ANSYS Advantage. Русская редакция №10 – Атомная энергетика

Óëó÷øåíèÿ è èçìåíåíèÿ â 12-é âåðñèè ANSYS

Èñïîëüçîâàíèå ANSYS ïðè àíàëèçå òðåùèí â êîðïóñå êëàïàíà

Èñïîëüçîâàíèå AUTODYN ïðè ðàñ÷åòå ñðåäñòâ çàùèòû

АТОМНАЯ

ЭНЕРГЕТИКА

Содержание

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками

компании ANSYS, Inc. «От идей к решениям» и «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками

компании ЗАО «ЕМТ Р». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками или

зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

«ANSYS Advantage.

Русская редакция»

Инженерно*технический

журнал

Выходит 4 раза в год

10'2009

Учредитель:

ЗАО «ЕМТ Р»

Генеральный директор:

Локтев Валерий

Над номером работали:

Ларин Михаил

Кабанов Юрий

Хитрых Денис

Юрченко Денис

Переводчик:

Юрченко Анна

Интернет�группа:

Николаев Александр

Адрес редакции

111672 Россия, Москва,

ул. Суздальская, 46,

Тел.: (495) 644-0608

Факс: (495) 644-0609

Тираж 1500 экз.

Цена свободная

Технологии

Новости компании ЗАО «ЕМТ Р» .......................................................................... 2

ANSYS Multiphysics

Использование программного комплекса ANSYS AUTODYN при расчете

средств защиты на воздействие от взрыва и баллистического удара ............. 5

Улучшения и изменения в версии ANSYS 12.0 .................................................. 11

Использование технологий ANSYS при анализе трещин

в корпусе клапана ................................................................................................ 20

ANSYS расширяет возможности многодисциплинарных расчетов ................. 22

Оптимизация конструкции грот-мачты с целью снижения ее веса ................. 25

ANSYS CFD

Новый 12-й релиз программных продуктов ANSYS CFX и ANSYS FLUENT ... 28

Моделирование теплообмена в каналах с интенсификаторами .................... 32

Оптимизация конструкции запорного клапана .................................................. 35

Использование ANSYS FLUENT для повышения эффективности

обработки радиоактивных отходов ..................................................................... 37

Исследование теплогидродинамических процессов

в кабельных проводниках ИТЭР с применением FLUENT .............................. 39

Мастер-класс

Мастер класс / Изучаем сами

Жестко-податливый контакт в Workbench 2.0 ................................................... 41

Мастер класс / Вы спрашивали — мы отвечаем

Обзор расширенных возможностей сеточного генератора ICEM CFD

версии 12.0 ............................................................................................................ 44

Аппаратное обеспечение

Параллельные вычисления в ANSYS Fluent ..................................................... 47

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009www.ansyssolutions.ru

10'2009

© 2009 ANSYS, Inc.

© 2009 ЗАО «ЕМТ Р»

A D V A N T A G E

Перепечатка опубликованных

материалов только с письмен-

ного разрешения редакции, за

исключением кратких цитат в

материалах информационного

характера. Мнение редакции

может не совпадать с мнением

авторов



2

Международное сотрудничествоКомпания ЗАО «ЕМТ Р» продолжает активно

развивать международные связи в области аут-

сорсинга наукоемких инженерных расчетов. В

2008 году специалисты «Инженерного центра

ЗАО «ЕМТ Р» в сотрудничестве с университетом

Басков (Испания) и Политехническим универси-

тетом Мадрида (Испания) с помощью програм-

много комплекса FLUENT выполнили цикл рас-

четных исследований по обоснованию снижения

гидродинамической неустойчивости плоской

турбулентной литиевой струи. Данная работа

была выполнена в рамках оптимизации конс-

трукции жидкометаллической литиевой мишени

для материаловедческих проблем конструкцион-

ных материалов первого опытно-промышленно-

го термоядерного реактора ITER (Франция).

Обобщенные результаты расчетных исследова-

ний были представлены в виде научной статьи и

доклада на 7-й международной конференции

NUTHOS-7 по безопасности ядерных реакторов,

которая прошла 5 — 9 октября 2008 года в г. Се-

уле (Ю. Корея).

Кроме этого, инженеры компании «ЕМТ Р»

совместно со специалистами ЦКБ «Коралл»

(г. Севастополь, Украина), провели расчет транс-

портировки полуплавучей буровой платформы

ЛСП-1 для месторождения им. Юрия Корчагина

в Каспийском море. В расчете были учтены ха-

рактеристики волнения для данного времени

года и региона, а также конструктивные особен-

ности основания буровой установки и понтона.

Исследование проводилось в расчетном комп-

лексе ANSYS AQWA, что позволило избежать

проведения натурных испытаний. Были рассмот-

рены гидродинамические эффекты, возникаю-

щие между близкорасположенными объектами

на волнении, использованы новые возможности

ANSYS AQWA с реализацией методики проведе-

ния подобных расчетов. В результате были полу-

чены как общие гидродинамические нагрузки

относительно ЦТ всей конструкции, так и для

каждого элемента корпуса в отдельности. Дан-

ные нагрузок для каждого случая волнения ис-

пользовались при дальнейшем проведении ис-

следований напряженно-деформированного со-

стояния всей конструкции в целом.

В январе 2009 года компания ANSYS, Inc.

подвела итоги ежегодного конкурса «ANSYS

Новости компании

ЗАО «ЕМТ Р»

Ðàñ÷åò òðàíñïîðòèðîâêè ïîëóïëàâó÷åé áóðîâîé ïëàòôîðìû â ANSYS AQWA

Ðàñ÷åò ôëàòòåðà ëîïàòîê îñåâîãî êîìïðåññîðà â ANSYS CFX

3


Online Multiphysics Image Gallery Competition»

(ранее он проводился под названием «ANSYS

Wall Planner Calendar»). В этом году на конкурс

мы представили задачу расчета флаттера ло-

паток компрессора авиационного двигателя,

выполненный с использованием газодинами-

ческих пакетов ANSYS CFX и FLUENT, а также

МКЭ-комплекса ANSYS Mechanical. Наш про-

ект стал победителем в номинации «Best

Multiphysics Image». Победителями конкурса

были объявлены также следующие фирмы:

Selex Communications (Италия), Camoplast Inc.

(Канада), EPCOS NL (Голландия), Mott

Macdonald (Великобритания) и др. Отметим,

что это не первый успех компании «EMT P». В

2005 и 2006 г. г. мы также участвовали в кон-

курсе и оба раза одержали победу.

Сотрудничество с ВУЗамиСотрудничество компании ЗАО «ЕМТ Р» и рос-

сийских ВУЗов направлено на внедрение про-

грамм обучения специалистов инженерно-тех-

нического профиля современным технологиям

проектирования и автоматизации инженерных

расчетов, основанных на использовании про-

граммных CAE-комплексов компании ANSYS,

Inc. В частности, в конце 2008 года компания

«ЕМТ Р» сообщила о заключении договора по

организации учебно-инновационного центра

ANSYS-технологий на базе инженерного рас-

четного центра Самарского государственного

авиационного университета (СГАУ). В рамках

этого сотрудничества предусмотрена органи-

зация демонстрационной зоны достижений

ANSYS, Inc. в области наукоемких технологий

компьютерного моделирования, включая тех-

нологии высокопроизводительных вычислений

на кластерах. Так же планируется организация

технического сопровождения лицензионных

пользователей ПО ANSYS, сопровождение

процессов решения сложных научно-техничес-

ких и инженерных задач на предприятиях При-

волжского федерального округа, а также в гло-

бальных российских и международных проек-

тах.

В целом, в текущем году компания «ЕМТ Р»

значительно расширила количество техничес-

ких ВУЗов России и СНГ, с которыми она взаи-

модействует в рамках своей университетской

программы. К существовавшим раньше парнте-

рам-вузам Сибирскому федеральному универ-

ситету (СФУ), Санкт-Петербургскому государс-

твенному политехническому университету

(СПбГПУ), МГТУ им. Н. Э. Баумана и др. добави-

лись Казанский государственный технический

университет им. А.Н. Туполева (КАИ), Институт

механики МГУ, Российский государственный

университет нефти и газа им. И.М. Губкина,

Московский государственный строительный

университет (МГСУ), Новосибирский государс-

твенный технический университет (НГТУ), Уни-

верситет дружбы народов было им. Патриса Лу-

мумбы (РУДН), Южный федеральный универси-

тет (ЮФУ), Дальневосточный государственный

технический университет (ДВПИ им. В.В. Куйбы-

шева), Омский государственный университет

им. Ф. М. Достоевского (ОмГУ), Орловский госу-

дарственный технический университет (ОГТУ),

Тольяттинский государственный университет

(ТГУ), Уральского государственного техническо-

го университета (УГТУ-УПИ), Сумский государс-

твенный университет (СумГУ, Украина), Объ-

единенный институт проблем информатики

НАН Беларуси (г. Минск, Белоруссия) и мн. др.

О некоторых из этих совместных проектах мы

уже писали ранее.

Кроме этого, компания «ЕМТ Р» в качестве

спонсора сессии приняла участие во 2-м Все-

российском конкурсе инновационных проектов

студентов, аспирантов и молодых ученых Рос-

сийской Федерации «Обеспечение промышлен-

ной и экологической безопасности на взрыво-

пожароопасных и химически опасных произ-

водственных объектах», который прошел в но-

ябре 2008 года в г. Уфе. Координатором проекта

выступила ассоциация «Башкирская Ассоциа-

ция Экспертов» (Республика Башкортостан). На

конкурс было заявлено более 50 работ, в янва-

ре 2009 г. были подведены итоги конкурса, а в

конце февраля состоится награждение победи-

телей.

ЛицензированиеЗа последний год компания ЗАО «ЕМТ Р» зна-

чительно расширила свою клиентскую базу в

авиационной и двигателестроительной отрас-



4

лях. В декабре 2008 г. компания «ЕМТ Р» подпи-

сала генеральное соглашение с Государствен-

ным научно-производственным ракетно-косми-

ческим центром «ЦСКБ-Прогресс» (ФГУП

ГНПРКЦ ЦСКБ-Прогресс») о стратегическом

партнерстве в области внедрения программных

комплексов ANSYS. ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-

Прогресс» является ведущим российским пред-

приятием по разработке, производству и экс-

плуатации ракет-носителей среднего класса и

автоматических космических аппаратов. В со-

ответствии с условиями генерального соглаше-

ния, «ЕМТ Р» является генеральным подрядчи-

ком в области консалтинга и внедрения лицен-

зионного ПО ANSYS.

Помимо этого, компания «ЕМТ Р» провела

корпоративное лицензирование ПО ANSYS кор-

порации «ИРКУТ, объединяющей ведущих оте-

чественных производителей и разработчиков в

области авиастроения — Иркутский авиацион-

ный завод, Таганрогский Авиационный Научно-

Технический Комплекс им. Г. М. Бериева, ОАО

«ОКБ им. А.С.Яковлева» и т. д.

По состоянию на февраль 2009 г. на стадии

завершения находится процесс лицензирования

Авиационного научно-технического комплекс

им. О. К. Антонова (Украина).

Отдельно следует упомянуть о масштаб-

ном проекте по внедрению ANSYS для решения

практических задач в области аэродинамики,

гидродинамики и прочности авиационных конс-

трукций в Центральном аэрогидродинамичес-

ким институтом им. профессора Н. Е. Жуковско-

го (ФГУП ЦАГИ) — крупнейшем государствен-

ном научном авиационном центре России.

В рамках сотрудничества планируется оказание

услуг по лицензированию программных продук-

тов ANSYS, их технической поддержке, а также

настройке аппаратных средств и сертифициро-

ванному обучению, осуществляемому специа-

листами компании ЗАО «ЕМТ Р».

Финансовые успехи компанииКомпании ЗАО «ЕМТ Р» вот уже несколько лет

сопутствует финансовый успех. И этот год не

стал исключением. Совокупный объем продаж в

2008 году впервые превысил 5 млн. $, что со-

ставляет 116% от запланированного. Благодаря

успешной и профессиональной работе команды

инженеров и менеджеров «ЕМТ Р», компания

подтвердила в 2008 году свое членство в пре-

стижном клубе «ANSYS President Club 100», а по

результатам четвертого квартала «ЕМТ Р» была

признана лучшей (номинация «DOMINATOR

Award») среди всех европейских партнеров

ANSYS, Inc.

План мероприятий на 2009 годВ 2009 году компания ЗАО «ЕМТ Р» планирует

провести серию отраслевых семинаров в разных

городах России под общим названием «Решения

ANSYS для..». Мы приглашает вас принять учас-

тие в наших ближайших семинарах, которые со-

стоятся 26 февраля и 15 апреля 2009 года в Мос-

кве — семинары «Решения ANSYS для атомной

энергетики» и «Решения ANSYS для оборонной

промышленности», соответственно. Дополни-

тельно к этому, в этом году мы проведем семина-

ры по следующим направлениям: электроника,

электротехника и МЭМС (апрель 2009), турбома-

шиностроение (май 2009), судостроение (июнь

2009), нефтегазовая отрасль (октябрь 2009).

Кроме этого, в конце первого квартала

2009 года в Москве состоится официальная пре-

зентация нового 12-го релиза программных про-

дуктов ANSYS, Inc. Поскольку дата ее проведе-

ния пока окончательно не определена, рекомен-

дуем вам внимательно следить за нашими элек-

тронными новостями, выходящими в формате

«ANSYS eNews».

Ñðûâ íà ïåðåäíåé êðîìêå êðûëà

Ïðîöåäóðà íàãðàæäåíèÿ ïàðòíåðîâ ANSYS, Inc.

5



Численное моделирование быстропротекающих

процессов позволяет получить дополнительную

информацию о сложных физических явлениях,

которая недоступна при экспериментальных ме-

тодах исследований. В задачах высокоскорост-

ного удара, проникания, взрыва, аэрогидроупру-

гости и других нестационарных процессов, со-

провождающихся высокими скоростями дефор-

маций, широкое распространение получили

программные комплексы, использующие явный

метод решения уравнений механики сплошной

среды.

Наиболее перспективным подходом в про-

ектировании защитных средств является ком-

бинирование экспериментов и численного мо-

делирования. Такой подход позволяет сущест-

венно сократить стоимость разработки и уве-

личить ее продуктивность. ANSYS AUTODYN —

это программный комплекс нелинейного дина-

мического анализа, который широко использу-

ется в оборонной отрасли и структурах нацио-

нальной безопасности различных стран.

AUTODYN хорошо зарекомендовал себя в за-

дачах баллистического нагружения композици-

онных материалов. Моделирование поведения

таких материалов невозможно без учета слож-

ного анизотропного упругопластического ха-

рактера поведения, нелинейного характера

ударно-волнового сжатия, а также анизотроп-

ного разрушения с эффектами прогрессирую-

щего разупрочнения.

Уникальные возможности AUTODYN по

связи гидродинамических и прочностных реша-

телей позволяют также моделировать комбини-

рованное взрывное и осколочное воздействие

на конструкции.

Решатели ANSYS AUTODYNВ ANSYS AUTODYN применяются явные методы

численного интегрирования системы уравнений

механики сплошных сред. Для моделирования

сложных динамических процессов в AUTODYN

имеется возможность совместного использова-

ния различных численных методов, наилучшим

образом подходящих под специфику каждой из

частей задачи. Так, например, в одной задаче

один тип решателя может быть использован для

расчета течений жидкости и газов, а другой — для

расчета прочности конструкции. При этом органи-

зовано взаимодействие всех частей в пространс-

тве и во времени в рамках единой программы.

Решатели AUTODYN можно разделить на

следующие категории:

Лагранжевы

Эйлеровы

ALE (произвольный Лагранжево-Эйлеров

метод)

SPH (метод сглаженных частиц)

Для правильного выбора того или иного

решателя необходимо руководствоваться двумя

критериями: точностью и производительностью.

Лагранжевы решатели

При подходе Лагранжа к описанию движения

сплошной среды расчетная сетка является вмо-

роженной в материал, она движется и деформи-

руется совместно с ним. Лагранжевы решатели

могут быть использованы как для областей из

объемных элементов, так и для неконтинуаль-

ных структурных элементов — балок и оболочек

(см. рис. 1).

Лагранжевы решатели представляют со-

бой наиболее точный и эффективный метод

•••

•

Использование

программного комплекса

ANSYS AUTODYN при

расчете средств защиты

на воздействие от взрыва

и баллистического удара

Георгий Белов, ЗАО «ЕМТ Р»



6

расчета нелинейных задач динамического на-

гружения конструкций. Благодаря отсутствию

математически сложных операций транспорта

материала сквозь сетку, эти методы существен-

но превосходят по быстродействию Эйлеровы

методы. Кроме этого, Лагранжева формулиров-

ка позволяет наиболее просто и естественным

образом решать проблемы с граничными усло-

виями, контактами, поведением материалов с

реологическими свойствами и пр.

Основным недостатком Лагранжевых ме-

тодов является чрезмерные искажения и «запу-

тывание» расчетной сетки при больших дефор-

мациях, приводящие к катастрофическим поте-

рям точности в этих областях, а иногда и к пол-

ному прекращению расчета. В AUTODYN эта

проблема может быть частично решена при ис-

пользовании искусственного алгоритма эрозии,

который удаляет из расчета чрезмерно дефор-

мированные элементы. При удалении элемента

его массово-инерционные характеристики со-

храняются и преобразуются в самостоятельные

объекты — точечные массы, которые способны

к дальнейшему контактному взаимодействию с

оставшимися элементами модели (см. рис. 2).

Таким образом, область применения Лагранже-

вых решателей — это задачи с небольшими де-

формациями, а также со сложными граничными

условиями.

Эйлеровы решатели

В Эйлеровых решателях используются расчет-

ные сетки, которые жестко зафиксированы в

пространстве. Движение среды формируется

перетеканием материалов из ячейки в ячейки,

как показано на рис. 3.

Такой подход позволяет избежать проблем,

связанных с искажением сетки. Поэтому Эйле-

ровы решатели идеально подходят для расчетов

течений среды с большими деформациями, в

особенности течений жидкостей и газов. При

этом появляются трудности при описании сво-

бодных поверхностей, границ раздела сред и

расчетов материалов с реологическими свойс-

твами. Кроме того, процедуры адвекции приво-

дят к негативным явлениям в виде численной

дисперсии и диффузии. Поэтому для получения

определенного уровня точности необходимо ис-

пользовать существенно более мелкую сетку,

чем при Лагранжевом подходе. В AUTODYN

включены два типа Эйлеровых решателей:

– Многокомпонентный Эйлеров решатель:

базовый Эйлеров решатель, предназначенный

для моделирования течений нескольких матери-

алов. Позволят вычислять полный тензор напря-

жений, включая упругопластическое поведение

и разрушение материалов.

– Однокомпонентный специализированный

Эйлеров решатель для расчетов воздушных

ударных волн: метод второго порядка точности,

известный так же под названием Euler-FCT (Flux

Corrected Transport). Метод позволяет рассчиты-

вать только течения одного материала без про-

чности с уравнением состояния совершенного

газа. Метод обладает повышенным быстродейс-

твием и низкой степенью вычислительной дис-

персии.

