ANSYS Advantage. Русская редакция 12'2009

ЭЛЕКТРОНИКА, МЭМСЭЛЕКТРОНИКА, МЭМСИ НАНОТЕХНОЛОГИИИ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Ðàçðàáîòêà ñèñòåìû Ðàçðàáîòêà ñèñòåìû êàòàïóëüòèðîâàíèÿ êàòàïóëüòèðîâàíèÿ â ANSYSâ ANSYS

Èíòåãðàöèÿ ANSOFT Èíòåãðàöèÿ ANSOFT â ëèíåéêó ïðîäóêòîâ â ëèíåéêó ïðîäóêòîâ ANSYSANSYS

CFD-ìîäåëèðîâàíèå CFD-ìîäåëèðîâàíèå ñèñòåìû âåíòèëÿöèè ñèñòåìû âåíòèëÿöèè ñòàäèîíàñòàäèîíà

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 «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». 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

12'2009

Учредитель:

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Генеральный директор:

Локтев Валерий

Над номером работали:

Хитрых Денис

Чернов Александр

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

Новости и события

Обращение Президента

и Генерального директора ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» Локтева Валерия ........ 2

Технологии

ANSYS Multiphysics

ANSOFT: история компании и опыт применения в различных отраслях

промышленности .................................................................................................... 3

Интеграция решений Ansoft в линейку продуктов ANSYS, Inc. .......................... 6

Использование ANSYS Icepak

для регулирования температурного режима электронных устройств ............... 9

Анализ температурного состояния электронных узлов в ANSYS .................... 11

Использование ANSYS при разработке

альтернативных технологий получения энергии ............................................... 14

Разработка новой концепции катапультирования с применением ANSYS ..... 16

Решение задач усталостной долговечности

в модуле ANSYS nCode Design Life 5.1. .............................................................. 20

ANSYS Explicit

Исследование напряженно-деформированного состояния элементов

конструкции сваебойного трубчатого дизель-молота ....................................... 22

ANSYS CFD

Численное моделирование процесса обледенения в ANSYS CFX .................. 28

Опыт проектирования систем распыла для различных приложений

в ANSYS FLUENT.................................................................................................. 31

Расчет системы вентиляции стадиона «Арена «Ходынка» .............................. 33

Обеспечение температурного режима товарного склада

в зимний и летний периоды с помощью ANSYS CFD ....................................... 35

Мастер класс

Сравнительный анализ возможностей ANSYS ICEM CFD

и TGrid для генерации призматических слоев ................................................... 39

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009www.ansyssolutions.ru

12'2009

© 2009 ANSYS, Inc.

© 2009 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

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

www.ansyssolutions.ru

2

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Новости и события

Обращение Президента

и Генерального директора


Локтева Валерия

Уважаемые пользователи ANSYS!

Бурное развитие технологий ANSYS, нашедших

свою реализацию в новом эволюционном поколении

программных продуктов для инженерных расчетов, а

также ясная корпоративная стратегия и видение стали

ключевыми факторами успеха и роста компании, при-

знании ее мировым лидером. Программный комплекс

ANSYS является единой программной платформой

для реализации полного цикла разработки нового из-

делия от технического задания на этапе проектирова-

ния до проверки правильности принятых решений. За

последние годы значительно увеличилась клиентская

база во всем мире, включая Россию. Решения ANSYS

с успехом используются в инженерной и научной сре-

де, помогая предприятиям внедрять инновации в раз-

личных отраслях промышленности.

В России компания ANSYS добилась существен-

ного роста благодаря успешной деятельности своих

ведущих авторизованных партнеров. Российская ком-

пания ЗАО «ЕМТ Р» на сегодняшний день является

ведущим партнером ANSYS, Inc. не только в странах

СНГ, но и во всей Восточной Европе. Финская компа-

ния Process Flow через свой офис в Санкт-Петербурге

также добилась неплохих результатов, в основном,

благодаря своему опыту и компетенции в области

гидрогазодинамики. Немецкая компания CADFEM

GmbH давно и хорошо известна Европейским инже-

нерным кругам как ведущий партнер и центр компе-

тенции ANSYS в Западной Европе. Начало ее де-

ятельности в России с 1998 г. через Московское пред-

ставительство во многом способствовало проникно-

вению и началу успешного применения наукоемких

программных продуктов ANSYS многочисленными

отечественными промышленными и научными орга-

низациями, ВУЗами.

4 сентября 2009г. ЗАО «ЕМТ Р» , Process Flow Oy

Ltd. и СADFEM GmbH объявили о регистрации новой

совместной инженерно-консалтинговой компании

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», специализирующейся на

оказании качественных профессиональных услуг в об-

ласти масштабных проектов создания и управления

технологиями компьютерного моделирования (CAE) в

промышленности, науке и образовании, внедрении и

технической поддержке наукоемкого программного

обеспечения компании ANSYS, Inc., выполнении слож-

ных и уникальных инженерных расчетов в локальных и

глобальных проектах. Основными учредителями

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» являются учредители ком-

пании ЗАО «ЕМТ Р». Решение создать новую совмес-

тную компанию было продиктовано желанием объеди-

нить все лучшее, имеющееся в наших компаниях, и в

первую очередь, команды высококлассных специа-

листов, обладающих профессиональными знаниями и

колоссальным инженерным и внедренческим опытом,

свои разработки и направить общие усилия на благо

наших клиентов, способствовать эффективному внед-

рению CAE-технологий и их технической поддержке на

высочайшем профессиональном уровне. Решение о

создании новой компании было одобрено и приветс-

твуется руководством ANSYS, Inc.

Новая компания получила название —

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» (на англ. яз. CADFEM CIS).

CIS сокращение от Commonwealth of Independent

States — Содружество Независимых Государств,

СНГ). Из этого видно, что деятельность компании бу-

дет вестись на всей территории стран СНГ. Следует

отметить, что ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» никак не

связано с бывшим Московским представительством

CADFEM GmbH. Это представительство закрыто, од-

нако хотел бы обратить внимание, что техническую

поддержку и сопровождение бывшим клиентам пред-

ставительства CADFEM GmbH теперь оказывает

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс».

Головной офис компании ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

находится в г. Москве. Открыты также филиалы в Се-

веро-западном федеральном округе — г. Санкт-Петер-

бург, в Приволжском федеральном округе — г. Сама-

ра, в Сибирском федеральном округе — г. Иркутске.

Компания намерена в ближайшее время открыть фи-

лиалы в Уральском федеральном округе в г. Екатерин-

бург, в Сибирском федеральном округе в г. Новоси-

бирске и Южном федеральном округе в г. Ростов на

Дону. В планы компании входит открытии филиалов и

в других странах СНГ и, в частности, в Украине, Бело-

руссии, Казахстане.

Сегодня Европейская группа компаний CADFEM

— это крупнейший инженерный холдинг с филиала-

ми и центрами компетенции в Западной и в Восточ-

ной Европе, странах СНГ, тесно и успешно сотрудни-

чающий с компанией ANSYS, Inc. В объединенной

компании CADFEM работает более ста пятидесяти

высококвалифицированных инженеров, предостав-

ляющих качественный и наиболее полный набор кон-

салтинговых услуг в области компьютерного модели-

рования, обучения и внедрения решений ANSYS. Мы

убеждены, что сотрудничество с нашей новой объ-

единённой, ориентированной на клиентов компанией

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» даст целый ряд ощутимых

преимуществ нашим клиентам.

С искренним уважением,

Валерий Локтев

Президент и Генеральный директор


3



ANSOFT:

история компании

и опыт применения

в различных отраслях

промышленности

Компания Ansoft была создана сотрудниками

Carnegie Mellon University — Zoltan J. Cendes и

его коллегами. В начале карьеры Dr. Cendes за-

нимался расчетами низкочастотных и электро-

статических полей. Для генерации расчетной

сетки в созданном его командой программном

комплексе Maxwell использовался один из алго-

ритмов построения триангуляции Делоне1

(Delaunay). В 1984 г. Dr. Cendes основал компа-

нию Ansoft, специализирующуюся на решениях

в области электромагнетизма.

В начале 1980-х гг. специалисты Ansoft

проводили исследования высокочастотных мик-

роволновых полей. В результате было введено

понятие «граничный элемент», позволяющее ус-

транить проблему паразитных колебаний при

конечноэлементном моделировании электро-

магнитных приборов. Это позволило использо-

вать метод конечных элементов (FEM) в элект-

ротехнических приложениях. В 1990 г. компания

Ansoft выпустила первую версию HFSS (High-

Frequency Structure Simulator) — специализиро-

ванного программного обеспечения для расчета

электромагнитных характеристик произвольных

трехмерных компонентов и структур. После вы-

хода HFSS и других инструментов для анализа

целостности сигнала и моделирования электро-

механических схем, доходы компании Ansoft вы-

росли на 25%.

В 1990—2000-х гг. компания Ansoft стала

ведущим разработчиком программных комплек-

сов для автоматизации проектирования элект-

роники (EDA). Программные продукты Ansoft

1 Задача построения триангуляции Делоне является одной из базовых в вычислительной геометрии. Она широко использу-ется в машинной графике и в других родственных приложени-ях. Задача построения триангуляции Делоне впервые была поставлена в 1934 г. известным советским математиком Бо-рисом Николаевичем Делоне.

стали широко применяться для создания элект-

ронных моделей устройств мобильной и интер-

нет-связи, компонентов широкополосных сетей,

интегральных схем, печатных плата и электро-

механических устройств. В 2008 г. Dr. Cendes

получил награду от Institute of Electrical and

Electronics Engineers (IEEE) за вклад в развитие

и внедрение ориентированного на пользователя

программного обеспечения для анализа элект-

ромагнитных полей.

Специалисты компании Ansoft являются

экспертами в области схемотехники и системно-

го моделирования. Сегодня продукты Ansoft

применяются для комплексного моделирования

и визуализации электромагнитных полей. Это

позволяет инженерам избежать создания физи-

ческих прототипов, улучшить эксплуатационные

характеристики изделий и существенно сокра-

тить время их выхода на рынок.

Благодаря покупке Ansoft компания ANSYS,

Inc. сможет увеличить эффективность эксплуа-

тации своего программного обеспечения, сни-

зить расходы на проектирование и инженерно-

техническое обеспечение, а также ускорит про-

цесс разработки и появления инновационных

продуктов на рынке.

Продукты Ansoft ориентированы на два

сегмента рынка: электронное оборудование и

электромеханические устройства.

Расчет электронного оборудованияВысокочастотные приложения

Высокочастотные и сверхвысокочастотные при-

ложения доминируют на рынке электроники. В

их число входят высокочастотные компоненты и

схемы, находящиеся в трансмиттерах и прием-

ных частях систем связи, радиолокационных

систем, спутников и мобильных телефонов. В

Mark Ravenstahl, Ansoft Corporation



4


связи с необходимостью сокращения производс-

твенных затрат на изделие, его размеров, веса и

потребления энергии, разработчики электричес-

ких компонентов и систем должны учитывать

электромагнитные явления при проектировании

изделий. Особенное внимание уделяется слож-

ности конструкции, напряженности электромаг-

нитного поля, паразитным явлениям и взаимо-

действию электронных компонентов. С помощью

программных комплексов Ansoft проводится ве-

рификация всей системы, моделирование элек-

тромагнитных полей «многочиповых» систем и

выделение паразитных явлений.

Анализ целостности сигнала и цепей

питания печатных плат

При разработке серверов, устройств хранения

данных, мультимедийных компьютеров, телеком-

муникационных систем возникает необходимость

перехода на высокоскоростные последователь-

ные шины. Использование таких стандартов, как

XAUI, XFI, Serial ATA, PCI Express, HDMI, и FB-

DIMM, требует увеличения пропускной способ-

ности канала от 3 до 10 Гб в секунду. Это позво-

ляет значительно сократить число проводников и

линий, принадлежащих одной цепи, однако при

этом создаются внутренние радиопомехи между

блоками объединения, линиями передачи и

сквозными межсоединениями в печатных платах.

Большое число выводов микросхемы и высокая

скорость обработки данных приводят к значи-

тельным теплопотерям. Одновременно происхо-

дит уменьшение размеров печатной платы, уве-

личение плотности рассеиваемой мощности и

ужесточение условий к энергопотреблению. В

связи с этим, проводятся расчеты полного волно-

вого электромагнитного поля с построением гео-

метрических моделей. Использование програм-

мных комплексов Ansoft позволяет инженерам

решать подобные задачи, связанные с нарушени-

ем целостности сигнала и цепей питания.

Программные продукты

HFSS (High-Frequency Structure Simulator) — про-

граммный комплекс, основанный на методе ко-

нечных элементов и предназначенный для моде-

лирования высокочастотных структур. Он позво-

ляет выделять паразитные параметры (S, Y, Z),

Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ HFSS ïðè ðàçðàáîòêå ðàäàðîâ äëÿ áåñïèëîòíûõ ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ

Ïðèìåð ìîäåëèðîâàíèÿ ðàçúåìà RJ45

Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ HFSS ïðè ðàçðàáîòêå óñòðîéñòâà äëÿ ïðîâåäåíèÿ ãèïåðòåðìèè

5

www.ansyssolutions.ru ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

визуализировать трехмерные электромагнитные

поля (ближние и дальние), моделировать SPICE-

модели.

Программный комплекс Nexxim, применя-

ется для проектирования интегральных схем и

анализа целостности.

Программный комплекс Ansoft Designer

используется для сквозного проектирования и

моделирования сверхвысокочастотных струк-

тур и имеет динамическую связь с Nexxim,

HFSS и др.

Продукт SIwave применяется при анализе

комплексных печатных плат и корпусов ИС.

Программный комплекс Q3D Extractor обес-

печивает интеграцию всех моделей электромаг-

нитного поля для извлечения трехмерных RLC-

параметров и автоматически генерирует соот-

ветствующие схемы замещения.

Turbo Package Analyzer (TPA) используется

для 2.5D-моделирования электромагнитных яв-

лений в RLC-цепях.

Моделирование электромеханических устройствЭлектромеханические устройства представляют

еще один важный сегмент рынка для програм-

мных продуктов Ansoft. Они используются в ав-

томобильной, аэрокосмической отраслях, в сфе-

ре автоматизации промышленного производс-

тва. Появление программных комплексов для

моделирования электромеханических устройств

было вызвано неэффективностью расчетов, пос-

вященных этим явлениям по отдельности. В сов-

ременных электромеханических программных

комплексах уже на ранних этапах моделирова-

ния учитывается взаимодействие между схема-

ми и компонентами. При внедрении програм-

мных продуктов Ansoft учитывается взаимодейс-

твие между электромеханическими компонента-

ми, электронными цепями и управляющими ло-

гическими схемами. Комплексный подход позво-

ляет учитывать основные физические аспекты

при моделировании компонентов, цепей и логи-

ческих схем.

