СОВРЕМЕННЫЕ CAD-СИСТЕМЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА ПОВЕДЕНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

 

В.С.Князьков, Т.В. Волченская Вятский государственный университет, Вятский социально-экономический институт

Сегодня информационно-вычислительные технологии наиболее широко применяются для решения фундаментальных научных и прикладных инженерно-технических задач в широком спектре отраслей экономики и промышленности : прогнозирование социально - экономических процессов, биокартография и геоинформатика, астрофизика и космические исследования, предсказания погоды, климата и глобальных изменений в атмосфере, построение полупроводниковых

приборов,                вычислительная биология,

создание новых фармацевтических препаратов, исследование генетики человека, атомная и аэрокостическая промышленность, железнодорожный     транспорт     и

автомобилестроение,                  производственно-

технологические системы, нефтегазовая промышленность и т.д. Для решения широкого спектра задач в различных областях сегодня применяются программные CAD - систем следующих основных типов.

CAD - системы полнофункционального инженерного анализа с мощными средствами и обширными библиотеками типов элементов для сеток МКЭ и различных физических процессов. Широкое распространение в мире получили программные системы ANSYS/Multiphysics, APNASTRAN, MSC.NASTRAN , Abaqus. Во многих случаях эти системы интегрированы с препроцессорам родственных систем, в частности, с ANSYS ICEM CFD, PATRAN. Системы полнофункционального анализа характеризуются наличием собственных средств моделирования геометрии и возможностями ее импорта не только посредством коннекторов к CAD системам, но и через промышленные стандарты: ACIS, Parasolid. Второй тип систем - системы инженерного анализа, встроенные в сложные САПР, например, решение Pro/MECHANICA для Pro/ENGINEER, Unigraphics NX CAE для Unigraphics NX, Extensive Digital Validation (CAE) для IDEAS, С ATI A CAE для С ATI А. САЕ-мо дули, встроенные в тяжелые семейства САПР, имеют менее мощные средства анализа. Третий тип - системы инженерного анализа среднего уровня — это системы как со встраиваемым интерфейсом в CAD системы
(COSMOS/Works, COSMOS/Motion, COSMOS/FloWorks доя SolidWorks), так и считывающие геометрию из CAD систем (visualNastran, Precision). Такие системы не всегда имеют ассоциативные связи с другими CAD - системами, не обладают мощными расчетными возможностями и хранят данные в собственных форматах.

Среди современных программных комплексов для выполнения сложного математического моделирования и инженерно-технических расчетов с применением многопроцессорных вычислительных систем и суперкомпьютеров широко применяются CAD-комплексы ANSYS и Abaqus, комплектуемы наборами специализированных расчетных модулей.

Программный комплекс ANSYS+CFX сочетает возможности анализа гидрогазодинамических процессов, многофазных потоков, химической кинетики, процессов горения, радиационного теплообмена (http://www.ansys). Комплекс работает на платформе Workbench и позволяет импортировать данные и результаты расчетов в другие модули ANSYS, позволяет выполнять сопряженный жидкостно-структурный анализ. Широкий спектр физических моделей позволяет найти реальное решение для широкого круга промышленных задач. В дополнение к этому, модуль CFX имеет открытую архитектуру и специальные средства для изменения функциональных возможностей.

Отличительные особенности комплекса - алгебраический многосеточный метод решения линеаризованных уравнений, совместное решение уравнений сохранения момента и массы, практически линейная зависимость времени счета от размеров модели, высокая масштабируемость параллельных расчетов.

ANSYS + CFX поддерживает следующие базовые математические модели. Модели процессов : сжимаемые и несжимаемые течения, стационарные и нестационарные течения, ламинарные течения - модель Ньютона и неньютоновские жидкости, множественные системы координат (взаимодействие ротор-статор), например, расчет течения в центробежном компрессоре, расчет внешнего обтекания спортивного автомобиля. Модели турбулентности: алгебраическая модель, однопараметрическая дифференциальная модель Ментера (к-е)1Е, двухпараметрические дифференциальные модели RANS: k-e, RNG к-е, двухпараметрические дифференциальные модели RANS: k-w, BSL k-w, SST k-w, модели напряжений Рейнольдса RSM: LRR-IP, LRR-OI, SSG, метод крупных вихрей LES , модель неприсоединенного вихря DES. Например, расчет течения в рубашке охлаждения двигателя. Модели теплопередач: сопряженный теплообмен, радиационный теплоперенос, естественная конвекция, расчет вязкого трения, многокомпонентные течения. Модели горения: модели PDF-типа, модель flamelet для диффузного горения, модель Зимонта, модель распада вихрей (EDM),

модель конечной скорости химической реакции, модель образования NOX, модель образования сажи, многофазные течения. Модель Эйлера: межфазный теплоперенос, межфазный массоперенос, межфазная передача импульса, свободные поверхности. Модель Лагранжа: распределённое сопротивление, линейные, квадратичные зависимости, объёмные и точечные источники массы, импульса, энергии, компонентов и др.

