для редактирования.

Любая современная система компьютерного проектирования турбомашин, в которой используются технологии вычислительной гидродинамики, обязательно имеет в своем составе приложение для построения твердотельной модели исследуемой конструкции. В ANSYS такая система является двухуровневой. Первый уровень является базовым и представлен программным комплексом ANSYS® BladeModeler™. Данный комплекс предназначен для создания трехмерной модели лопаточной машины и практически не имеет ограничений, связанных с конструкцией лопаточной машины. Используя ANSYS BladeModeler, вы сможете легко и быстро построить параметризованную модель вашего насоса, компрессора, турбины, вентилятора. Если степень проработки конструкции в ANSYS BladeModeler вас не устраивает, вы можете продолжить редактирование геометрии лопаточной машины в ANSYS® DesignModeler™. ANSYS BladeModeler обеспечивает неразрывную связь между начальной конструктивной проработкой геометрии лопаток и продвинутым анализом характеристик течения в межлопаточных каналах, а также расчетами МКЭ. Для предварительного расчета характеристик течения сжимаемых (и несжимаемых потоков) в радиальных турбинах, осевых компрессорах и центробежных насосах или компрессорах можно использовать один из 4-х модулей ANSYS® Vista™ TF: ANSYS Vista CCD (Centrifugal Compressors Design), ANSYS Vista CPD (Centrifugal Pumps Design), ANSYS Vista AFD (Axial Fans Design), ANSYS Vista RTD (Radial Turbines Design). ANSYS Vista TF — «одномерный» код, который базируется на расчете в слое переменной толщины. Результаты расчета в ANSYS Vista TF могут быть получены за считанные секунды, что позволяет конструктору быстро вносить изменения в геометрию проточной части. Метод расчета в слое переменной толщины не учитывает вязкости и неспособен учесть множество факторов, которые считаются важными

для течения в межлопаточных каналах. С другой стороны, результаты сравнительных расчетов, выполненных в ANSYS Vista TF и «трехмерных» CFD-кодах (таких как ANSYS® CFX® и ANSYS® FLUENT®), говорят о том, что учет вязкости при моделировании не приводит к существенному изменению структуры течения. Таким образом, конструктор при выборе геометрии проточной части лопаточной машины в первом приближении может опираться на результаты двумерных расчетов. Результаты расчетов в ANSYS Vista TF могут быть обработаны в постпроцессоре ANSYS® CFD-Post™.

Эскиз проточной части центробежного компрессора, созданный средствами BladeEditor. Для редактирования геометрии лопаток можно использовать как BladeGen™, так и BladeEditor™. Программный комплекс BladeGen имеет собственный графический интерфейс и обладает полными функциональными возможностями, а BladeEditor — это

Каталог ANSYS 2009 97

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ тот же ANSYS DesignModeler, но с несколько ограниченным функционалом. Однако стратегия компании ANSYS, Inc. направлена на постепенное замещение BladeGen программным комплексом BladeEditor, так как он имеет более высокую степень интеграции с ANSYS® Workbench™. Соответственно, в дальнейшем говоря о ANSYS BladeModeler мы будем иметь ввиду в первую очередь BladeEditor.

Рабочая среда Рабочая область ANSYS BladeModeler разделена на несколько окон (Meridional View, Auxilliary View, Angle View и Thickness View), что намного упрощает процесс определения геометрии лопаток и геометрии турбомашины в целом. Meridional View используется для определения профиля лопатки в меридиональном сечении. Входная/выходная кромки лопаток могут быть прямыми или криволинейными (изогнутыми).

Импорт и экспорт данных Пример создания расчетной CFD-модели в BladeEditor на основе твердотельной модели лопаточной машины. Главным преимуществом BladeEditor перед BladeGen является возможность работать с геометрией лопаток сразу нескольких венцов в рамках одной сессии. Кроме того, в BladeEditor можно создать параметризованный эскиз проточной части (режим Sketching), задать положения лопаток, установочные углы, количество лопаток и их тип (вращающаяся или неподвижная), а также распределение толщины лопатки по высоте. В дополнение к этому, в BladeEditor есть отдельная опция для работы с разделителями потока (Splitter). В 12-м релизе упростилась процедура создания расчетной области («обратной» по отношению к твердотельной модели лопаточной машины). Для этого в BladeEditor была введена опция StageFluidZone. При создании «обратной» модели BladeEditor автоматически разделяет модель на несколько тел, в соответствии с их типом (ротор или статор). Еще одна полезная опция, добавленная в 12-ю версию, связана с расчетом площади минимального сечения межлопаточного канала — горла — ThroatArea.

Каталог ANSYS 2009

Для точного описания формы лопатки используется несколько сечений, которые в терминах ANSYS BladeModeler называются слоями (Layers). В каждом слое можно отредактировать профиль лопатки. Для этого используются соответствующие окна: Angle View — для задания углов и Thickness View — для задания толщины лопатки в случае, если она непостоянна по высоте. Кривые, описывающие вогнутую и выпуклую части профиля, задаются отдельно.

Импорт и экспорт данных Геометрия лопатки, созданная в ANSYS BladeModeler, может быть отредактирована непосредственно в ANSYS DesignModeler. Кроме того, ANSYS BladeModeler поддерживает сторонние форматы такие как IGES, DXF (AutoCAD™), Parasolid™, IBL (Pro/ENGINEER®).

Платформы • • •

Windows® 2000 Professional. Windows® XP Professional. Windows® XP Professional x64 Edition.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

ANSYS® Vista™ TF Двумерный расчет течения в проточной части турбомашины. ANSYS® Vista™ TF состоит из 4-х модулей, предназначенных для проектирования определенного типа турбомашины.

ANSYS® Vista™ TF — это общее название многомодульного программного комплекса, предназначенного для экспресс-анализа характеристик течения в проточной части турбомашины. Данный код был разработан английской компанией PCA Engineers Limited, которая специализируется на задачах турбомашиностроения. ANSYS Vista TF интегрирована в ANSYS® Workbench™ 12.0. и работает совместно с ANSYS® BladeModeler™. Для запуска ANSYS Vista TF требуется отдельная лицензия. Одним из самых ранних методов расчета течения в тракте лопаточных машинах был метод, основанный на решении двумерных уравнений Эйлера, осредненных в окружном направлении. Он позволял изучать характеристики идеализированного течения жидкости (без учета теплопроводности и вязкости) в осевых или радиальных турбомашинах с цилиндрическими или плоскими осредненными поверхностями токов. Начало разработки этого метода относится к середине 1940-х годов. Позднее этот метод был дополнен учетом вязкости, паразитных утечек, осевых и радиальных зазоров и т. п. Альтернативный подход, реализованный в ANSYS Vista TF, базируется на расчете в слое переменной толщины. ANSYS Vista TF используется специалистами PCA Engineers уже более 25 лет для предварительного расчета течения сжимаемых и несжимаемых потоков в лопаточных машинах радиального и осевого типов. ANSYS Vista TF позволяет учесть турбулентную диффузию, влияние вторичных течений и разделителей потока. Кроме того, ANSYS Vista TF позволяет решать задачи оптимизации с использованием генетического алгоритма. В текущей 12-й версии данная возможность реализована в модуле CCD (центробежные компрессоры), в следующем релизе она будет доступна и в модуле RTD (радиальные турбины). В планах компании также включение во все модули ANSYS Vista TF модели реального газа (сейчас эта опция доступна только в модуле CCD — используется стандартный RGP-файл ANSYS® CFX®), которая