Программные продукты

Программный комплекс Maxwell предназначен

для электродинамического анализа трехмерных

и двухмерных структур. В пакете присутствуют

функции, позволяющие моделировать движу-

щиеся и вращающиеся элементы электромаг-

нитных систем, двигатели и актуаторы.

Simplorer используется для моделирования

разветвлённых магнитных цепей.

RMxprt представляет собой универсальное

программное обеспечение для проектирования

вращающихся электромашин.

Программный комплекс PExprt применяет-

ся для ускорения процесса проектирования и

оптимизации в технике сильных токов.

Êîíñòðóêöèÿ àïïëèêàòîðà ñ ìàññèâîì ÐÔ-àíòåíí

Òåìïåðàòóðà îïóõîëè ÷åðåç 6 ìèí ïîñëå íà÷àëà ïðîöåäóðû (47°Ñ)

Èíòåðôåéñ ïðîãðàììíîãî êîìïëåêñà RMxprt

Ïðèìåð ìîäåëèðîâàíèÿ ýëåêðîìîòîðà



6

Сегодня инженеры, работающие в электрон-

ной промышленности, должны постоянно улуч-

шать функциональные характеристики продук-

ции, сокращая при этом размер, вес и потреб-

ление энергии батареей. При этом время про-

ектирования также должно сокращаться, в

связи с усиливающейся глобальной конкурен-

цией.

Многие компании пытаются освоить сра-

зу несколько сегментов рынка электронных из-

делий, в том числе сферу бытовой электрони-

ки, радиоэлектронных средств связи и компью-

терной техники. Кроме того, электронные сис-

темы и электромеханические устройства ак-

тивно применяются в аэрокосмической, авто-

мобильной, энергетической и других отраслях

промышленности. В процессе разработки ин-

новационных изделий многие компании все

чаще обращаются к программным комплексам

ANSYS при проведении прочностных и гидро-

динамических расчетов. Благодаря внедрению

программных продуктов Ansoft портфолио

ANSYS существенно расширилось, в частнос-

ти, это относится к продуктам ANSYS

Multiphysics.

В свою очередь, инженеры-электронщики

смогут по достоинству оценить широкие воз-

можности программных комплексов ANSYS

при проведении расчетов в различных облас-

тях физики. С помощью ANSYS Mechanical мо-

жет проводиться расчет термо-механических

напряжений в полупроводниках, электронных

модулях, печатных платах и замкнутых систе-

мах. Кроме того, инженеры при проведении

модального анализа, изучении ударных нагру-

зок и вибраций могут учитывать нелинейные

явления в конструкции изделия — включая ус-

талость паяных соединений, расслоение и пол-

Интеграция решений

Ansoft в линейку

продуктов ANSYS, Inc.

Fadi Ben Achour, ANSYS, Inc.

Ìîäåëèðîâàíèå óäàðíîãî èñïûòàíèÿ ãðàôè÷åñêîé êàðòû â ANSYS AUTODYN

7


зучесть. Программный комплекс ANSYS

AUTODYN может использоваться для модели-

рования ударных испытаний с целью оптимиза-

ции рабочих характеристик и надежности из-

делия.

В линейку продуктов ANSYS входят как

специализированные, так и универсальные

CFD-комплексы, используемые для уменьше-

ния размеров изделий и выполнения техничес-

ких требований к продукции. Программный

продукт ANSYS Icepak используется для оцен-

ки температурного состояния электронных уст-

ройств в целом и отдельных узлов в частности.

Он позволяет моделировать все виды теплооб-

мена: естественную и вынужденную конвек-

цию, лучистый теплообмен и теплопровод-

ность. В системах охлаждения CFD-комплексы

используются для акустического анализа, изу-

чения микроканалов, многофазных потоков,

фазовых переходов и др. Кроме того, они при-

меняются в процессе производства полупро-

водников, в частности, при моделировании

процессов травления, фотолитографии, хими-

ческого осаждения из газовой фазы и др.

Технологии Ansoft существенно расширя-

ют спектр возможностей продуктов ANSYS в

области электромагнетизма. Один из популяр-

ных продуктов Ansoft, HFSS, применяется для

трехмерного электродинамического моделиро-

вания СВЧ-устройств, широко используемых в

радарных системах, антеннах, медицинских ус-

тройствах и других беспроводных приборах.

Кроме того, программный комплекс HFSS with

Ansoft 2.5-D (с использованием модулей SIwave

и Turbo Package Analyzer) широко использует-

ся при устранении проблем целостности сигна-

ла. Проведение подобного анализа необходи-

мо при проектировании компонентов и систем

быстродействующих интегральных схем в по-

лупроводниковых приборах, средствах комму-

никации, персональных компьютерах и порта-

тивных приборах. В программном продукте

Ansoft Nexxim интегрированы возможности мо-

делирования СВЧ-устройств и проектирования

интегральных схем.

Использование инструментов Ansoft для

комплексного моделирования электромехани-

ческих систем обеспечивают системный под-

ход к анализу и проведение оптимизации про-

ектируемых устройств. Ansoft Maxwell 3-D —

это программное обеспечение для моделиро-

вания электромагнитных полей, используемое

для проектирования и исследования двумер-

ных и трехмерных моделей электродвигателей,

датчиков, трансформаторов и других электри-

ческих и электромеханических устройств.

Специализированный комплекс Ansoft

Pexprt используется для расчета трансформа-

торов и дросселей, Ansoft RMxprt — для враща-

ющихся электромашин. Продукт Ansoft

Simplorer предназначен для моделирования

высокотехнологичных электромеханических

систем. Таким образом, технологии Ansoft до-

полнят возможности многодисциплинарных,

прочностных и гидродинамических расчетов в

программных комплексах ANSYS.

В результате объединения технологий

ANSYS и Ansoft пользователи получили доступ

к усовершенствованному решателю, сеточно-

му генератору, пре- и постпроцессору, а также

возможностям моделирования на системном и

схемотехническом уровне.

В программных комплексах ANSYS для

прочностных расчетов присутствует возмож-

Òåðìîìåõàíè÷åñêèé àíàëèç BGA-êîðïóñà â ANSYS Mechanical

Ðàñ÷åò ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ ñåòåâîãî ñåðâåðà â ANSYS Icepak

Ìîäåëèðîâàíèå öåëîñòíîñòè ñèãíàëà è öåïåé ïèòàíèÿ â Ansoft Nexxim è Ansoft SIwave



8

ность автоматического определения типа кон-

такта, они содержат обширные библиотеки мо-

делей материалов и типов элементов (в том

числе и «многодисциплинарные» элементы).

Они позволяют решать как стандартные зада-

чи механики деформируемого твердого тела,

так и задачи неявной динамики.

В CFD-приложениях ANSYS существует

возможность использовать динамические, под-

вижные и деформируемые сетки, моделиро-

вать реагирующие потоки, перемешивание

различных химических компонентов. Кроме

того, в них включены специализированные мо-

дели для вращающихся машин и обширная

библиотека моделей турбулентности. Исполь-

зуя передовые технологии создания расчетных

сеток, в ANSYS можно создавать сетки с ис-

пользованием гексаэдральных, тетраэдраль-

ных, призматических, пирамидальных и других

элементов.

Для автоматического обмена данными

между решателями в ANSYS существуют раз-

личные системы управления данными. При ис-

пользовании ANSYS Workbench появляются

широкие возможности по обмену данными, в

частности, двусторонняя интеграция с MCAD-

пакетами и инструментами для решения задач

оптимизации.

Управление расчетными данными осу-

ществляется с помощью программного продук-

та ANSYS Engineering Knowledge Manager

(EKM), предназначенного для полноценного

решения следующего круга задач: хранения и

управления расчетными данными, учета и ау-

дита данных, поиска и восстановления данных,

генерации отчетов и проведения сравнения

данных, создания базы знаний для типовых ви-

дов расчета и создания системы экспертного

анализа проектных решений.

Использование технологий Ansoft сущест-

венно расширяет сферу применения многодис-

циплинарных решений ANSYS. В частности,

применение программных продуктов Ansoft об-

легчает процесс проектирования гибридных

автомобилей, приобретающих в последние

годы все большую популярность и имеющих

многочисленные электрические системы и

компоненты. В связи с этим, проектировщики

должны учитывать аэродинамические характе-

ристики, работу двигателя, системы охлажде-

ния автомобиля, удобство пассажиров и ре-

зультаты аварийных испытаний. В будущем в

автомобильной промышленности планируется

еще более активное использование электрон-

ных компонентов в системах предотвращения

столкновений, помощи при парковке, навига-

ционных приборах и т. п.

При проектировании автомобильной элек-

троники совместное использование технологий

ANSYS и Ansoft обеспечит проведение разно-

образных многодисциплинарных расчетов в об-

ласти прочности, гидродинамики и электромаг-

нетизма. Использование этих программных

комплексов позволит подробно изучить влия-

ние различных дорожных и погодных условий

на работу автомобиля. В итоге, применение

многодисциплинарного системного подхода по-

может достичь оптимального соотношения

между рабочими характеристиками автомоби-

ля, потреблением горючего, влиянием на окру-

жающую среду и требованиями к безопасно-

сти.

Аналогичный подход применяется к про-

ектированию мобильных телефонов, МР3-пле-

еров и других портативных устройств. При

многодисциплинарном расчете проводится оп-

тимизация тепловых и прочностных парамет-

ров изделия, а также комплексный анализ

электромагнитного излучения антенных сис-

тем. Таким образом, специалисты, работаю-

щие в различных отраслях промышленности,

получат единый подход к процессу моделиро-

вания, обеспечивающий успешную разработку

проекта целиком.

Ñ ïîìîùüþ Ansoft Maxwell ïðîâîäèòñÿ òðåõìåðíûé ýëåêòðîìàãíèòíûé àíàëèç ýëåêòðè÷åñêîãî ìîòîðà

Ïðèìåð ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèå ñèñòåìíîãî óðîâíÿ â Ansoft Simplorer

9



Технологии ANSYS Icepak позволяют решать

одну из главных проблем электронной промыш-

ленности — обеспечение надежной защиты от-

ветственных узлов от влияния высоких темпера-

турных нагрузок.

ANSYS Icepak позволяет получить распре-

деление тепловых потоков в конструкции, а так-

же рассчитать локальные значения коэффици-

ентов теплоотдачи, скорости и температуры.

Список приложений ANSYS Icepak достаточно

широк. Данный продукт можно использовать как

для моделирования воздушных потоков внутри

корпуса, так и для оценки температурного со-

стояния одиночного процессора или материнс-

кой платы в целом.

Расчетные технологии ANSYS Icepak поз-

воляют на определенных этапах проектирования

отказаться от создания физического прототипа

устройства и заменить натурный эксперимент

численным моделированием.

Интерфейс ANSYS Icepak максимально

ориентирован на инженеров-электронщиков,

имеющих практический опыт использования

ECAD-/MCAD-систем. Для построения расчетной

модели в ANSYS Icepak достаточно выбрать в

меню необходимый компонент (корпус, вентиля-

тор, печатную плату, вентиляционное отверстие,

воздуховод, источник тепла, сопротивление и

пр.) и перетащить его в рабочее окно. В эти ти-

повые объекты заложена информации о геомет-

рических размерах, свойствах материалов и

граничных условиях. Кроме того, данные объек-

ты являются параметрическими, что позволяет

выполнять многовариантные расчеты и оцени-

вать температурное состояние объекта при раз-

личных условиях (нагрузках).

В ANSYS Icepak по умолчанию встроена

расширенная библиотека электронных компо-

нентов различного типа.

Другим достоинством данного пакета явля-

ется возможность работы как с «отраслевыми»

ECAD-/MCAD системами, так и с традиционными

CAD комплексами через промежуточные геомет-

рические форматы IGES и DXF. Импортированная

из ECAD геометрия легко связывается с типовы-

ми объектами ANSYS Icepak, что существенно уп-

рощает процесс создания расчетной модели для

сложных электронных узлов и систем.

В дополнение к этому, ANSYS Icepak содер-

жит специальные макросы (подпрограммы) для

выполнения типовых процедур (например, серти-

фикации/тестирования), что значительно повы-

шает уровень автоматизации данного пакета.

Еще одним достоинством пакета является

возможность генерировать в автоматическом

режиме высококачественные сетки любого типа

(многоблочные и неструктурированные сетки,

декартовые сетки или сетки типа Hexa-Dominant).

Использование

ANSYS Icepak для

регулирования

температурного режима

электронных устройств

Stephen Scampoli, ANSYS, Inc.

Òåìïåðàòóðíîå ñîñòîÿíèå ãðàôè÷åñêîé êàðòû. Ðàñ÷åò âûïîëíåí â ANSYS Icepak



10


Кроме того, в ANSYS Icepak можно разбить мо-

дель и на тетраэдрические элементы.

При моделировании температурного со-

стояния электронных устройств очень важно

правильно рассчитывать коэффициенты тепло-

отдачи на ограничивающих поверхностях. Для

этого необходимо корректно «разрешать» при-

стеночные области. Алгоритмы ANSYS Icepak

позволяют успешно решать и эту задачу. Кроме

того, пользователь может вручную определять

размеры элементов в определенных областях, а

также группировать отдельные компоненты сис-

темы в сборку и разбивать созданные сборки

независимо друг от друга.

Расчетные возможности ANSYS Icepak ба-

зируются на решателе ANSYS Fluent. Расчеты

могут быть выполнены как в стационарной, так и

в нестационарной постановке. Учитываются все

виды теплообмена: кондуктивный (теплопровод-

ность), конвективный (естественная и вынуж-

денная конвекция).

Не существует никаких ограничений на тип

расчетной сетки (структурированная или

неструктурированная) и на размерность задачи.

Таким образом, можно моделировать не только

отдельные компоненты электронного устройс-

тва, но и большие сборки.

ANSYS Icepak содержит расширенный на-

бор математических моделей для описания са-

мых разнообразных физических процессов, ко-

торые позволяют проводить так называемое

многодисциплинарное моделирование.

ANSYS Icepak обладает разнообразными

средствами для визуализации и количественно-

го анализа результатов расчета: векторы скоро-

стей, контурная заливка, траектории частиц,

подвижные плоскости, изоповерхности. Можно

визуализировать электрический потенциал, за-

вихренность, а также получить осредненные

(или локальные) характеристики для скорости,

температуры, коэффициента теплоотдачи и пр.