Ðèñ. 2. Ïðîöåäóðà èñêóññòâåííîé ýðîçèè ýëåìåíòà ñ ñîõðàíåíèåì ìàññû

Ðèñ. 1. Ëàãðàíæåâû ñåòêè

Ðèñ. 3. Ðàñ÷åò óäàðíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ äâóõ òåë íà Ýéëåðîâîé ñåòêå

7


Произвольный Лагранжево-Эйлеров

решатель (ALE)

ALE, как и Лагранжев метод использует сетки,

движущиеся совместно с материалом. При этом

он сочетает лучшие стороны Лагранжевого и

Эйлерового подходов. Использование Эйлеро-

вых алгоритмов сводится к выравниванию и ис-

правлению расчетной сетки. Выравнивание сет-

ки позволяет избежать процедуры искусствен-

ной эрозии и может быть эффективно использо-

вано для задач взрывного нагружения конструк-

ций. При чрезмерно больших деформациях вы-

равнивание не всегда способно компенсировать

накопленные искажения, поэтому в задачах уда-

ра и проникания этот метод не получил широко-

го распространения.

Метод сглаженных частиц (SPH)

В AUTODYN включен бессеточный Лагранжев

метод сглаженных частиц SPH (Smooth Particle

Hydrodynamics). Основной областью его приме-

нения является расчет высокоскоростных взаи-

модействий, а также моделирование разруше-

ния и фрагментации хрупких материалов, таких

как керамика, бетоны и пр. Основным достоинс-

твом метода SPH является возможность расче-

та течений с произвольными деформациями

при сохранении преимуществ Лагранжевого

подхода.

Взаимодействие решателейВ AUTODYN существует два типа взаимодейс-

твий для расчетных областей: контактное взаи-

модействие и Лагранжево-Эйлерово связыва-

ние. Контактные взаимодействия для лагранже-

вых сеток (твердые тела, оболочки, балки, SPH

частицы) реализованы как для режима свобод-

ного скольжения, так и с учетом трения. Благода-

ря процедурам автоматического поиска и обнов-

ления контактных поверхностей (для задач с эро-

зией) программный комплекс ANSYS AUTODYN

является высокоэффективным средством расче-

та ударно-проникающих воздействий.

Лагранжево-Эйлерово связывание позво-

ляет реализовать двухстороннее взаимодейс-

твие лагранжевых и эйлеровых сеток в про-

странстве и во времени. При внедрении лагран-

жевой сетки в эйлерову область на эйлевой сет-

ке в зоне контакта формируется подвижное

граничное условие. В свою очередь, на контакт-

ной границе лагранжевой части со стороны эй-

леровой сетки возникают соответствующие си-

ловые факторы (см. рис. 5).

Уникальной особенностью программного

комплекса AUTODYN является возможность со-

четания в одном расчете алгоритмов контакта и

Лагранжево-Эйлерового связывания, что позво-

ляет проводить комплексный анализ комбини-

рованного нагружения конструкций на действие

ударно-волновых и осколочных воздействий. В

качестве примера использования этой техноло-

гии, на рис. 6 показан процесс детонации заряда

ВВ в цилиндрической оболочке вблизи пласти-

ны-мишени. После нагружения оболочки дето-

национной волной происходит ее дробление и

прорыв продуктов детонации в зазоры (рис. 6б).

После ударно-волнового нагружения пластины

продуктами детонации (рис. 6c) летящие оскол-

ки оболочки наносят ей дополнительные пов-

реждения (рис. 6д).

Кроме этого, в AUTODYN имеются допол-

нительные возможности анализа, которые вклю-

чают: интерактивное проведение и визуализа-

цию расчетов; интерполяцию по решателям (ре-

зультаты решений одним методом могут исполь-

зоваться в решении задач другим методом); ин-

терполяцию по топологии (результаты 1D и 2D

расчетов могут использоваться в 3D расчетах);

специальные алгоритмы (автоматический кон-

такт, адаптивные сетки, связывание решателей,

создание пользовательских опций); обширную

библиотеку моделей и свойств материалов.

Ðèñ. 4. Ðàñ÷åò ïðîíèêàíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì àëãîðèòìà èñêóññòâåííîé ýðîçèè

Ðèñ. 5. Ê îïèñàíèþ Ëàãðàíæåâî-Ýéëåðîâà ñâÿçûâàíèÿ



8

Стремительное увеличение мощности вы-

числительных ресурсов за последние годы поз-

воляет использовать явный решатель в задачах

любых отраслей промышленности: оборонной,

аэрокосмической, горнодобывающей, перера-

батывающей и др. Программный комплекс

ANSYS AUTODYN включен в среду ANSYS

Workbench, что позволяет проводить интегриро-

ванные инженерные расчеты в единой среде.

Примеры практического применения ANSYS AUTODYNМоделирование действия взрывных устройств,

заложенных в автомобилях

Взрывы автомобилей, начиненных взрывчатым

веществом и используемых террористами, при-

водят к многочисленным жертвам и разрушени-

ям. Правительства многих стран финансируют

программы по предотвращению подобных терро-

ристических актов. В качестве средств защиты

предлагается возведение заграждений и стенок,

отклоняющих ударную волну при взрывах бомб в

автомобилях, припаркованных в непосредствен-

ной близости от здания. Для расположения кри-

тически важных объектов рекомендуется выби-

рать территорию, находящуюся в непосредствен-

ной близости от склонов холмов и возвышеннос-

тей. Кроме этого, установка взрывоустойчивых

окон позволяет предотвратить разрушительное

действие осколков и обломков. Перед внедрени-

ем данные рекомендации должны быть провере-

ны экспериментально. Следует отметить, что по-

добные эксперименты трудноосуществимы и

опасны. Их следует проводить на территориях,

удаленных от мест проживания, что также явля-

ется проблемой в силу ограниченности земель-

ных ресурсов. Кроме этого, в условиях взрыва

необходимо защищать чувствительные приборы

и камеры, которые могут выйти из строя. В по-

добных ситуациях на помощь приходят техноло-

гии компьютерного моделирования.

В данном случае в ANSYS AUTODYN моде-

лировался взрыв грузовика, который перевозил

4000 кг взрывчатой смеси нитрата аммония и ди-

зельного топлива (см. рис. 7). Характеристики

смеси рассчитывались на эйлеровой сетке, а гру-

зовика и контейнера — на лагранжевой. Взаимо-

действие между полем взрыва и контейнером

рассчитывалось с использованием двухсторонне-

го алгоритма Лагранжево-Эйлерова связывания.

Моделировалось возникновение ударной волны и

образование осколков из грузовика и контейне-

ров. Кроме этого, рассчитывался ущерб, причи-

ненный зданию при комбинированной нагрузке от

ударной волны и осколочного воздействия. Вы-

полненные расчеты выявили некоторые особен-

ности поведения продуктов детонации при мно-

жественном взрыве контейнеров, а также разру-

шения стен под воздействием осколков и облом-

ков автомобиля. Установлено, что действие взры-

ва несколько усилилось из-за отражения продук-

тов детонации от плиты, которая служила опорой

для контейнеров со взрывчатой смесью.

Моделирование прострела пулей защитного

шлема

Основной задачей в разработке перспективных

средств индивидуальной защиты является раз-

работка таких комплексов, которые бы при по-

падании могли задерживать пули и осколки,

причиняя при этом незначительные ушибы, и да-

вая возможность солдатам самостоятельно эва-

куироваться с поля боя. Пока такие системы яв-

ляются перспективой на будущее, и для их со-

здания требуются многолетние исследователь-

ские и конструкторские работы. Сегодняшний

этап исследований заключается в разработке и

изучении новых материалов, способных сущест-

венно повысить уровни защитных свойств и ком-

форта ношения. Разработка средств защиты

является комплексной задачей, потому что мало

только остановить пулю, нужно еще защитить

тело от травмы посредством распределения

энергии пули на большую площадь защитного

средства. Кроме этого, средства поражения не

ограничиваются только пулями стрелкового ору-

жия, но и включают осколочные взрывные сис-

темы, и в том числе и самодельные.

На голову и шею человека приходится око-

ло 12% поверхности тела, однако во время боя

Ðèñ. 6. Ðàñ÷åò êîìáèíèðîâàííîãî âçðûâíîãî è îñêîëî÷íîãî íàãðóæåíèÿ ïëàñòèíû

À

Á

Â

Ã

9


именно на этот участок приходится более 25%

поражающих воздействий. В связи с этим ис-

пользование защитного шлема во время боя яв-

ляется критически важным. В настоящее время

защитные шлемы изготавливают из легких ком-

позитных волокнистых материалов, таких как,

арамидные волокна (KEVLAR®, Twaron®), поли-

этилен сверхвысокой молекулярной массы

(Spectra®, Dyneema®), фенилбензобистиазол

(Zylon®), что повышает уровень комфорта и бе-

зопасности данных изделий.

Достижение необходимой степени защиты

для разрабатываемых перспективных шлемов

требует проведения многочисленных баллисти-

ческих испытаний. Это приводит к существен-

ным финансовым и временным затратам, осо-

бенно при отработке нескольких прототипов

конструкции из различных материалов. Исполь-

зование численного моделирования позволяет

существенно снизить стоимость разработки за

счет сокращения объема экспериментальных ис-

следований, а также улучшить понимание физи-

ческих явлений, отвечающих за эффективность

защитных свойств разрабатываемого изделия.

AUTODYN располагает мощными средс-

твами для моделирования поведения компози-

тов в широком диапазоне уровней нагружений.

Описание поведения анизотропных композит-

ных материалов при высокоскоростном баллис-

тическом ударе требует более углубленного изу-

чения физико-механических свойств по сравне-

нию с обычными изотропными.

Для решения квазистационарных прочност-

ных задач существует упругая линейная ортот-

ропная прочностная модель, обычно сочетаемая

с линейным уравнением состояния. В задачах, где

существенную роль играют ударно-волновые эф-

фекты, ортотропная упругая модель может соче-

таться с нелинейным уравнением состояния. Не-

линейная зависимость напряжения от деформа-

ции может быть описана моделью пластического

течения с предельной поверхностью квадратич-

ной формы и дополнена анизотропной моделью

хрупкого разрушения, либо кинетической моде-

лью зарождения и накопления поврежденностей.

Для описания поведения анизотропных

композитных материалов при высокоскорост-

ном баллистическом ударе совместно с Инсти-

тутом им. Эрнста Маха (EMI) при поддержке Ев-

ропейского космического агентства (ESA) раз-

работана анизотропная модель механического

поведения композитного материала с учетом не-

линейной необратимой сжимаемости. В данной

модели учитывается анизотропность, анизот-

ропное усталостное разрушение материала,

расслоение, плавление, испарение, а также сов-

местное поведение при изменение формы и

объема. На рис. 8 показано экспериментальное

оборудование для определения прочностных ха-

рактеристик композитного материала KEVLAR®

с эпоксидным связующим, а также результаты

сравнительного анализа испытаний и расчетов с

использованием данной расчетной модели.

Сопоставление данных показывает, что

модель в части прочностных свойств адекватно

описывает все характерные стадии нагружения

образца: ортотропное упругое поведение, плас-

тическое течение и процесс ортотропного разуп-

рочнения и разрушения.

В дальнейших расчетах рассматривалось

воздействие на шлем стандартной девятимил-

лиметровой оболочечной пули весом приблизи-

тельно 8 г и состоящей из медной оболочки и

свинцового сердечника. Хотя кинетической

Ðèñ. 7. Äåòîíàöèÿ åìêîñòåé ñ âçðûâ÷àòîé ñìåñüþ è õàðàêòåð íà÷àëüíîé ñòàäèè ðàçðóøåíèÿ êóçîâà àâòîìîáèëÿ



10

энергии пули недостаточно для пробивания шле-

ма, возникающие при ударе деформация и рас-

слоения внутренних слоев могут причинить

травму головы. Расчет бокового удара пули со

скоростью 360 м/с позволяет провести анализ

деформаций участка шлема и пули и вырабо-

тать конструктивные меры по снижению уровня

опасных воздействий.

Численное моделирование подтвердило,

что шлем из композитного материала может вы-

держать простел 9-мм оболочечной пули при

скорости 358 м/с. При этом пуля существенно

деформируется при ударе и впоследствии раз-

рушается, что еще больше снижает ее проника-

ющую способность в корпус шлема.

Несмотря на то, что пуля не может пробить

шлем, она обладает достаточным импульсом и

кинетической энергией для деформирования

внутренней поверхности шлема. Результаты

расчетов показали, что влияние пули на вне-

шнюю и внутреннюю поверхность шлема увели-

чивается с возрастанием скорости пули, которое

приводит к расслоению волокон материала. При

этом показатели деформации материала выхо-

дят за рамки безопасных уровней. Проведение

подобных расчетов возможно в отношении дру-

гих средств бронезащиты.

ЗаключениеВ статье представлены примеры расчетов в

AUTODYN воздействий прострелов и взрывов

на различные объекты и средства индивидуаль-

ной защиты. Сопоставление результатов моде-

лирования с экспериментальными данными по-

казывает, что использование программного

комплекса AUTODYN позволяет не только точно

рассчитывать отдельные задачи динамического

нагружения конструкций, но и способствовать

более качественному изучению и лучшему пони-

манию происходящих физических процессов,

что позволяет вырабатывать наиболее перспек-

тивные пути улучшения защитных характерис-

тик конструкций.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. Malcolm S. Cowler, Xiangyang Quan, Bence Gerber.

Analysis of the Response of Body Armor to Blast, Fragment and Projectile Loading using ANSYS® AUTODYN®. 2nd International Conference on Design and Analysis of Protective Structures, Singapore, 13 — 15 November 2006.

2. Bence Gerber, Tham C. Yang. Making an impact. ANSYS ADVANTAGE. Vol. II, Issue 4, 2008.

Ðèñ. 8. Ýêñïåðèìåíòàëüíîå îáîðóäîâàíèå è ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé îáðàçöà ìàòåðèàëà KEVLAR® ñ ýïîêñèäíûì ñâÿçóþùèì

Ðèñ. 9. Âçàèìîäåéñòâèå 9 ìì ïóëè ñî øëåìîì

Ðèñ. 10. Äåôîðìàöèè âíåøíåé è âíóòðåííåé ñòîðîí øëåìà ïîñëå óäàðà ïóëè

11



В начале 2009 года выйдет очередной

12-й релиз расчетного комплекса ANSYS.

В этом релизе появится много новых воз-

можностей и улучшений, наиболее зна-

чимые из которых мы и рассмотрим в

данной статье.

Контактные задачиУлучшения в производительности решения

контактных задач

В 12-й версии реализован новый алгоритм опре-

деления контактов, который значительно уско-

ряет процесс поиска в зависимости от сложнос-

ти расчетной модели. Время на решение моде-

лей с контактными элементами и вычисление

объектов результатов для контактных задач сни-

зилось в среднем на 50%.

Данные результатов расчета для контакт-

ных элементов для статуса контакта «far field»

больше не будут записываться в базу данных

результатов, что значительно уменьшит размер

файла результатов.

Новые опции TRIM и UNSE доступны для

команды CNCHECK. Эти опции могут быть ис-

пользованы для исключения или отмены выбора

контактных и ответных элементов, которые на-

ходятся в начальном положении далеко друг о

друга (far field). Это повышает эффективность

решения задач для контактов с малым скольже-

нием и для больших сборок, особенно для режи-

ма распараллеливания решателя Distributed

ANSYS.

Новая опция для сборок из объемных и

оболочечных моделей (KEYOPT(5) = 5 для ответ-

ного контактного элемента TARGE170) улучша-

ет распределение напряжений в месте пересе-

чения оболочек и объемов.

Улучшено автоматическое определение

связей для сборок вида «поверхность — поверх-

ность» (KEYOPT(5) = 0 для ответного контактно-

го элемента TARGE170). Теперь сама програм-

ма выбирает тип связи (constraint type), который

наиболее эффективен для данной контактной

задачи. В связи с этим могут быть значительные

отличия в выводе результатов решения контакт-

ной задачи (contact output) в 12-й версии в срав-

нении с 11-й.

Коэффициент демпфирования по жесткос-

ти (BETAD или MP, DAMP) более не использует-

ся для контактных элементов с формулировкой

штрафных функций при полном переходном

анализе. Это позволит получать более точное

решение, особенно при вычислении контактных

сил.

Улучшения и изменения

в версии ANSYS 12.0

Ðèñ. 1. Óëó÷øåíèÿ â ïðîèçâîäèòåëüíîñòè ðåøåíèÿ êîíòàêòíûõ çàäà÷ (ïðèìåð ðàñ÷åòà ìàíæåòû)

www.ansyssolutions.ru


12

ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Граничные условия для абсолютно жесткой

ответной контактной поверхности

(Rigid Target)

В предыдущих версиях ANSYS можно было за-

давать граничные условия только для ведущего

узла (pilot node) абсолютно жесткой ответной по-

верхности контактных элементов Rigid Target, и

только ведущий узел соединял с другими эле-

ментами всю абсолютно жесткую ответную по-

верхность контактных элементов. Эти ограниче-

ния будут сняты в 12-й версии.

Теперь граничные условия можно задавать

для любых узлов абсолютно жесткой ответной

поверхности контактных элементов, и они могут

соединяться с другими элементами. Это улучше-

ние позволит применять абсолютно жесткие от-

ветные контактные элементы для описания аб-

солютно жестких тел.

Моделирование абсолютно жестких тел

с использованием абсолютно жестких

ответных контактных поверхностей

(Rigid Target Surfaces)

В 12-й версии будет существенно упрощено оп-

ределение абсолютно жестких тел при расчете

кинематики.

В предыдущем релизе при определении

абсолютно жесткого тела необходимо было ис-

пользовать два типа элементов, контактные и

ответные. В 12-й версии можно просто задать

абсолютно жесткую ответную поверхность (на-

бор узлов ответных элементов и один ведущий

узел) для описания абсолютно жесткого тела.

Такой подход имеет очевидное достоинство: не-

обходимо определять лишь тип ответного эле-

мента. При этом значительно уменьшится раз-

мер файлов *.DB, *.ESAVE и *.RST.

Кроме этого, добавлен раздел POINT для

описания ответных сегментов к существующему

набору ответных сегментов для контактных эле-

ментов TARGE169 и TARGE170. Этот тип ответ-

ного сегмента может быть определен для абсо-

лютно жесткого тела, где нет предопределенно-

го узла (predefined node), и может быть исполь-

зован для задания граничных условий (сосредо-

точенных нагрузок, ограничений перемещений и

пр.) в этой точке.

Дополнительная опция для контактной

задачи — учет давления проникающей

жидкости

Теперь можно задать давление проникающей

среды (pressure penetration loads) для расчет-

ной модели, окруженной зоной течения, кото-

рая может проникать в зону контакта в зависи-

мости от статуса контакта. Можно задавать

давление проникающей среды для 2-D и 3-D

контактных элементов «поверхность — повер-

хность» (CONTA171, CONTA172, CONTA173, и

CONTA174) и ассоциированных с ними ответ-

ных элементов. Этот новый тип нагрузки при-

меним для контактных пар «деформируемое

тело — деформируемое тело» или «абсолютно

жесткое тело — деформируемое тело», позво-

ляющих малое или значительное разделение

поверхностей контакта.