расширит список приложений данного программного комплекса*. ANSYS Vista TF состоит из четырех модулей: • ANSYS Vista CCD — Centrifugal Compressors Design — модуль для предварительного расчета характеристик центробежных компрессоров. • ANSYS Vista CPD — Centrifugal Pumps Design — модуль для предварительного расчета центробежных насосов. • ANSYS Vista AFD — Axial Fans Design — модуль для предварительного расчета осевых вентиляторов. • ANSYS Vista RTD — Radial Turbines Design — модуль для предварительного расчета радиальных турбин. В зависимости от типа лопаточной машины, необходимо определить те или иные входные параметры. На рис. 1. показан внешний вид традиционного графического интерфейса программы расчетного модуля ANSYS Vista CCD. В панели Duty and aerodynamic data задаются значения всех необходимых для анализа входных параметров: расход воздуха через компрессор (Mass flow), степень повышения давления в компрессоре (Overall pressure ratio), частота вращения (Rotational speed), параметры окружающей среды * Более подробную информацию о практическом опыте использования ANSYS Vista TF можно получить из следующих публикаций, доступных на сайте www.pcaeng.co.uk: Casey, M.V., Robinson, C.J, «A new streamline curvature throughflow code for radial turbomachinery», ASME Turbo Expo 2008, Berlin, ASME GT2008-50187. Casey, M.V., Gersbach, F., Robinson, C.J, «A new optimisation technique for radial compressor impellers», ASME Turbo Expo 2008, Berlin, ASME GT2008-50561. Cox, G., Roberts, A. and Casey, M.V., «The development of a deviation model for radial and mixedflow turbines in thoughflow calculations» ASME GT200959921, submitted to ASME Turbo Expo 2009, June 8-12, 2009, Orlando, Florida, USA.

Каталог ANSYS 2009 99

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Рис. 1. Традиционный интерфейс модуля ANSYS Vista TF. (Inlet stagnation conditions), свойства рабочего тела (Gas constant и Gamma) и пр. Кроме того, ANSYS Vista TF может запускаться непосредственно из ANSYS Workbench. В этом случае рабочая область ANSYS Vista TF будет иметь вид, показанный на рис. 2. Так же в отдельных модулях ANSYS Vista TF можно выводить на экран треугольники скоростей (на входе и выходе), эскиз (схему) проточной части, улитки и пр.

Рис. 3. Структура проекта для расчета осевой турбины с использованием как 1D кода (ANSYS Vista TF), так и 3D кода (ANSYS CFX).

Рис. 4. Структура проекта для многовариантного расчета течения в центробежном компрессоре с использованием ANSYS BladeGen, ANSYS TurboGrid и ANSYS CFX.

Рис. 2. Рабочая область ANSYS Vista TF в ANSYS Workbench.

ANSYS Turbo: современная интегрированная система проектирования турбомашин В 12-й версии ANSYS Workbench представлена новая идеология организации взаимодействия между раз-

100

Каталог ANSYS 2009

личными модулями ANSYS, которая получила название Project Schematic — «Схема проекта». На рис. 3 — 4 показаны типичные варианты подобной схемы для расчета характеристик течения в осевой турбине и центробежном компрессоре, соответственно. Из представленных схем видно, что взаимодействие между модулями осуществляется на уровне геометрии, сетки и расчетных данных. Таким образом, можно использовать несколько алгоритмов расчета течения газа или жидкости в проточной части турбомашины. Рассмотрим ключевые этапы постановки подобных расчетов в ANSYS.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Первый этап: создание твердотельной модели лопаточной машины. Для построения 3D модели турбомашины можно использовать либо «внешний» CAD-комплекс, например, Unigraphics, SolidWorks, Inventor и др., или использовать одно из двух решений — ANSYS® DesignModeler™ или ANSYS® BladeModeler™. В первом случае созданная модель импортируется в ANSYS посредством таких форматов как IGES, Parasolid, или без промежуточной конвертации при наличии прямого интерфейса. Далее она сохраняется во внутреннем формате ANSYS и передается в сеточный препроцессор ANSYS TurboGrid для построения расчетной сетки или в ANSYS® ICEM CFD™ (рис. 5).

Рис. 6. Шаблон блочной топологии ANSYS TurboGrid для осевого компрессора. пов лопаточных машин (рис. 6). Основываясь на этой топологии, ANSYS TurboGrid разбивает модель на шестигранники (гексаэдры). Если лопаточная машина имеет сложную конструкцию, например, содержит дополнительные узлы (диффузор, выходное устройство и пр.) или внутреннюю систему охлаждения (лопатка турбины), то следует использовать универсальный сеточный препроцессор ANSYS ICEM CFD, который позволяет создаРис. 5. Пример использования ANSYS ICEM CFD для генерации структурированной сетки на основе гексаэдров.

Второй вариант подразумевает создание «с нуля» 3D модели лопаточной машины с помощью геометрического препроцессора BladeGen™: сначала создаются эскизы проточной части, контуры лопатки (в нескольких сечениях), а затем на основе этой 2D геометрии создается трехмерная модель.

Второй этап: создание расчетной сетки Для построения расчетной сетки можно использовать специализированный сеточный препроцессор ANSYS TurboGrid, который содержит готовые оптимизированные шаблоны блочной топологии для основных ти-

Рис. 7. Гибридная сетка для лопаточной машины.

Каталог ANSYS 2009 101

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ вать как структурированные сетки на основе гексаэдров, так и неструктурированные сетки на основе гексаэдров, или гибридные сетки (рис. 7).

Третий этап: препроцессинг в ANSYS® CFD™ и расчет В настоящее время в ANSYS не существует внутренней конкуренции между двумя CFD-кодами: ANSYS CFX и ANSYS® FLUENT®. Оба указанных кода могут быть одинаково успешно использованы для моделирования течения газа/жидкости в проточной части турбомашины, в том числе течения многофазного потока (с учетом процессов тепломассообмена и кавитации).