Кроме того, результаты расчета можно

оформить в виде отчета и сохранить в формате

HTML. Поддерживается экспорт результатов в

Autotherm, NASTRAN®, PATRAN® и I-DEAS®.

ANSYS Icepak прекрасно взаимодействует

с отдельными продуктами ANSYS, например,

SIwave и ANSYS Mechanical. Это позволяет ис-

пользовать данный комплекс не только для ре-

шения узкоспециализированных задач, ограни-

ченных, в основном, расчетом температурного

состояния электронных устройств, но и для вы-

полнения связанных расчетов, которые включа-

ют расчет температурных деформаций, расчет

электрических характеристик (статических и ди-

намических) и пр. Например, пользователь мо-

жет импортировать в ANSYS Icepak распределе-

ние токов питания из SIwave. Программный ком-

плекс SIwave позволяет получить частотно-зави-

симые модели схем распределения питания

электронного устройства, например, микросхе-

мы, и использовать эти данные для последую-

щей оценки температурного состояния микро-

схемы.

Кроме того, полученное температурное

поле можно передать из ANSYS Icepak в ANSYS

Mechanical для расчета термонапряженного со-

стояния конструкции.

В заключение отметим, что любое совре-

менное электронное устройство или электрон-

ный компонент, имеют очень сложную структу-

ру, в них часто применяются нетрадиционные

материалы, для которых характерен большой

разброс механических и тепловых свойств. Кро-

ме того, электронное устройство всегда подвер-

гается значительным температурным нагрузкам

как на стадии производства, так и в период экс-

плуатации. Эти свойства и воздействие темпе-

ратуры могут привести к появлению нежела-

тельных температурных напряжений, которые в

результате длительной эксплуатации могут при-

вести к отказу оборудования. Программный

комплекс ANSYS Icepak совместно c ANSYS

Mechanical позволяет оценить влияние всех ти-

пов нагрузок на эксплуатационные характерис-

тики электронного устройства и вовремя внести

исправления в его конструкцию.

Îöåíêà òåìïåðàòóðíîãî ñîñòîÿíèÿ ñåòåâîãî ñåðâåðà â ANSYS Icepak

Ðàñïðåäåëåíèå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà ïî òîêîâûì äîðîæêàì ïå÷àòíîé ïëàòû

11



В быстро меняющемся мире электронной про-

мышленности разработчики стараются закла-

дывать все больше возможностей во все более

миниатюрные изделия, такие как сотовые теле-

фоны, карманные и портативные компьютеры.

Кроме того, электроника все больше вторгается

в сферу чисто механических приложений. Это

накладывает ограничения на системы воздуш-

ного охлаждения, которые призваны защищать

чувствительные элементы от значительных тем-

пературных нагрузок. В электронной индустрии

всегда существовал лимит времени на выполне-

ние разного рода моделирования механических,

тепловых и электрических процессов в элект-

ронных устройствах. С другой стороны, требует-

ся выпускать качественные электронные изде-

лия за короткие сроки, соответственно, ошибки

абсолютно недопустимы.

ANSYS предлагает пользователям эффек-

тивные инструменты для проектирования сис-

тем охлаждения электронных устройств и для

анализа их температурного состояния.

Анализ температурного состоянияЭлектронную промышленность условно можно

разделить на четыре направления: производс-

тво микросхем, компонентов, печатных плат и

систем. В микросхеме содержатся активные

цепи, которые и выделяют большую часть тепла.

Обычно микросхемы изготовляют из кремния,

арсенида (GaAs) или нитрида галлия. Активные

элементы микросхемы могут быть менее микро-

на. Многие компании используют возможности

программного обеспечения ANSYS TAS1 для мо-

делирования тепловых процессов в усилителях

мощности на базе арсенида галлия. Вся микро-

схема создается автоматически, а детали про-

1 В 2005 году компания ANSYS, Inc. получила доступ к специ-ализированным решениям компании Harvard Thermal Inc., предназначенным для анализа температурного состояния электронных устройств. После поглощения компании, все ее продукты были переименованы и получили следующие назва-ния: ANSYS TASPCB, ANSYS PTD и т. д. Процесс интеграции новых продуктов в в линейку «Electronics» ANSYS продолжал-ся 4 года. На данный момент в 12-м релизе все возможности продуктов Harvard Thermal Inc. реализованы в программном комплексе ANSYS Icepak. Кроме того, в 12-м релизе произош-ло объединение программных продуктов ANSYS Icepak, ANSYS Iceboard и ANSYS Icechip. В настоящей статье сохра-нены оригинальные названия продуктов.

рабатываются на субмикронном уровне. Обычно

расчет занимает менее одной минуты.

Моделирование электронных компонентовДля теплового моделирования электронных

компонентов ANSYS предлагает ANSYS PTD —

специализированный пакет для анализа темпе-

ратурного состояния электронных изделий. При

работе с элементами, имеющими контактную

группу в виде матрицы шариков (BGA-корпус),

программа ANSYS PTD напрямую взаимодейс-

твует с комплексами Cadence® APD и Sigrity®

UPD — специализированными ECAD-пакетами,

которые традиционно используются при работе

с подобными электронными компонентами.

Все детали конструкции импортируются

напрямую из ECAD-пакетов, поэтому пользова-

телю необходимо задавать минимум данных.

Как правило, трехмерную модель можно авто-

матически создать и моделировать за несколько

минут.

ANSYS PTD позволяет моделировать лю-

бые конструкции корпусов, включая BGA, мно-

гокристальные интегральные схемы, корпусы с

проволочными выводами и безвыводные. Мож-

но также работать с устройствами, смонтиро-

ванными по схеме «корпус-на-корпусе» (PoP)

или «корпус-в-корпусе» (PiP).

Кроме того, отдельные объекты, например,

рамки с выводами, можно импортировать пос-

редством промежуточных форматов DXF и DWG.

Òåìïåðàòóðíîå ñîñòîÿíèå ÷åòûðåõ ýëåìåíòîâ â êîðïóñå BGA (ñìîíòèðîâàííûõ îäèí ïîâåðõ äðóãîãî), ïîëó÷åííîå ñ ïîìîùüþ ANSYS PTD.

Анализ температурного

состояния электронных

узлов в ANSYS



12


Благодаря простоте в использовании, пря-

мым интерфейсам с ECAD-/MCAD-пакетами,

быстрой обработке геометрических данных и эф-

фективным решателям, то, что раньше занимало

дни, теперь может быть выполнено за минуты.

Исследования печатных платНа уровне печатных плат предлагается техноло-

гия ANSYS TASPCB. Как и ANSYS PTD, ANSYS

TASPCB обладает интерфейсами с ECAD-/MCAD-

системами, которые применяются при проекти-

ровании этих устройств. В программную среду

ANSYS TASPCB импортируется каждый слой,

дорожка, плоскость и отверстие платы.

Размеры электронных компонентов посто-

янно уменьшаются, количество элементов, на-

оборот, растет. В современной печатной плате

может быть от 20 до 40 слоев, а также десятки

тысяч дорожек и отверстий. Поэтому на первый

план выходит расчет локальных характеристик

потока, а не осредненных величин.

ANSYS TASPCB выполняет расчет для каж-

дого компонента, используя автоматически сге-

нерированную трехмерную модель платы. По

мере роста рассеиваемой мощности на плате и

уменьшения рабочих напряжений, возрастают

токи, которые проходят через плоскости и дорож-

ки. Это приводит к потерям напряжения на до-

рожках и плоскостях, а также увеличению тепло-

выделения. ANSYS TASPCB позволяет рассчи-

тать это падение напряжения и автоматически

учитывает дополнительные тепловыделения.

Кром того, ANSYS TASPCB учитывает рост со-

противления меди при увеличении температуры.

Трехмерные модели, созданные в програм-

мных комплексах ANSYS TAS, ANSYS TASPCB и

ANSYS PTD, могут быть экспортированы в среду

ANSYS Workbench или ANSYS Mechanical. Кро-

ме геометрической информации передаются

данные о распределении температуры в уст-

ройстве, что позволяет проводить анализ термо-

напряженного состояния конструкции.

Упрощенная модель платы, созданная в

ANSYS TASPCB, так же может быть передана в

расчетный комплекс Icepak — специализирован-

ный пакет для расчета систем охлаждения элек-

тронных устройств. Данный комплекс был раз-

работан компанией Fluent, Inc. В 2005 году

ANSYS, Inc. приобрела компанию Fluent, Inc.,

программный комплекс Icepak был переимено-

ван в ANSYS Icepak и включен в линейку специ-

ализированных решений ANSYS.

Проектирование на системном уровне и оптимизацияПрограммный комплекс ANSYS Icepak является

интерактивной, объектно-ориентированной сре-

дой для проведения теплового анализа и оптими-

зации объектов на системном уровне. Комплекс

содержит расширенную библиотеку электронных

компонентов, которые являются параметризо-

ванными. Схема размещения этих компонентов

также является параметрическим объектом. Воз-

можна работа с объектами, имеющими сложную

геометрию. При необходимости можно осущест-

влять непосредственный импорт геометрии из

таких CAD-пакетов, как ProEngineer®, или из

ECAD-систем, например Cadence, Mentor®.

Ïðèìåð âçàèìîäåéñòâèÿ ANSYS Icepak è SIwave: à — ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè ìîùíîñòè â ïå÷àòíîé ïëàòå, ïîëó÷åííîå ñ ïîìîùüþ SIwave; á — èìïîðò äàííûõ â Icepak; c — òåìïåðàòóðíîå ïîëå, ïîëó÷åííîå â Icepak

13


Используя стандартные модели объектов,

таких как радиаторы, корпуса интегральных

микросхем, печатные платы, вентиляторы и на-

гнетатели, пользователь может быстро постро-

ить виртуальный прототип системы. Иногда это

удается сделать даже раньше, чем проект будет

передан в CAD-пакет.

Наличие в ANSYS Icepak множества физи-

ческих моделей, например, турбулентности, кон-

тактного сопротивления, излучения и др., выво-

дят данный комплекс на передовые рубежи мо-

делирования температурного состояния слож-

ных электронных устройств.

Кроме того, ANSYS Icepak позволяет заме-

нять сложные модели интегральных схем экви-

валентными моделями RC-цепей.

Построение сеток на уровне сборочных еди-

ниц позволяет включать подробные характерис-

тики на уровне систем, с сохранением компакт-

ности моделей и сокращением времени расчета.

Решатель ANSYS Icepak использует все преиму-

щества расчетных технологий ANSYS Fluent.

Оценка конструкций корпусов ИСПрограммный комплекс ANSYS Icemax предна-

значен для выделения паразитных элементов

при анализе корпусов сложных интегральных

схем (ИС).

Рост плотности цепей и транзисторов при-

водит к перекрестным помехам и нарушению

целостности сигнала, что затрудняет анализ

корпусов ИС традиционными методами.

Пользовательский интерфейс ANSYS

Icemax достаточно прост. Он позволяет устранить

главную проблему, возникающую в процессе

построения модели, благодаря совместимости со

всеми специализированными ECAD-системами.

Полная трехмерная модель создается за считан-

ные минуты на основе топологических данных,

соответствующих отраслевым стандартам. Для

этого применяются сверхбыстрые алгоритмы об-

работки геометрических данных. Таким образом,

процесс расчета включает такие этапы, как им-

порт геометрии, содержащей всю необходимую

информацию о слоях, задание свойств материа-

лов и определение дополнительной информации,

относящееся к контактам и соединениям. Вся

последовательность действий реализована в

виде специального интерфейса, выполненного в

стиле программы-мастера. С его помощью поль-

зователь проходит все этапы определения трех-

мерной геометрии корпуса. От пользователя тре-

буется всего лишь указать рабочую частоту, цепь

(или весь блок) и число соседних элементов, ко-

торые должны быть включены в модель.

Изучение электромагнитной совместимостиПрограммный комплекс ANSYS Icewave исполь-

зуется для анализа помех и электромагнитной

совместимости электронных изделий. В ANSYS

Icewave используется надежный и устойчивый

нестационарный решатель, основанный на мето-

де конечных разностей. Он позволяет решать

сложные проблемы, связанные с излучением и

распространением электромагнитных волн. Зада-

чи, связанные с этими вопросами, становятся все

более актуальными в связи с ужесточением норм,

регулирующих электромагнитное излучение.

Явления, относящиеся к перекрестным по-

мехам, наблюдаются в том случае, когда элект-

ромагнитное излучение одного устройства взаи-

модействует с другим. Кроме того, охлаждаю-

щие устройства, например, радиаторы, решаю-

щие тепловые проблемы на уровне блоков, мо-

гут выступать в роли антенн и, соответственно,

усложнять решение проблемы минимизации

вредного электромагнитного излучения.

ANSYS Icewave обладает теми же возмож-

ностями по работе с CAD-системами, что и

ANSYS Icepak. Комплекс содержит готовый на-

бор геометрических примитивов и встроенный

сеточный генератор. Можно также моделиро-

вать сложные свойства материалов, такие как

рассеивание в диэлектриках и частотно-зависи-

мые поверхностные эффекты у проводников.

Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ Icemax äëÿ ïîëó÷åíèÿ ÷àñòîòíîçàâèñèìîé SPICE-ìîäåëè ÈÑ



14

В последние годы, в связи с увеличением стои-

мости топлива и усилением экологических про-

блем, все больше стран показывают заинтере-

сованность в разработке альтернативных техно-

логий получения энергии. Одним из наиболее

перспективных направлений является развитие

энергетических установок, использующих ре-

сурсы волновой энергии.

Эта идея занимала умы ученых в течение

многих столетий, но только теперь существую-

щая материально-техническая база позволила

воплотить проекты в жизнь. Для массового про-

изводства и внедрения эффективных, надежных

и экономичных энергоустановок, использующих

ресурсы волновой энергии, необходимо преодо-

леть серьезные технические проблемы. Компа-

ния Green Ocean Energy успешно решает зада-

чи, связанные с работой подобных энергоуста-

новок, с помощью программных комплексов

ANSYS. Для гидродинамического анализа рабо-

ты волн используется ANSYS AQWA, для расче-

та напряженно-деформированного состояния

конструкций — ANSYS DesignSpace.

Инженеры компании используют техноло-

гии компьютерного моделирования при разра-

ботке плавучей энергетической установки Ocean

Treader, которую планируется поставить на

якорь в открытом море, в пяти километрах от бе-

рега, где активность волн достаточно высока.