Для задания давления проникающей сре-

ды необходимо указать давление среды (fluid

pressure), начальные точки проникания (fluid

penetration starting points), критерий проникания

среды (fluid penetration criterion) и продолжитель-

ность проникания (fluid penetration acting time).

Задание трения зависимого от среды

В 12-й версии для коэффициента трения могут

быть заданы зависимости от температуры, вре-

мени, нормального давления, расстояния сколь-

жения , или относительной скорости скольжения.

Допустимы комбинации более чем двух пара-

метров для задания зависимостей, например,

температуры и расстояния скольжения. Эта оп-

ция применима как для ортотропного, так и для

анизотропного трения. После определения дан-

ных в виде таблиц трения (TB, FRIC), с помощью

команды TBFIELD задаются значения перемен-

ных, непосредственно за командой TBDATA, ко-

торая задает данные для описания трения.

Пользовательская модель трения

В 12-й версии можно использовать пользова-

тельскую подпрограмму USERFRIC для задания

пользовательской модели трения для двумер-

ных и трехмерных контактных элементов

(CONTA171, CONTA172, CONTA173, CONTA174,

CONTA175, CONTA176, CONTA177, CONTA178).

Для активации пользовательской модели

трения необходимо использовать команду TB,

FRIC с опцией TBOPT = USER для задания

свойств трения.

Ðèñ. 2. Ó÷åò äàâëåíèÿ ïðîíèêàþùåé ñðåäû

13

www.ansyssolutions.ru ANSYS Advantage. Русская редакция | 10'2009

Выявление и удаление избыточных

граничных условий

Если для степеней свободы расчетной модели за-

дать избыточные граничные условия, то это при-

ведет к переопределенности задачи, что выразит-

ся в проблемах со сходимостью решения или в

неточных результатах решения. В 12-й версии из-

быточные граничные условия автоматически уда-

ляются, и выдается соответствующее сообщение

с предупреждением. Кроме этого, есть возмож-

ность отображения удаленных избыточных гра-

ничных условий в постпроцессоре POST1.

Контакт с возможностью отслеживания

сохранения энергии и импульса

При нестационарном динамическом расчете с

контактом, когда контактная и ответная поверх-

ности взаимодействуют друг с другом с ненуле-

выми относительными скоростями, очень важ-

ным аспектом является соблюдение закона со-

хранения импульса и энергии для контактной

поверхности. В 12-й версии опции сохранения

энергии и импульса для контакта доступны для

двумерных и трехмерных контактных элементов.

Для их активации необходимо использовать оп-

цию impact constraints (KEYOPT(7) = 4 для кон-

тактных элементов).

Разрыв контактирующих поверхностей

Возможность разрыва контактирующих поверх-

ностей (debonding) в 11-й версии реализована

для неразрывного типа контакта (bonded contact).

В 12-ю версию в технологию разрыва контакти-

рующих поверхностей были внесены существен-

ные дополнения. Теперь опция разрыва контак-

та (debonding feature) поддерживает два допол-

нительных типа неразрывного контакта: без

разделения (no separation contact) с возможнос-

тью скольжения (KEYOPT (12) = 2) и неразрыв-

ный контакт (KEYOPT(12) = 3).

Коэффициент демпфирования (damping

coefficient) является входным параметром для

определения размера зоны, где происходит раз-

деление материала. Он должен быть меньше,

чем размер минимального шага по времени для

выполнения баланса энергий в процессе разры-

ва контакта между максимальной силой сцепле-

ния и значением максимального разделения по-

верхностей контакта.

Элементы и технологии для учета нелинейного поведенияТрехмерный элемент дискретного

армирования

Новый тип элемента REINF264 дискретного ар-

мирования используется для дополнительного

армирования стандартных типов элементов:

трехмерных стержневых элементов, балок, объ-

емных элементов и оболочечных элементов.

Этот элемент применяется для моделирования

армирующих волокон с произвольной ориента-

цией. Каждое волокно моделируется отдельно в

виде лонжерона (spar), свойства которого опи-

сывается только одноосной жесткостью.

Элемент REINF264 позволяет описывать

следующие типы поведения: только растяжение

(трос) и только сжатие (зазор). Можно задать не-

сколько армирующих волокон для одного эле-

мента REINF264. Координаты узлов, степени

свободы и уравнения связей для элементов

REINF264 идентичны используемым базовым

элементом. Для элемента REINF264 можно за-

дать: пластичность, увеличение жесткости при

наличии нагрузки, ползучесть, большие переме-

щения и поддержку больших деформаций.

Новые элементы Pipe и Elbow

К новому поколению элементов в ANSYS также

относятся PIPE288 и PIPE289. В этих элементах

Ðèñ. 3. Ïðèìåð çàäàíèÿ ïîëüçîâàòåëüñêîé ìîäåëè òðåíèÿ

Ðèñ. 4. Äîïîëíèòåëüíîå àðìèðîâàíèå ñòàíäàðòíûõ ýëåìåíòîâ



14


хорошо обусловлены нелинейные свойства ма-

териалов и учтена гиперэластичность для неме-

таллических труб. Они могут быть использованы

как в 2D, так и 3D расчетах. Кроме этого, в них

существенно расширены возможности по опре-

делению граничных условий и описанию геомет-

рических параметров. Следует отметить, что

PIPE288 и PIPE289 используют балочное при-

ближение и не учитывают деформации в попе-

речном сечении.

Элемент ELBOW290 позволяет моделиро-

вать изгибы в трубах, используя теорию кривых

поверхностей с большим набором функций Фурье

для описания дуги. Он может быть использован и

при нелинейной постановке задачи. Кроме этого,

в этом элементе учитывается деформация в попе-

речном сечении (в отличие от PIPE элементов).

Помимо традиционных материалов, с помощью

ELBOW290 можно описать трубы из композитов.

Элементы PIPE288, PIPE289 и ELBOW290

поддерживают и другие современные нелиней-

ные возможности, такие как, например, нели-

нейная стабилизация.

Внешние гидродинамические нагрузки

В элементах типа PIPE в текущем релизе упро-

щена процедура задания волновых нагрузок.

Под волновыми нагрузками в данном случае

подразумевается совокупность сил волнения и

течения. Для их идентификации создан новый

класс команд: Оcean Сommands (OCxxxxxx). Для

определения подобных нагрузок к участку из

PIPE-элементов необходимо использовать ко-

манду SOCEAN.

Несмотря на то, что элементом PIPE59 так-

же поддерживаются внешние гидродинамичес-

кие нагрузки, элементы PIPE288 и PIPE289 в

сочетании с новым классом команд Оcean

Сommands значительно расширяют спектр ре-

шаемых задач и представляют полностью нели-

нейные возможности.

Четырехузловой тетраэдрический элемент

с возможностью стабилизации давления

В ANSYS добавлен новый 4-х узловой элемент

SOLID285 первого порядка со смешанной фор-

мулировкой метода mixed u-P. Элемент позволя-

ет вычислять линейные перемещения и учиты-

вать гидростатическое давление.

Элементу SOLID285 присущи более прак-

тичные критерии качества формы элементов и

отказа генерации сетки. Благодаря этому уп-

рощается процесс генерации сетки, особенно

нерегулярных сеток для моделей, импортиро-

ванных из CAD/CAM пакетов. Кроме этого, дан-

ный элемент может быть использован в расче-

тах с большими деформациями. Элемент

SOLID285 пригоден для стандартных моделей

материалов, включая несжимаемые материа-

лы. Он может быть использован со всеми про-

Ðèñ. 5. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ ýëåìåíòîâ PIPE288 è PIPE289

Ðèñ. 6. Ìîäåëèðîâàíèå èçãèáîâ òðóá

Ðèñ. 7. ×åòûðåõóçëîâîé òåòðàýäðè÷åñêèé ýëåìåíò SOLID285

15


двинутыми моделями материалов. Для этого

элемента маловероятна переопредленность

уравнений. Элемент поддерживает нелиней-

ную стабилизацию.

Обобщенные осесимметричные элементы

В 12-й версии появилось новое поколение осе-

симметричных объемных элементов SOLID272 и

SOLID273, в которых для описания перемещений

в окружном направлении в качестве функций ин-

терполяции используется ряды Фурье. Эти эле-

менты могут быть использованы в самых разных

видах расчетов, в том числе в таких, где необхо-

димо учитывать геометрические нелинейности.

Они также все виды граничных условий и напря-

женно-деформированного состояния.

Элемент SOLID272 определяется 4-мя уз-

лами в главной плоскости, а узлы в окружном

направлении создаются автоматически на базе

4-х узлов главной плоскости.

Элемент SOLID273 — это объемный эле-

мент c квадратичной формулировкой в главной

плоскости, который хорошо подходит для созда-

ния нерегулярных сеток в главной плоскости. Он

определяется 8-ю узлами в главной плоскости, а

узлы в окружном направлении создаются авто-

матически на базе 8-и узлов, расположенных в

главной плоскости.

Для этих элементов число узлов зависит от

числа плоскостей узла (KEYOPT(2)). Каждый

узел имеет три степени свободы: перемещения

в узлах в x, y и z направлениях.

Кроме этого, для них допустима вырожден-

ная треугольная форма на главной плоскости.

Рассматриваемые элементы поддерживают сле-

дующие свойства: пластичность, гиперупругость,

увеличение жесткости при наличии нагрузок,

большие перемещения, большие деформации.

Они также поддерживают смешанные формули-

ровки для расчета деформаций плохо сжимаемых

упругопластических материалов и плохо сжимае-

мых или несжимаемых сверхупругих материалов.

Для этих элементов с помощью команд

SECTYPE и SECDATA можно задать любую ось

в качестве оси симметрии: необходимо лишь оп-

ределить четырехгранники или треугольники на

плоскости.

Переопределение двумерной области для

перегенерации сетки

В 12-ю версию добавлены два новых метода для

операции переопределения двумерной области

для перегенерации сетки:

Перегенерация сетки с использованием

опции Generic (CDB) New Mesh.

В новом релизе ANSYS появилась возмож-

ность использовать метод Generic New

Mesh для сеток, построенных во внешних

сеточных генераторах, например, ANSYS

ICEM CFD, при ручном переопределении

двумерной области для перегенерации

сетки (Manual Rezoning).

Использование метода Generic New Mesh

предоставляет больше возможностей по

контролю над сеткой. При сильном искаже-

нии сетки для выполнения операции rezoning

(перегенерации сетки) может оказаться не-

достаточным стандартных возможностей

встроенного генератора сетки PREP7.

Для использования сетки, созданной в дру-

гих сеточных генераторах, она должна

быть сохранена в формате *.cdb. При этом

не требуется наличия файла *.iges с описа-

нием геометрической модели. Обычно но-

вая сетка в формате файла *.cdb создается

на основе топологии фасеточной геомет-

рии двумерной области, для которой нужно

провести перегенерацию сетки.

Перегенерация сетки c использованием

опции разделения сетки Remeshing Using

Mesh Splitting.

12-я версия ANSYS позволяет вручную

разделять существующую сетку в процес-

се перегенерации сетки для лучшей сходи-

мости нелинейного решения или получения

более точного решения.

Разделение сетки (Mesh splitting) увеличи-

вает число степеней свободы расчетной мо-

дели. Эта опция может быть использована

для сгущения (измельчения) сетки в местах

зазоров контактных пар, а также в тех слу-

чаях, когда методы ANSYS-Generated Mesh

и Generic Third-party New Mesh дают не-

удовлетворительные результаты.

•

•

Ðèñ. 8. Íîâûå îñåñèììåòðè÷íûå ýëåìåíòû SOLID272 è SOLID273



16


Операция разделения проводится для вы-

бранных двумерных элементов. В против-

ном случае она будет применена ко всем

элементам в сетке.

Все описанные методы перегенерации сетки,

как правило, применяются для элементов

PLANE182 и PLANE183, а также для элементов

CONTA171, CONTA172, и TARGE169 при реше-

нии контактных задач.

Улучшения в основных оболочечных

элементах

В 12-й версии оболочечные элементы SHELL181,

SHELL281, SHELL208, и SHELL209 используют

новый алгоритм нелинейного обновления тол-

щины, который более точно описывает реаль-

ные свойства материала. Применение этого ал-

горитма улучшает сходимость решения. Также

доступна опция, использующая унаследованный

алгоритм для обновления толщины.

Для оболочечного элемента SHELL281 в

12-й версии доступна новая формулировка кри-

волинейных оболочек, которая позволяет кор-

ректно объединять эффекты начальной кривиз-

ны оболочек и растяжения мембран при обнов-

лении кривизны оболочки. Применение новой

формулировки позволяет получить более точные

результаты, особенно в тех случаях, когда необ-

ходимо учитывать влияние толщины оболочки.

Для элементов SHELL181, SHELL281,

SHELL208, SHELL209 и SOLSH190 в новом рели-

зе в качестве выходных данных (output) будут до-

ступны следующие переменные: линеаризиро-

ванные напряжения, включая мембраны, изгиб,

амплитуды напряжений. Эти переменные напря-

мую доступны для операций постпроцессинга в

виде данных элементов SMISC. Новые данные

вывода по результатам расчетов особенно по-

лезны для верификации расчетного кода.

Кубическая функция формы (Cubic Shape

Option) для элемента BEAM188

Для элемента BEAM188 добавлена опция акти-

вации кубической функции формы (опция

KEYOPT(3) = 3). Эта опция добавляет два внут-

ренних узла в схему интерполяции. Так же как и

при использовании квадратичной функции фор-

мы, опция кубической функции формы исполь-

зуется в тех случаях, когда элемент ассоцииро-

ван с конусообразным поперечным сечением.

Не используйте эту опцию, если элемент

используется как ребро жесткости, а также для

подкрепления моделей с оболочечными элемен-

тами 1-го порядка. Кроме этого, для этого эле-

мента реализовано линейное распределение

изгибающих моментов.

Линейная динамикаРасчет шума при торможении

В 12-й версии доступны два новых метода расче-

та шума при торможении: линейный декремент-

ный с QR-разложением метод расчета собствен-

ных частот и форм колебаний (linear QR damped),

и метод расчета собственных частот и форм ко-

лебаний по частям предварительно напряженной

конструкции (partial prestressed modal).

Эти методы включают частичный расчет для

элементов (команда PSOLVE ) при стационарном

расчете трения, вместо применения стандартного

итерационного метода Ньютона — Рафсона.

Ðèñ. 9. Ïåðåãåíåðàöèÿ ðàñ÷åòíîé ñåòêè

Ðèñ. 10. Îáíîâëåíèå òîëùèíû îáîëî÷å÷íûõ ýëåìåíòîâ Ðèñ. 11. Ðàñ÷åò øóìà ïðè òîðìîæåíèè

17


Линейный декрементный метод лучше ис-

пользовать в тех случаях, когда эффекты увели-

чения жесткости при наличии нагрузок не очень

критичны, а частичный расчет собственных час-

тот и форм колебаний предварительно напря-

женной конструкции лучше применять в задачах,

в которых необходимо учитывать эффект увели-

чения жесткости при нагружении.

Модели материалов и механика разрушенияНекоторые свойства материалов недоступны

через средства графического интерфейса

ANSYS GUI.

Связанные расчеты

В 12-ю версию расчетного комплекса ANSYS вклю-

чены новые элементы для связанного расчета ме-

ханики деформируемого твердого тела с учетом

степени свободы «давление» — внутреннее дав-

ление в пористой среде. Элемент CPT212 является

двумерным элементом с 4-мя узлами. Он предна-

значен для связанного расчета с дополнительной

степенью свободы «давление» для узлов с били-

нейным распределением перемещений. Элемент

CPT213 является двумерным элементом с 8-ю уз-

лами. Он используется для связанного расчета с

дополнительной степенью свободы «давление»

для узлов с квадратичным распределением пере-

мещений. Элемент 2-го порядка CPT217 является

трехмерным элементом с 10-ю узлами и использу-

ется для связанного расчета с дополнительной сте-

пенью свободы «давление» для узлов с квадратич-

ным распределением перемещений.

Элемент CPT215 является трехмерным 8-

ми узловым элементом и предназначен для свя-

занного расчета с дополнительной степенью

свободы «давление» для узлов с квадратичным

распределением перемещений. Элемент 2-го

порядка CPT216 является трехмерным элемен-

том с 20-ю узлами и используется для связанно-

го расчета с дополнительной степенью свободы

«давление» для узлов с квадратичным распре-

делением перемещений.

Все новые элементы для связанного рас-

чета могут быть использованы на нерегулярных

сетках.

Модель Ананда

Модель Ананда (Anand) для задания вязкоплас-

тичности предлагает объединенную модель

пластичности, которая подразумевает отсутс-

твие комбинаций с другими моделями материа-

лов (в отличие от моделей Perzyna и Peirce, кото-

рые требует комбинацию моделей материалов).

В модели Ананда используется опция плас-

тичности, зависящая от скорости деформаций.

Она может быть применена для следующих эле-

ментов: PLANE182 и PLANE183 (за исключени-

ем случая расчета плоского НДС), SOLID185,

SOLID186, SOLID187, SOLSH190.

Модель Друкера-Прагера с учетом

ползучести

В 12-й версии можно решать задачи, используя

дополненную модель материала Друкера-Праге-

ра (EDP), для пластических деформаций, кото-

рые не зависят от времени, включая учет эф-

фекта ползучести.

Новые возможности активируются коман-

дой TB,EDP (задание модели пластичности).

Для определения закона ползучести следует ис-

пользовать команду TB,CREEP.

Модель материала Бергстрома-Бойса

Модель материала Бергстрома-Бойса

(Bergstrom-Boyce) используется для описания

свойств эластомеров и задается командой

TB,BB. Модель предполагает неупругий отклик

только для разрушения сдвигом, который опре-

деляется изохорным потенциалом энергии де-

формации. Модель применима для следующих

элементов: PLANE182, PLANE183, SOLID185,

SOLID186, SOLID187, SOLSH190.

Учет разупрочнения при циклическом

нагружении эластомеров

В ANSYS для модели материала Ogden-

Roxburgh может применяться опция псевдо-уп-

Ðèñ. 12. Ìîäåëü Äðóêåðà-Ïðàãåðà ñ ó÷åòîì ïîëçó÷åñòè

Ðèñ. 13. Ýëàñòè÷íûå ñòåíêè êðîâåíîñíûõ ñîñóäîâ



18


ругого поведения (команда TB,CDM,,,,PSE2)

для описания разупрочнения при циклическом

нагружении резинотехнических изделий (эф-

фект Mullins). Типичной областью применения

этой модели являются наполненные полимеры.

Этот эффект наиболее ярко проявляется когда

отклик изделия на разгрузку при циклическом

нагружении является более податливым, чем

на нагрузку. В результате зависимость «напря-

жения/деформации» носит гистерезисный ха-

рактер, как результат необратимых изменений

в материале.