Четвертый этап: обработка результатов расчета в ANSYS® CFDPost™ Для обработки результатов расчета удобней всего запустить постпроцессор ANSYS® CFD-Post™ в режиме Turbo. Это позволит обрабатывать и представлять результаты расчета в привычном виде (рис. 8): выводить значения рассчитываемых переменных в меридиональном сечении (опция Meridional), в поперечном сечении межлопаточных каналов (Blade-to-Blade), по обводу профиля (Blade Loading) и т.п. Также в ANSYS CFD-Post можно создавать структурированные отчеты, содержащие все исходные данные и основные параметры турбомашины. Данный отчет можно сохранить в формате HTML.

Рис. 8. Распределение энтальпии в поперечном сечении межлопаточных каналов (опция Blade-to-Blade). оценка температурного состояния ответственных узлов турбомашин, например, охлаждаемых лопаток ТВД (рис. 9).

Многодисциплинарные расчеты ANSYS CFD часто применяется для получения граничных условий для расчета НДС. Газовые турбины и турбокомпрессоры обычно проектируются для работы вблизи пределов прочности (текучести) материалов. Детальное представление о температурах и давлениях в жидкостях, которые контактируют с наиболее ответственными узлами и деталями, позволяет избавиться от некоторого консерватизма в процессе проектирования турбомашины. Температуры в узлах, координаты и связи могут быть экспортированы в препроцессор МКЭ-комплекса для последующего наложения на новую сетку. Кроме того, ANSYS CFD можно использовать для решения задач аэроупругости, например автоколебаний лопаток компрессоров и турбин. Еще одной практической областью применения ANSYS CFD является

102

Каталог ANSYS 2009

Рис. 9. Распределение температуры на поверхности охлаждаемых лопаток турбины.

В заключение отметим, что все перечисленные типы расчетов в ANSYS CFD возможны только при совместном использовании CFD-кодов ANSYS и специализированных приложений, объединенных в линейку продуктов ANSYS Turbo.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

ANSYS® Airpak® Расчет систем вентиляции, отопления и кондиционирования. Используется решатель ANSYS® FLUENT®.

Программный комплекс ANSYS® Airpak®, основанный на решателе гидрогазодинамического кода ANSYS® FLUENT®, позволяет достоверно моделировать потоки воздуха, теплообмен, распространение загрязняющих веществ и рассчитывать тепловой комфорт в помещении с выбранной системой вентиляции. В ANSYS Airpak возможно легко построить компьютерную модель, быстро проверить множество различных концептуальных проектов и выбрать лучшее решение. Такой подход исключает вариант работы методом «проб и ошибок» при проектировании систем вентиляции для нестандартных и уникальных сооружений. Комплекс ANSYS Airpak позволяет уменьшить риски для новых проектов и улучшить характеристики существующих. При обработке результатов моделирования в ANSYS Airpak существует возможность создания цветных анимаций, рисунков и графиков. Подобные средства визуализации позволяют повысить эффективность маркетинговых и коммерческих мероприятий компании. К преимуществам использования ANSYS Airpak можно отнести: • Сокращение требуемого времени. • Уменьшение рисков. • Экономию средств. • Увеличение конкурентоспособности.

Целевая аудитория ANSYS Airpak ANSYS Airpak используется инженерами, дизайнерами, специалистами по охране труда для диагностики существующих и разработки новых систем вентиляции, отопления и кондиционирования. Данный комплекс активно используется в таких отраслях промышленности, как химическая, строительная, ОВК, горная, металлургическая, бумажная, нефтехимическая, фармацевтическая, полиграфическая и др.

Возможности комплекса ANSYS Airpak обеспечивает быстрое построение геометрических моделей с помощью объектно-ориентированной технологии. Существует возможность импорта геометрии из CAD-систем посредством форматов IGES и DXF. В комплексе представлено множество шаблонных объектов, таких как комнаты, блоки, вентиляторы, диффузоры, проемы, стены, переборки, источники, сопротивления, колпаки и др. Обширная база свойств материалов ANSYS Airpak обеспечивает высокую точность описания сред и экономит время пользователя при исследованиях. Не существует другого комплекса для моделирования потоков воздуха, который бы мог строить расчетную сетку для криволинейных поверхностей и гладких объектов без нарушения исходной топологии исследуемой области решения. Технологии ANSYS Airpak позволяют строить реалистичные модели сложных сооружений и получать достоверные результаты. Корректность результатов зависит в первую очередь от точности соответствия расчетной сетки реальной геометрии. В ANSYS Airpak встроен автоматизированный сеточный генератор, использующий технологии модуля Auto-Hexa комплекса ANSYS® ICEM CFD™. Комплекс ANSYS Airpak достаточно прост в освоении: можно научиться основам работы с программным обеспечением за один день. Разработчики ANSYS Airpak постарались максимально упростить каждый этап построения расчетной CFD-модели, начиная с создания геометрии, построения расчетной сетки, до анализа результатов расчета. Ядром комплекса ANSYS Airpak является решатель ANSYS FLUENT, наиболее совершенный в области гидрогазодинамики. Благодаря этому комплекс является надежным, быстрым и эффективным инструментом для инженерных расчетов.

Каталог ANSYS 2009 103

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Пример моделирования чистой комнаты в ANSYS Airpak. мые отчеты помогают пользователю определить ключевые характеристики сравнения. Пользователь может визуализировать векторы скорости, контуры, линии тока частиц. Могут использоваться сечения и изоповерхности, чтобы максимально детально отобразить результаты расчета. Точечные датчики и графики также могут использоваться в отчетах. Кроме того, можно создавать анимации для иллюстрации линий тока в реальном времени.

Актуальные задачи Расчет системы вентиляции офисного помещения.

Средства визуализации и создания отчетов ANSYS Airpak позволяет легко интерпретировать и сравнивать результаты моделирования. Настраивае-

Программный комплекс ANSYS Airpak позволяет решать такие задачи, как исследование распространения загрязнений, распределения воздуха в помещении, распределения температур и влажности, моделирование нагрева и охлаждения, оценка герметизации помещения, оценка влияния вытяжных систем, моделирование систем пожаротушения и удаления дыма, моделирование теплового комфорта и пр.

Обзор приложений ANSYS Airpak в различных отраслях промышленности. Вентиляция коммерческих и жилых помещений

Учебные заведения. Медицинские заведения. Зоопарки, теплицы. Кухонная вентиляция. Рестораны и бары. Стадионы и арены.

104

Чистые помещения

Электроника, полупроводники. Фармацевтика. Медицина, биотехнологии. Сельское хозяйство, продукты питания. Авиакосмическая отрасль. Автомобилестроение.