Установка имеет 20-метровые стальные поплав-

ковые рычаги, расположенные на поплавках

(компонентах, обеспечивающих плавучесть

средства), изготовленных из армированного

композиционного пластика. Вследствие воз-

действия волн на поплавковые рычаги, гидрав-

лические цилиндры вращают генераторы, выра-

батывающие электрический ток, который посту-

пает на берег по подводным кабелям. Мощность

подобной установки — 500 кВт — является до-

статочной для электрификации 125 домов; соот-

ветственно, мощность 30 установок составляет

15 МВт.

Основная задача для инженеров — обес-

печить прочность конструкции с учетом ограни-

чений по ее весу. При расчетном сроке эксплуа-

тации 25 лет, энергетические установки должны

размещаться в северных водах Атлантического

океана, где высота волн при штормовом ветре

может достигать 9 метров. Вместе с тем, эле-

менты конструкции должны быть достаточно

легковесными для обеспечения плавучести.

Использование программного обеспечения

ANSYS стало ключевым звеном в решении дан-

ных задач. С помощью программного комплекса

ANSYS AQWA специалисты Green Ocean Energy

определяли отклик конструкции на воздействие

волн. Сначала на основе геометрии компонен-

тов была создана гидродинамическая модель

погруженной части конструкции; при построении

модели учитывались плотность и инерционные

свойства конструкции. Кроме того, принимались

во внимание характеристики волн — высота и

частота волн, полученные в ходе измерений,

проведенных в выбранной акватории.

На основании входных данных, с помощью

ANSYS AQWA были получены следующие гид-

родинамические параметры:

Использование ANSYS при

разработке альтернативных

технологий получения

энергии

George Smith,Tamas Bodai, Green Ocean Energy Ltd, Абердин, Шотландия

Ïëàâó÷àÿ ýíåðãåòè÷åñêàÿ óñòàíîâêà Ocean Treader

15


• Диффракционная сила, учитывающая де-

формацию волн при взаимодействии с

объектами.

• Сила Фруда — Крылова, полученная из

поля давлений волн на конструкцию.

• Гидродинамическое демпфирование

вследствие излучения волн, вызванного

движением конструкции и диссипацией

энергии.

• Присоединенная масса конструкции

вследствие движения окружающей воды

вместе с колеблющимся телом.

• Гидростатическая жесткость и плавучесть.

Гидродинамические параметры были вклю-

чены в собственный код, разработанный специ-

алистами Green Ocean Energy для определения

кинематического отклика и мощности установки

на выходе. Используя данные мощности на вы-

ходе для различных размеров компонентов

(длина поплавкового рычага, форма поплавков),

инженеры смогли получить оптимальные харак-

теристики для основных элементов конструк-

ции.

Модель для расчета распределения напря-

жений и деформации компонентов была быстро

создана благодаря интеграции с Autodesk®

Inventor®: геометрия автоматически экспортиру-

ется из CAD в ANSYS с помощью прямого интер-

фейса Geometry Interface for Inventor/MDT. Со-

здание расчетных сеток значительно упрости-

лось благодаря использованию контактных эле-

ментов «поверхность-в-поверхность», которые

автоматически определяют области контакта

соприкасающихся деталей. В связи с наличием

деталей, изготовленных из нескольких материа-

лов, задавались различные свойства материа-

лов, включая анизотропные свойства деталей,

изготовленных из армированного композицион-

ного пластика.

После завершения первого цикла расчетов

в ANSYS DesignSpace, благодаря прямому ин-

терфейсу с CAD-системами, инженеры легко

внесли изменения в проект и смогли сразу же

провести новый цикл расчетов с учетом изме-

ненной геометрии, без повторного задания на-

грузок и граничных условий. Инженеры Green

Ocean Energy провели ряд расчетов с целью

уменьшения концентрации напряжения за счет

увеличения или уменьшения количества мате-

риала в соответствующих местах.

Программный комплекс ANSYS

DesignSpace инженеры использовали, чтобы

уменьшить вес всей конструкции, а также убе-

диться, что каждая деталь может выдержать

весь спектр ожидаемых волновых нагрузок в

течение длительного времени. Использование

технологий ANSYS сыграло ключевую роль при

определении оптимального соотношения мас-

сы, момента инерции и центра тяжести конс-

трукции, таким образом, поплавковые рычаги

будут оптимально реагировать на волновое

воздействие.

В настоящее время специалисты Green

Ocean Energy разрабатывают точную модель

прототипа установки Ocean Treader, проводят-

ся эксперименты в испытательном бассейне.

Поскольку уже сейчас поступают многочислен-

ные запросы от различных энергетических

компаний, в будущем планируется создавать

модели для серийного производства — с ис-

пользованием хорошо зарекомендовавших

себя программных комплексов ANSYS. Кроме

того, планируется проведение полного анализа

окончательного варианта проекта с использо-

ванием программного обеспечения ANSYS

Mechanical.

В процессе разработки сложных изделий,

когда необходимо учитывать множество пере-

менных, проведение стандартных гидродинами-

ческих расчетов может оказаться неэффектив-

ным. Процесс может затянуться, и детальность

результатов не будет достаточной для глубокого

понимания процессов, происходящих в объек-

тах, подверженных суровым климатическим ус-

ловиям. Кроме того, создание одного прототипа

подобной установки может стоить более $3 млн.

и требовать многих месяцев для доработки. Для

соответствия жестким техническим нормам, вы-

полнения сроков изготовления и поставленных

бизнес-целей, инженеры Green Ocean Energy ис-

пользуют возможности создания виртуальных

прототипов с помощью технологий ANSYS, что

позволит сократить затраты на производство

энергетических установок.

Ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ ANSYS DesignSpace èñïîëüçîâàëñÿ äëÿ ðàñ÷åòà ïîëÿ íàïðÿæåíèé â ïîïëàâêîâîì ðû÷àãå óñòàíîâêè Ocean Treader (ââåðõó) è ïîëÿ äåôîðìàöèè êîíñòðóêöèè ðàñïðåäåëèòåëüíîé áàëêè (âíèçó)



16

Модернизированные катапультируемые кресла

ACES II считаются наиболее эффектными ава-

рийно-спасательными устройствами в ВВС

США. С 1976 года, момента появления, благода-

ря их использованию было спасено более 450

жизней. В данный момент более 8000 кресел

ACES II используется в самолетах F-15, F-16, B-

1B, B-2, A-10, F-117 и F-22. Взяв за основу конс-

трукцию ACES II, специалисты компаний Goodrich

Aircraft Interiors и Concurrent Technologies

Corporation (CTC), решили совместно разрабо-

тать модель нового поколения кресел ACES 5

для F-35 Joint Strike Fighter (JSF). По их мнению,

новое катапультируемое кресло должно быть

более безопасным, легким и интегрированным в

кабину пилота. Однако главной задачей было

разработать и изготовить новую модель за срок

менее 14 месяцев.

Наличие параметрической связи между

ANSYS Workbench и Pro/ENGINEER стало ре-

шающим фактором успешной разработки про-

екта, соответствующего всем техническим тре-

бованиям и нормам при работе в сжатые сроки.

Инженеры CTC могли быстро вносить измене-

ния для проведения многовариантных расче-

тов. Таким образом, использование компью-

терного моделирования помогло оптимизиро-

вать конструкцию кресла на ранних этапах раз-

работки.

Разработка новой

концепции

катапультирования

с применением ANSYS

Автор Park O. Cover, Jr., ведущий инженер-механик,

Concurrent Technologies Corporation, Пенсильвания, США

Êàòàïóëüòèðóåìûå êðåñëà èñïîëüçóþòñÿ â âîåííûõ ñàìîëåòàõ â ÷ðåçâû÷àéíîé ñèòóàöèè. Âçðûâíîé çàðÿä èëè ðàêåòíûé äâèãàòåëü âûòàëêèâàåò ñèäåíèå èç ñàìîëåòà âìåñòå ñ ïèëîòîì. Âïîñëåäñòâèè â âîçäóõå ðàñêðûâàåòñÿ ïàðàøþò

ACES 5 — óëó÷øåííàÿ ìîäåëü êàòàïóëüòèðóåìîãî êðåñëà äëÿ F-35 JSF

17


Расчет проводился в три этапа. На пер-

вом этапе инженеры были заняты разработкой

концепции нового изделия. Задача состояла в

создании конструкции, соответствующей всем

эксплутационным требованиям. Компьютерное

моделирование использовалось для проверки

и устранения ошибок, а также для определения

оптимального веса конструкции. Функциональ-

ные характеристики и нормы техники безопас-

ности использовались согласно спецификации

Ìîäåëü ACES 5 êðåñëà Pro/ENGINEER è ñîîòâåòñòâóþùàÿ ìîäåëü ANSYS Workbench ñ ïðèëîæåííûìè íàãðóçêàìè

Ïîëÿ íàïðÿæåíèé äëÿ ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ ÷àøåê êðåñëà ACES 5.Ðàñ÷åò 1: ×àøêà 0.95 êã Ðàñ÷åò 2: ×àøêà 1.36 êã Ðàñ÷åò 6: ×àøêà 1.24 êã Ðàñ÷åò 2: ×àøêà 1.27 êã



18


катапультируемого кресла JSF (производитель

Lockheed Martin). Для сокращения времени

простоя транспортного средства при техобслу-

живании и ремонте, конструкция нового кресла

позволяла легко его извлекать из самолета.

Катапультируемое кресло состоит из спинки,

чашки, парашюта, аварийного комплекта и мо-

дуля закрепления. При сборке благодаря ис-

пользованию обработанных деталей вместо

компонентов, изготовленных из листового же-

леза, сократилась стоимость монтажа и коли-

чество используемых деталей. Производилась

проверка конструкции на выдерживаемые на-

грузки, например, при катапультировании из са-

молета, движущегося со скоростью 1200 км/ч,

учитывались нагрузки на парашют и нагрузки,

возникающие при авиационной катастрофе.

Также на первом этапе в процессе моде-

лирования производилась оценка прочности

отдельных деталей предварительного проекта

кресла. Поля напряжений для чашек кресел

различной конструкции показывают, как порыв

ветра воздействует на ноги пилота, находяще-

гося в кресле во время катапультирования. Не-

обходимо максимально уменьшить воздейс-

твие ветра, иначе человек может получить се-

рьезные травмы. Команда инженеров с помо-

щью среды ANSYS Workbench исследовала

поведение конструкции при катапультировании

и авиакатастрофе. Проведение вариантных

расчетов в среде ANSYS Workbench реализо-

вано очень удобно: достаточно один раз на-

строить все этапы расчета, после чего любые

изменения в CAD-геометрии будут автомати-

чески обновлять все этапы расчета.

На втором этапе расчетов специалисты

CTC создали общую модель катапультируемо-

го кресла. Анализ конструкции в целом наибо-

лее реалистично показал, как будет вести себя

конструкция при нагружении. Для подготовки

модели, CAD-геометрия экспортировалась в

ANSYS DesignModeler, где существует возмож-

ность упрощения геометрии (defeaturing), на-

пример, удаление заклепочных отверстий.

Кроме того, некоторые трехмерные компонен-

ты были преобразованы в оболочечные эле-

менты с помощью автоматической технологии

построения серединных поверхностей. Благо-

даря быстроте всей процедуры, специалисты

смогли оценить несколько вариантов конструк-

ции кресла.

В общей модели были заданы свойства

материалов, граничные условия и прилагаемые

нагрузки. Для каждой поверхности заклепки

Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà âñåé êîíñòðóêöèè

Íàãðóçêè íà ñèäåíèå ïðè êàòàïóëüòèðîâàíèè èç ñàìîëåòà, äâèãàþùåãîñÿ ñî ñêîðîñòüþ 1200 êì/÷

Íàãðóçêè, ïîëó÷åííûå â ðåçóëüòàòå ñòàòè÷åñêîãî àíàëèçà êîíñòðóêöèè ñèäåíèÿ ïðè êàòàïóëüòèðîâàíèè èç ñàìîëåòà, äâèãàþùåãîñÿ ñî ñêîðîñòüþ 1200 êì/÷

19


были описаны области контакта. Таким образом,

можно было определить необходимое количест-

во заклепок для каждого соединения. С помо-

щью точечных масс описывались такие компо-

ненты, как парашют и аварийный комплект.

При построении сетки использовалась

технология hex-dominant, размер элементов —

0.125. Один линейный статический анализ НДС

занимал менее 30 минут с использованием

прямого решателя, доступного в ANSYS

Workbench. Благодаря малому времени расче-

тов, инженеры смогли быстро рассчитать и

оценить несколько вариантов проекта.

Нагрузки, действующие на кресло, по

своей природе, очень динамичны, причем си-

дение во время использования подвергается

таким нагрузкам только один раз. Поскольку

для основной модели использовались стати-

ческие расчеты без учета нелинейных свойств

материалов, были обнаружены области, в ко-

торых предельное напряжение материала пре-

вышало норму. Эти участки с повышенной кон-

центрацией напряжений стали предметом изу-

чения на третьем этапе расчетов.

Для создания подмоделей использовался

программный комплекс ANSYS DesignModeler.

Инженеры CTC использовали стандартные ко-

манды и процедуры в среде ANSYS Workbench,

с помощью которых перемещения основной мо-

дели интерполировались на внешние границы

субмодели. В результате были выявлены об-

ласти с постоянной деформацией, но при этом

предельного напряжения материала не наблю-

далось. Кроме того, благодаря использованию

более мелкой сетки, были получены более точ-

ные результаты напряжений. Чтобы удостове-

риться в нормальном функционировании конс-

трукции в экстремальных условиях, была про-

ведена проверка 30 областей повышенного

риска с использованием данной методики.

Спустя 10 месяцев после начала процес-

са разработки, были созданы 5 прототипов для

испытаний. Первое испытание кресла ACES 5

F-35 JSF было произведено через 14 месяцев

после начала разработки — и с первой же по-

пытки прошло удачно. Подобный успех стал

возможен благодаря совместной работе спе-

циалистов Goodrich и CTC, которые использо-

вали программные средства для компьютерно-

го моделирования.

Îáëàñòü áîëüøîãî íàãðóæåíèÿ (óâåëè÷åíî)

Ïîäìîäåëü îáëàñòåé áîëüøîãî íàïðÿæåíèÿ â ANSYS DesignModeler. Âíåøíèå ãðàíèöû ïîêàçàíû êðàñíûì

Èñïîëüçîâàíèå ïîäìîäåëåé îáåñïå÷èëî áîëåå òî÷íûå ïîëÿ íàïðÿæåíèé ïî ñðàâíåíèþ ñ îáùåé ñòàòè÷åñêîé ìîäåëüþ



20

Cтатья носит обзорный характер и

знакомит читателей с возможностями

ANSYS для решения широкого класса

задач усталостной долговечности конс-

трукций в новом модуле ANSYS nCode

DesignLife 5.1 в составе расчетного ком-

плекса ANSYS Workbench.