Опция учета эффекта Mullins может быть

использована с любой из несжимаемой изот-

ропной гиперупругой моделью (все TB,HYPER

опции со значением параметра TBOPT = BLATZ

или TBOPT = FOAM). Модель основана на дан-

ных максимального значения последней на-

грузки, где нагрузка определяет энергию де-

формации для первичного гиперупругого ма-

териала. В случае возрастания предыдущей

максимальной нагрузки будет возрастать вли-

яние эффекта Mullins на изменение первично-

го гиперупругого состояния модели материа-

ла. При значении нагрузки ниже максимальной

предыдущей нагрузки, эффект Mullins не учи-

тывается.

Начальное состояние

Определение начального состояния относится к

состоянию конструкции в начале расчета. Обыч-

но принимают допущение, что в начальном со-

стоянии конструкция не является деформиро-

ванной и нагруженной. Однако такие идеальные

условия не всегда применимы для реальных

расчетов. В ANSYS существует возможность оп-

ределить «сложное» начальное состояние, т. е.

можно задавать начальные напряжения и на-

чальные деформации. Дополнительно к этому, в

12-й версии можно задавать начальные пласти-

ческие деформации.

Пользовательское задания свойств

материала в зоне упругих деформаций

В текущем релизе доступен новый интерфейс

для задания пользовательских свойств мате-

риала в зоне упругих деформаций. Подпро-

грамма user_tbelastic позволяет определять

свойства материала в зоне упругих деформа-

ций, зависящих от температуры или координат.

Эта подпрограмма задает в точках интегриро-

вания элементов «пользовательские» свойства

материала в зоне упругих деформаций. Свойс-

тва материала задаются применительно к сис-

теме координат элементов. В команду

TB,ELASTIC добавлена опция «USER», которая

позволяет загружать пользовательскую под-

программу.

Связанный анализРешатель для связанных задач (Multifield

Solver)

Для решателя связанных задач доступна опция

сходимости решения. В команде для задания

критерия сходимости MFCONV появилось новое

поле MINREF для задания минимально допусти-

мого значения переменной reference value, кото-

рое рассчитывается программой. Для некоторых

видов расчетов нагрузки на интерфейсе могут

быть очень малы, например, нагрузки на интер-

фейсе в третьем направлении, когда трехмер-

ный расчетный код используется при решении

двумерной задачи. Опция решателя MINREF мо-

жет быть использована для ограничения сходи-

мости решения при очень малых значениях.

Свойства материалов

Для элементов связанного расчета PLANE223,

SOLID226 и SOLID227 доступны новые опции

для задания моделей материалов. Упругие

свойства материала и коэффициенты демпфи-

рования могут быть заданы как функции от час-

тоты и/или температуры для проведения полно-

го гармонического анализа (команды TB,ELASTIC

и TB,DAMP). Кроме этого, можно задавать элек-

трическое сопротивление материала для выпол-

нения пьезоэлектрического или термо-пьезоэ-

лектрического анализов (команда MP,RSVX).

Учет эффектов предварительно

нагруженной конструкции

При использовании элементов PLANE223,

SOLID226 и SOLID227 в 12-й версии можно учи-

тывать эффекты предварительного нагружения

конструкции совместно с пьезоэлектрическими,

электропластическими, термопрочностными и

др. эффектами.

Опция учета толщины

Опция задания толщины в 12-й версии доступна

для электростатического элемента PLANE121 и

для электрического элемента PLANE230 (опция

KEYOPT(3) = 3).

Режим распараллеливания решателей

Distributed ANSYS

Решатель в режиме распараллеливания

Distributed ANSYS в 12-й версии поддерживает

элементы для высокочастотного электромагнит-

ного анализа при использовании элементов 1-го

порядка HF119 и HF120.

РешателиРасчет собственных частот и форм

колебаний

Для расчета собственных частот и форм колеба-

ний (модальный анализ) доступен новый специ-

19


ализированный решатель Supernode solver (ко-

манда MODOPT,SNODE). Этот решатель приме-

няется для расчета большого числа форм коле-

баний (до 10.000) для одного расчета. В нем ре-

ализованы технологии, используемые в методе

Block Lanczos (LANB), однако он требует меньше

системных ресурсов для операций ввода/выво-

да при расчете более 200 форм колебаний.

Высокопроизводительные вычисления

Для обеспечения максимальной эффективности

использования многоядерных процессоров в ра-

бочих станциях, решатель ANSYS в режиме рас-

параллеливания многоядерных процессоров на

системной шине теперь поддерживает многие

операции пре- и постпроцессинга, включая об-

работку графики и другие ресурсоемкие опера-

ции по работе с данными.

Кроме этого, при работе в режиме распа-

раллеливания на кластере Distributed ANSYS

для систем, работающих на многоядерных про-

цессорах, на ведущем узле кластера ANSYS

в12-й версии использует новые возможности ре-

жима shared-memory parallel для операций, кото-

рые не относятся к процессу решения.

Улучшения для режима распараллеливания

решателя в кластере (Distributed ANSYS

Enhancements)

Перечислим основные улучшения в 12-й версии

для режима распараллеливания:

Поддержка высокочастотного электромаг-

нитного анализа.

Новые элементы 22Х серии для следующих

типов расчета: электромагнитного, пьезоэ-

лектрического. Дополнительно к этому, но-

вые элементы для связанного расчета:

PLANE223, SOLID226 и SOLID227.

Расчет собственных частот и форм колеба-

ний для моделей с циклосимметрией.

Неполное решение (команда PSOLVE).

•

•

•

•

Эффекты предварительного нагружения

(команда PSTRES) .

Опция сведения по массе для команды для

компенсации возможного движения (IRLF,-1).

Расчет на устойчивость с использованием

решателя Block Lanczos.

Дополнительно к этому, в режим распараллели-

вания решателя на кластере (Distributed ANSYS)

добавлены следующие возможности:

Режим распараллеливания решателя на

кластере Distributed ANSYS поддерживает

возможности многоядерных процессоров

для операций, которые не относятся к ра-

боте решателя (пре- и постпроцессинг.

Масштабируемость ускорения решения

при увеличении ядер процессоров повыси-

лась на 10-20 %.

В 12-м релизе была расширена масштаби-

руемость для global stiffness assembly. Те-

перь вместо одного глобального «Jobname.

FULL» файла создаются индивидуальные

файлы «JobnameXX.FULL».

Реализация MPI для режима работы

решателя Distributed ANSYS

Режим Distributed ANSYS в 12-й версии исполь-

зует реализацию HP MPI на платформе опера-

ционных систем Microsoft Windows, включая

Windows 32-bit и 64-bit.

Улучшения в работе решателя Sparse Solver

Адресация большого количества оперативной

памяти, которая в предыдущих версиях активи-

ровалась опцией -LM в командной строке ANSYS,

теперь встроена в обычный режим запуска сес-

сии расчетного комплекса ANSYS. Поэтому в 12-

й версии больше нет необходимости использо-

вать опцию -LM для доступа к большому коли-

честву оперативной памяти. В текущем релизе

можно использовать сотни гигабайт памяти с ре-

шателем Sparse Solver.

В 12-й версии можно осуществлять

singleframe restart при использовании Sparse

Solver, чтобы исключить рефакторизацию (ис-

пользуйте команду EQSLV, SPARSE,,,,KEEP).

Решатель Sparse Solver в 12-й версии обла-

дает большей производительностью и точностью

для смешанной (u-P) формулировки элементов.

Улучшения решателя Block Lanczos

Решатель Block Lanczos в 12-й версии исклю-

чает разложение на множители везде, где это

возможно. Это приводит к ускорению решате-

ля в большинстве случаев. Кроме этого, реша-

тель Block Lanczos стал лучше распараллели-

ваться в режиме распараллеливания на не-

сколько ядер процессоров одной системной

шины.

•

•

•

•

•

•

Ðèñ. 14. Óñêîðåíèå ðàñ÷åòîâ ñîáñòâåííûõ ÷àñòîò è ôîðì êîëåáàíèé



20

В США оборудование для выработки энергии,

особенно компоненты электростанций, работа-

ющих на органическом топливе, имеет высокую

степень изношенности. Срок эксплуатации мно-

гих котлов, трубопроводных систем и других де-

талей подходит к концу вследствие частых поло-

мок. Как результат, проводятся частые проверки

этих компонентов, что увеличивает время про-

стоя системы в целом. При этом графики ремон-

та планируются за несколько лет, а количество

запасных деталей ограничено.

Поломки компонентов делятся на две кате-

гории: повреждения, при которых система может

нормально функционировать в будущем; полом-

ки, угрожающие работе системы и требующие

замены детали. Поскольку замена компонентов

является достаточно дорогостоящей операцией,

существует необходимость сохранения ресурса

имеющихся деталей на более длительный срок.

Выполнение требований безопасности мо-

жет привести к незапланированным простоям,

поэтому оценка срока эксплуатации изделий

должна быть как можно более точной.

В 2000 году проводилась плановая провер-

ка работы запорного клапана на одной из элект-

ростанций, во время которой специалисты ком-

пании Structural Integrity Associates обнаружили

множество трещин в корпусе клапана. На тот

момент посчитали, что причиной их образова-

ния является температурную усталость. Пос-

кольку температура в системе достигает 500 °С

и выше, наблюдается относительное перемеще-

ние некоторых частей конструкции. Специалис-

ты Structural Integrity Associates измерили тре-

щины в корпусе клапана для сравнения с ре-

зультатами будущих проверок.

В 2007 году была проведена следующая

проверка, целью которой был осмотр трещин в

корпусе клапана. Предварительно проводились

инженерные расчеты по определению износа

клапана. Необходимо было определить, сможет

ли клапан функционировать и дальше без ре-

монта и устранения дефектов.

Сначала на основе чертежей клапана в

SolidWorks была создана 3D-модель, в которую

можно было вносить изменения по результатам

дальнейших проверок объекта.

Для анализа образования трещин инжене-

ры компании Structural Integrity Associates ис-

пользовали программный комплекс Creep-

FatiguePro. При этом учитывались рабочие на-

грузки клапана, а также температурные напря-

жения при остановке системы.

Для сокращения простоя системы специа-

листы провели статический анализ и расчет

НДС конструкции клапана в среде ANSYS

Workbench 11.0, используя ту же самую модель

SolidWorks.

Использование технологий

ANSYS при анализе трещин

в корпусе клапана

Dan Peters, Structural Integrity Associates, Inc., США

Â ìîäåëè ïîêàçàíî ðàçìåùåíèå òðåùèíû íà âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè êëàïàíà è ëèíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ òðåùèíû ÷åðåç ñòåíêó.

Ïîëå òåìïåðàòóð â êîðïóñå êëàïàíà ïîñëå 532 ñåêóíä íåñòàöèîíàðíîãî ðàñ÷åòà õàðàêòåðèñòèê êëàïàíà âî âðåìÿ ïðîñòîÿ ñèñòåìû.

21


Платформа ANSYS Workbench использо-

валась для проведения полного нестационар-

ного расчета термических напряжений сов-

местно с многостадийным анализом статичес-

ких напряжений. Благодаря высокой степени

автоматизации, в ANSYS Workbench сущест-

вует возможность перехода, в случае необхо-

димости, к традиционному интерфейсу ANSYS

Mechanical.

При нестационарном расчете термичес-

ких напряжений на внутренней поверхности за-

давались условия конвекции и шаг изменения

температуры. Затем для напряжений, основан-

ных на распределении температур в различные

моменты времени, проводился многостадий-

ный статический расчет термических напряже-

ний.

Следующим этапом была нормализация

давления и термических нагрузок, которые ис-

пользовались в качестве входных параметров

при анализе образования трещин. Раньше ана-

лиз ползучести частей конструкции и распро-

странения усталостных трещин был достаточно

затруднительным. Однако с помощью среды

ANSYS Workbench результаты расчета напря-

женно-деформированного состояния легко экс-

портировались в Creep-FatiguePro для анализа

образования трещин.

Изучив результаты проверки объекта в 2000

году, специалисты Structural Integrity Associates

создали модель распространения трещин в кор-

пусе клапана. Результаты расчета показали хоро-

шее согласование с данными проверки, которая

проводилась семь лет спустя.

Расчеты показали, что на данном этапе

можно не проводить замену клапана, поскольку

трещины распространялись за прошедший пери-

од очень медленно, и клапан может и дальше

безопасно функционировать. Планируется, что

данные будущих проверок будут сравниваться с

результатами расчетов скорости роста трещин.

Благодаря тому, что результаты расчета были

получены до завершения проверки в 2007 году,

появилась возможность избежать дорогостоя-

щей замены клапана и сократить финансовые

затраты заказчика.

Ïîëå íàïðÿæåíèé â êîðïóñå êëàïàíà ïîñëå 532 ñåêóíä íåñòàöèîíàðíîãî ðàñ÷åòà õàðàêòåðèñòèê êëàïàíà âî âðåìÿ ïðîñòîÿ ñèñòåìû.

Âíåøíèé âèä êëàïàíà.

Âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü êëàïàíà.

Ýêñïëóàòàöèîííûå õàðàêòåðèñòèêè, ðàññìîòðåííûå ïðè àíàëèçå òðåùèí â êëàïàíå.

Óâåëè÷åíèå ïîëçó÷åñòè è óñòàëîñòíûõ òðåùèí â êîðïóñå êëàïàíà.



22

ANSYS: Что вызвало Ваш интерес к инженерному моделированию и, в частности, к многодисциплинарным расчетам?Stefano Odorizzi: В 1973 году я закончил факуль-

тет гражданского строительства Падуанского

университета в Италии и собирался посвятить

себя преподаванию строительной технологии и

механики. Работа в данной сфере предполагала

использование при проектировании метода ко-

нечных элементов (FEA), компьютерного моде-

лирования (САЕ) и работы с цифровыми прото-

типами (iDP).

В течение 70-х — 80-х годов прошлого века

производительность компьютеров резко увели-

чилась, что привело к интенсивному развитию

специализированных программных комплексов

для инженерных расчетов таких, которые разра-

батываются компанией ANSYS, Inc. Моделиро-

вание использовалось, в частности, для расчета

напряженно-деформированного состояния конс-

трукций, гидродинамических, тепловых, элект-

ромагнитных и других расчетов.

В связи с этим появились разнообразные

программные комплексы, предназначенные для

проектирования, разработки и оптимизации

продукции в различных отраслях промышлен-

ности. Я всегда придерживался мнения, что про-

ведение многодисциплинарных расчетов долж-

но быть неотъемлемым этапом производствен-

ного процесса.

ANSYS: Вы с самого начала понимали насколько широки возможности многодисциплинарных расчетов. Как Вам удалось воплотить эту идею в коммерческий проект?S. O.: В середине 80-х гг. руководители промыш-

ленных компаний осознали необходимость ис-

пользования компьютерного моделирования в

процессе производства. В 1984 г. я основал ком-

панию EnginSoft S.p.A., занимающуюся оказани-

ем консалтинговых услуг на IT-рынке Италии. В

1990 г. мы основали ESTECO — научно-исследо-

вательскую лабораторию, специализирующуюся

на многодисциплинарной оптимизации с исполь-

зованием программных комплексов для компью-

терного моделирования (Process Integration and

Design Optimization, PIDO).

Основная задача PIDO — это интеграция

компьютерного моделирования в процесс раз-

работки изделия. В ESTECO была разработана

среда modeFRONTIER™ для решения задач кри-

териальной и многокритериальной оптимиза-

ции. В modeFRONTIER™ существует возмож-

ность работы в режиме автоматического проек-

тирования и оптимизации изделий, что обеспе-

чивает выполнение технических норм в процес-

се проектирования.

Сегодня в компании EnginSoft работает

200 человек, более 800 компаний во всем мире

являются клиентами EnginSoft. В 2003 г. мы

стали партнерами компании ANSYS, Inc. Мы

уже более 15 лет используем программный

ANSYS расширяет возможности

многодисциплинарных

расчетов

Интервью Keith Hanna (ANSYS, Inc.) со Stefano Odorizzi,

исполнительным директором EnginSoft S.p.A (Италия)

Stefano Odorizzi,èñïîëíèòåëüíûé äèðåêòîðEnginSoft

23


комплекс CFX для решения задач гидрогазоди-

намики, поэтому долгосрочное сотрудничество

с компанией ANSYS, Inc. имеет огромное зна-

чение для развития нашей компании.

ANSYS: В 80-е годы многодисциплинарные расчеты не использовались повсеместно. Как правило, FEA- и CFD-расчеты проводились по отдельности. S. O.: И да, и нет. EnginSoft с самого начала ори-

ентировалась на многодисциплинарные реше-

ния: мы разработали программное обеспечение,

предназначенное для обмена моделями и ре-

зультатами расчетов, в частности, это была ме-

тодика использования результатов CFD-анализа

для расчета НДС.

Этот процесс был достаточно трудоемким,

однако его результаты соответствовали требо-

ваниям клиентов к проведению интегрирован-

ных расчетов. То есть, уже 20 лет назад мы на-

чали внедрять многодисциплинарные решения

в процесс моделирования. С тех пор возмож-

ности программных комплексов для проведения

многодисциплинарных расчетов существенно

расширились, и теперь они активно использу-

ются практически во всех отраслях промышлен-

ности.

ANSYS: Каким образом Вы используете технологии ANSYS в работе?S. O.: Мы активно применяем программные

комплексы ANSYS для построения сеток и про-

ведения расчетов НДС, а также гидродинами-

ческих расчетов. Мы успешно использовали

технологии ANSYS в ходе сотрудничества со

многими компаниями, в частности, Mazzucconi

и Piaggio, которые работают в автомобильной

отрасли.

В данный момент мы принимаем участие в двух

инициированных Европейским Союзом проек-

тах для авиакосмической и автомобильной про-

мышленности, включающих в себя многокрите-

риальную оптимизацию на всех этапах проекти-

рования.

ANSYS: Какие задачи можно будет решать в будущем с помощью многодисциплинарных расчетов?S. O.: Поскольку программные комплексы для

многодисциплинарных расчетов постоянно со-

вершенствуются в будущем каждое промыш-

ленное предприятие должно будет применять

их в процессе разработки продукции. Причем

акцент будет делаться уже не на моделирова-

ние отдельных узлов и сборок, а целых инже-

нерных систем. В связи с этим, в компьютер-

ном моделировании должны появиться новые

методы, технологии и стратегии. Для этого не-

обходимо преодолеть четыре основные про-

блемы.

Во-первых, необходимо изменить наше

отношение к проведению расчетов. В данном

случае, успехи компьютерного моделирования

могут сыграть с нами злую шутку, поскольку

наработанные базы знаний, методы и приемы

угрожают будущему прогрессу и вызывают у

компаний нежелание развивать новые методи-

ки.

Во-вторых, мы должны поддерживать раз-

витие новых технологий, в частности, направ-

ленных на структуризацию существующих мо-

делей. Поскольку даже сегодня многие задачи

с турбулентными потоками не могут быть ре-

шены на самых быстрых и современных ком-

пьютерах, внедрение инновационных техноло-

гий в производственный процесс имеет перво-

степенное значение. Если закон Мура будет

выполняться и в будущем, то в ближайшей пер-

спективе новые модели микросхем станут бес-

полезными без применения соответствующих

комплексов для компьютерного моделирова-

ния.