Вычислительные методы ANSYS CFX обеспечивают: конечно - объемную дискретизацию уравнений, решение полных трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса, расчет разностных схем 1-2 порядка, совместное решение уравнений сохранения момента и массы, алгебраический многосеточный метод решения линеаризованных уравнений, поддержку элементов различных типов - гексаэдры, призмы, пирамиды, тетраэдры.

Пименение в магнитогидродинамике - расчет взаимодействия жидкости с заряженными частицами с внешним электростатическим полем

Интерфейсы сопряжения расчетных сеток обеспечивают

скользящие сетки, произвольное сопряжение, адаптивное сгущение сеток, подвижные и изменяющиеся сетки .

Интерфейсы и настройка комплекса включают: встроенный язык программирования для задания свойств материалов, граничных условий и др. Языки пользовательского программирования - FORTRAN, специальный режим работы для турбомашин CFX Turbo Pre и Turbo Post, интерфейсы к многим CAD/CAE программам.

Дополнительно в ANSYS CFX могут быть использованы следующие специализированные модули: CFX-Multiple Frames of Reference - поддерживает множественные системы отсчета (ротор-статор), CFX-Radiation - рассчитывает процессы радиационного теплообмена, CFX-Combustion - обеспечивает моделирование горения и химических реакций, CFX-RIF - генератор библиотек моделей горения для flamelet,

CFX-Multiphase - моделирует многофазные течения,CFX-Parallel - поддерживает параллельные вычисления.

Специализированными продуктами для турбомашиностроения являются: CFX-BladeModeler - параметрическая среда для проектирования и оптимизации формы лопаток для большинства осевых и центробежных машин. CFX-TurboGrid - специализированный сеточный генератор гексагональных сеток для турбомашиностроения.

ANSYS + FLUENT

Базовый модуль ANSYS Structural поддерживает следующие виды анализа. Линейный анализ и нелинейный анализ включает: эффекты пластичности, stress stiffening, большие деформации, большие изгибы, сверхупругость (hyperelasticity); контактные поверхности и ползучесть. Модальный анализ используется для вычисления собственных частот и форм колебаний структур. Статический анализ - используется для определения перемещений, напряжений и т. д. при статических условиях нагружения. Анализ устойчивости - используется для вычисления нагрузок устойчивости и определения форм потери устойчивости. Возможные виды анализа: линейный анализ устойчивости, нелинейный анализа устойчивости. Балочный анализ и задание поперечных сечений - используются для создания одномерной идеализированной модели трехмерной структуры и являются эффективными по времени решениями по сравнению с оболочечными или твердотельными конечными элементами. Обеспечивают моделирование композитных материалов, выбор соответствующего типа конечного элемента, задание нужных свойств для слоев и типов конечных элементов, определение критериев разрушения. Оболочечный анализ и задание поперечных сечений используются для создания двухмерной идеализированной модели трехмерной структуры и являются эффективными по времени решения по сравнению с твердотельными конечными элементами. Дополнительно к перечисленным методам возможно использование нескольких специализированных опций: усталостная долговечность (Fatigue) , р - Method линейных статических вычислений.

В ANSYS Structural поддерживаются различные виды решателей для выполнения: гармонического анализа - используется для определения отклика (поведения под заданной нагрузкой) физической структуры при воздействии на нее гармонической, изменяющейся по времени нагрузки; анализа переходных динамически изменяющихся процессов - используется для определения отклика структуры при воздействии на нее случайно изменяющейся во времени нагрузки; спектрального анализа - используется для расширения модального анализа, вычисления напряжений и деформаций при возбуждении "случайной" статистической функцией возбуждения.