Решение ANSYS nCode DesignLife пред-

ставляет собой профессиональный инструмент

для расчета усталостной долговечности, интег-

рированный в ANSYS Workbench 11.0 SP1. Ре-

зультаты и база данных по материалам, со-

зданные расчетными средствами ANSYS

Workbench, теперь напрямую передаются в мо-

дуль ANSYS DesignLife. Это обеспечивает про-

стую в применении и мощную комбинацию рас-

четных средств для анализа усталостной дол-

говечности в ANSYS.

ANSYS DesignLife объединяет профессио-

нальный CAE-расчет и инструмент обработки

усталостных характеристик конструкции в пре-

делах простого в использовании графического

интерфейса ANSYS Workbench. Кроме того,

возможности ANSYS DesignLife по расчету ус-

талостной долговечности в зависимости от

уровня напряжений (stress-life) и деформаций

(strain-life), расширяют применение этого про-

дукта для решения таких задач, как точечная и

шовная сварка, анализ работы вибростендов и

другого оборудования.

ANSYS DesignLife эффективно работает с

конечно-элементными моделями больших раз-

мерностей. Это очень гибкий в конфигурирова-

нии продукт для экспертных задач с поддержкой

скриптов Python для создания новых или совер-

шенствования существующих методик оценки

усталостной долговечности конструкций.

Семейство продуктов ANSYS nCode DesignLife 5.1.ANSYS nCode DesignLife Standard — основ-

ной продукт для решения задач усталостной

долговечности. Включает методы оценки в за-

висимости от уровня напряжений (stress-life),

деформаций и метод Dang Van.

ANSYS nCode DesignLife Vibration — до-

полнительные возможности комплекса для

анализа усталостной долговечности при виб-

рационном нагружении конструкции. Модели-

рует синусоидальные и случайные (PSD) на-

грузки.

ANSYS nCode DesignLife Accelerated

Testing — пакет обработки сигналов в допол-

нение к возможностям анализа вибрационного

нагружения конструкции. Возможность обра-

ботки виртуальных и физических вибрацион-

ных экспериментов.

ANSYS nCode DesignLife Welds — ана-

лиз усталостной долговечности конструкций,

содержащих шовные или точечные сварные

элементы.

ANSYS nCode DesignLife Parallelization —

модуль для поддержки распределенных вычис-

лений. В ANSYS DesignLife лицензируется каж-

дое отдельное ядро. Лицензия на одно ядро

(процесс) включена в базовый модуль.

Решение задач усталостной

долговечности в модуле

ANSYS nCode Design Life 5.1.

Кабанов Юрий, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Èíòåðôåéñ ìîäóëÿ ANSYS DesignLife Vibration

21


Возможности стандартного пакета ANSYS DesignLife Анализ усталостной долговечности

в зависимости от уровня напряжений

(Stress Life)

Анализ усталостной долговечности конструкции в

зависимости от уровня напряжений. Имеется воз-

можность интерполяции между кривыми свойств

материала в зависимости от температуры. Можно

применять скрипты Python для создания новых

или усовершенствования имеющихся методов

оценки усталостной долговечности. Предвари-

тельное решение кривых многоцикловой усталос-

ти с контролем номинальных напряжений.

Модели материалов:

• Standard SN;

• SN Mean multi-curve;

• SN R-ratio multi-curve;

• SN Haigh multi-curve;

• SN Temperature multi-curve;

• Bastenaire SN;

• Типовые модели SN на основе скриптов

Python.

Коррекция средних напряжений цикла:

• FKM Guidelines;

• Goodman;

• Gerber.

Коррекция градиента напряжений:

• FKM Guidelines;

• Пользовательская модель.

Анализ усталостной долговечности в зависимости от уровня деформаций (Strain Life)Возможность предсказания усталостной долго-

вечности на основе анализа локальных дефор-

маций в конструкции. Возможность интерполя-

ции между кривыми свойств материала в зави-

симости от температуры. Применяется для ши-

рокого круга задач, включая малоцикловую ус-

талость с контролем упруго-пластических де-

формаций.

Модели материалов:

• Standard EN;

• EN Mean multi-curve;

• EN R-ratio multi-curve;

• EN Temperature multi-curve.

Коррекция средних напряжений в цикле:

• Morrow;

• Smith Watson Topper.

Коррекция пластичности:

• Neuber;

• Hoffman-Seeger.

Оценка многоосевого нагружения:

• Biaxial;

• 3D Multiaxial;

• Auto-correction.

Решатель Dang Van

Возможность нахождения запасов прочности по

Dang Van. Критерий Dang Van — метод предска-

зания предельного срока службы конструкции,

испытывающей сложное разноплановое нагру-

жение. Результаты расчета всегда выводятся в

виде запасов прочности, но не в виде усталост-

ной долговечности. Параметры материала вы-

числяются на основе испытаний образцов на

растяжение и кручение. Данный решатель под-

ходит для задач, таких как анализ усталостной

долговечности двигателей, железнодорожного

подвижного состава, где присутствует очень

большое число циклов нагружения.

Поддерживаемые платформы

Ïëàòôîðìà Ïðîöåññîð ÎÑ

Windows (64-bit) x64 Windows XP 64, Vista 64

Windows (32-bit) x86 Windows XP, Vista

Ïðèìåð çàäàíèÿ ñâîéñòâ ìàòåðèàëîâ â ANSYS Workbench



22

В статье приводятся результаты иссле-

дования напряженно-деформированного

состояния элементов конструкции сва-

ебойного трубчатого дизель-молота в

процессе забивания сваи в грунт. Иссле-

дование выполнено методом компьютер-

ного моделирования с использованием

программно-вычислительного комплекса

ANSYS LS-DYNA.

ВведениеНеобходимость повышения производитель ности

и эффективности всех видов строительных ра-

бот отра жается и на требованиях к сваебойным

молотам. Дизель-молоты предназначены для за-

бивки в грунт свай массой 1.2–10 т при темпера-

туре окружающей среды от –40 °С до +40 °С.

Однако возможности дальнейшего повышения

эффективности молота путем увеличения энер-

гии удара для молота с регламентиро ванной

массой ударной части практически исчерпаны.

Даль нейшее повышение энергии удара возмож-

но путем увеличения скорости ударной части в

момент удара (что ограничивается прочностью

забиваемой сваи) или путем увеличения высоты

подскока ударной части (что приводит к сниже-

нию частоты ударов). Эти ограничения и предо-

пределяют основное направление повышения

эффективности сваебойных работ — повыше-

ние единичной мощности сваебойного молота.

Единич ная мощность дизель-молота может быть

повышена двумя способами — увеличением

массы ударной части и повышением частоты

ударов.

Трубчатые дизель-молоты с ударным рас-

пыливанием топ лива и со свободным падением

ударной части широко при меняются во всем

мире. Молоты этого типа обеспечивают со-

вокупное воздействие на сваю удара и силы от

взрыва топ лива в камере сгорания, что сущест-

венно увеличивает эффек тивность сваебойных

работ.

Целью данной работы является проведе-

ние анализа прочностной надежности элемен-

тов конструкции трубчатого дизель-молота при

динамическом нагружении.

Описание объекта моделированияВ трубчатом молоте основной рабочей частью

является поршень, который движется в трубе-

цилиндре и ударяет по шаботу, закрывающему

цилиндр снизу. Шабот передает удар поршня на

сваю и является наиболее нагруженной дета-

лью, работающей при значительной температу-

ре. При ударе поршня о шабот топливо распыля-

ется в камере сгорания, а затем воспламеняется

от высокого давления смеси. Образующаяся при

взрыве энергия отбрасывает поршень вновь

вверх.

Благодаря распылению топлива ударом

дизель-молоты обладают большой ударной си-

лой, за счет чего на вбиваемый материал дей-

ствуют три вида энергии: компрессия, удар и

взрыв, которые соединяются в эффективную

общую энергию.

Исследование напряженно-

деформированного состояния

элементов конструкции

сваебойного трубчатого

дизель-молота

Будилов И.Н., Лукащук Ю.В., УГАТУ

Белов Г. В, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ðèñ. 1. Ñâàåáîéíûé äèçåëü-ìîëîò

23


Благодаря энергии компрессии ударная

часть и наголовник прижимаются к верхней час-

ти сваи. Следующий за этим удар направлен на

вбиваемый материал, а ударная энергия и вслед

за этим действующая энергия взрыва вгоняют

сваю.

На рис.1 представлен внешний вид трубча-

того дизель-молота, а на рис. 2 — составляющие

его части: верхний поршень, шабот, наголовник

и свая.

Общая характеристика расчетной моделиОсновные уравнения расчетной модели, пред-

назначенной для описания процесса ударного

взаимодействия деформируемых тел, базиру-

ются на математическом аппарате механики

сплошной среды (МСС). Полная система диф-

ференциальных уравнений МСС, описывающих

нестационарный процесс нагружения, примени-

тельно к рассматриваемой задаче имеет вид:

, (1)

, (2)

, (3)

, (4)

, (5)

, (6)

. (7)

где t — текущее время, ρ — плотность среды,

vi — компоненты вектора массовых скоростей,

Fi — компоненты вектора массовых сил, σji —

компоненты тензора напряжений, εij, εij — компо-

ненты тензоров деформаций и скоростей де-

формаций, qi — вектор тепловых потоков, ui —

перемещения, T — температура.

Система исходных уравнений в обязатель-

ном порядке включает основные общие для всех

сплошных сред дифференциальные уравнения

механики, выражающие фундаментальные за-

коны сохранения массы (1), импульса (2), энер-

гии (3), а также общие для всех сред кинемати-

ческие соотношения (4) и (5) и геометрические

соотношения (6), связывающие деформацион-

ные перемещения с относительными деформа-

циями. Индивидуальные особенности рассмат-

риваемой среды в отношении оказания сопро-

тивления деформированию учитываются физи-

ческими соотношениями (7), включаемыми в

систему исходных уравнений согласно выбран-

ной модели сплошной среды. Система должна

также быть дополнена начальными и граничны-

ми условиями, соответствующими постановке

конкретной задачи.

В общем виде, применительно к условиям

поставленной задачи, решение системы уравне-

ний аналитическими методами не представляет-

ся возможным. Решение задачи в данной поста-

новке возможно только численными методами

[1].

С этой целью применен вычислительный

комплекс ANSYS LS-DYNA.

Модель среды конкретизирует общую

формулировку физических соотношений

σij=σij(εij,ε.

ij,E), замыкающих систему уравнений

МСС. Используемые в конечно-элементной вы-

числительной методике модели деформирова-

ния различных сред основаны на выделении из

тензоров деформаций и напряжений отдельных

компонентов — шарового тензора и тензора де-

виатора, отвечающих, соответственно, за изме-

нение объема и формы: σij=–p+Dσij. В итоге оп-

ределяющими соотношениями модели будут

две независимых составляющих: уравнение со-

стояния (УРС) — зависимость, связывающая

три величины — давление, плотность и удель-

ную внутреннюю энергию (или температуру),

p=p(ρ,E) как мера объемной сжимаемости и тер-

мических эффектов, и зависимость девиатор-

ных компонентов тензора напряжений от девиа-

торных компонентов тензоров деформаций и

скоростей деформаций Dσ=Dσ(Dε,Dε.) как мера

формоизменения.

Соотношения для компонентов девиатора

тензора напряжений определяются композици-

ей закона пластического течения Прандтля-

Рейсса при пластическом деформировании и

закона Гука для нагрузок, не превышающих

предел пластического течения. Уравнения

Ðèñ. 2. Ýëåìåíòû òðóá÷àòîãî ìîëîòà: 1 — ïîðøåíü; 2 — øàáîò; 3 — íàãîëîâíèê; 4 — ñâàÿ



24


Прандля-Рейсса формируются следующим об-

разом:

, (8)

,

где G — модуль сдвига, λ — скалярный множи-

тель, определяемый удельной мощностью плас-

тических деформаций, σт — предел текучести,

— компоненты тензора скоростей пласти-

ческих деформаций. В данной численной реали-

зации скалярный множитель явным образом не

вычисляется, а применяется эквивалентная про-

цедура приведения вектора полных напряжений

в пространстве напряжений в «круг текучести».

Отдельную задачу представляет модели-

рование грунта [2].

Грунт представляет собой дисперсную сре-

ду — смесь минеральных частиц, воды и возду-

ха. Минеральные частицы образуют пористый

скелет, поры которого заполнены водой и возду-

хом. Основными механическими свойствами

грунтовых сред, которые необходимо учитывать

при математическом моделировании компрес-

сионного воздействия на грунтовые массивы,

являются наличие внутреннего трения, необра-

тимость объемных и сдвиговых деформаций,

пластическое течение и разрушение скелета

грунта. В работе используется модель упруго-

пластической сжимаемой среды, учитывающая

нелинейные процессы сдвигового и объемного

деформирования.

Критерий пластичности Мизеса в самом

общем случае для грунтов при наличие внутрен-

него трения имеет вид:

, (9)

где Y — динамический предел текучести. Среда,

подчиненная такому закону может находиться в

двух состояниях — упругом и пластическом. На-

личие внутреннего трения у грунтов обуславли-

вает то, что предел кучести Y не постоянен и

зависит от давления. Эффекты дилатансии —

появление объемных деформаций в условиях

чистого сдвига — в модели не учитываются.

В основе большинства критериев сдвиго-

вой прочности грунтов лежит комбинация зако-

на сухого трения Кулона, т.е. зависимости мак-

симальных сдвиговых напряжений от давления,

а также классических теорий прочности Мизе-

са и Треска. Критерии пластичности, при кото-

ром упруго-пластическая среда переходит из

упругого состояния в пластическое, выбирает-

ся критерий, предложенный в работах [3], [4],

[6]. Предел сдвиговой прочности для грунтов

является функцией давления и определяется

зависимостью:

, (10)

где Y0 — сцепление грунта, т.е. прочность при

нулевом давлении, Ypl — предельное значение

сдвиговой прочности, μ — коэффициент трения.

Параметры Y0 , μ могут быть пересчитаны

по методикам, изложенным в [3], на основании

нормативных значений прочностных характе-

ристик грунтов — сцепления Сn и угла внутрен-

него трения φn, входящими в линейное уравне-

ние закона Кулона-Мора:

, (11)

где τn — касательное напряжение, σn — нормаль-

ное напряжение. Механические характеристики

Сn и φn определяются по результатам лаборатор-

ных испытаний грунтов на приборах одно- и мно-

гоплоскостного среза или в стабилометрах [3].