В-третьих, необходимо внести существен-

ные коррективы в систему образования, в част-

ности, в направление по подготовке техничес-

ких специалистов. Следует внедрять междис-

циплинарные курсы, посвященные общим ас-

пектам компьютерных наук. При этом границы

между дисциплинами должны постепенно ис-

чезнуть — это обеспечит более тесное сотруд-

ничество между учеными-теоретиками и специ-

алистами-практиками, работающими в различ-

ных отраслях науки.

В-четвертых, принимая во внимание

сложность проводимых расчетов, мы должны

изменить характер финансирования проектов.

Краткосрочные (пошаговые) проекты уже не

соответствуют современным требованиям, их

необходимо заменить долгосрочными програм-

мами, над реализацией которых будут совмес-

тно работать специалисты из различных отрас-

лей.

При комплексном использовании приклад-

ной математики и теории вычислительных ма-

шин, внедрение многодисциплинарных расчетов

может существенно повлиять на все сферы жиз-

недеятельности человека.

ANSYS: Каким Вы видите компьютерное моделирование через 10-20 лет?S. O.: В будущем компьютерное моделирование

будет все активнее использоваться в производс-

твенных процессах. Мы ожидаем появления



24


большого количества новых моделей и методов

моделирования.

Компанией ANSYS, Inc. была разработана

долгосрочная стратегия развития, выполнение

которой предполагает инвестиции в создание

новых алгоритмов и методик многодисципли-

нарных расчетов

Возможно ли то, что через 10-20 лет инже-

неры будут заняты именно разработкой новых

продуктов, а компьютеры будут автоматически

проводить расчеты в реальном времени? Я ду-

маю, в ближайшем будущем эти мечты станут

реальностью.

ANSYS: Расскажите кратко о текущих или недавно завершенных проектах компании EnginSoft.S. O.: В одном из последних проектов по зака-

зу автопроизводителя Mazzucconi специалис-

ты компании EnginSoft использовали програм-

мные комплексы ANSYS для анализа работы

дизельного двигателя объемом 1.3 литра. Для

определения остаточных напряжений специа-

листы использовали ANSYS Structural, а для

оптимизации производственных процессов —

среду modeFRONTIER. С помощью ANSYS

CFX определялись поля давлений и темпера-

тур в конструкции, которые затем передава-

лись в ANSYS Structural для расчета деформа-

ций. Специалисты компании Mazzucconi впер-

вые проводили расчет и оптимизацию всех

производственных операций в единой среде.

Благодаря этому они существенно повысили

качество продукции и сократили финансовые

затраты более чем на 20%, что составляет

ежемесячную экономию средств более чем

1 млн. евро.

Кроме этого можно еще вспомнить проект

с компанией Piaggio, которая специализируется

на производстве мотоциклов. Инженеры Piaggio

уже более 10 лет используют многодисципли-

нарную оптимизацию при разработке новых

двигателей. Основная проблема состояла в раз-

работке экологичного двигателя, соответствую-

щего нормам токсичности выхлопных газов, с

характерно низким расходом топлива и уровнем

шума, и высокой надежностью.

Сначала специалисты Piaggio разработа-

ли одномерную функциональную модель для

всей системы двигателя с учетом структурных

и газодинамических параметров, соответству-

ющих мощности двигателя, моменту вращения

и потребления энергии. Результаты расчета

давлений, скоростей и температур по одномер-

ной модели использовались в ANSYS Structural

ANSYS Structural èñïîëüçóåòñÿ äëÿ îïðåäåëåíèÿ îñòàòî÷íûõ íàïðÿæåíèé â áëîêå öèëèíäðîâ ñ öåëüþ îïòèìèçàöèè ïðîèçâîäñòâåííûõ ïðîöåññîâ.

Ïîäðîáíàÿ êîíå÷íîýëåìåíòíàÿ ìîäåëü äâèãàòåëÿ ñîäåðæèò áîëåå 26000 êîíå÷íûõ ýëåìåíòîâ äëÿ òî÷íîãî îòîáðàæåíèÿ ëàáèðèíòíîé ñòðóêòóðû ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ äâèãàòåëÿ Mazzucconi.

Íà CAD-ìîäåëè ïîêàçàíû äåòàëè äâèãàòåëÿ Piaggio, êîòîðûå ðàññ÷èòûâàëèñü íà ïðî÷íîñòü â ANSYS Structural.

25


для расчета прочностных характеристик дета-

лей двигателя. Кроме того, результаты одно-

мерных расчетов использовались в ANSYS CFX

для расчета сложной гидродинамики и сопря-

женного теплообмена в системе охлаждения

двигателя.

С помощью среды modeFRONTIER при ре-

шении оптимальной задачи учитывалось более

20 физических и геометрических параметров

при расчете уплотняющих прокладок и головки

цилиндров с использованием ANSYS Structural и

ANSYS CFX. Данная методика полностью удов-

летворяет требованию ко времени выполнения

проектов и требованиям по уровню затрат. В ре-

зультате КПД двигателя повысился на 15%, что

обеспечило компании Piaggio дополнительные

преимущества на мировом рынке.

На рынке парусного флота существует доста-

точно большая конкуренция, но благодаря сво-

им ходовым качествам, надежности и безопас-

ности яхты компании Perini Navi были и остают-

ся общепризнанным эталоном. Несмотря на

высокие технические характеристики, компа-

ния всегда уделяла особое внимание вопросам

эстетичности и комфортабельности своих яхт.

Со времени своего основания в 1983 году со

стапеля Perini Navi сошло 42 яхты, а в настоя-

щий момент на верфях Италии и Турции стро-

ится еще более двух десятков яхт, причем бо-

лее половины всего портфеля заказов состав-

ляет яхты длиной свыше 50-ти метров, так на-

зываемые мегаяхты.

Современный заказчик предъявляет все

более строгие требования к конструкции и тех-

ническому оснащению яхты, что приводит к не-

обходимости совмещать требования высокой

надежности и долговечности элементов конс-

трукций яхты с её комфортабельностью и эсте-

тичным внешним видом.

В связи с этим компания Perini Navi нача-

ла разработку нового экспериментального

проекта с использованием методов автомати-

ческой оптимизации. Эта идея была разрабо-

тана в сотрудничестве с компанией EnginSoft

(Флоренция, Италия) и заключала в себе про-

ведение оптимизации грот-мачты для новой

серии парусно-моторной яхты с длиной от 50

до 60 м.

Цель данной работы состояла в снижении

весовых характеристик мачты без потери про-

чности и устойчивости. С помощью точного 3D

моделирования можно регулировать уменьше-

ние веса мачты и киля яхты и, таким образом,

повышать её мореходные качества. Также сле-

дует отметить тот факт, что подобные разра-

ботки снижают стоимость конструкции за счет

уменьшения использования алюминия при про-

изводстве мачты и свинцовых сплавов для

киля, соответственно, упрощается технология

изготовления конструктивных элементов мач-

ты. Все это повышает комфорт мореплавания

и сокращает сроки выхода продукции на ры-

нок.

Методика проектирования мачты состоит,

прежде всего, из исследования общей устойчи-

Оптимизация конструкции

грот-мачты с целью снижения

ее веса

V. Peselli, F. Franceso,E. D’Alessandro, EnginSoft (Италия),

M. Paci, Perini Navi (Италия)

Äëÿ ðàñ÷åòà ãèäðîäèíàìèêè è ñîïðÿæåííîãî òåïëîîáìåíà â ñèñòåìå îõëàæäåíèÿ äâèãàòåëÿ èñïîëüçîâàëñÿ ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ ANSYS CFX



26


вости в поперечной и продольной плоскости (от-

носительно корпуса яхты). Специалистами ком-

пании EnginSoft была создана параметрическая

модель мачты по данным Perini Navi с использо-

ванием средств ANSYS DesignModeler (одного

из модулей ANSYS Workbench). Затем с помо-

щью расчетного комплекса ANSYS Mechanical

проводилось исследование трех вариантов конс-

трукции мачты с учетом всех секций, салингов и

вант.

Первая упрощенная модель мачты вклю-

чала значения площадей поперечного сечения

Ïàðóñíàÿ ÿõòàôèðìû Perini Navi

Ìà÷òà ñîâðåìåííîé ÿõòû êëàññà Luxury

Ñå÷åíèå ìà÷òû â Design Modeler

Àíàëèç îáùåé ïîòåðè óñòîé÷èâîñòè ìà÷òû â ðàñ÷åòíîì êîìïëåêñå ANSYS Mechanical

27


и их моменты инерции в качестве параметров.

Вторая расчетная модель представляла собой

цельную конструкцию мачты и учитывала весь

диапазон параметров, которые полностью оп-

ределяют геометрию (конструкцию) мачты. Эта

модель использовалась при исследовании об-

щей устойчивости мачты. Так как конструкция

мачты является гиперэластичной (либо пред-

закрепленной), решение зависит от определя-

ющих уравнений. В ходе начальной стадии

предварительного нагружения, где нагрузками

является результат натяжения вант, общая ус-

тойчивость учитывает нелинейности при боль-

ших деформациях мачты. Подобная постанов-

ка позволяет определить конструктивную связь

между продольными и поперечными плоскос-

тями.

В третьей оболочечной модели секции мач-

ты исследовались явления локальной устойчи-

вости. При анализе общей и локальной устойчи-

вости предварительное нагружение от вант учи-

тывалось как при статическом анализе, так и

при определении устойчивости в линейной пос-

тановке.

Инжиниринговая компания EnginSoft раз-

работала комплекс из трех моделей ANSYS с

учетом оптимизации процессов, применив для

этого средства программного комплекса

modeFRONTIER. Используя modeFRONTIER, ин-

женеры-исследователи автоматически обраба-

тывают изменяющиеся параметры геометрии и

передают результаты оптимизации конструкто-

рам для их последующей обработки и анализа.

Подобный подход комплексного моделирования

оказал сильное воздействие на прежние мето-

дики проектирования, внедренные в компании

Perini Navi.

Кроме этого, теперь можно использовать

возможности расчетного комплекса ANSYS че-

рез интерфейс среды ANSYS Workbench , что

значительно упрощает процесс оптимизации. В

ANSYS Workbench реализован достаточно мощ-

ный инструмент параметризации модели, также

существует возможность автоматического опре-

деления граничных условий, задания особен-

ностей креплений вант с мачтой и качественной

визуализации, обработки результатов и оформ-

ления отчетной документации.

Получив положительные результаты ком-

пьютерного моделирования, выраженные в сни-

жении веса конструкции мачты, экономии вре-

мени и материала на обработку, компания Perini

Navi приняла решение использовать ANSYS

Workbench при верификации и других сложных

участков проекта, например, сварных соедине-

ний.

Польза от использования подобных техно-

логий компанией Perini Navi не вызывает ника-

ких сомнений. Например, инженерами EnginSoft

были предложены решения по уменьшению веса

мачты на 3-5 тонн, что в процентном отношении

составило 20-25%. В тоже время параметризо-

ванную модель конструкции мачты можно при-

менять и для других яхт. Более того, модель

можно совершенствовать, прикладывая различ-

ные варианты нагрузок, скажем, при полном па-

русном снаряжении, либо при крене. Эта воз-

можность повышает эффективность разрабаты-

ваемых элементов и надежность конечного про-

дукта.

Ñòàòüÿ ïîäãîòîâëåíà ê ïóáëèêàöèè Ëàðèíûì Ìèõà-èëîì (ÇÀÎ «ÅÌÒ Ð») â 2009 ã. ñïåöèàëüíî äëÿ ðóññêîé ðåäàêöèè æóðíàëà «ANSYS Advantage».

Èññëåäîâàíèÿ îáùåé è ìåñòíîé ïîòåðè óñòîé÷èâîñòè â ñðåäå ANSYS Workbench

Èñïîëüçîâàíèå îáîëî÷å÷íîé ìîäåëè â ñðåäå ANSYS Workbench äëÿ èññëåäîâàíèÿ ÿâëåíèé ìåñòíîé ïîòåðè óñòîé÷èâîñòè



28


В начале 2009 года планируется выпуск

новых релизов программных продуктов

ANSYS, Inc. семейства «Fluids Products»,

к которому относятся ANSYS FLUENT и

ANSYS CFX. В 12-м релизе оба указанных

программных продукта будут полностью

интегрированы в расчетную среду ANSYS

Workbench, что позволит пользователю

более эффективно организовать про-

цесс проектирования конечного изделия,

а сам анализ по своей сути, действитель-

но, станет многодисциплинарным.

Интеграция в ANSYS Workbench12-й релиз ANSYS обеспечивает полную интег-

рацию своих гидрогазодинамических пакетов со

средой ANSYS Workbench. Теперь пользователь

может выполнять все необходимые операции и

действия, связанные с пре- и постпроцессингом,

а также с управлением процессом решения в

рамках единой расчетной среды, что значитель-

но упрощает постановку многодисциплинарной

(«многофизичной») задачи или выполнение па-

раметрического анализа конструкции. Эта стра-

тегия одинаково применима как к пакету ANSYS

CFX, так и к ANSYS FLUENT.

Кроме этого, полная интеграция подразу-

мевает наличие двусторонней ассоциативной

связи газодинамических пакетов с CAD продук-

тами, усовершенствованные средства геомет-

рического моделирования и генерации расчет-

ной сетки, а также единый и многофункциональ-

ный постпроцессор CFD-Post.

МногодисциплинарностьВ отдельных случаях моделирование течения

жидкости или газа может быть осложнено рас-

смотрением каких-либо дополнительных физи-

ческих процессов и явлений. В этом отношении

оба указанных газодинамических пакета облада-

ют расширенным набором самых разнообразных

математических моделей для моделирования

многофазных течений, течения магнитных жид-

костей, процессов тепло- и массообмена, горения

и пр. Кроме этого, в 12-м релизе значительно уп-

рощена процедура постановки задач взаимо-

действия жидкости и конструкции (FSI) с исполь-

зованием возможностей ANSYS Mechanical и

ANSYS Workbench.

Другое полезное новшество в 12-й версии

ANSYS CFX связано с использованием метода

погруженной границы (Immersed Boundary) для

учета больших перемещений конструкции при

моделировании движения жидкости с подвижны-

ми твердыми телами в различных конфигураци-

ях. Для декартовых сеток реализация этого чис-

ленного метода выглядит следующим образом:

Вводится дополнительный источниковый

член в уравнения движения и давления для

учета криволинейной границы (в декарто-

вой сетке).

Выражение для источникового члена

сконструировано таким образом, чтобы

принимать различные значения для узлов

декартовой сетки, лежащих внутри расчет-

ной области и прилегающих к криволиней-

ной границе (см. рис. 1).

Для внутренних узлов источниковый член

равняется нулю.

Еще одно полезное усовершенствование в

ANSYS CFX связано тонкими поверхностями

•

•

•

Новый 12-й релиз программных

продуктов ANSYS CFX и ANSYS

FLUENT

Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р»

Ðèñ. 1. Ìåòîä ïîãðóæåííîãî òåëà/ãðàíèöû

29


(Thin Surface/Wall). Теперь, например, можно

учитывать в расчетах термическое контактное

сопротивление. На рис. 2 транзистор выделен

красным цветом, а поверхность контакта на пла-

те — желтым цветом. Результаты расчета тем-

пературного состояния этого примитивного

электронного узла показаны на рис. 3.

Усовершенствования в решателяхОсновные усилия ANSYS при работе над 12-й

версией были направлены на увеличение скоро-

сти решателей для различных приложений и ти-

пов расчетов, как стационарных, так и нестацио-

нарных. В среднем скорость решателей увели-

чилась на 10-20% по сравнению с 11-й версией.

Также значительно повысилась производитель-

ность решателей ANSYS CFX и FLUENT при рас-

пределенных вычислениях. В августе 2008 года

команда инженеров Luna Rossa Challenge во

главе с Ignazio Maria Viola выполнила расчет аэ-

родинамики яхты класса «Кубок Америки» в га-

зодинамическом пакете ANSYS CFX с размер-

ностью задачи более чем 1 миллиард расчетных

узлов (рис. 4).

Что касается повышения точности расче-

тов при сохранении устойчивости решателей, то

для решения этой проблемы в ANSYS CFX была

добавлена новая итеративная схема высокого

порядка c ограничителями, а в опциях дискрети-

зации уравнений в ANSYS FLUENT появилась

схема второго порядка аппроксимации с ограни-

чителями невязких потоков. Вообще, переход на

схемы более высокого порядка точности наибо-

лее эффективен (и целесообразен) в таких об-

ластях, где решение является гладким, но быст-

ро меняющимся, например, около стенки.

ИнтерфейсУдобство и простота использования програм-

мных продуктов ANSYS, Inc. позволяют пользо-

вателю намного эффективнее и быстрее решать

свои повседневные задачи в ANSYS, чем в конку-

рирующих продуктах. В 12-й версии наибольшие

изменения претерпел графический интерфейс

ANSYS FLUENT, что является хорошей основой

для более глубокой интеграции этого газодина-

мического пакета в расчетную среду ANSYS

Workbench. При этом сохранилась возможность

загрузки FLUENT с традиционным интерфейсом

с поддержкой TUI (текстовой строки).

В ANSYS CFX намного упростилась проце-

дура постановки многовариантных расчетов. Те-

перь достаточно перейти в строку Flow Analysis

(произвольное имя — прим ред.) дерева проекта,

выполнить команду Duplicate, а затем переопре-

делить все необходимые граничные условия (рис.

5). Обратим внимание, что процедура переопре-

деления может быть распространена не только

на граничные условия, но и на расчетную сетку и

исходную топологию, как показано на рис. 6.

В 12-й версии при создании выражений с

помощью языка CEL появилась возможность ис-

пользовать условные операторы IF/ELSE, кроме

этого, можно использовать логические выраже-

ния для остановки решателя и завершения рас-

чета (опция Termination Control).

Двигатели внутреннего сгоранияКомпания ANSYS, Inc. продолжила внедрять

инновации в область математического модели-

Ðèñ. 2. Êîíòàêòíûå ïîâåðõíîñòè

Ðèñ. 3. Òåìïåðàòóðíîãî ñîñòîÿíèÿ ïðèìèòèâíîãî ýëåêòðîííîãî óçëà

Ðèñ. 4. Àýðîäèíàìèêà ãîíî÷íîé ÿõòû: áîëåå 1 ìèëëèàðäà ðàñ÷åòíûõ óçëîâ.



30


рования процессов в двигателях внутреннего

сгорания (ДВС). Главным образом, эти нов-

шества затронули программный комплекс

ANSYS CFX. Во-первых, в препроцессоре поя-

вилась дополнительная опция, ориентирован-

ная на задачи ДВС, кроме этого упростилась

процедура управления процессом перестрое-

ния сетки с использованием возможностей

внешнего сеточного генератора ICEM CFD

(рис. 7). Наконец, в пакете появились дополни-

тельные математические модели горения жид-

ких топлив, например, в дизельных двигателях

(рис. 8). Во-первых, это модель ECFM, разра-

ботанная Colin O. и Benkenida A. (2003) для

пламен частично или полностью перемешан-

ных смесей, учитывающая искривление фрон-

та пламени вследствие крупномасштабной

турбулентности, и ее модификация для пламен

предварительно не перемешанных смесей —

модель ECFM3Z (3-Zones Extended Coherent

Flame Model). В последней модели рассматри-

ваются три зоны смешения: область чистого

топлива, сгоревших газов и зона свежей сме-

си, где используется стандартная ECFM мо-

дель.