Каталог ANSYS 2009

Промышленность

Промышленное кондиционирование воздуха. Промышленная вентиляция. Промышленная гигиена. Охрана труда. Влияние зданий на внешний поток воздуха. Вентиляция транспортных средств. Вентиляция шахт. Моделирование пожаров, задымленности.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

ANSYS® Icepak® Расчет температурного состояния электронных устройств и компонентов. Встроенный генератор гексаэдральных сеток со ступенчатой аппроксимацией и CFD-решатель ANSYS® FLUENT®. Импорт геометрии из MCAD-/ECAD-систем через форматы: IDF, MCM, BRD, TCB — «электронные» и STEP, IGES, DXF – геометрические.

ANSYS® Icepak® — специализированное приложение, предназначенное для оценки температурного состояния электронных узлов* и компонентов. С помощью ANSYS Icepak можно решить одну из главных проблем электронной промышленности: обеспечение надежной защиты ответственных узлов от влияния высоких температурных нагрузок. ANSYS Icepak позволяет получить распределение тепловых потоков в конструкции, а также рассчитать локальные значения коэффициентов теплоотдачи, скорости и температуры. Список приложений ANSYS Icepak достаточно широк — данный продукт можно использовать как для моделирования воздушных по-

Температурное состояние графической карты. Расчет выполнен в ANSYS Icepak. * Здесь и далее под термином «электронное устройство» мы подразумеваем любое устройство, независимо от его масштаба и степени интеграции.

токов внутри корпуса, так и для оценки температурного состояния одиночного процессора или материнской платы в целом. Расчетные технологии ANSYS Icepak позволяют на определенных этапах проектирования отказаться от создания физического прототипа устройства и заменить натурный эксперимент численным моделированием.

Создание расчетной модели Интерфейс ANSYS Icepak максимально ориентирован на инженеров-электронщиков, имеющих практический опыт использования ECAD- и MCAD-системам. Для построения расчетной модели в ANSYS Icepak достаточно выбрать в меню необходимый компонент (корпус, вентилятор, печатную плату, вентиляционное отверстие, воздуховод, источник тепла, сопротивление и пр.) и перетащить его в рабочее окно. В эти типовые объекты заложена такая информация, как геометрические размеры, свойства материалов и граничные условия. Кроме того, данные объекты являются параметрическими, что позволяет выполнять многовариантные расчеты и оценивать температурное состояние объекта при различных условиях (нагрузках). В ANSYS Icepak по умолчанию встроена расширенная библиотека электронных компонентов различного типа. Другим достоинством данного пакета является возможность работы как с «отраслевыми» ECAD-/ MCAD-системами, так и с традиционными CAD-комплексами через промежуточные геометрические форматы IGES и DXF. Импортированная из ECAD геометрия легко связывается с типовыми объектами ANSYS Icepak, что существенно упрощает процесс создания расчетной модели для сложных электронных узлов и систем.

Каталог ANSYS 2009 105

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ В дополнение к этому, ANSYS Icepak содержит специальные макросы (подпрограммы) для выполнения типовых процедур (например, сертификации/тестирования), что значительно повышает уровень автоматизации данного пакета.

ничений по типу расчетной сетки (структурированная или неструктурированная) и по размерности сетки. ANSYS Icepak содержит расширенный набор математических моделей для описания самых разнообразных физических процессов, которые позволяют выполнять не только стандартные расчеты, но проводить и многодисциплинарное моделирование.

Типовые объекты ANSYS Icepak.

Автоматическая генерация сетки Процесс генерации сетки в ANSYS Icepak максимально упрощен. Встроенные в ANSYS Icepak алгоритмы позволяют генерировать как многоблочные и неструктурированные сетки, так и декартовы сетки или сетки типа Hex-Dominant. Кроме того, в ANSYS Icepak можно разбить модель и на тетраэдрические элементы. При моделировании температурного состояния электронных устройств очень важно правильно рассчитывать коэффициенты теплоотдачи на «омываемых» поверхностях. Для этого необходимо корректно «разрешать» пристеночные области. Алгоритмы ANSYS Icepak позволяют успешно решать и эту задачу. Кроме того, пользователь может вручную определять размеры элементов в определенных областях, а также группировать отдельные компоненты системы в сборку и разбивать созданные сборки независимо друг от друга.

Многоуровневая сетка типа Hex-Dominant для вентилятора системы охлаждения. Пример генерации расчетной сетки вокруг контактов без применения ступенчатой аппроксимации геометрии.

Решатель Расчетные возможности ANSYS Icepak базируются на мощном решателе ANSYS® FLUENT®. Расчеты могут быть выполнены как в стационарной, так и в нестационарной постановке. Учитываются все виды теплообмена: кондуктивный (теплопроводность), конвективный (естественная и вынужденная конвекция) и излучение (солнечная радиация и переизлучение с одной поверхности на другую). Не существует никаких огра-

106

Каталог ANSYS 2009

Продвинутые математические модели: • Модель пути смешения Прандтля. • Стандартная k-ε модель турбулентности. • Модель RNG k-ε. • Модель Спаларта-Аллмараса. • Анизотропная теплопроводность (для твердых тел). • Температурозависимые свойства материалов.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ татов расчета. Кроме того, результаты расчета можно оформить в виде отчета и сохранить в формате HTML. • Вектора скоростей, контурная заливка, траектории частиц. • Подвижные плоскости, изоповерхности. • Визуализация электрического потенциала. • Скорость, температура, коэффициент теплоотдачи, завихренность и пр. • Локальные характеристики в точке. • Экспорт в Autotherm. • Экспорт в NASTRAN®, PATRAN® и I-DEAS®. Оценка температурного состояния сетевого сервера в ANSYS Icepak. •

ANSYS Icepak обладает разнообразными средствами для визуализации и количественного анализа резуль-

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

Расчет температурного состояния микросхемы в корпусе BGA.

Оценка температурного состояния печатной платы с использованием исходных данных, полученных в SIwave (Ansoft™).

• • • • • •

Модель контактного термического сопротивления. Объемный источник тепла. Модель вентилятора (задание нелинейной расходной характеристики). Автоматический расчет угловых коэффициентов (лучистый теплообмен). Модель дискретных ординат (лучистый теплообмен). Джоулев нагрев. Расчет сопротивления электрических цепей.

Взаимодействие со сторонними продуктами

Обработка результатов

Каталог ANSYS 2009 107

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Распределение электрического потенциала по токовым дорожкам печатной платы.

Пример оценки температурного состояния материнской платы с процессором в ANSYS® CFX®.

Кроме того, полученное температурное поле можно передать из ANSYS Icepak в ANSYS Mechanical для расчета термонапряженного состояния конструкции.

Поддерживаемые платформы • • • • • • •

HP-UX 11i 64. HP-UX 11.0 64. SUN® Solaris™ 10 64. Linux® Redhat® (3, 4) Suse™ (9, 10) 32. Linux Redhat (3, 4 ,5) Suse (9, 10) 64. Windows® XP, 2003 Server, Windows Vista® 32. Windows XP, 2003 Server, Vista 64.