Поверхность текучести, построенная по

уравнению (10) и поверхность, построенная по

линейному уравнению Кулона-Мора (11), раз-

личны по форме и представляют собой в первом

случае гладкую поверхность плавного сопряже-

ния конуса и цилиндра, а во втором — шести-

гранную призму. Поэтому пересчет констант мо-

жет быть выполнен лишь приближенно, так как

между этими двумя поверхностями существует

бесконечное множество аппроксимаций. Для уп-

рощения принимая, что предел сдвиговой про-

чности Ypl в уравнении (10) бесконечно большой,

тогда оно принимает вид закона Мизеса-Шлех-

тера:

.

Предлагается вариант аппроксимации, по-

казанный на рис. 4 пунктирной линией. В этом

случае формулы для пересчета коэффициентов

уравнения (10) по нормативным коэффициентам

имеют вид:

Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü ïðåäåëà ñäâèãîâîé ïðî÷íîñòè îò äàâëåíèÿ

25


.

Для ориентировочного получения значе-

ний предельной сдвиговой прочности может

быть использована эмпирическая зависимость

[3]

,

где W — весовая влажность в долях единицы.

Модуль сдвига G для грунтов в общем слу-

чае меняется в процессе деформирования. Од-

нако отсутствие достоверных эксперименталь-

ных данных для выбранных типов грунтов за-

трудняет использование сложных моделей. В

расчетах модуль сдвига принимался постоян-

ным и вычислялся по рекомендуемым норматив-

ным значениям [2] модуля деформации E и ко-

эффициенту Пуассона ν. При отсутствии прямых

данных, для большинства песчаных грунтов и

суглинков коэффициент Пуассона может быть

вычислен через коэффициент пористости e0 по

эмпирической зависимости [3]:

.

На рис. 5. приведены схема расчетной мо-

дели испытаний и профиль прилагаемой нагруз-

ки.

На рис. 6. показаны поля эквивалентных

напряжений в грунте при расчетном моделиро-

вании штамповых испытаний.

Результаты расчетовВ данной задаче геометрия взаимодействующих

деталей (см. рис. 2) приближена к конструкции

трубчатого молота. Главной особенностью явля-

ется наличие грунта.

Модель была подготавлена в ANSYS Design

Modeler — удалялись лишние фаски и мелкие

поверхности, по возможности объемы разбива-

лись на простые шестигранники. Далее модель

по частям передавалась в Prep 7, где создава-

лась сетка и записывались к-файлы для ANSYS

LS-DYNA. Полная модель собиралась и коррек-

тировалась в препроцессоре LS-PREPOST 2.1.

На рис. 7 показана твердотельная модель

трубчатого молота.

При моделировании используется свойс-

тво симметрии. Грунт по границам закреплен

жестко.

В расчете для всех частей использовался

автоконтакт по типу поверхность — поверх-

ность.

В качестве начальных условий было приня-

то свободное падение поршня в поле тяжести с

высоты два метра.

В данной модели материал сваи моделиро-

вался более адекватно: железобетон — бетон

марки 350+стальная арматура диаметром 14 мм.

Арматура и бетон сшиты общими узлами.

В качестве материала грунта был выбран

плотный суглинок (модель с необратимой сжима-

емостью, поверхность текучести совпадает с ма-

териалом 16 из базы данных ANSYS LS DYNA).

Из-за сложной геометрии используемых

деталей и, как следствие, различных размеров

конечных элементов, применяется масштабиро-

вание масс для исключения влияния сильно вы-

рожденных элементов при минимальном шаге

по времени 0,14 мкс, что приводит к значитель-

ному увеличению времени счета.

Ðèñ. 4. Ñå÷åíèå ïðåäåëüíûõ ïîâåðõíîñòåé Êóëîíà-Ìîðà è åå ðàçëè÷íûõ àïïðîêñèìàöèé

Ðèñ. 5. Ñõåìà ðàñ÷åòíîé ìîäåëè èñïûòàíèé (à); ïðîôèëü ïðèëàãàåìîé íàãðóçêè (á)

Ðèñ. 6. Ïîëå ýêâèâàëåíòíûõ íàïðÿæåíèé â ãðóíòå ïðè ðàñ÷åòíîì ìîäåëèðîâàíèè øòàìïîâûõ èñïûòàíèé



26


На рис. 8. показано деформированное со-

стояние при внедрении сваи в грунт за один

удар. Также получено распределение интенсив-

ности напряжений в металлических частях мо-

дели (рис. 9).

Ниже приведены результаты анализа дина-

мических напряжений в элементах конструкции

трубчатого дизель-молота в условиях динами-

ческого нагружения. При анализе динамических

напряжений трубчатого дизель-молота модели-

ровался удар поршня по шаботу.

На рис. 10 показана общая картина рас-

пределения интенсивности напряжений в конс-

трукции при ударе без смещения. Видно, что

общий уровень напряжений не превышает

136 МПа.

Кроме того, получено распределение ин-

тенсивности напряжений в шаботе (рис. 11).

Четко видна зона концентрации напряжений в

месте контакта.

В реальных условиях эксплуатации удар

происходит со смещением. Поэтому также рас-

сматривался в качестве основного случая нагру-

жения удар шабота по наголовнику со смещени-

ем от оси на 10 мм. На рис. 12 показано распре-

деление интенсивности напряжений в случае

удара со смещением.

Установлено, что смещение цилиндра от-

носительно оси приводит к изменению места

расположения максимума напряжения и увели-

чивает его абсолютное значение.

Одним из наиболее нагруженных элемен-

тов конструкции является наголовник.

На рис. 13 показано распределение интен-

сивности напряжений наголовника в разные мо-

менты времени. Максимальные напряжения со-

ставляют 200 МПа. Положение максимума на-

пряжений меняется во времени.

Во всех наголовниках наличие ребер, ко-

робчатой формы приводит к концентрации на-

пряжений в углах и на ребрах с большим перепа-

дом напряжений, что способствует образованию

трещин в условиях повторного ударного нагру-

жения. Результаты показывают, что с увеличе-

нием размера наголовника отмечается увеличе-

ние максимального уровня интенсивности на-

пряжений.

Заключение Разработан алгоритм и опробована методика

расчета ударного взаимодействия деформируе-

мых твердых тел на примере трубчатого дизель-

молота с использованием программного комп-

лекса ANSYS LS-DYNA.

Показана принципиальная возможность

моделирования процессов динамического на-

гружения, связанных с ударным характером

приложения нагрузки, что характерно для рабо-

ты трубчатых дизель-молотов.

Разработана конечно-элементная модель,

позволяющая анализировать изменение пара-

метров напряженно-деформированного состоя-

ния всех элементов конструкции по времени с

учетом волнового характера нагружения и осо-

бенностей свойств материалов сваи и грунта.

Смоделировано проникновение сваи в

грунт в зависимости от его свойств.

Определены уровни максимальных напря-

жений в элементах конструкции трубчатого ди-

Ðèñ. 7. Òâåðäîòåëüíàÿ ìîäåëü òðóá÷àòîãî ìîëîòà

Ðèñ. 8. Äåôîðìèðîâàííîå ñîñòîÿíèå ïðè âíåäðåíèè ñâàè â ãðóíò

Ðèñ. 9. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé â ìåòàëëè÷åñêèõ ÷àñòÿõ ìîäåëè, Ïà

27


зель-молота. При этом отмечается высокая не-

однородность поля напряжений в основании

поршня и в наголовниках. Выявлены зоны кон-

центрации напряжений (при прохождении вол-

ны), в которых возникает повышенный уровень

напряжений. Результаты проведенных расчетов

позволили выработать практические рекомен-

дации по модернизации конструкции с целью

увеличения ее прочностной надежности.

Ëèòåðàòóðà1. ×èñëåííûå ìåòîäû â çàäà÷àõ ôèçèêè âçðûâà è

óäàðà: Ó÷åáíèê äëÿ âòóçîâ. / À.Â. Áàáêèí, Â.È. Êîëïàêîâ, Â.Í. Îõèòèí, Â.Â. Ñåëèâàíîâ. — Ì.: Èçä-âî ÌÃÒÓ èì. Í.Ý. Áàóìàíà, 2000. — 516 ñ. (Ïðèêëàäíàÿ ìåõàíèêà ñïëîøíûõ ñðåä Ò. 3).

2. ÃÎÑÒ 12248-96. Ãðóíòû. Ìåòîäû ëàáîðàòîðíîãî îïðåäåëåíèÿ ïðî÷íîñòè è äåôîðìèðóåìîñòè. 1996.

3. Äðîãîâåéêî È.Ç. Ðàçðóøåíèå ìåðçëûõ ãðóíòîâ âçðûâîì. Ì., Íåäðà, 1981. — 243ñ.

4. ÃÎÑÒ 20276-99. Ãðóíòû. Ìåòîäû ïîëåâîãî îïðåäåëåíèÿ õàðàêòåðèñòèê ïðî÷íîñòè è äåôîðìèðóåìîñòè. 1999.

5. ÃÎÑÒ 19912–2001. Ãðóíòû. Ìåòîäû ïîëåâûõ èñïûòàíèé ñòàòè÷åñêèì è äèíàìè÷åñêèì çîíäèðîâàíèåì. 2001.

6. Óèëêèíñ Ì.Ë. Ðàñ÷åò óïðóãîïëàñòè÷åñêèõ òå÷åíèé. Â ñá. Íîâîå â çàðóáåæíîé ìåõàíèêå. 1967.

7. LS-DYNA Keyword user’s manual. July 2006. Version 971. — Livermore Software Technology Corporation, 2006.

8. LS-DYNA Theoretical manual. November 2005. Compiled by John O. Hallquist, Livermore Software Technology Corporation, 2005.

9. Áàæåíîâ Â.Ã., Êîòîâ Â.Ë., Êðûëîâ Ñ.Â. è äð. Ýêñïåðèìåíòàëüíî-òåîðåòè÷åñêèé àíàëèç íåñòàöèîíàðíûõ ïðîöåññîâ âçàèìîäåéñòâèÿ äåôîðìèðóåìûõ óäàðíèêîâ ñ ãðóíòîâîé ñðåäîé. // ÏÌÒÔ. 2001. Ò. 42, ¹6. Ñ. 190 — 197.

10. Ñåäîâ Ë.È. Ìåõàíèêà ñïëîøíîé ñðåäû: Â 2 ò. Ì.: Íàóêà, 1973. Ò.1. 536 ñ.

11. Áàáêèí À.Â., Ñåëèâàíîâ Â.Â. Ïðèêëàäíàÿ ìåõàíèêà ñïëîøíûõ ñðåä: Â 3 ò. Ò. 1. Îñíîâû ìåõàíèêè ñïëîøíûõ ñðåä/ Ïîä ðåä. Â.Â. Ñåëèâàíîâà. — Ì.: Èçä-âî ÌÃÒÓ èì. Í.Ý. Áàóìàíà, 1998. — 368 ñ.

12. Ä. Äðóêêåð, Â.Ïðàãåð. Ìåõàíèêà ãðóíòîâ è ïëàñòè÷åñêèé àíàëèç èëè ïðåäåëüíîå ïðîåêòèðîâàíèå. Â ñá. Îïðåäåëÿþùèå çàêîíû ìåõàíèêè ãðóíòîâ. — Ïîä ðåä. Â.Í. Íèêîëàåâñêîãî. Ì.: «Ìèð», 1975.

13. Ðàõìàòóëèí Õ.À., Ñàãîìîíÿí À.ß., Àëåêñååâ Í.À. Âîïðîñû äèíàìèêè ãðóíòîâ. — Ì.: Èç-âî ÌÃÓ, 1964. — 239 ñ.

Ðèñ. 10. Îáùàÿ êàðòèíà ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé â êîíñòðóêöèè òðóá÷àòîãî äèçåëü-ìîëîòà, Ïà.

Ðèñ. 11. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé â øàáîòå, Ïà

Ðèñó. 12. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé â øàáîòå â ñëó÷àå óäàðà ñî ñìåùåíèåì

Ðèñ. 13. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé íàãîëîâíèêà â ðàçëè÷íûå ìîìåíòû âðåìåíè



28

Обледенение основных несущих поверхностей

летательного аппарата (ЛА) напрямую влияет

на безопасность полета и часто приводит к ка-

тастрофическим последствиям. Во всем мире

только в авиации общего назначения ежегодно

происходят десятки тяжелых летных происшес-

твий из-за обледенения. Поэтому исследование

влияния обледенения на аэродинамические ха-

рактеристики ЛА является важной и актуальной

задачей. Для каждого разрабатываемого ЛА

необходимо проанализировать все возможные

последствия обледенения и спроектировать

эффективную противообледенительную систе-

му. С точки зрения аэродинамики, накопление

льда на крыле и оперении вызывает прирост

сопротивления, понижает максимальную подъ-

емную силу и угол сваливания, и увеличение

угла атаки.

Физическому и численному моделирова-

нию различных аспектов обледенения и мето-

дам борьбы с ним посвящены многочисленные

исследования. Существует несколько серьезных

CFD-пакетов, разработанных специально для

исследования этого явления: LEWICE 3D (США),

ONERA (Франция), DRA (Великобритания),

FENSAP-ICE (Канада), CIRAMIL (Италия),

MULTIVIS (ЦАГИ, Россия) и др.

Обледенение бывает нескольких видов.

Первый — отложение чистого льда (самый опас-

ный вид обледенения) — наблюдается при тем-

пературах от 0° до –10° С и ниже. При этом от-

вердевание переохлажденной жидкости проис-

ходит не только в точке соударения капель жид-

кости с твердой поверхностью, но и вверх по

потоку. Другой вид обледенения — изморозь —

наблюдается при температурах до –15-20° С.

Отложение льда происходит более равномерно

на поверхности ЛА и не достигает опасных раз-

меров.

Сложный процесс обледенения ЛА можно

разбить на два этапа: 1) образование «поверх-

ности смачивания» в результате всех физичес-

ких процессов, предшествующих попаданию ка-

пель на обтекаемую поверхность (крыла, сопла

и т. п.) и 2) движение и отвердевание жидкости

на самой поверхности. В данной статье мы рас-

смотрим пример расчета в ANSYS CFX эффек-

тивности захвата капель, с помощью которой

можно оценить скорость нарастания льда на по-

верхностях ЛА.