Многофазные теченияВ 12-й версии FLUENT возможности PCB реша-

теля, которые ранее были ограничены моделиро-

ванием многофазных течений только в прибли-

жении модели свободной поверхности (рис. 9),

будут расширены возможностью моделирования

многофазных потоков в Эйлеровой постановке,

что значительно улучшит процесс сходимости

для стационарных задач. ANSYS CFX будет до-

полнен подсеточной моделью пристеночного ки-

пения, а также возможностью учета дополнитель-

ных сил, например, подъемной силы при расчете

пузырьковых течений.

ТурбомашиностроениеТрадиционно решения ANSYS широко исполь-

зуются в нефтегазовой отрасли, турбомашино-

строении, энергетике. Во многом это связано с

расширенными возможностями ANSYS по рас-

Ðèñ. 5. Ïîñòàíîâêà ìíîãîâàðèàíòíîãî ðàñ÷åòà â ïðåïðîöåññîðå ANSYS CFX

Ðèñ. 6. Íîâàÿ îïöèÿ Multi-configuration â CFX-Pre

Ðèñ. 7. Ïðèìåð ñâÿçè ïðåïðîöåññîðà CFX-Pre ñ âíåøíèì ñåòî÷íûì ãåíåðàòîðîì

Ðèñ. 8. Ìîäåëèðîâàíèå ïðîöåññîâ ãîðåíèÿ â ÄÂÑ

31


чету самых разнообразных лопаточных машин:

осевых компрессоров, центробежных насосов,

осерадиальных турбин и пр. В 12-ю версию

ANSYS было внедрено большое количество до-

полнений для более устойчивого и точного со-

пряжения стационарных и вращающихся компо-

нентов.

С появлением нового поколения Workbench

2.0, в котором принципиально изменилась

идеология связывания между собой самых раз-

нообразных решений ANSYS (рис. 10), значи-

тельно упростилась процедура выполнения па-

раметрических и многовариантных расчетов.

Другими словами, теперь на базе традицион-

ных расчетов с повторяемым набором однотип-

ных действий и операций при пре- и постпро-

цессинге задачи, можно разрабатывать мето-

дику расчета.

В 12-ю версию BladeGen было интегриро-

вано еще одно решение компании PCA

Engineers Limited для двумерного проектирова-

ния радиальных турбин — пакет Vista RT-

Design. Препроцессор BladeModeler, предна-

значенный для построения трехмерной модели

лопаточной машины, был дополнен новыми

возможностями по объединению множествен-

ных компонентов, добавлению в модель галте-

лей (рис. 11), осевых и радиальных зазоров и

пр. Кроме этого, начиная с 12-й версии с помо-

щью средств DesignModeler можно выполнять

настоящее эскизное проектирование лопаточ-

ной машины (см. рис.12): создавать парамет-

ризованные эскизы проточной части, задавать

число и тип лопаток (статорная/роторная), оп-

ределять тип передней и задней кромок лопа-

ток. И, наконец, в 12-ю версию BladeModeler, и,

соответственно, в Workbench 2.0 полностью ин-

тегрирован расчетный модуль Vista TF для дву-

мерного расчета течения в проточной части

лопаточной машины.

ЗаключениеДанная статья носит ознакомительный харак-

тер, поэтому в ней описана лишь малая часть

новых возможностей ANSYS 12.0. Выход нового

релиза ANSYS ожидается не раньше марта те-

кущего года, а первое обновление 12-й версии

выйдет предположительно в августе-сентябре

2009 года.

Ðèñ. 9. Ïðèìåð ìîäåëèðîâàíèÿ äâóôàçíûõ òå÷åíèé ñî ñâîáîäíîé ïîâåðõíîñòüþ â ANSYS CFX

Ðèñ. 10. Îáíîâëåííûé èíòåðôåéñ ñðåäû Workbench 2.0

Ðèñ. 11. Äîáàâëåíèå ãàëòåëåé â òðåõìåðíóþ ìîäåëü öåíòðîáåæíîãî êîëåñà

Ðèñ. 12. Ýñêèçíîå ïðîåêòèðîâàíèå ëîïàòî÷íîé ìàøèíû â DesignModeler



32


Практически все инженеры-теплотехники стал-

киваются с проблемами при расчете тепломас-

сообмена в каналах с интенсификаторами теп-

лообмена. В данной статье приводятся рекомен-

дации по выбору модели турбулентности, описа-

нию пристеночной области, а также параметрам

и характеру расчетной сетки.

Для решения подобной задачи необходимо

было построить геометрию области решения,

создать расчетную сетку и экспортировать её в

решатель. В качестве препроцессора использо-

вался программный комплекс Gambit. Кроме

того, в нем строилась блочно-структурирован-

ная двумерная расчетная сетка, которая затем

передавалась в CFD-комплекс FLUENT 12.0 для

выполнения расчета. На рис. 1 представлена

расчетная сетка области решения: (а) — «мел-

кая» — в межреберном пространстве содержит-

ся 45 ячеек, по высоте ребер 20 ячеек с «колоко-

ловидным» законом распределения (Bell

Shaped), и (б) — «грубая» — в межреберном

пространстве содержится 15 ячеек, по высоте

ребра 7 ячеек, используется аналогичный «ко-

локоловидный» закон распределения. Расчеты

для данной задачи проводились в двумерной

постановке, так как при средних числах Re = 40

000 многими авторами показано наличие квази-

двумерного течения. Более того, можно утверж-

дать, что при течении потока в канале с интенси-

фикаторами, теплообмен в основном будет оп-

ределяться именно интенсификаторами, а не

вторичными токами.

Соотношение параметров интенсификато-

ров к шагу и высоте исследуемого канала при-

ведено в таблице 1. На наш взгляд, они наибо-

лее часто встречаются в инженерной практике.

Таблица 1. Параметры интенсификаторов

теплообмена и режима течения

Re 40000

P/e 10

H/e 10

Данная задача рассматривалась в перио-

дичной постановке (один шаг интенсификато-

ров). В такой постановке для обеспечения необ-

ходимого режима течения (числа Re) существу-

ет возможность задать либо перепад давления

между границами периодичности, либо массо-

вый расход. Кроме того, необходимо задавать

опорную температуру потока. Задача решалась

в стационарной постановке при помощи

Pressure-Based решателя с алгоритмом коррек-

ции давления SIMPLE, параметры релаксаций

оставались по умолчанию. Для аппроксимации

всех решаемых уравнений использовалась схе-

ма второго порядка точности. На нижней грани-

це между интенсификаторами задавался посто-

янный тепловой поток. В качестве газовой сре-

ды был выбран воздух с постоянными теплофи-

зическими свойствами при температуре 25 °С.

При решении задач тепломассообмена при

выполнении требований по построению расчет-

ной сетки достоверность полученного решения в

основном определяется выбором той или иной

модели турбулентности. В данном случае было

принято решение исследовать проверенные

временем инженерные модели турбулентности

k-ε и SST и их методы описания пристеночной

области.

В связи с наличием множества присоеди-

ненных вихрей при обтекании интенсификато-

ров, очевидно, необходимо строить расчетную

сетку, способную обеспечить достаточное раз-

решение в областях присутствия таких вихрей, а

для адекватного учета теплообмена необходимо

обеспечить требуемое значение параметра y+

на стенке. При использовании мелкой расчетной

сетки значение безразмерного параметра y+ на

стенке не превышало 3, а грубой — 16. Грубую

расчетную сетку было интересно рассмотреть с

позиции повседневной практики инженера. Не

секрет, что обычно сам по себе интенсификатор

не является предметом исследования, он зани-

мает лишь небольшое место в общей глобаль-

ной задаче тепломассобмена, например, при

расчете теплового состояния сложной охлажда-

емой лопатки ГТД с каналами охлаждения и

перфорацией. В таких задачах использовать

большое количество ячеек на один отдельный

Моделирование теплообмена

в каналах с интенсификаторами

Денис Юрченко, ЗАО «ЕМТ Р»

33


интенсификатор обычно не представляется воз-

можным.

Критериями сходимости являлись невязки

(для всех уравнений должны быть ниже 1е-3, для

уравнения энергии ниже 1е-6), а также измене-

ние средней температуры на нижней грани об-

ласти решения между интенсификаторами

должно выходить на асимптоту. При определе-

нии коэффициентов теплоотдачи в качестве

опорной температуры использовалась средняя

температура в области решения.

В результате верификации моделей турбу-

лентности и различных методов описания при-

стеночной области было выявлено, что стандар-

тная k-ε модель турбулентности с методом опи-

сания пристеночной области (scalable wall

functions) обеспечила наиболее близкое значе-

ние числа Нуссельта к определенному по экспе-

риментальным данным [1]. Отличие среднего

значения не превысило 15%, что, на наш взгляд,

является хорошим результатом. Важным резуль-

татом также является удовлетворительная рабо-

ты данной модели на грубой сетке. Как видно из

рис. 2 данная модель по среднему значению

числа Нуссельта даже на грубой сетке отличает-

ся не более чем на 24% от значения, полученно-

го экспериментальным путем.

Стандартная k-ε модель турбулентности с

методом описания пристеночной области

(scalable wall functions) ранее была реализована

только в пакете ANSYS CFX, теперь она появит-

ся и в 12-й версии FLUENT.

Следует отметить неожиданно неудовлет-

ворительный результат, полученный с использо-

ванием SST модели турбулентности: среднее

значение числа Нуссельта отличается на 77% от

значения, полученного экспериментально при

данном режиме течения и характеристиках ин-

тенсификаторов.

Как показывает анализ рис. 3—5 использо-

вание k-ε модели турбулентности даже на до-

вольно грубой расчетной сетке позволяет полу-

чать удовлетворительные результаты, как по

гидродинамике, так и по теплообмену. Видно,

что такие полевые характеристики, как скорость

и параметры турбулентности с использованием

различных расчетных сеток, хорошо согласуют-

ся.

Рассмотрим еще один пример — теплооб-

мен в цилиндрическом канале с интенсифика-

торми теплообмена. Данная тема достаточно

Ðèñ. 1. Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà îáëàñòè ðåøåíèÿ: ìåëêàÿ (à) — ìåëêàÿ, (á) — ãðóáàÿ

À Á

Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü ÷èñëà Íóññåëüòà îò áåçðàçìåðíîãî ðàññòîÿíèÿ äëÿ ðàçëè÷íûõ ìîäåëåé òóðáóëåíòíîñòè è ðàçíîé ïëîòíîñòè ðàñ÷åòíîé ñåòêè

Ðèñ. 3. Ïîëå ñêîðîñòåé â îáëàñòè ðåøåíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì k-ε ìîäåëè òóðáóëåíòíîñòè (scalable wall functions): (à) — ìåëêàÿ ñåòêà, (á) — ãðóáàÿ ñåòêà

À Á

Ðèñ. 4. Ïîëå òóðáóëåíòíîé âÿçêîñòè â îáëàñòè ðåøåíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì k-ε ìîäåëè òóðáóëåíòíîñòè (scalable wall functions): (à) — ìåëêàÿ ñåòêà, (á) — ãðóáàÿ ñåòêà

À Á



34


глубоко проработана в отечественной научной

литературе [2]. Параметры интесификаторов и

режим течения оставим прежними (см. таблицу

1), однако в данном случае рассмотрим осесим-

метричную задачу, в которой область решения

состоит из 20 последовательно включенных

фрагментов (рис. 6).

В данной задаче использовались гранич-

ные условия Mass flow inlet на входе в область

решения, и Pressure-outlet на выходе. На вне-

шней поверхности трубы задавался постоянный

тепловой поток, теплообмен между газовой сре-

дой и твердым телом рассчитывался в сопряжен-

ной постановке. Анализ среднего коэффициента

теплоотдачи осуществлялся на предпоследнем

19-м периоде интенсификаторов, где уже наблю-

далась гидродинамическая и тепловая стабили-

зация потока. Опорной температурой для расче-

та коэффициента теплоотдачи служила средняя

температура воздуха в цилиндрической области

над 19-м периодом интенсификаторов.

Последовательность действий, метод ре-

шения, схемы аппроксимаций и критерии сходи-

мости использовались такие же, как и в преды-

дущем примере. Задача также решалась в ста-

ционарной постановке.

В результате расчета были получены поля

скоростей, температур, турбулентной вязкости и

т. д. (см. рис 7). Качественный характер полевых

величин похож на характер соответствующих

величин предыдущего примера (см. рис. 3–5).

Здесь также наблюдаются описанные в научной

литературе [2] вихревые структуры и турбулиза-

ция потока вследствие наличия интенсификато-

ров теплообмена.

Было проведено сравнение средней по 19-

му периоду интенсификации теплообмена (соот-

ношение числа Нуссельта в канале с интенси-

фикаторами теплообмена к числу Нуссельта в

гладкой трубе) с экспериментальными данными

[2]. Как показали результаты CFD-моделирова-

ния величина интенсификации Nu/Nuгл с исполь-

зованием k-ε модели составила 2.72 и превыси-

ла на 15,7% экспериментально полученное зна-

чение (2.35). Следует отметить, что SST модель

турбулентности обеспечила интенсификацию на

уровне 1,96, что на 16,6% ниже эксперименталь-

ного значения.

Результаты работы показали, что на рас-

чет теплообмена помимо плотности расчетной

сетки в значительной мере влияет выбор моде-

ли турбулентности и ее описание пристеночной

области, особенно при моделировании течений

с присоединенными и отрывными вихрями. Сле-

довательно, для достижения высокой адекват-

ности CFD-моделей всегда необходимо прово-

дить всестороннюю верификацию разрабатыва-

емых моделей при помощи литературных и/или

экспериментальных данных по локальным или

интегральным характеристикам.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. G. J. E. Nicklin. Augmented heat transfer in a square

channel with asymmetrical turbulence promotion. Final year project report, Dept. of Mech. Eng., UMIST, Manchester, 1998.

2. Êàëèíèí Ý. Ê., Äðåéöåð Ã. À., Êîïï È.Ç., Ìÿêî÷èí À.Ñ. Ýôôåêòèâíûå ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà. — Ì.: Ýíåãîàòîìèçäàò, 1998. — 408 ñ.: èë.

Ðèñ. 5. Ïîëå èíòåíñèâíîñòè òóðáóëåíòíûõ ïóëüñàöèé â îáëàñòè ðåøåíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì k-ε ìîäåëè òóðáóëåíòíîñòè (scalable wall functions): (à) — ìåëêàÿ ñåòêà, (á) — ãðóáàÿ ñåòêà

À Á

Ðèñ. 6. Ïåðèîäè÷íàÿ îñåñèììåòðè÷íàÿ ÷àñòü îáëàñòè ðåøåíèÿ

Ðèñ. 7. Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ: (à) — ïîëå ñêîðîñòè, (á) — òóðáóëåíòíîé âÿçêîñòè, (â) — òåìïåðàòóðû

À Á Â

35




В течение 60 лет компания Cameron’s

Valves and Measurement Group является

ведущим мировым производителем за-

порных клапанов, используемых в не-

фтегазовой и нефтехимической отраслях

промышленности. Диск клапана позволя-

ет исключить обратное течение природ-

ного газа, нефти или другой среды. Таким

образом, запорные клапаны обеспечива-

ют мгновенную защиту компрессоров от

аварии.

Работая над одним из последних проектов, тех-

нические специалисты компании Cameron ис-

пользовали программные продукты ANSYS для

разработки новой серии запорных клапанов.

Первостепенной задачей было снизить перепад

давления в клапане и увеличить период, в тече-

ние которого клапан оставался бы полностью

открытым при расходе ниже минимально рабо-

чего. Это особенно актуально при запуске сис-

темы, когда максимальный расход в трубопро-

воде устанавливается в течение многих недель,

месяцев и даже лет.

Снижение перепада давленияДля снижения перепада давления необходимо

определить области с максимальной интенсив-

ностью турбулентности. Для этого применялся

программный комплекс ANSYS CFX. Кроме это-

го, для планирования эксперимента и оптимиза-

ции формы диска использовался комплекс

ANSYS DesignXplorer. За счет эффективного

проведения множества последовательных гид-

родинамических расчетов ANSYS DesignXplorer

позволил быстро прийти к требуемому результа-

ту. В данном случае была найдена форма диска,

соответствующая минимальным потерям давле-

ния в тракте. Данный комплекс позволяет прово-

дить оптимизацию при помощи поверхностей

отклика. Инженер может менять входные пара-

метры и сразу видеть результаты.

ANSYS DesignModeler является важнейшим

инструментом при подготовке геометрии, созда-

нии расчетной сетки, а также построении облас-

ти решения для CFD-расчета. Используя прямые

интерфейсы к CAD-системам, DesignModeler

позволяет работать с параметрическими моде-

лями, обеспечивая двустороннюю связь между

расчетной и CAD-моделью. Благодаря этому тех-

нические специалисты смогли почти в три раза

сократить потери давления в запорных клапа-

нах.

Оптимизация работы клапана при малых расходах

Кроме этого, была проведена оптимизация

сборки рычага и заслонки с целью уменьшения

нагрузок и деформации деталей. Для этого ис-

пользовались программные комплексы ANSYS

DesignXplorer, ANSYS DesignModeler и ANSYS

Mechanical. В результате масса и инерционные

параметры деталей сократились на 50%, благо-

даря чему клапан смог дольше оставаться в от-

крытом положении при низких расходах. Также

была проведена оптимизация рабочего угла, что

увеличило время работы клапана в открытом

положении на 75%.

С помощью ANSYS Mechanical рассчиты-

вались нагрузки при нелинейном контактном

взаимодействии в деталях, работающих под

давлением. Кроме этого, рассчитывалась удар-

ная сила и отклонение закрытой заслонки в ава-

рийном режиме. Использование современных

программных комплексов ANSYS позволило

разработать проекты клапанов нового поколе-

ния с улучшенными техническими характеристи-

ками; их выход на рынок запланирован на нача-

ло 2009 г.

Оптимизация конструкции

запорного клапана

Christophe Avdjian, Engineered Valves, Cameron Inc., Франция

Ïîâåðõíîñòü îòêëèêà îòîáðàæàåò çàâèñèìîñòü óãëà íàêëîíà îò ïåðåïàäà äàâëåíèÿ â çàïîðíîì êëàïàíå.



36


Анализ эксплутационных характеристик клапановДля изучения рабочих характеристик клапанов

при различных расходах и типах жидкости ис-

пользовались программные комплексы ANSYS

CFX и ANSYS DesignXplorer. Поскольку конеч-

ное положение рычага и заслонки зависит от

множества факторов (действия входного тече-

ния жидкости, гравитации и внешних нагрузок),

то для моделирования эксплуатационных харак-

теристик одного клапана требуется значитель-

ное количество времени. Расчет проводился для

50 клапанов различных размеров и конфигура-

ций.

При стандартном подходе моделирование

эксплутационных характеристик при всех воз-

можных условиях подачи жидкости для 50 моде-

лей клапанов может затянуться на долгие годы.