Дополнительные модули ANSYS® Icepar™ Пример схемы проекта в ANSYS® Workbench™ 12.0 с использованием ANSYS Icepak. В заключение заметим, что любое современное электронное устройство или электронный компонент имеют очень сложную структуру, в них часто применяются нетрадиционные материалы, для которых характерен большой разброс механических и тепловых свойств. Кроме того, электронное устройство всегда подвергается значительным температурным нагрузкам как на стадии производства, так и в период эксплуатации. Эти свойства и воздействие температуры могут привести к появлению нежелательных температурных напряжений, которые в результате длительной эксплуатации могут привести к отказу оборудования. Программный комплекс ANSYS Icepak совместно c ANSYS Mechanical позволяют оценить влияние всех типов нагрузок на эксплуатационные характеристики электронного устройства и вовремя внести исправления в конструкцию.

108

Каталог ANSYS 2009

Модуль ANSYS Icepar предназначен для расчета моделей с большой размерностью с использованием технологии распределенных вычислений.

ANSYS® Icepro™ Модуль ANSYS Icepro обеспечивает передачу геометрии из MCAD-систем в ANSYS Icepak. Он содержит инструменты для редактирования геометрии и понижения уровня детализации, что является актуальным для задач оценки температурного состояния электронных устройств. Поддерживаются файлы в форматах Pro/Engineer, STEP, ACIS и IGES.

ANSYS® Iceopt™ Модуль ANSYS Iceopt позволяет решать задачи оптимизации с использованием параметрических моделей ANSYS Icepak.

ANSYS® Icegrb™ Модуль ANSYS Icegrb предназначен для импорта PCBфайлов Gerber в ANSYS Icepak.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

ANSYS® nCode DesignLife™ Решение ANSYS® nCode DesignLife™ представляет собой профессиональный инструмент для расчета усталостной долговечности, интегрированный в ANSYS® Workbench™.

Решение ANSYS® nCode DesignLife™ представляет собой профессиональный инструмент для расчета усталостной долговечности, интегрированный в ANSYS® Workbench™. Результаты и база данных по материалам, созданные расчетными средствами ANSYS Workbench, напрямую передаются в модуль ANSYS nCode DesignLife. Это обеспечивает простую в применении и мощную комбинацию расчетных средств для анализа усталостной долговечности в ANSYS. ANSYS nCode DesignLife объединяет профессиональный CAE-расчет и инструмент обработки усталостных характеристик конструкции c использованием удобного графического интерфейса ANSYS Workbench. Кроме того, в зависимости от уровня напряжений (stress-life) и деформаций (strain-life), возможности ANSYS nCode DesignLife по расчету усталостной долговечности позволяют решать такие задачи, как точечная и шовная сварка, анализ работы вибростендов и другого оборудования. ANSYS nCode DesignLife эффективно работает с конечно-элементными моделями больших размерностей. Поддержка скриптов Python позволяет создавать новые или совершенствования существующие методики оценки усталостной долговечности конструкций.

Семейство продуктов ANSYS nCode DesignLife 5.1. ANSYS nCode DesignLife Standard — основной продукт для решения задач усталостной долговечности. Включает методы оценки, в зависимости от уровня напряжений (stress-life), деформаций, и метод Dang Van. ANSYS nCode DesignLife Vibration — дополнительные возможности комплекса для анализа уста-

лостной долговечности при вибрационном нагружении конструкции. Моделирует синусоидальные и случайные (PSD) нагрузки. ANSYS nCode DesignLife Accelerated Testing — пакет обработки сигналов в дополнение к возможностям анализа вибрационного нагружения конструкции. Возможность обработки виртуальных и физических вибрационных экспериментов.

Интерфейс модуля ANSYS nCode DesignLife Vibration ANSYS nCode DesignLife Welds — анализ усталостной долговечности конструкций, содержащих шовные или точечные сварные элементы. ANSYS nCode DesignLife Parallelization — модуль для поддержки распределенных вычислений. В ANSYS nCode DesignLife лицензируется каждое отдельное ядро. Лицензия на одно ядро (процесс) включена в базовый модуль.

Каталог ANSYS 2009 109

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Возможности стандартного пакета ANSYS nCode DesignLife Анализ усталостной долговечности в зависимости от уровня напряжений (Stress Life) В ANSYS nCode DesignLife существует возможность интерполяции между кривыми свойств материала в зависимости от температуры. В пакете проводится предварительное решение кривых многоцикловой усталости с контролем номинальных напряжений. Модели материалов: • Standard SN; • SN Mean multi-curve; • SN R-ratio multi-curve; • SN Haigh multi-curve; • SN Temperature multi-curve; • Bastenaire SN; • Типовые модели SN на основе скриптов Python. Коррекция средних напряжений цикла: • FKM Guidelines; • Goodman; • Gerber.

на основе данных о локальных деформациях в конструкции. Существует возможность задавать свойства материалов в зависимости от температуры. С помощью программного комплекса решаются такие задачи, как малоцикловая усталость с контролем упругопластических деформаций. Модели материалов: • Standard EN; • EN Mean multi-curve; • EN R-ratio multi-curve; • EN Temperature multi-curve. Коррекция средних напряжений в цикле: • Morrow; • Smith Watson Topper. Коррекция пластичности: • Neuber; • Hoffman-Seeger. Оценка многоосевого нагружения: • Biaxial; • 3D Multiaxial; • Auto-correction.

Решатель Dang Van Коррекция градиента напряжений: • FKM Guidelines; • Пользовательская модель.

Анализ усталостной долговечности в зависимости от уровня деформаций (Strain Life) Программный комплекс ANSYS nCode DesignLife позволяет проводить расчет усталостной долговечности

В ANSYS nCode DesignLife существует возможность нахождения запасов прочности по критерию Dang Van (метод предсказания предельного срока службы конструкции, испытывающей сложное разноплановое нагружение). Результаты расчета всегда выводятся в виде запасов прочности, но не в виде усталостной долговечности. Параметры материала вычисляются на основе испытаний образцов на растяжение и кручение. Данный решатель подходит для задач, таких как анализ усталостной долговечности двигателей, железнодорожного подвижного состава, где присутствует очень большое число циклов нагружения.

Поддерживаемые платформы

Пример задания свойств материалов в ANSYS Workbench

110

Каталог ANSYS 2009

Платформа

Процессор

ОС

Windows (64-bit)

x64

Windows (32-bit)

x86

Windows XP 64, Vista 64 Windows XP, Vista

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

EDEM™ Специализированный программный комплекс для анализа динамики сыпучих сред. Основные области применения: горнодобывающая отрасль, пищевая промышленность, производство лекарственных препаратов.