Предполагается, что пользователь в общих

чертах знаком с интерфейсом CFX версии 12.0,

поэтому описание отдельных шагов будет непол-

ным. Расчет был выполнен для трансзвукового

профиля NACA 0012 при угле атаке равным 5°;

использовалась модель многофазной негомоген-

ной среды и граничное условие «degassing

boundary condition» на соответствующих грани-

цах расчетной области.

Описание задачиДлина хорды профиля NACA 0012 составляет

1 м, угол атаки α = 5°, число Маха M = 0.4. Тем-

пература окружающей среды T = 300 K, давле-

ние P = 1 атм. Объемная концентрация воды в

потоке была принята равной 1.3 г/м3, диаметр

капель — 16 мкм.

Численное

моделирование

процесса обледенения

в ANSYS CFX

Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ðèñ. 1. Ôðàãìåíòû ðàñ÷åòíîé 3D ñåòêè

29


Внешний вид расчетной сетки показан на

рис. 1. Толщина ячейки в направлении оси Z

равна 0.1 м.

Настройки в препроцессоре CFX-Pre1. Загрузите CFX-Pre и откройте файл

«naca0012.def»: File→Open Case File.

2. Выберите тип анализа Steady в меню Out-

line→Analysis Type.

3. Определите новую расчетную область: In-

sert → Domain.

В закладке Basic Settings настройте сле-

дующие опции:

– Location: fluid;

– Domain Type: Fluid Domain;

– Fluid List: Air Ideal Gas (Morphology: Continuous

Fluid) и Liquid water (Morphology: Dispersed

Fluid with Mean Diameter: 16e-6 m);

– Reference Pressure = 1 atm.

Далее перейдите в закладку Fluid Models

и оставьте настройки всех опций по умолча-

нию. В большинстве случаев многофазные по-

токи являются негомогенными (опция

Homogeneous Model), т. е. каждая фаза (фрак-

ция) имеет собственное поле скоростей, турбу-

лентности и пр.

Затем откройте следующую закладку Fluid

Specific Models и для фазы Air Ideal Gas в опци-

ях Turbulence выберите модель турбулентности

SST, для фазы Water — Dispersed Phase Zero

Equation.

Настройте опции закладки Fluid Pair

Models как показано на рис. 3.

4. Создайте следующие выражения (Insert→Expression) для начальных концентраций

воздуха и жидкости:

– airvol = 0.9999987 [];

– watervol = 1.3e-6 [];

– mout = massFlow()@outlet.

5. Теперь следует определить граничные ус-

ловия на соответствующих поверхностях

(Insert→Boundary Condition):

5.1. На поверхностях Boundary 1, Boundary 2,

Boundary 3, sym bottom, sym top мы зада-

дим граничное условие Inlet. Поскольку по-

ток воздуха набегает на крыло под углом

5°, зададим компоненты скорости u =

138.1057 м/с, v = 12.0826 м/с и w = 0 м/с.

После этого с помощью опции Volume

Fraction следует задать начальные концент-

рации двух фаз. Для этого используйте со-

зданные ранее выражения airvol и watervol.

5.2. На поверхностях airfoil bottom и airfoil top

мы зададим граничное условие типа Outlet

c опцией Degassing Condition. Следует пом-

нить, что опцию Degassing Condition можно

использовать только в случае, когда одна

«фаза» является сплошной средой, а дру-

гая — дискретной (жидкость или твердое

тело). В этом случае для «сплошной» фазы

граничное условие «выход» интерпретиру-

ется как стенка с проскальзыванием, а

Ðèñ. 2. Çàêëàäêà Fluid Models

Ðèñ. 3. Çàêëàäêà Fluid Pair Models

Ðèñ. 4. Âûáîð îïöèè Degassing Condition



30

«дискретная» фаза может спокойно поки-

дать расчетную область.

5.3. На поверхностях sym 1 и sym 2 необходимо

задать граничное условие Symmetry.

6. Далее следует перейти в раздел Solver

Control. В закладке Solver Control опреде-

лите все необходимые опции в соответс-

твии с рис. 5.

7. В закладке Output Control создадим новую

точку для мониторинга процесса сходимос-

ти. В качестве переменной выберем массо-

вый расход на выходе из расчетной облас-

ти. Соответствующее выражение будет

выглядеть следующим образом: mout =

mass flow@outlet.

8. Сохраните файл-определения multiphase.

def: Tools→Solve→Write Solver Input File.

9. Загрузите CFX-Solver Manager.

Предварительно мы выполнили расчет для

однофазного потока. Теперь результаты этого

расчета будут использованы в качестве началь-

ных данных для моделирования течения много-

фазного потока. Для этого в разделе Initial Values

File необходимо указать директорию, где хра-

нится файл с результатами первого расчета. За-

пустите задачу на решение.

10. Загрузите постпроцессор CFD-Post. Отоб-

разите на экране распределение числа

Маха, давления и объемной концентрации

воды в плоскости симметрии.

11. Создадим выражение для расчета эффек-

тивности захвата в постпроцессоре CFX-

Post. Формула для расчета эффективнос-

ти захвата имеет вид:

На языке CEL это выражение примет вид,

показанный на рис. 8.

Распределение эффективности захвата по

обводу профиля крыла показано на рис. 9.

Данный пример разработан для текущей

12-й версии программного комплекса ANSYS

CFX. Все необходимые файлы Вы можете по-

лучить, отправив запрос по адресу

[email protected].

Ðèñ. 5. Íàñòðîéêà ïàðàìåòðîâ ðåøàòåëÿ ANSYS CFX

Ðèñ. 6. Ñîçäàíèå íîâîé òî÷êè äëÿ ìîíèòîðèíãà

Ðèñ. 7. Ðàñïðåäåëåíèå îáúåìíîé êîíöåíòðàöèè âîäû â ïëîñêîñòè ñèììåòðèè

Ðèñ. 8. Âûðàæåíèå äëÿ ðàñ÷åòà ýôôåêòèâíîñòè çàõâàòà

Ðèñ. 9. Ðàñïðåäåëåíèå ýôôåêòèâíîñòè çàõâàòà.

31




Компания Spraying Systems Co., основан-

ная в 1937 году, является мировым ли-

дером по производству промышленных

форсунок, сопел, распылителей и струй-

ных систем. Продукция компании успешно

используется в металлургической, хими-

ческой, автомобильной, целлюлозно-бу-

мажной и пищевой промышленности, ма-

шиностроении и других отраслях. С целью

повышения эффективности работы про-

изводимого оборудования, специалисты

Spraying Systems Co. уже несколько лет ис-

пользуют программный комплекс ANSYS

FLUENT. Использование программного

обеспечения для инженерных расчетов

существенно облегчило процесс проекти-

рования систем газоочистки по индивиду-

альным требованиям заказчиков.

Системы газоочистки, установленные в промыш-

ленных печах, камерах сгорания, плавильных

цехах, на перерабатывающих установках, элект-

ростанциях, удаляют токсичные вещества, такие

как оксиды азота (NOx) и диоксид серы (SO2), из

отработанных газов до момента выброса в ат-

мосферу. Компания Spraying Systems Co. произ-

водит форсунки и системы для эффективного

испарения, охлаждения, удаления пыли и про-

мышленных газов до их поступления в очистное

оборудование. Например, впрыскивание воды в

струю отработанных газов охлаждает газ с 777

°С до 327 °С, что обеспечивает оптимальную ра-

боту очистного оборудования. Если струя воды

попадает в поток отработанных газов под нера-

бочим углом, или впрыскивается слишком много

воды, капли испаряются не полностью. В итоге

кислотные пары могут оседать на стенках, узлах

и компонентах оборудования, что приводит к

эрозии, разрушениям и поломкам.

Определить размеры и расположение

форсунок, при которых возможно избежать

оседания кислотных паров и других проблем с

распылом, достаточно проблематично. Инже-

неры должны учитывать многочисленные пара-

метры, такие как температура потока, скорость

газа и содержание токсичных промышленных

газов. Кроме того, необходимо найти оптималь-

ную форму распыла для сложной системы ка-

налов, что особенно актуально для случаев мо-

дернизации старых систем выпуска отработан-

ных газов. Поскольку для решения данной про-

блемы нет универсального численного метода,

многие компании вынуждены нести огромные

Опыт проектирования

систем распыла для

различных приложений

в ANSYS FLUENT

Rudolf Schick, Spraying Systems Co., Иллинойс, США

Ôîðñóíêè Spraying Systems Co



32


финансовые и временные затраты на проведе-

ние полномасштабных экспериментов и устра-

нение неисправностей. В случае введения в

эксплуатацию неправильно спроектированных

систем, компании могут столкнуться со штраф-

ными санкциями за нарушение правил контро-

ля промышленных газов, а также убытками

вследствие простоя системы (в случае вынуж-

денного изменения конструкции).

В подобных случаях при проектировании

систем газоочистки использование методов вы-

числительной гидродинамики (CFD) имеет неос-

поримое преимущество. В одном случае перед

инженерами Spraying Systems Co. стояла задача

модернизации системы газоочистки дымовой

трубы очистительного завода. В силу ограниче-

ний конструкции, система охлаждения могла

быть установлена только на неподвижной одно-

сторонней панели дымовой трубы. Было приня-

то решение установить три форсунки для очист-

ки и кондиционирования промышленных газов.

В результате проведенных CFD-расчетов были

получены значения давления в форсунке, расхо-

да, характеристики распыла и размера капель.

Вначале, с использованием исходных дан-

ных клиента, была создана трехмерная CAD-

модель дымовой трубы. Затем геометрию им-

портировали в препроцессор ANSYS, создав

достаточно мелкую сетку, необходимую для

проведения корректных расчетов. В результате

моделирования определялись скорости и тра-

ектории капель, давление на выходе, распреде-

ление температур и общая концентрация рас-

пыла в дымовой трубе.

Результаты CFD-расчетов выявили серь-

езные проблемы в существующей системе га-

зоочистки, в частности, наличие сильно закру-

ченных потоков, нескольких областей низкого

давления, неравномерные профили скоростей

температур и застойные зоны. В такой ситуа-

ции высока вероятность оседания капель на

стенках, ответственных узлах и компонентах

оборудования. Проведя серию расчетов, специ-

алисты определили глубину размещения фор-

сунки, угол вращения и угол размещения. С

учетом характеристик потока газа в дымовой

трубе определялись оптимальные параметры

форсунки.

По результатам проведенных расчетов,

инженеры внесли изменения в существующий

проект дымовой трубы, что позволило оптими-

зировать характеристики потока газа и сделать

поля скоростей более равномерными. Благода-

ря однородности потока наблюдается равно-

мерное распределение температур и капли ис-

паряются лучше. После внесения изменений в

проект испарение жидкости повысилось на 10%,

а оседание капель на стенках и других деталях

конструкции практически прекратилось. Кроме

того, были получены профили температур на

выходе трубы с отклонением не более 7.7 % от

требуемых номинальных значений (было до-

стигнуто значительное улучшение, более чем на

42% относительно базового проекта).

Основываясь на успешном опыте приме-

нения CFD-технологий, специалисты Spraying

Systems Co. проводят многочисленные инже-

нерные расчеты при модернизации существую-

щих и создании новых проектов систем газоо-

чистки. Использование компьютерного модели-

рования помогает эффективно взаимодейство-

вать с клиентами и повышает доходы компании

от выполнения проектов. Благодаря высокой

степени автоматизации рабочих процессов, ин-

женеры получили возможность вести несколь-

ко проектов одновременно.

Ëèíèè òîêà îêðàøåíû â ìîäóëü ñêîðîñòè (ñëåâà) è ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ (ñïðàâà)

33




В современных условиях проектирование любого

серьезного спортивного сооружения (стадиона,

ледовой арены и пр.) всегда сопровождается мо-

делированием воздушных потоков внутри конс-

трукции. Это необходимо для выбора наилучших

систем отопления и кондиционирования, а также

анализа процесса дымоудаления в случае пожа-

ра и обеспечения теплового комфорта для посе-

тителей в течение всего мероприятия.

В России недавно было спроектировано не-

сколько крытых хоккейных площадок. CFD-моде-

ли систем отопления, вентиляции и кондициони-

рования воздуха были разработаны компанией

Olof Granlund Oy, ведущей финской фирмой, спе-

циализирующейся на консалтинге в сфере стро-

ительства. Спортивная арена в Москве на Хо-

дынке стала в апреле 2007 года главной площад-

кой чемпионата, который был организован Меж-

дународной хоккейной ассоциацией (IIHF). Кры-

тый стадион площадью 62000 м2 вмещает около

12000 зрителей. Процессы воздухообмена внут-

ри арены обеспечивает система вытеснительной

вентиляции, которая отлично приспособлена для

больших, полностью заполненных трибун.

С другой стороны, в крытом стадионе в Че-

реповце, рассчитанном на 6000 зрителей, конди-

ционирование воздуха в помещении обеспечива-

ется системой смесительной вентиляции. Обе

арены могут использоваться для проведения дру-

гих мероприятий, например, концертов. Поэтому

методы вычислительной гидродинамики приме-

нялись, чтобы лучше представить внутренние ус-

ловия и циркуляцию воздуха при различных сце-

нариях использования залов. Моделирование

позволило определить, насколько планируемые

вентиляционные системы приспособлены для

обеспечения желаемых условий в помещении.

Фирма Granlund применяет методы вычис-

лительной гидродинамики в исследовании усло-

вий для кондиционирования воздуха в помеще-

ниях, к проекту которых выдвигаются чрезвы-

чайно высокие требования. В связи с этим под-

робная информация о поле течения обретает

особую важность. Обычно происходит сравне-

ние нескольких систем отопления, вентиляции и

кондиционирования воздуха, отдушин, методов

строительства и других аспектов, которые ока-

зывают влияние на качество кондиционирова-

ния воздуха внутри завершенного сооружения.

Для создания расчетной модели крытой

хоккейной арены использовался сеточный пре-

процессор ANSYS ICEM CFD. CFD-моделирова-

ние было выполнено в пакете ANSYS CFX.

Первый этап моделирования является ти-

пичным для крупномасштабных строительных

проектов. При этом рассматривались отдельные

устройства нагнетания воздуха, что позволило

проверить и сравнить условия их работы. Полу-

Расчет системы

вентиляции стадиона

«Арена «Ходынка»Методы вычислительной гидродинамики применяются для

проектирования систем вентиляции спортивных арен.