 

Программный комплекс Abaqus - комплекс для выполнения вычислений в области конечно-элементных прочностных расчетов. Это система общего назначения, предназначенная как для проведения многоцелевого инженерного анализа поведения сложных конструкций, так и для анализа физических процессов, геометрических нелинейностей, всевозможных моделей материалов (металлы, бетон, грунты, эластомеры, композиты и т.д). Современный ABAQUS является динамично развивающейся системой, построенной по модульному принципу - состоит из модулей-решателей - ABAQUS/Standard и ABAQUS/Explicit, пре/построцессора ABAQUS/CAE,     дополнительных модулей

ABAQUS/Aqua, ABAQUS/Design, ABAQUS/Safe.

Модуль ABAQUS/CAE является пре/постпроцессором и предназначен для моделирования и визуализации результатов расчета из модулей анализа Abaqus/Standard и Abaqus/Explicit, имеет интерфейсы с CAD моделям, расширенные возможности по построению сеток. С помощью Abaqus/CAE можно быстро и эффективно создавать, редактировать модели, производить мониторинг и диагностировать задачи, визуализировать результаты для всех модулей анализа. Ориентация на топологию и параметризацию делают Abaqus/CAE современным и эффективным пре-постпроцессором для моделирования, управления и мониторинга задач ABAQUS, а также для визуализации результатов расчетов. При использовании открытой среды программирования PYTHON Abaqus/CAE является мощным инструментом для автоматизации процессов, инженерного анализа и расчетов и позволяет создавать оболочки для широкого круга пользователей разной подготовки. Abaqus/CAE работает на всех основных платформах и операционных системах.

Модуль-решатель Abaqus/Standard ориентирован на решение традиционных задач конечно-элементного анализа, таких как, задачи статики, динамики, теплопередачи в совокупности с контактными взаимодействиями и учетом нелинейных свойств материалов. Математической                                                                        основой

ABAQUS/Standard является неявный метод конечных элементов, а также различные методы анализа статики и динамики конструкций во временной и частотной области, что позволяет эффективно выполнять следующие основные типы анализа.

1. Статический анализ напряжений / перемещений: вязкоупругий/ вязкопластический отклик, динамический анализ напряжений / перемещений, анализ теплопередачи, анализ переходной или
установившийся диффузии массы.

2. Сопряженные задачи в следующих областях: тепломеханика (последовательное или полностью сопряженное решение), теплоэлектричество, анализ потоков в пористой среде; механика, пьезоэлектрика (только линейная) , контактный анализ, акустика - вибрации.

Дополнительно модуль                          Abaqus/Standard комплектуется

следующими модулями и интерфейсами: модулем Abaqus/Design для исследования чувствительности конструкции к геометрическим изменениям и выполнению их оптимизации, модулем Abaqus/Aqua - для исследования подводных и надводных сооружений (нагрузки на кабели, трубопроводы и ферменные конструкции, погруженные в воду), модулями-интеграторами - для сопряжения с дружественными программными комплексами, например, модулем Moldflow (литье пластмасс).

Модуль Abaqus/Explicit основан на явной схеме интегрирования и предназначен для расчета задач нестационарной динамики, квазистатики, быстротекущих процессов (таких как, задачи падения и соударения), задач разрушения и моделирования технологических процессов (формовка, штамповка и т.п.). Abaqus/Explicit позволяет производить следующие

типы анализа: анализ кратковременных динамических процессов и процессов квазистатики, связанный анализ термопрочности, анализ общего (автоматического) контакта, анализ и моделирование взрывного нагружения. Abaqus/Explicit работает на всех основных платформах и операционных

Учет многофакторности нагружения                        СИСТемаХ, ПОЛНОСТЬЮ интегрирован С

Abaqus/Standard и может работать в распараллеленном режиме с использованием общей и распределенной памяти, имеет средств для конструирования пользовательских подпрограмм.

Abaqus + FE-SAFE - модуль предназначенный для анализа долговечности конструкции, разработан компанией Safe Technology, Ltd., распространяется компанией Abaqus, Inc. FE-SAFE укомплектован интерфейсом для обмена результатами с Abaqus и данными из Abaqus.

FE-SAFE обеспечивает расчет напряжений и деформаций для различных случаев нагрузки, могут быть использованы данные о материалах для расчета циклических нагрузок при анализе ресурса конструкций. Результаты расчетов выводятся в FE-SAFE в форме контурных графиков для разрушения, кривых усталостной долговечности, коэффициентов запаса по прочности и могут быть импортированы либо в Abaqus/CAE, либо в Abaqus/Viewer.