EDEM™ является передовым программным комплексом, основанным на методе дискретных элементов (DEM, Discrete Element Method) для моделирования и анализа динамики сыпучих сред. Простой в использовании, EDEM предлагает возможности по внедрению физических пользовательских моделей и интеграции с известными CAE-системами. В комплексе EDEM можно быстро и просто построить параметризованную модель для сыпучего материала. Для точного представления формы частиц в EDEM можно импортировать CAD-модели частиц. Свойства частиц включают как механические, так и физические характеристики, что позволяет получить подробную модель частиц для проведения расчетов. В EDEM присутствует уникальная технология генерации частиц Particle Factory, которая позволяет точно указать начальное положение группы частиц в соответствии с особенностями геометрии оборудования, для которого выполняется расчет. Геометрия оборудования может передаваться в EDEM в виде твердотельной CAD-модели с использованием универсальных или специализированных геометрических форматов.

ет частицы, электростатическое и электромагнитное воздействие. В результате расчетов с использованием EDEM пользователь получает информацию о внутренней динамике гранулированной фазы, характеристиках взаимодействия частиц и оборудования, интенсивности и частоте столкновений между элементами, скорости и положении каждой частицы в любой момент времени, разрыве связей в блоках сцепленных частиц и пр. EDEM является надежной платформой для проведения многодисциплинарных расчетов. Программный интерфейс (API) позволяет моделировать широкий круг связанных задач, в первую очередь благодаря сопряжению с другими расчетными системами.

Взаимодействие «частицы-поток» Расчеты с учетом взаимодействия частиц и потока могут выполняться как в однонаправленном, так и в

Расчетные возможности EDEM содержит набор моделей контактного взаимодействия, которые реализованы в виде пользовательских библиотек. Среди основных можно выделить модели Герца-Майндлина (Hertz-Mindlin), линейной упругости, слипания (когезии), связанных частиц и подвижной поверхности. Интерфейс программы позволяет динамически управлять параметрами модели, такими как свойства частиц и настройки граничных условий. С помощью интерфейса можно связать комплекс EDEM c другими системами инженерного анализа, а также с таблицами значений параметров. Механизм задания объемных сил позволяет учитывать объемные силовые факторы, такие как воздействие потока, который окружа-

Каталог ANSYS 2009 111

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ двунаправленном режиме. Однонаправленное взаимодействие предполагает воздействие потока на частицы без обратного влияния и может быть реализовано с помощью пользовательской библиотеки задания объемных сил (Particle Body Force UDL) через считывание профиля скоростей потока, полученного в ходе CFD-расчета. Двунаправленное взаимодействие учитывает обратное влияние частиц на поток и реализуется с помощью динамической связи EDEM с CFD-кодом (ANSYS® FLUENT®). Примерами таких расчетов являются исследования агломерации частиц в устройствах с псевдосжиженными слоями, пневмотраспортировка, перемещение суспензий (пульпа, шлам и т.д.), фильтрация, перемешивание твердой примеси и потока, эрозия трубопроводов и др.

Взаимодействие «частицы-конструкция» Взаимодействие частиц с контактными поверхностями оборудования рассчитывается напрямую в EDEM, и эти данные могут быть, в частности, использованы для управления элементами оборудования (посредством сопряжения EDEM с системами расчета динамики многих тел). Данные расчетов также могут быть использованы для передачи в МКЭ-комплексы, например, ANSYS® Mechanical™ для анализа прочности или оценки износа оборудования.

Взаимодействие «частицы-электромагнитное поле» Взаимодействие частиц с электростатическими и магнитными полями в EDEM реализовано на основе взаимодействия частиц с полем течения. Однона-

Забор материала (частицы выделены цветом в соответствии со скоростью их перемещения). правленное взаимодействие предполагает использование аналитических соотношений для расчета характеристик поля или считывание их из файла, созданного другим расчетным пакетом. Программный комплекс EDEM позволяет моделировать динамику заряженных частиц. Возможности встроенного электростатического модуля позволяют моделировать электростатическое взаимодействие между частицами и накопление заряда на частицах заряда при их трении о контактные поверхности.

Применение EDEM в горнодобывающей промышленности Программный комплекс EDEM нашел широкое применение в горнодобывающей промышленности. В частности, он используется при проектировании ковшей драглайнов, экскаваторов, погрузочных машин, при расчете устойчивости откосов насыпей и карьерных откосов, расчете износостойкости бурового, добывающего и транспортировочного оборудования, моделировании движения руды и образования заторов и др.

Преимущества моделирования в EDEM • • • • Моделирование динамики ковша в программном комплексе EDEM.

112

Каталог ANSYS 2009

•

Усовершенствование существующего оборудования. Сокращение времени простоя при ремонте оборудования. Снижение затрат на экспериментальные исследования и создание физических моделей оборудования. Лучшее понимание поведения материала для проведения модернизации оборудования. Близкая к реальной интерпретация формы частиц и гранулометрического состава среды.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

ANSYS Composite PrepPost Специализированный пре-/постпроцессор для создания расчетных моделей из композитных материалов.

Создание конструкций из композиционных материалов является сложной инженерной задачей. Поскольку структура и характеристики композиционных материалов достаточно сложны, создание адекватной расчетной модели является актуальной задачей. Композиционные материалы обладают трансверсальноизотропными, ортотропными, анизотропными характеристиками, в связи с чем их часто применяют при решении специфичных конструкторских задач. Компания ANSYS, Inc представляет интегрированный в среду ANSYS® Workbench™ специализированный программный продукт — ANSYS Composite PrepPost (ASP), который успешно решает эту задачу. Этот специализированный пре-/постпроцессор позволяет обмениваться данными с другими программными продуктами ANSYS с помощью формата .cdb. Модуль ACP полностью интегрирован в среду ANSYS Workbench и при необходимости запускается из специального меню в расчетном модуле Workbench Mechanical Специализированный пре-/постпроцессор для композиционных материалов ANSYS Composite PrepPost позволяет решать сложные задачи.

Обмен данными в ANSYS® Mechanical™ APDL и ANSYS Workbench.

Задание свойств композиционных материалов В удобном объектно-ориентированном графическом интерфейсе можно управлять расчетной моделью в структурированной древообразной схеме. В соответствующем разделе задаются: • Тип композита (угле-, стекло-, органопластики на основе эпоксифенолформальдегидных, кремнийорганических смол и эпоксидные боропластики, и т. д.); • Свойства материалов в слоях и волокнах в различных направлениях;

Интеграция модуля ANSYS Composite PrepPost в среду ANSYS Workbench.

Каталог ANSYS 2009 113

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Конфигурация слоев Каждый слой может быть изготовлен из собственного композиционного материала, и ориентация каждого главного направления может быть различной. Для слоистого композита направление волокон определяет схема армирования каждого слоя. Для определения конфигурации слоев существует два метода: • Определение свойств каждого слоя непосредственно; • Ввод определяющих матриц, которые задают соотношения между силами/моментами и общими деформациями/кривизной.

