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 (). 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 , , ().