Перед специалистами компании Cameron стоя-

ла 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 усло-

виях подачи входящей жидкости в требуемые

сроки.

Всевозможные наклонные положения

сборки диска и рычага моделировались с помо-

щью ANSYS DesignXplorer, для работы с геомет-

рическими моделями использовался ANSYS

DesignModeler. После этого результаты экспор-

тировались в ANSYS CFX для определения пе-

репада давления в зависимости от расхода на

входе клапана. Кроме этого, в ANSYS CFX опре-

делялся момент вращения на рычаге.

Затем результаты расчетов в ANSYS CFX

были переданы в ANSYS DesignXplorer для моде-

лирования 15-ти фаз движения клапана (от пол-

ностью открытого до полностью закрытого поло-

жения) и расхода жидкости на входе (от миниму-

ма до максимума). Чтобы убедится в выполнении

условия равновесия момента, действующего на

сборку рычага и диска, инженерным путем был

получен полный момент, действующий на сбор-

ку, состоящий из момента, возникающего под

действием набегающего потока жидкости, мо-

мента трения и момента от веса рычага и диска

как функции угла поворота.

Целью оптимизации было определение на-

клона заслонки для различных расходов жид-

кости при условии равенства нулю момента вра-

щения. Специалисты компании Cameron прове-

ли сравнение результатов эксперимента для

5000 таких точек с результатами моделирования

в ANSYS DesignXplorer. В итоге была получена

кривая зависимости потерь давления от расхода

на входе в клапан в условиях равновесия. По-

добные кривые отображают режим течения при

различных расходах. Они создавались для всех

50-ти моделей клапанов, причем результаты

были получены за несколько часов.

Èçìåíåíèå ðàñïðåäåëåíèÿ äàâëåíèÿ â êëàïàíå îò ïîëíîñòüþ îòêðûòîãî äî ñòðåäíåãî ïîëîæåíèÿ

Ðàñïðåäåëåíèå íàïðÿæåíèé â îïòèìèçèðîâàííîé ñáîðêå äèñêà è ðû÷àãà.

Ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ýêñïåðèìåíòà äëÿ 5000 òî÷åê (ââåðõó) ñ ðåçóëüòàòàìè ìîäåëèðîâàíèÿ â ANSYS DesignXplorer (âíèçó). Ïîëó÷åíà êðèâàÿ çàâèñèìîñòè ïîòåðü äàâëåíèÿ îò ðàñõîäà æèäêîñòè íà âõîäå â óñëîâèÿõ ðàâíîâåñèÿ.

37




В ядерном центре Хенфорд, штат Вашингтон,

размещается около 60% радиоактивных отходов

со всей территории США. В 177 подземных ре-

зервуарах хранится радиоактивная смесь, кото-

рую превращают в стекловидное вещество с

помощью процесса витрификации. Переохлаж-

денный расплав при охлаждении ниже темпера-

туры стеклования, оставаясь аморфным, приоб-

ретает структуру стекла и свойства, аналогич-

ные кристаллическим твердым телам. При этом

смесь разливается в стальные корзины и охлаж-

дается до полного застывания. Основная про-

блема заключается в том, что смесь в баке для

смешивания должна постоянно находиться во

взвешенном состоянии.

Во избежание контакта радиоактивной

смеси с механическими компонентами системы,

инженерам компании Bechtel National, Inc. необ-

ходимо было выбрать оптимальную модель им-

пульсной мешалки (PJM), в которой движение

смеси происходит за счет сжатия воздуха.

Поскольку данный вопрос ранее не изучал-

ся, необходимо было определить, обеспечивает

ли та или иная мешалка достаточное перемеши-

вание смеси в баках для смешивания радиаци-

онных отходов. При этом каждый бак сущест-

венно отличался по конструкции и требованиям

к перемешиванию.

Кроме этого, в различных баках смесь об-

ладала разными свойствами в силу неодинако-

вой концентрации радиоактивных компонентов.

Эффективность работы импульсных мешалок в

каждом отдельном случае зависела от геомет-

рии бака, количества мешалок, используемых в

баке, размера частиц, характеристик жидкости,

длительности цикла работы и других факторов.

Основной задачей мешалок было поддержание

смеси в баке во взвешенном состоянии.

Для моделирования процесса смешивания

технические специалисты Bechtel использовали

программный комплекс FLUENT, позволяющий

проводить анализ широкого спектра задач, в

том числе и моделирование многофазных тече-

ний. С помощью модели гранулирования можно

определять распределение твердых частиц сме-

си во всем баке. Для этого необходимо решить

систему уравнений Навье — Стокса для жидкой

и твердой фаз отдельно. Это позволяет учесть

связь между фазами за счет коэффициентов об-

мена, наиболее важный из которых это взаимо-

действие жидкости с твердыми частицами. В ре-

зультате можно определить необходимый режим

смешивания для каждого бака.

Однако в большинстве случаев достаточ-

ным условием является сохранение смеси во

взвешенном состоянии и степень перемешива-

ния, удовлетворительная для перехода к следу-

ющему этапу витрификации. Поскольку смеши-

вание в импульсной мешалке является турбу-

лентным процессом, в процессе расчета исполь-

зовалась модель турбулентности k-ε. Предвари-

тельно CFD-инженеры компании сравнили с экс-

периментом результаты расчетов при использо-

вании различных моделей турбулентности и

пришли к выводу, что в данном случае k-ε мо-

дель является оптимальной.

Использование ANSYS FLUENT

для повышения эффективности

обработки радиоактивных

отходов

Brigette Rosendall, Bechtel National, Inc., США

Èìïóëüñíàÿ ìåøàëêà: ãëóáèíà 4.6 ì, âíóòðåííèé äèàìåòð 3.9 ì.



38


С помощью пользовательских подпро-

грамм задавались скорости для каждой струи и

определялась концентрация твердых частиц в

смеси, поступающей через сопла. Это избавило

от необходимости моделировать свободные по-

верхности в мешалке и межфазные границы в

баках для смешивания, и в целом существенно

облегчило расчеты.

Сотрудники Bechtel были ограничены в

проведении экспериментов из-за высокой сто-

имости установки мешалок и баков для смеше-

ния. Единственная экспериментальная уста-

новка (бак и мешалка в натуральную величину)

находилась в Национальной Тихоокеанской ла-

боратории при исследовательском институте

Battelle Memorial в Огайо. Результаты числен-

ного моделирования по скорости и концентра-

ции частиц сравнивались с экспериментальны-

ми данными. При этом было отмечено, что рас-

четы во FLUENT несколько занижали количес-

тво твердой фазы, однако различия были не-

значительными по сравнению с периодически-

ми изменениями в концентрации твердых час-

тиц. В верхней части бака разница с экспери-

ментом была более существенной. В действи-

тельности перемешивание оказалось не таким

равномерным, как это было показано в ра-

счете.

Несмотря на то, что результаты CFD-моде-

лирования показали несколько лучшее переме-

шивание, чем в действительности, общие ре-

зультаты были достаточно близкими к экспери-

ментальным данным. В связи с этим, было при-

нято решение и в дальнейшем моделировать

баки различной конструкции, и для каждого оп-

ределять степень перемешивания с помощью

программного комплекса FLUENT. Таким обра-

зом, использование современных CFD-комплек-

сов обеспечивает существенную экономию фи-

нансовых ресурсов, затрачиваемых на проведе-

ние экспериментов и дополнительную перера-

ботку радиационных отходов.

Ñõåìà èìïóëüñíîé ìåøàëêè.

Ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ñ ýêñïåðèìåíòàëüíûìè äàííûìè ïî êîëè÷åñòâó òâåðäîé ôàçû â áàêå âûñîòîé 3.5 ìåòðà

Êîíòóðû êîíöåíòðàöèè òâåðäîé ôàçû. Âî âðåìÿ âñàñûâàíèÿ ñìåñè êîíöåíòðàöèÿ òâåðäûõ ÷àñòèö óâåëè÷èâàëàñü âíèçó áàêà (ïîêàçàíî êðàñíûì öâåòîì): (à) — â íà÷àëå âñàñûâàíèÿ, (á) — â ïðîöåññà, (ñ) — â êîíöå ïðîöåññà. Â êîíöå ôàçû âðàùåíèÿ (ä) áîëåå âûñîêàÿ êîíöåíòðàöèÿ òâåðäûõ ÷àñòèö íàáëþäàëàñü ó âåðõíåé ãðàíèöû æèäêîñòè, ïðè ýòîì êîíöåíòðàöèÿ âíèçó áàêà óìåíüøàëàñü.

ÃÁ ÂÀ

39



Стоимость проекта ИТЭР (Международный экс-

периментальный термоядерный реактор) состав-

ляет порядка 10 млрд. евро. В этом проекте по-

мимо Евросоюза участвуют Россия, Китай, Индия

и США. На данный момент готов проект реактора

и выбрано место для его строительства — вбли-

зи исследовательского центра Cadarache (Фран-

ция). Целью проекта является демонстрация на-

учных и технологических возможностей исполь-

зования термоядерной энергии в мирных целях.

ИТЭР представляет собой тороидальную

установку, в которой термоядерная плазма удер-

живается сильным магнитным полем. В сверх-

проводящих электромагнитах используются

двухканальные кабельные проводники (CICC).В

результате вынужденной конвекции жидкий ге-

лий с температурой 5 К и давлением 0,5 МПа

движется по кольцевому каналу, в котором рас-

полагаются пучки кабелей, а также по централь-

ной спиралевидной трубке, ограничивающей

канал прямоугольного сечения. Этот канал име-

ет отверстия, которые позволяют перетекать

жидкому гелию между обоими каналами.

Внедрение инновационных методов помо-

гает исследователям понять сложные теплогид-

родинамические процессы, происходящие в ка-

бельных проводниках ИТЭР. Для этой цели был

выбран программный комплекс Fluent, содержа-

щий большое количество разнообразных моде-

лей физических процессов, в том числе, модели

турбулентности. Fluent использовался для опре-

деления расчетных коэффициентов теплоотдачи

в нестационарной задаче сопряженного тепло-

обмена многожильного проводника.

В частности, необходимо было рассчитать

потери давления в кабельных проводниках для

определения мощности насоса, перекачивающе-

го теплоноситель. Для этого задавались соот-

ветствующие коэффициенты гидравлического

сопротивления на каждом отдельном участке

проводника или расход хладагента для охлажде-

ния кабеля.

Несмотря на кажущуюся простоту измере-

ния перепадов давлений, структура кабельных

проводников настолько специфична, что данные

измерения редко дают однозначные результаты.

Поэтому современные базы данных нуждаются

в уточнении. Принимая это во внимание, внача-

ле для нескольких геометрических моделей рас-

считывался перепад давлений, идентичный пе-

репаду давлений в центральном канале ИТЭР, и

соответствующий удельному массовому расхо-

ду. Результаты моделирования показали хоро-

шее согласование с экспериментальными дан-

Исследование

теплогидродинамических

процессов в кабельных

проводниках ИТЭР

с применением FLUENT

R. Zanino, Politecnico, Италия

Ñòðóêòóðà âòîðè÷íîãî òå÷åíèÿ â ñå÷åíèè, ïåðïåíäèêóëÿðíîì ñïèðàëè.

Æèäêèé ãåëèé òå÷åò êàê â êîëüöåâîì êàíàëå, â êîòîðîì ðàçìåùåíû ïó÷êè êàáåëåé, òàê è â öåíòðàëüíîì êàíàëå ïðÿìîóãîëüíîãî ñå÷åíèÿ, êîòîðûé îãðàíè÷åí ñïèðàëüíûì ïðîâîäîì.



40


ными, и были использованы для изучения зави-

симости перепада давлений в центральном ка-

нале от величины зазора и диаметра спирали.

В будущем планируется применение дан-

ного подхода при изучении других термодина-

мических процессов в кабельных проводниках

CICC, в том числе и лучистого теплообмена в

спирали, которая разделяет проводник.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. Savoldi, L., and Zanino, R.: M&M: Multi-conductor

mithrandir code for the simulation of thermal-hydraulic transients in superconducting magnets. Cryogenics 40: 179-189, 2000.

2. Zanino, R., and Savoldi, L.: A review of thermal-hydraulic issues in ITER cable-in-conduit conductors. Cryogenics 46: 541-555, 2006.

3. Zanino, R., Giors, S., and Mondino, R.: CFD modeling of ITER cable-in-conduit superconductors. Part I: Friction in the central channel. Adv. Cryo. Eng. 51: 1009-1016, 2006.

4. Zanino, R., Giors, S., and Mondino, R.: CFD modeling of ITER cable-in-conduit superconductors. Part II: Effects of spiral geometry on the central channel pressure drop. Fus. Eng. Des. 81: 2605-2610, 2006.

5. Zanino, R., Giors, S., and Savoldi, L.: CFD modeling of ITER cable-in-conduit super-conductors. Part III: Correlation for the central channel friction factor. Presented at ICEC21, Praha, Czech Republic, July 2006.

Â ïðîåêòå ÈÒÝÐ îñíîâíûå ÷àñòè îáìîòêè ýëåêòðîìàãíèòà (CS, TF è PF) âêëþ÷àþò â ñåáÿ êàáåëüíûå ïðîâîäíèêè CICC.

Вопрос-ответ

Выдавливание поверхностной сеткиЧасто возникает необходимость увеличить об-

ласть решения, например, если на входе или

выходе расчетной области существуют рецир-

куляционные зоны. Эту процедуру можно вы-

полнить непосредственно в препроцессоре

Fluent, используя операцию выдавливания по-

верхностной сетки.

Данный инструмент позволяет создавать

слои призматических или гексаэдральных яче-

ек, в зависимости от формы ячеек на поверх-

ности. Выдавливание производится по норма-

ли к поверхности, в результате получается но-

вая зона ячеек. Процедура реализована только

для трехмерных задач. Существует два раз-

личных способа выдавливания, оба доступны

только через текстовый интерфейс:

Выдавливание поверхностной сетки по

заданному набору смещений (в системе

единиц СИ):

define/boundary-conditions/modify-zone/

extrude-face-zone-delta.

Выдавливание поверхностной сетки по

заданному общему смещению (в системе

единиц СИ) и набору безразмерных поло-

жений от 0 до 1:

define/boundary-conditions/modify-zone/

extrude-face-zone-para.

•

•

Пример использования процедуры

выдавливания поверхностной сетки

Одну из граней тестового куба с размерами

10×10×10 метров необходимо удлинить на 2 м.

Для этого применяем следующую последова-

тельность команд:

/define/boundary-conditions/modify-zones>

extrude-face-zone-delta

Face zone id/name [] 7

()

Distance delta(1) [()] 1

Distance delta(2) [()] 1

Distance delta(3) [()]

Extrude face zone? [yes]

Moved original zone (wall:007) to interior-7

Created new prism cell zone fluid-11

Created new prism cap zone wall-12

Created new prism side zone wall-13

Created new prism interior zone interior-14

41


Мастер класс


В настоящей статье описываются новые

возможности контактных технологий

Workbench версии 2.0 (12-й релиз ANSYS).

Особое внимание уделено вопросу моде-

лирования жестко-податливого контакта

(Rigid-Flexible Contact).

Жестко-податливый контакт повсеместно встре-

чается при моделировании сложных сборок и уз-

лов, детали которых могут иметь различные жес-

ткости вследствие своих геометрических осо-

бенностей и свойств материала. Кроме этого,

данный тип контакта позволяет вводить упроще-

ния в конструкцию, моделируя вспомогательные

поверхности (Target Surfaces) простой геометри-

ей и применяя ведущие узлы (Pilot Nodes) для

приложения нагрузок и перемещений.

В такой контактной паре одна или более

поверхностей (обычно вспомогательные) опре-

деляются как абсолютно жесткие (Rigid Target),

жесткость которых намного превышает жест-

кость второй поверхности (или группы поверх-

ностей), которая называется контактной. Иными

словами, применяется концепция контактной

пары, составляющие которой имеют различные

жесткости.

Контактные податливые поверхности раз-

биваются на подробную конечно-элементную

модель. Элементы этой модели, как и при лю-

бом другом типе контакта, располагаются по-

верх основных элементов модели.

Контактные жесткие поверхности могут

моделироваться примитивами различных типов.

Перемещение таких поверхностей контролиру-

ется ведущим узлом (Pilot Node). Нагрузки и за-

крепления задаются именно в этом узле.

Далее на простом примере будет подробно

рассмотрено моделирование такого типа кон-

такта в расчетной среде Workbench 2.0.

На странице проекта (Workbench 2.0 Project

Page) выбирается тип расчета Static Structural

(рис. 1).

Далее нажимается иконка Create an

independent system. Выбирается раздел

Geometry, затем опция From File для чтения гео-

метрии (рис. 2). Загружается файл геометрии

«Test_Rigid_Flexible_Contact.agdb».

В результате этих действий в графическом

окне появится рабочая геометрия. Далее пере-

ходим в раздел Model панели текущей задачи, в

результате чего рабочая геометрия открывается

в модуле Design Simulation (рис. 3.).

Жестко-податливый

контакт в Workbench 2.0

Кабанов Юрий, ЗАО «ЕМТ Р»

Ðèñ. 1. Âûáîð òèïà ðàñ÷åòà â Workbench 2.0 Ðèñ. 2. Çàãðóçêà ðàáî÷åé ãåîìåòðèè


42



Теперь необходимо изменить свойства

контактирующих тел. Тело «Upper Body» будет

жестким (Rigid), тело «Lower Body» — податли-

вым (Flexible). Для этого открывается вкладка

Geometry и в окне Details в разделе Stiffness

Behavior определяются свойства контактирую-

щих тел (рис. 4).

Теперь можно приступать к заданию пара-

метров жестко-податливого контакта. Для этого

необходимо открыть вкладку Connections в де-

реве проекта, и выбирать объект «Contact

Region». Затем правой кнопкой мыши выбирает-

ся опция Flip Contact/Target (рис. 5).

В окне Details вводятся следующие пара-

метры для данной контактной пары:

Contact Type — Frictionless;

Contact Behavior — Assymetric;

Formulation — Augmented Lagrange.

После этого можно сгенерировать расчетную

сетку. Для этого выбирается раздел Mesh в де-

реве проекта и исполняется команда Generate

Mesh (рис. 6).

•••

После этого необходимо настроить опции

решателя для обеспечения оптимальной скоро-

сти решения и достижения лучшей сходимости.

Для этого переходим в раздел Analysis Settings и

в окне Details (рис. 7) вводим следующие пара-

метры:

Auto Time Stepping — On;

Initial Supsteps — 20;

Minimum Supsteps —10;

•••

Ðèñ. 3. Îòêðûòèå ðàáî÷åé ãåîìåòðèè â ìîäóëå Design Simulation

Ðèñ. 4. Èçìåíåíèå ñâîéñòâ êîíòàêòèðóþùèõ òåë

Ðèñ. 5. Íàñòðîéêà êîíòàêòíîé ïàðû

Ðèñ. 6. Ãåíåðàöèÿ ðàñ÷åòíîé ñåòêè

Ðèñ. 7. Ïàðàìåòðû ðàñ÷åòà è îïöèè ðåøàòåëÿ

43


Maximum Substeps — 50;

Solver Type — Direct;

Weak Springs — Off;

Large Deflection — On.