Задание ориентации в слоистых элементах Модуль ACP очень удобен для определения и контроля задания направления в элементах в декартовой, цилиндрической и сферической системах координат. Эти системы координат задаются в соответствующем разделе. В модуле представлены средства анализа результатов по слоям и отображение информации по элементам. В ANSYS Composite PrepPost реализована работа со слоистыми объемными элементами (подобно работе с оболочечными слоистыми элементами). Критерии оценки разрушения в ANSYS Composite PrepPost: максимальной деформации • Критерий (Maximum Strain Failure Criterion), определяющий девять критических деформаций (failure strains); • Критерий максимальных напряжений (Maximum Stress Failure Criterion), определяющий девять критических напряжений (failure stresses); • Критерий Tsai-Wu (Tsai-Wu Failure Criterion), определяющий девять критических напряжений и три дополнительных связывающих коэффициента; • Гипотеза Tsai-Hill; • Критерий Hashin; • Критерий Puck simplified, 2D и 3D; • Критерий Langley Research Center (LaRC). Для анализа результатов решения в модуле реализована уникальная возможность комплексной оценки модели по нескольким критериям разрушения. В результате выводятся данные по самым проблемным зонам конструкции и вариантам нагружения.

114

Каталог ANSYS 2009

Определение свойств композиционных материалов.

Задание ориентации слоев.

Анализ результатов решения.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

DYNARDO® optiSLang™ DYNARDO® optiSLang™– программное решение для оценки чувствительности, многокритериальной и мультидисциплинарной оптимизации, анализа эксплуатационной надежности и отказоустойчивости. DYNARDO optiSLang — программное решение для оценки чувствительности, многокритериальной и мультидисциплинарной оптимизации, анализа эксплуатационной надежности и отказоустойчивости. Программа работает совместно с различными CAE приложениями, в частности, с программным комплексом ANSYS, имеется возможность интегрирования в среду ANSYS® Workbench™. Отличительные особенности программы — эффективная автоматизация расчетов, широкий выбор методов анализа данных, большая база верификации.

Основные возможности Интегрирование в CAE-приложения Предлагается интерфейс для ANSYS Workbench и CATIA для обмена конструктивными параметрами напрямую, управление программой ведется в графической среде Workbench или в командном режиме. Существует возможность связи через ANSYS Workbench со следующими CAD-приложениями: • Autodesk Inventor; • Solidworks; • Solid Edge; • Mechanical Desktop; • Unigraphics; • Pro/ENGINEER.

Инструменты для автоматизации расчетов • •

Постпроцессор для визуализации статистических результатов КЭ конструкций. Постпроцессор для автоматизированного получения результатов расчета.

Алгоритмы и методы Анализ чувствительности: • Планирование эксперимента (DOE) линейное, квадратичное, полное факторное (full factorial),

• •

центральное композиционное (central composite), D-оптимальное (D-optimal). Метод латинского гиперкуба, метод МонтеКарло. Статистическая пост-обработка (анализ отклонений, анализ корреляции, метод главных компонент, коэффициенты смешанной корреляции).

Оптимизация: • Градиентные алгоритмы оптимизации (NLPQLP, L-BFGS). • Генетические алгоритмы, эволюционные стратегии. • Оптимизация по Парето. • Методы аппроксимации поверхности отклика (линейные, квадратичные, наименьших квадратов). • Адаптивные методы аппроксимации поверхности отклика (ARSM). Многокритериальная оптимизация: • Многокритериальный генетический алгоритм. • Многокритериальные методы Парето. • Сохранение расхождения путем расчета плотности. • Метод весовых множителей. Оценка надежности: • Вероятностные переменные с данными корреляции и распределения. • Типы распределения (нормальное, логарифмическое нормальное, равномерное, усеченное нормальное, по Вейбуллу, дискретное). • Выборка латинского гиперкуба, выборка по Монте-Карло. • Описание произвольных предельных состояний. • FORM — метод надежности первого порядка. • ISPUD — выборка важности с использованием расчетной точки.

Каталог ANSYS 2009 115

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Увеличение добычи нефти и газа на основе оптимизации гидравлического разрыва пласта по модели DYNARDO Многие российские месторождения нефти и газа, например в Западной Сибири, располагаются в областях с низкой проницаемостью грунта, где продуктивная зона имеет сложную структуру. Вначале добыча нефти и газа на новой скважине оказывается достаточно высокой, однако затем ее объемы быстро снижаются. Это связано с тем, что приток углеводородов к скважине в таких условиях оказывается небольшим, и мощное насосное оборудование быстро истощает нефтенасыщеный грунт вблизи скважины. В результате, на таких месторождениях без дополнительных мероприятий удается извлечь лишь небольшую долю углеводородов. В настоящий момент самым эффективным способом решения этой проблемы является проведение на скважине гидравлического разрыва пласта. При гидравлическом разрыве пласта (ГРП) нефть или вода, смешанные с песком или другим наполнителем, закачиваются в пласт с высокой скоростью, вызывая растрескивание пласта. Это значительно увеличивает дренируемую площадь вокруг ствола скважины и ее производительность. Многие нефтедобывающие компании в таких сложных условиях выполняют дорогостоящие объемные ГРП, но их проведение часто заканчивается преждевременной остановкой («стопом») из-за прорывов в водонасыщенный пласт, неконтролируемого роста трещины в высоту и других осложнений. Кроме того, даже при успешном проведении гидравлического разрыва пласта, часто не удается достичь запланированного прироста добычи. Оптимизационная модель DYNARDO позволила решить эти проблемы, поскольку она разработана именно для таких сложных условий (высокая расчлененность, неоднородность грунта, тонкие перемычки). Модель обеспечивает хороший результат благодаря высокоточному расчету механики развития трещин, подробной оценке влияния всех исходных факторов на конечный результат —

116

Каталог ANSYS 2009

прирост добычи после разрыва и их многокритериальной оптимизации. В настоящий момент не существует коммерческого продукта, способного смоделировать в трехмерной постановке развитие трещин в слоистых и сочлененных каменных породах сложной структуры и провести оптимизацию гидравлического разрыва пласта, сопоставимую с решением DYNARDO. В качестве исходных данных, используются свойства грунта и его строение вблизи скважины. Эти параметры обычно получают при помощи прямых физических измерений — каротажа, отбора керна, сейсмических измерений на месторождении перед проведением ГРП. В результате, возможно получить схему гидравлического разрыва пласта, включающую все необходимые параметры: количество и продолжительность всех стадий разрыва, давление и объемы нагнетания и другие рекомендации. В итоге, приток углеводородов значительно возрастает за счет большой эффективной длины сети трещин и их оптимальной конфигурации. Для оценки результатов были проведены неоднократные сравнения с ГРП, спроектированными по известным ранее моделям. Рост добычи на каждой скважине составил более 25%.