Опыт использования Abaqus. Исследования поведения конструкций нефтяной промышленности проводились в Уфимском государственном нефтяном техническом университете. Объектами нефтяной промышленности являлись резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов, трубопроводы и сосуды под давлением, которые относятся к категории объектов повышенной опасности и к которым предъявляются самые высокие требования как на стадии изготовления, так и для обеспечения безопасной работы в процессе эксплуатации. Возрастающее количество аварий на этих объектах связано с высоким уровнем изношенности конструкций, так как большой их процент выработал свой проектный ресурс. Последствия таких аварий могут приводить к человеческим жертвам, к экологическим катастрофам, к остановке технологического процесса на время устранения аварии и к огромным финансовым потерям. Одновременное использование современных и надежных средств численного моделирования и современных средств и методик диагностики (приборы для неразрушающего контроля) дает возможность осуществлять достоверный контроль над критическими зонами конструкции при различных нагрузках и оценивать ресурс долговечности конструкций при повреждениях.

Применение программного комплекса Abaqus в атомной промышленности. Программный комплекс ABAQUS изначально разрабатывался в США для применения в сфере атомной промышленности. ABAQUS удовлетворяет стандартам, установленным Американской ядерной контрольной комиссией для проверки качества

проектирования ядерных силовых установок (ANSI/ASME NQA1, 1983), и международному стандарту качества IS09001. При проектировании АЭС необходимо проводить расчеты строительных конструкций при особых динамических воздействиях, таких как землетрясение, аварийное падение самолета, действие воздушной ударной волны, и т.д. Типовая задача - разрушение                                        предварительно напряженного железобетонного

герметичного резервуара (ПНЖГР), которые применяются в атомной энергетике для обеспечения безопасности атомных реакторов. Эти резервуары представляют собой сильно армированную предварительно напряженную бетонную конструкцию. Основная задача при проектировании таких конструкций — обеспечение герметичности и надежности конструкции при аварийных ситуациях. Так, ПНЖГР может быть нагружен высоким внутренним давлением, которое может привести к такому разрушению конструкции, когда бетонная конструкция деформируется с образованием трещин. Для того чтобы проверить достоверность численных результатов, получаемых с использованиием

ABAQUS при решении задачи о величине критического внутреннего давления, которое приводит к разрушению резервуара, был проведен натурный эксперимент на прототипе резервуара в масштабе 1:4 от размера реальной конструкции ПНЖГР. Эксперимент проводился в Национальной лаборатории США. Конечноэлементная модель прототипа ПНЖГР была разработана Национальным ядерным центром Великобритании. В дальнейшем эта модель была улучшена с использованием последних возможностей программного кода ABAQUS , в частности, туда была введена новая модель бетона damaged plasticity.

Пакет ABAQUS использован, например, в ЗАО "Новокраматорский Машиностроительный завод" для создания системы сквозного корпоративного расчетного анализа машин и технологий. В комплексе решаются задачи кинематики и статической прочности, задачи по анализу физических и геометрических нелинейностей, контактов тел сложной конфигурации, задачи анализа деформационных процессов при деовализации труб большого диаметра, при производстве прокатных валков и процессах разливка стали. Математические модели материалов позволяют описывать различные виды материалов: металлы, чугун, резина, пластмассы, композиционные материалы, упругие и хрупкие пены, бетон, песок, глина. Предусмотрено моделирование линейных и нелинейных, упругих и упругопластических, упруго-вязкопластичных закономерностей. Могут быть также смоделированы изотропные и анизотропные материалы.

Пакет ABAQUS использован при моделировании процессов изостатического прессования порошковых заготовок трубчатой формыв АХК ВНИИМЕТМАШ им. академика А.И. Целикова. Объектом моделирования был автоматизированный гидростат для прессования тонкостенных трубок.

Конечно-элементное     моделирование    процессов

формообразования обтяжкой с помощью пакета программ Abaqus выполнялось при решении задач формообразования методом обтяжки крупногабаритных обшивок в самолётостроении. В ABAQUS также имеются возможности, облегчающие процедуру проведения анализа по определению поведения предварительно нагруженных болтов, точечной сварки и заклепок, элементов типа связанного контакта и механизмов. Задача выбора композитных материалов является одной из основных задач в авиастроении. Для моделирования композитных материалов в ABAQUS существуют: элементы типа многослойной оболочки, сплошные оболочечные элементы. Последние применяются для моделирования ламинированных слоистых оболочек, оболочечных элементов со свойствами, которые могут изменяться по толщине.

Статья подготовлена по материалам, размещенным на сайтах http://www.tesis.com.ru, http://www.simulia.com, (http://www.ansys).