Далее необходимо задать граничные условия —

ввести ограничения перемещений деталей в

сборке. Нижняя деталь закрепляется неподвиж-

но (Fixed Support), как показано на рис. 8.

Для верхней детали вводится специальный

тип закрепления Remote Displacement, позволя-

ющий выбирать какие компоненты перемеще-

ний оставить, а какие удалить. Из всех возмож-

ных перемещений и поворотов оставим поворот

вокруг оси Z на 5 градусов (рис. 9).

Для запуска задачи на решение необходи-

мо нажать кнопку «Solve» (рис. 10).

После окончания решения можно присту-

пать к формированию и просмотру результатов.

Для этого необходимо выделить вкладку Solution

в дереве проекта (рис. 11) и из контекстного меню

выбрать следующие элементы для просмотра:

••••

Deformation → Total;

Stress → Equivalent (von-Mises);

Tools → Contact Tool.

Для получения данных по контактному интер-

фейсу откройте вкладку Contact Tool, затем

правой кнопкой в контекстном меню выберите

Evaluate Results. Нажимая на соответствующие

вкладки раздела Solution, вы получите допол-

нительные результаты по контактной задаче.

Некоторые результаты решения задачи с жест-

ко-податливым контактом представлены на

рис. 12-13.

Таким образом, улучшенный инструмента-

рий и обилие полезных команд позволяют ре-

шать довольно сложные задачи контактного

взаимодействия в среде Workbench 2.0.

Отметим, что данная статья носит ознако-

мительный характер и не претендует на полное

и детальное изложение процедуры расчета жес-

тко-податливого контакта средствами расчет-

ных модулей Workbench 2.0.

•••

Ðèñ. 8. Ââåäåíèå çàêðåïëåíèé äëÿ íèæíåé äåòàëè

Ðèñ. 9. Çàäàíèå ãðàíè÷íûõ óñëîâèé äëÿ âåðõíåé äåòàëè

Ðèñ. 10. Çàïóñê çàäà÷è íà ðàñ÷åò

Ðèñ. 11. Âêëàäêà Solution

Ðèñ. 12. Ñóììàðíàÿ äåôîðìàöèÿ

Ðèñ. 13. Ðàñïðåäåëåíèå êîíòàêòíûõ äàâëåíèé


44

Вне рубрики

Вы спрашивали —

мы отвечаем


В настоящей статье мы опишем дополни-

тельные возможности сеточного генера-

тора ANSYS ICEM CFD, используя которые

вы сможете «строить» более качествен-

ные расчетные сетки за меньший период

времени. Мы также кратко расскажем об

улучшениях и дополнениях, внесенных в

версию 12.0.

Импорт геометрииПроцесс генерации сетки всегда начинается с

импорта геометрического модели изделия из

CAD комплекса в сеточный генератор. ICEM CFD

поддерживает передачу геометрии через следу-

ющие популярные форматы: *.sat, *.x_t, *.stp, *.

step, *.igs, *.prt, *.dwg, *.sldprt, и др. Кроме этого,

существует возможность прямого импорта гео-

метрии из CATIA, SolidWorks, UG, Pro/E, Inventor,

OneSpace, SolidEdge. В текущей версии ICEM

CFD поддерживается релиз UG не выше NX5,

однако в скором времени ожидается появление

интерфейса и для релиза UG NX6. Главное усо-

вершенствование ICEM CFD связано c подде-

ржкой 12-й версией т. н. Workbench Readers, что

значительно расширяет список форматов, через

которые можно передавать исходную CAD-гео-

метрию в сеточный генератор (см. рис. 1). Кроме

этого, теперь напрямую можно загружать в ICEM

CFD файлы Design Modeler, Simulation (*.dsdb,

*.agdb, *.cmdb) и пр. Также в 12-й версии можно

передавать расчетную сетку из ICEM CFD в FE

Modeler, что обеспечивает полную интеграцию

этого популярного сеточного генератора со все-

ми модулями Workbench 12.0.

Еще одна отличительная особенность 12-й

версии ICEM CFD связана с поддержкой имен-

нованных групп выборок (Named Selection), со-

зданных в DM, Simulation или внешнем CAD-па-

кете. Эти выборки сохраняются в ICEM CFD в

виде т. н. Subset. Для этого при использовании

Workbench Readers необходимо в разделе

Geometry Preferences поставить галочку на-

против опции Create Subset from Named Selection.

Затем эти Subsets можно легко преобразовать в

Parts с помощью команды Create Part.

Подготовка геометрииИспользуя средства ICEM CFD по коррекции и

восстановлению геометрии, всегда следует соб-

Обзор расширенных

возможностей сеточного

генератора ICEM CFD версии 12.0

Денис Хитрых, ЗАО «ЕМТ Р»

Ðèñ. 1. Ïàíåëü Workbench Readers

45


людать определенную осторожность. Например,

используя опцию Single curve cleanup лучше ру-

ководствоваться следующим правилом: зада-

вать большую точность для исправления боль-

шинства дефектов и меньшую для устранения

очевидных зазоров и разрывов в геометрии, как

это показано на рис. 2.

В отдельных случаях вместо опции Build

Topology целесообразно использовать опцию

Check Geometry, особенно если речь идет о ком-

плексной геометрии (рис. 3-4).

Начните с удаления всех кривых и точек.

Создайте отдельную Part для новых поверхнос-

тей. При анализе и извлечении поверхностей

используйте настройку Low в опции Curvature.

Установите значение Ref. Angle равным 10-20.

Далее извлечите кривые и точки из всех поверх-

ностей, размещенных в новом Part.

Объемные сетки и задание размеров элементовПри использовании метода Octree следует пом-

нить, что изначально вся расчетная область раз-

бивается на тетраэдрические элементы одного

размера, и только потом происходит локальное

измельчение сетки в определенных областях гео-

метрии. Поэтому очень важно правильно подоб-

рать значение размера базового объемного эле-

мента. При этом надо учитывать, что Octree всег-

да округляет размеры объемных элементов, име-

ющих близкие значения, в меньшую сторону.

Кроме метода Octree (рис. 6) ICEM CFD

предлагает еще три альтернативных подхода

для генерации объемной сетки на основе тетра-

эдров: Quick, Tgrid и Smooth. Рассмотрим кратко

основные достоинства и недостатки указанных

методов.

Ðèñ. 2. Ïðèìåðû äåôåêòîâ â ìåñòàõ ïåðåñå÷åíèÿ ïîâåðõíîñòåé

Ðèñ. 3. Ïðèìåð êîìïëåêñíîé ãåîìåòðèè (àâèàëàéíåð Airbus A380) èìïîðòèðîâàííîé â ICEM CFD

Ðèñ. 4. Çàäíåå øàññè Airbus A380

Ðèñ. 5. Âèçóàëèçàöèÿ ðàçìåðà îáúåìíîãî ýëåìåíòà â ICEM CFD

Ðèñ. 6. Ñòðóêòóðà îáúåìíîé ñåòêè ïðè èñïîëüçîâàíèè ìåòîäà Octree


46



Quick (Delaunay): базовый метод генерации

т. н. Bottom-up сеток без возможности управле-

ния размером объемных элементов, но включа-

ющий специальный алгоритм измельчения сет-

ки в скошенных областях (рис. 7). Самый устой-

чивый и быстрый.

TGrid: разновидность стандартного метода

Delaunay, но с более с «жестким» контролем из-

менений размеров элементов, находящихся око-

ло стенки (поверхности) и «мягким» (нежестким)

на удалении от поверхностей (внутри расчетной

области). Отсутствует возможность измельче-

ния сетки в скошенных областях.

Smooth (Advancing Front): поверхностная

сетка должна образовывать замкнутый объем.

Отличный от Delaunay метод генерации объем-

ной сетки, позволяющий создавать сетки без

резкого изменения размеров элементов внутри

расчетной области с помощью т. н. Expansion

Factor (задается в Global Mesh Parameters). Этот

метод чувствителен к размерам элементов на

ограничивающих поверхностях (рис. 8).

Кроме этого, в 12-ю версию ICEM CFD был

добавлен еще один метод генерации объемной

сетки — метод TGrid AFT, которые обладает

большей устойчивостью по сравнению со стан-

дартным алгоритмом TGrid Tetra.

Довольно часто в конструкциях изделий

присутствуют поверхности, пересекающиеся

под очень острым углом. Для построения качес-

твенной сетки в подобных местах, как правило,

используют опцию Define thin cuts, однако это

не всегда возможно, например, если поверх-

ности являются параллельными. Для решения

этой проблемы ICEM CFD предлагает еще одну

опцию, которая называется Edge criterion. На

рис. 9а и 9б показаны результаты использова-

ния этой опции при EC = 0.2 и EC = 0.01, соот-

ветственно.

При использовании опции Define thin cuts

для двух поверхностей (см. рис. 10), располо-

женных в разных Parts (A и B), необходимо ли-

нию пересечения переместить в Parts C.

Ðèñ. 7. Ñòðóêòóðà îáúåìíîé ñåòêè ïðè èñïîëüçîâàíèè ìåòîäà Quick

Ðèñ. 8. Ñòðóêòóðà îáúåìíîé ñåòêè ïðè èñïîëüçîâàíèè ìåòîäà Smooth

Ðèñ. 9. Ðåçóëüòàòû èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Edge criterion: : (à) — EC = 0.2, (á) — EC = 0.01

À

Á

Ðèñ. 10. Îïöèÿ Define thin cuts

47



ВведениеПри рассмотрении актуальных научно-исследо-

вательских задач разрабатываемая расчетная

модель должна быть устойчивой и учитывать

все особенности геометрии изделия без извест-

ных упрощений, которые характерны для задач

расчета напряженно-деформационного состоя-

ния конструкции.

В качестве объекта многовариантных тес-

тов использовалась модель горизонтального

теплообменника специального назначения. Ре-

шалась задача оптимизации конструкции тепло-

обменника с точки зрения минимизации гидрав-

лических потерь во внутреннем тракте теплооб-

менника. Использовался программный комплекс

ANSYS Fluent.

Проходное сечение теплообменника моде-

лировалось трубками с диаметрами D1 = 20 мм и

D2 = 50 мм, которые располагались в шахматном

порядке в азимутальном направлении по длине

теплообменника на половине диаметра горизон-

тальной цилиндрической обечайки, а также в его

торцевых частях. Модельная среда (идеальный

газ) подавалась в теплообменник снизу по верти-

кальному патрубку (граничное условие «Pressure

Inlet»). Кроме этого, расчетная симметричная об-

ласть половины модели теплообменника предус-

матривала выход модельной среды из трубок в

большой объем, на границах которого задава-

лось условие типа «Pressure Outlet». Использова-

лись модели турбулентности «RKE» и «SKE».

Большое несоответствие между размерами

внешнего объема (30 м3) размерами (диаметром)

трубок теплообменника потребовало дополни-

тельное сгущение (измельчение) расчетных тет-

раэдральных ячеек в месте сопряжения трубок с

центральной частью обечайки. Общий размер

расчетной области составил ~ 2.5 млн. ячеек.

Задача решалась в стационарной поста-

новке с критерием сходимости по невязкам ус-

тановленным равным 1.0E-4.

Расчетная модель была принята в качестве

«базовой точки» для сравнения производитель-

ности серверов и кластеров различной конфигу-

рации. Несмотря на то, что решение столь неболь-

ших задач на серверах не рекомендуется иссле-

дование и разработка рекомендаций по ускоре-

нию подобных расчетов представляет большой

интерес и может быть использовано при поиске

оптимальных вариантов конструкции кластеров.

Распараллеливание решателя ANSYS FLUENTРешатель ANSYS FLUENT распараллеливается

на операционных системах Microsoft и UNIX.

В данной статье рассмотрены варианты исполь-

зования операционных систем: Microsoft Windows

Server 2003 R2 64-bit (реализация MPI — специ-

ально подготовленная ANSYS FLUENT версия

MPICH2 (1.0.3)), Microsoft Windows Compute

Cluster Server 2003 с использованием реализа-

ции MPI — Microsoft Compute Cluster Pack (MS

MPI) и Red Hat Enterprise Linux AS release 4

(Nahant Update 6) с HP MPI 2.2.5.

Сразу отметим, что целью данной статьи

не является проведение сравнительного анали-

за производительности решателя ANSYS

FLUENT для всех вышеперечисленных вариан-

тов ОС и MPI при фиксированном варианте кон-

фигурации кластера из двух узлов.

Протокол MPI — это стандартный интер-

фейс прикладного программирования (API) и

спецификация на передачу сообщений. Он был

разработан специально для высокопроизводи-

тельных вычислений, выполняющихся на боль-

ших компьютерных системах или на объединен-

ных в кластер обычных компьютерах.

Рассмотрим особенности настройки режима

распараллеливания ANSYS FLUENT на Microsoft

Параллельные вычисления

в ANSYS Fluent

Чернов Александр, Колесник Валерий, ЗАО «EMT Р»

Âíåøíèé âèä ðàñ÷åòíîé ñåòêè


48



Windows Compute Cluster Server 2003 с использо-

ванием Microsoft Compute Cluster Pack (MS MPI).

Прежде всего, напомним, что возможность

запуска заданий по сети в операционных систе-

мах Microsoft возможна лишь для учетных запи-

сей пользователей членов контроллера домена

Active Directory. Дело в том, что «по умолчанию»

решатель ANSYS FLUENT не запускается в ре-

жиме распределенных вычислений «Parallel

FLUENT». Для того, чтобы он запустился в этом

режиме необходимо, чтобы значения перемен-

ных среды Microsoft Windows «FLUENT_INC» и

«Path» были представлены сетевым путем в

расчетном домене в виде записи Universal

Naming Convention (UNC).

Далее проще всего воспользоваться ме-

неджером управления запуском сессии ANSYS

FLUENT: …\Fluent.Inc\fluent6.3.26\launcher\

launcher.exe

Особенностью запуска является то, что уп-

равлением сессии занимается Microsoft Compute

Cluster Scheduler Service с использованием веду-

щего узла Microsoft Windows Compute Cluster

Server 2003.

Далее после успешного запуска сессии

должно появиться сообщение об успешной за-

грузке MS MPI для каждого из используемых вы-

числительных ядер узлов кластера решателя

ANSYS FLUENT.

Режим распараллеливания ANSYS FLUENT

на Microsoft Windows Server 2003 R2 64-bit (реа-

лизация MPI — MPICH2) также имеет свои осо-

бенности. В отличие от режима распараллели-

вания ANSYS Mechanical (см. ANSYS Advantage

№7’2008), для ANSYS FLUENT нельзя использо-

вать последние версии бесплатной свободно

распространяемая реализация MPI — MPICH2.

Требуется использование специально подготов-

ленной ANSYS FLUENT версии MPICH2 (1.0.3),

которую можно загрузить с пользовательского

портала ANSYS FLUENT User Services Center:

https://secure.fluent.com/sso2/login.htm.

Для запуска сессии ANSYS FLUENT в ре-

жиме распределенных вычислений «Parallel

FLUENT» также необходимо задать значения пе-

ременных «FLUENT_INC» и «Path».

При использовании менеджера управления

запуском сессии ANSYS FLUENT также должно

появиться сообщение успешной загрузки MPICH2

для каждого из используемых вычислительных

ядер узлов кластера решателя ANSYS FLUENT.

Распараллеливание ANSYS FLUENT на

Red Hat Enterprise Linux AS release 4 (Nahant

Update 6) с реализацией MPI — HP MPI 2.2.5 пос-

троено на других принципах, чем на операцион-

ных системах Microsoft. Если в первом случае

все построено на членстве узлов в домене Active

Ïàíåëü íàñòðîéêè çíà÷åíèé ïåðåìåííûõ ñðåäû Microsoft Windows

Ïàíåëü óïðàâëåíèÿ çàïóñêîì ñåññèè Fluent

Äèàãíîñòèêà çàãðóçêè MS MPI äëÿ âû÷èñëèòåëüíûõ ÿäåð óçëîâ êëàñòåðà

Äèàãíîñòèêà çàãðóçêè MS MPI äëÿ âû÷èñëèòåëüíûõ ÿäåð óçëîâ êëàñòåðà

49


Directory, то для LINUX надо настроить протоко-

лы SSH или RSH. Отметим, что применять про-

токол RSH по соображениям безопасности не

рекомендуется.

Для вызова окна настройки запуска сессии

ANSYS FLUENT необходимо использовать оп-

цию «Run».

В этом окне задаются нужные опции и ука-

зывается путь к файлу (в данном случае «hosts.

txt») с описанием вычислительных узлов и чис-

лом используемых ядер.

После запуска сессии в окне терминала

сессии ANSYS FLUENT должно появиться сооб-

щение об успешной загрузке HP-MPI.

Ниже показаны диаграммы времени реше-

ния рассматриваемой задачи при различных ва-

риантах кластеров из двух узлов, как с одним

двуядерным процессором, так и с одним четы-

рехядерным процессором под управлением сле-

дующих операционных систем: Microsoft Windows

Server 2003 R2 64-bit (реализация MPI — MPICH2)

и Microsoft Windows Compute Cluster Server 2003

(реализации MPI — Microsoft Compute Cluster

Pack (MS MPI)).

Представленные данные подтверждают

увеличение производительности решателя

ANSYS FLUENT в режиме распараллеливания

при увеличении числа используемых ядер.

Однако следует учитывать, что при значи-

тельном увеличении числа ядер процессоров в

кластере, узким местом может стать пропускная

способность сетевого интерконнекта. При ис-

пользовании 1Gbit Ethernet для сетевых карт,

имеющих два порта подключения, с помощью

драйверов и при условии поддержки коммутато-

ром режима агрегированных каналов можно

увеличить пропускную способность сети. Агре-

гированный канал — это канал, объединяющий

несколько физических каналов в один логичес-

кий с суммарной полосой пропускания. При чис-

ле ядер превышающих число 32, рекомендуется

рассмотреть вариант использования сетевого

интерконнекта Infiniband.

Çàïóñê ñåññèè ANSYS Fluent

Îêíî íàñòðîéêè ñåññèè ANSYS Fluent

Âèä ñîîáùåíèÿ îá óñïåøíîé çàãðóçêå HP-MPI

Таблица 1. Конфигурация вычислительных кластеров

Cluster 2nodes (Quad-core Intel® Xeon® X3220 2.4 GHz, 8 Gb RAM,

4 Hdd SATA RAID10), 1 Gbit

Cluster 2nodes (Quad-core Intel® Xeon® E5440 2,83

GHz, 8 Gb RAM, 4 Hdd SATA RAID10), 1 Gbit

Cluster 2nodes (Dual-core Intel® Xeon® X3070 2.66

GHz, 8 Gb RAM, 4 Hdd SATA RAID10), 1 Gbit

MS Win Server 2003R2 x64, MPICH2 8627 8610 13429

MS Win CCS 2003 x64, MS MPI _ 8990 14111

Äèàãðàììà âðåìåíè ðåøåíèÿ òåñòîâîé çàäà÷è äëÿ ðàçíûõ êîíôèãóðàöèé âû÷èñëèòåëüíîãî êëàñòåðà

Documents

ANSYS Advantage. Русская редакция №10 – Атомная энергетика