Объем породы, где благодаря гидравлическому разрыву возрастает приток углеводородов (голубое поле — по модели, красные точки — контур по результатам сейсмических измерений).

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Структура оптимизационной модели гидроразрыва пласта и ход расчета. •

Статистическая пост-обработка (анализ отклонений, анализ корреляции, метод главных компонент, коэффициенты смешанной корреляции).

Структура оптимизационной модели DYNARDO Оптимизационная модель DYNARDO состоит из нескольких программных пакетов, связанных между собой. Для трехмерного моделирования, анализа и пост-обработки используется многофункциональный программный комплекс конечно-элементных расчетов ANSYS. Второй ключевой компонент — библиоте-

ка материалов Dynardo® multuPlas™. С помощью Dynardo multuPlas, ANSYS моделирует трехмерное распространение трещины в породе и происходящее при этом вскрытие слоев коллектора. Процесс гидроразрыва моделируется при помощи сопряженного расчета гидродинамики и механики. Для детального учета гидродинамики в слоях породы используется подход «смазанного» объема. Анализ процесса нелинейного нагружения начинается с инициализации пластового напряжения и порового давления, затем проводится сопряженный расчет гидродинамики и механики. Третья ключевая составляющая — пакет оптимизации Dynardo optiSLang, который используется для калибровки модели коллектора и окончательной оптимизации добычи.

Каталог ANSYS 2009 117

ИНЖЕНЕРНЫЙ КОНСАЛТИНГ

Специалисты компании ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» обладают многолетним опытом оказания услуг инженерного консалтинга. Накоплена обширная база решенных задач и методических материалов. Инженеры компании регулярно повышают свою квалификацию в ведущих европейских учебных центрах. Для решения задач используются ведущие мировые CAE-комплексы компании ANSYS: ANSYS Multiphysics, ANSYS FLUENT, ANSYS CFX, ANSYS LS-DYNA, ANSYS AUTODYN, ANSOFT и др.

ИНЖЕНЕРНЫЙ КОНСАЛТИНГ

Инженерный консалтинг Создание моделей изделий и процессов является одним из основных способов повышения конкурентоспособности компании, так как это позволяет значительно экономить время на разработку новых изделий, а также средства, уменьшая количество натурных испытаний изделий в «железе». Благодаря моделированию Вы сможете в короткие сроки рассмотреть большое число различных концептуальных решений, заглянуть внутрь изделия, лучше понять протекающие процессы, а также произвести оптимизацию ответственных узлов. Наряду с созданием расчетных моделей, компания ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» занимается разработкой комплексных методик решения требуемого класса задач. Заказчик, пройдя обучение и обладая такой методикой, может самостоятельно создавать модели различных модификаций своего изделия, заниматься его исследованием и оптимизацией. Специалисты компании ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» обладают многолетним опытом оказания услуг инженерного консалтинга. Накоплена обширная база решенных задач и методических материалов. Инженеры компании регулярно повышают свою квалификацию в ведущих европейских учебных центрах. Для решения задач используются ведущие мировые CAE-комплексы компании ANSYS: ANSYS Multiphysics, ANSYS FLUENT, ANSYS CFX, ANSYS LS-DYNA, ANSYS AUTODYN, ANSOFT и др. Cпектр решаемых нами задач включает задачи вычислительной гидродинамики (CFD), расчета напряженно-деформированного состояния конструкций, электромагнетизма, тепловые расчеты и многодисциплинарное моделирование и оптимизация. В последнее время нашими специалистами был решен ряд промышленных задач, некоторые из них приведены ниже. Для расчета эффективности системы вентиляции товарного склада в зимний и летний периоды года использовался гидрогазодинамический комплекс ANSYS CFD. Расчет позволил оценить неравномерность поля скоростей, давлений, температур в объеме помещения, а также выработать рекомендации, позволяющие повысить равномерность поля температур. Обладая подобным инструментом, инженерпроектировщик может оптимизировать схему систе-

мы вентиляции, оценить гидравлическое сопротивление каналов, а также подобрать оборудование ОВК, обеспечивающее соответствующий перепад давления в каналах и мощность, необходимую для подержания заданного уровня температур в помещении. Оценка эффективности новой концепции пистолетного глушителя проводилась с помощью решателя ANSYS CFD с технологией 6DOF, что позволило учесть массу пули, мощность заряда и соответствен-

Расчет системы вентиляции товарного склада. но рассчитать ее ускорение в дуле пистолета. При помощи рассматриваемой модели удалось создать новую, эффективную и компактную конструкцию глушителя, позволяющую существенно снизить скорость выходящих пороховых газов и уровень звукового давления. Компьютерное моделирование c помощью комплекса ANSYS CFD позволило оценить тепловое со-

Каталог ANSYS 2009 119

ИНЖЕНЕРНЫЙ КОНСАЛТИНГ стояние парашютного отсека российского боевого самолета при его полете на высоте 12 км над уровнем моря в режиме форсажа. В расчете учитывался разогрев обшивки вследствие вязкого трения, лучистого теплообмена с регулируемыми створками сопла и лучистого теплового потока от выхлопных газов двигателя самолета. Моделирование подтвердило необходимость применения дополнительных мер защиты парашютного отсека от внешнего теплового воздействия. Расчет термонапряженного состояния конструкции.

Разработка инновационной конструкции глушителя.

Для расчета температурного состояния узла подвода воды для горизонтального стенда испытаний секций погружных нефтяных насосов использовался программный комплекс ANSYS® Mechanical™. При вращении вала в области подшипников происходит интенсивный нагрев, поэтому важно оценить тепловое состояние элементов конструкции стенда. На рисунке показан пример связанного расчета температурного состояния узлов подшипников, охлаждаемых водой. Характер деформирования труб и грунтового массива при разрыве нижней трубы.

Расчет температурного состояния парашютного отсека истребителя.

120

Каталог ANSYS 2009

Аварийное разрушение магистральных газопроводов высокого давления, даже при отсутствии возгорания газа, способно нанести существенный ущерб расположенным вблизи разрыва объектам и сооружениям. Инженеры КАДФЕМ Си-Ай-Эс совместно со специалистами ООО «ВНИИГАЗ» провели расчет нестационарной стадии прогрессирующего разрушения участка подземного магистрального газопровода с применением комплексов ANSYS AUTODYN и ANSYS LS-DYNA. Полноценный анализ прогнозирования каскадного эффекта при аварии на узле пересечения может быть проведен только в трехмерной постановке. Рассматривалась ситуация разрыва только нижней трубы при пересечении магистральных трубопроводов диаметром до 1.4 м под углом в 90°.