Sami Lestinen, Tuomas Laine,Tom L Sundman, Olof Granlund Oy, Финляндия

Êðûòûé ñòàäèîí íà Õîäûíêå â Ìîñêâå. Ìåòîäû âû÷èñëèòåëüíîé ãèäðîäèíàìèêè èñïîëüçîâàëèñü äëÿ ðàçðàáîòêè ñèñòåìû êîíäèöèîíèðîâàíèÿ âîçäóõà â ïîìåùåíèè



34


ченные результаты предоставили группе проек-

тировщиков возможность подобрать устройства

применительно к каждому конкретному месту.

Результаты моделирования сравниваются с

данными струйной теории для воздуха, характе-

ристиками, предоставляемыми изготовителями и

замерами. Этот этап важен, если в модели необ-

ходимо получить реалистичную оценку поля тече-

ний воздуха внутри здания, которое рассматрива-

ется как единое целое. В этом случае в качестве

граничных условий можно использовать профили

приточных струй воздуха, полученные по резуль-

татам CFD-моделирования.

Подобная технология требует меньшего

количества расчетных узлов для крупной моде-

ли, что значительно экономит время. Результа-

ты, полученные для моделей отдельных объек-

тов и всего расчета в целом хранятся в библио-

теке объектных модулей, что позволит восполь-

зоваться ими в будущих проектах.

Цель моделирования ледовой арены — ус-

тановить параметры, которые в наибольшей

степени влияют на поле течения. Это гарантиру-

ет, что в местах наибольшего скопления зрите-

лей в любой момент времени будут преобладать

заданные тепловые условия.

Необходимо было распределить подачу воз-

духа таким образом, чтобы струи свежего возду-

ха были направлены в наиболее заполненные

зоны, а также улучшить тепловой режим внутри

зала в целом. Рассматривались тяга, влажность и

температурные уровни во время мероприятий

различного типа, проводимых зимой и летом.

Приточные струи, подаваемые принудительно и

возникающие в результате естественной конвек-

ции, и источники потребителей тепла создают

очень сложные трехмерные поля течений, требу-

ющие тщательного моделирования. Ситуацию ус-

ложняли недостаточная точность исходных дан-

ных, применявшиеся допущения, сходимость и

временные ограничения при проведении расчета.

Преимуществом CFD-моделирования является

то, что появляется возможность опробовать раз-

личные дутьевые устройства и системы вентиля-

ции (смесительную, вытеснительную или их ком-

бинацию). Прежде чем будет реализована пос-

тавленная цель, приходится не раз корректиро-

вать исходные допущения. Однако правильно ис-

пользуемые CFD-модели являются единственным

вычислительным методом, который может отоб-

разить поле воздушных течений внутри помеще-

ния с точностью, необходимой для целей проекти-

рования.

Ïðîôèëè òåìïåðàòóðû âíóòðè ïîìåùåíèÿ ëåäîâîé àðåíû íà Õîäûíêå

Ñòðàòèôèêàöèÿ òåìïåðàòóðíîãî ïîëÿ âî âðåìÿ êîíöåðòà ïðè ðàáîòå âûòåñíèòåëüíîé âåíòèëÿöèè. Ñòðåëêàìè óêàçàíû òî÷êè íà ïîëå, êóäà ïîñòóïàåò íàãíåòàåìûé õîëîäíûé âîçäóõ

Ïðîôèëü ñêîðîñòè ëåäîâîé àðåíû â ×åðåïîâöå âî âðåìÿ õîêêåéíîãî ìàò÷à. Èñïîëüçóþåòñÿ ñìåñèòåëüíàÿ âåíòèëÿöèÿ, ïîäàþùàÿ âîçäóõ èç-ïîä êóïîëà. Ñòðåëêè óêàçûâàþò íà îáëàñòè, ãäå ïðèòî÷íûå ñòðóè ïîñòóïàþò íà çàïîëíåííóþ ÷àñòü òðèáóí

35




В условиях экономического кризиса строительс-

тво быстровозводимых сооружений (см. рис. 1)

стало особенно актуальным, поскольку благода-

ря этому возможно в короткие сроки возводить

ангары, временные жилые комплексы, товарные

склады, при этом экономятся значительные средс-

тва по сравнению с сооружением зданий с мас-

сивным фундаментом и кирпичными стенами. В

качестве ограждающих конструкций в быстровоз-

водимых сооружениях используются так называ-

емые «сэндвич-панели». Существует большой

ассортимент подобных панелей, предназначен-

ных для кровель и стен. Все конструкции при мон-

таже скрепляются болтовыми соединениями.

При проектировании товарного склада од-

ной из важнейших задач является обеспечение

надлежащего температурного режима в течение

всего года. Для сооружений подобного объема

(размеры рассматриваемого склада: длина

200 м, ширина 60 м, высота 13,4 м) наиболее пер-

спективными являются системы кондициониро-

вания на основе фанкойлов, позволяющих как

нагревать, так и охлаждать циркулирующий че-

рез них воздух, при этом они в состоянии обеспе-

чить довольно большой расход воздуха. Фанкойл,

с помощью встроенного вентилятора, обеспечи-

вает местную рециркуляцию, а в случае наличия

фильтра — еще и очистку воздуха. Теплообмен-

ник позволяет производить нагрев или охлажде-

ние воздуха. Фанкойлы устанавливаются в поме-

щении под окном, на стене, под потолком — в

зависимости от модификации и типа. К фанкой-

лам по системе трубопроводов подводится хо-

лодная (в теплый период года) или горячая вода

(в переходный или холодный период). Мощность

подобных устройств может достигать сотен кило-

ватт. Обычно применяется несколько фанкойлов,

симметрично расположенных вдоль ограждаю-

щих конструкций, а также имеющих разветвлен-

ную систему вентиляционных каналов у кровли.

В рассматриваемой схеме (см. рис. 2) каждая из

4-систем вентиляционных каналов (5) заканчива-

ется на 8-автоматических диффузорах (4), кото-

рые меняют угол поворота лопаток для коррек-

Обеспечение

температурного режима

товарного склада в зимний

и летний периоды

с помощью ANSYS CFD

Денис Юрченко, Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ðèñ. 1. Êîìïëåêñ òîâàðíûõ ñêëàäîâ è èíôðàñòðóêòóðà.

Ðèñ. 2. Ñõåìà ïîìåùåíèÿ è ñèñòåìû âåíòèëÿöèè: à — âèä ñâåðõó, á — âèä ñáîêó



36


ции направления потока приточного воздуха, в

зависимости от режима работы общей системы

вентиляции и кондиционирования.

В режиме охлаждения, когда температура

приточного воздуха не превышает 22 °С, лопат-

ки сориентированы таким образом, чтобы обес-

печить горизонтальный выпуск струи, при этом

холодный воздух распределяется параллельно

потолку и естественным образом опускается

вниз, что позволяет достигнуть равномерного ох-

лаждения по всему объему помещения. В слу-

чае, когда система работает в режиме отопления

и температура воздуха выше 25 °С, лопатки ори-

ентируются так, что струя становится вертикаль-

ной, и ее дальнобойность увеличивается. Теплый

воздух забрасывается вниз, откуда, как более

нагретый, поднимается вверх. На рис. 2 показа-

на схема товарного склада с 16-фанкойлами, ко-

торые работают на весь объем помещения (1), а

также 4-фанкойлами, которые работают на раз-

ветвленную систему вентиляции у кровли (2). У

кровли расположено 12 вентиляционных отверс-

тий (3). На складе находится 32 ряда стеллажей

для хранения товара (6), температурный режим

которых необходимо поддерживать в строго за-

данном диапазоне температур. В расчетной мо-

дели рассматривалась симметричная половина

товарного склада, что позволило существенно

уменьшить требуемые вычислительные ресурсы

без потери точности расчета (рис. 3).

Система разветвленных вентиляционных

каналов заменялась группой диффузоров. Дан-

ное допущение предполагает довольно равно-

мерное распределение расходов по всем диф-

фузорам, что и было подтверждено с помощью

отдельной модели вентиляционного канала, на-

ходящегося в помещении. Фанкойлы рассматри-

ваемой модификации имеют входное отверстие

на поверхности нижнего торца, а выпускное от-

верстие находится со стороны, направленной к

рядам с товарами. Воздух выпускался по норма-

ли к поверхности (существует возможность ме-

нять направление потока в диапазоне ±45°С).

Между фанкойлами и ограждающими конструк-

циями существует зазор.

Расчетная блочно-структурированная сет-

ка CFD-модели строилась при помощи сеточно-

го препроцессора ANSYS ICEM CFD и содержа-

ла около 2 миллионов гексаэральных ячеек (рис.

4). Для моделируемого воздуха изменение плот-

ности от температуры подчинялось закону иде-

ального газа, вязкость и теплопроводность при-

нимались постоянными. Влияние турбулентнос-

ти моделировалось с помощью Indoor Zero-

Equation Turbulence Model [1]. Лучистый теплооб-

мен моделировался с использованием модели

дискретных ординат DO [2].

При моделировании для условий зимнего и

летнего периода на поверхности ограждающих

конструкций задавались граничные условия тре-

тьего рода, температура окружающей среды со-

ответственно –20°С и +35°С, а также коэффици-

ент теплоотдачи, учитывающий как теплообмен

с внешним воздухом, так и термическое сопро-

тивление ограждающих сэндвич-панелей.

Коэффициент теплоотдачи внутри поме-

щения рассчитывается автоматически из реше-

ния системы уравнений газодинамики и уравне-

ния энергии. Нагрев или охлаждение воздуха

вследствие его прохождения через фанкойл, мо-

делировались с помощью задания на входе и

выходе фанкойла равного расхода, а также со-

ответствующего значения температуры на его

выходе. Такие параметры, как мощность нагре-

ва/охлаждения и величина расхода, обеспечива-

емые фанкойлом, контролировались с исполь-

зованием спецификации, предоставленной про-

изводителем.

Ввиду значительных размеров сооруже-

ния, а также большого перепада температур,

число Рэлея получается закритическим, что сви-

Ðèñ. 3. Ãåîìåòðè÷åñêàÿ ìîäåëü ñêëàäñêîãî ïîìåùåíèÿ ñ ñèñòåìîé âåíòèëÿöèè

Ðèñ. 4 Ïîâåðõíîñòíàÿ ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà îáëàñòè ðåøåíèÿ: (a) — îáùèé âèä, (á) — óâåëè÷åííûé âèä âíóòðè ñêëàäà

37


детельствует о том, что задача по своей приро-

де является турбулентной и нестационарной. В

связи с этим, рассматриваемая задача реша-

лась в нестационарной постановке.

Критерием окончания счета и получения

квазиустановившегося решения являлось пре-

небрежимо малое изменение среднеобъемной

температуры на каждом шаге, а также глобаль-

ное выполнение законов сохранения массы и

энергии во всей области решения. Расчет дан-

ной задачи занял около 16 часов на одноядер-

ном персональном компьютере с частотой про-

цессора 3.0 ГГц и объемом памяти 4 Гб.

В результате решения системы уравнений

гидрогазодинамики, турбулентности, энергии

были получены подробные поля скоростей, тем-

ператур, давлений во всей области решения.

На рис. 5 показано поле температур в зим-

нее время в изометрии, вертикальном и попе-

речном сечениях области решения. Видна стра-

Ðèñ. 5. Ïîëå òåìïåðàòóð â îáëàñòè ðåøåíèÿ â çèìíåå âðåìÿ: à — èçîìåòðèÿ, á — ïðîäîëüíîå ñå÷åíèå, â –ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå, ã — íà ïîâåðõíîñòè «áîêñîâ»

Ðèñ. 7. Ïîëå òåìïåðàòóð â îáëàñòè ðåøåíèÿ â ëåòíåå âðåìÿ: à — èçîìåòðèÿ, á — ïðîäîëüíîå ñå÷åíèå, â –ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå, ã — íà ïîâåðõíîñòè «áîêñîâ»

Ðèñ. 6. Ïîëå ñêîðîñòåé â îáëàñòè ðåøåíèÿ â çèìíåå âðåìÿ: à — ïðîäîëüíîå ñå÷åíèå, á — ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå



38


тификация температур по высоте помещения: в

среднем температура в области товара на стел-

лажах колеблется от 19 °С у основания до 25 °С

в верхних слоях, что укладывается в диапазон

допустимых значений. Вдоль склада температу-

ра остается практически неизменной, а поперек

помещения перепад температур также уклады-

вается в требуемый диапазон. Однако, при дан-

ной схеме расположения фанкойлов и диффу-

зоров, можно рекомендовать сместить их таким

образом, чтобы поток воздуха был направлен в

пространство между рядами, что позволит уст-

ранить локальные зоны повышенной темпера-

туры до значения 27°С (рис. 5г), возникающие

вследствие прямого воздействия потока горя-

чего воздуха на «боксы», находящихся на стел-

лажах. На рис. 6 представлено поле скоростей в

продольном сечении (а), где максимальная ско-

рость достигает 0.5 м/с, и в поперечном сечении

(б), где скорость не превышает 2 м/с. Таким об-

разом, в рабочей зоне в зимнее время года ско-

рости потока воздуха не превышают значений,

регулируемых санитарными нормами.

На рис. 7. изображено поле температур в

летнее время в изометрии, вертикальном и по-

перечном сечениях области решения. Видна

стратификация температур по высоте помеще-

ния, максимальная разница температур не пре-

вышает 3-градусов: от 18 °С в основании до

21 °С в верхней части, что соответствует требо-

ваниям норм. Вдоль и поперек помещения пе-

репад температур также укладывается в требу-

емый диапазон. В рассматриваемом сценарии,

при той же схеме расположения фанкойлов, мы

также наблюдаем непосредственное влияние

потока охлажденного воздуха на стеллажи с то-

варом (рис. 7г). При этом видны зоны относи-

тельного переохлаждения до значения 17 °С.

На рис. 8 представлено поле скоростей в

продольном сечении (а), где максимальная ско-

рость достигает 0.7 м/с, и в поперечном сече-

нии (б), где скорость не превышает 2 м/с. Сле-

довательно, в рабочей зоне в летнее время

года скорости потока воздуха не превышают

значений, установленных санитарными норма-

ми.

Таким образом, проделав подобный рас-

чет, можно утверждать, что выбранная схема и

мощность вентиляционной системы являются

достаточными для обеспечения требований

хранения товара, а также они способны подде-

рживать неизменность и равномерность темпе-

ратурного режима во всем объеме складского

помещения. Численное моделирование позво-

ляет отобразить линии тока, а также такие ло-

кальные характеристики как температура, ско-

рость, давление и влажность в произвольной

точке или сечении области решения.

Благодаря использованию CFD-техноло-

гий инженеры-проектировщики могут более ос-

новательно рассматривать вопрос компоновки

системы вентиляции, обосновывать мощность

и тип выбираемого оборудования, а также де-

монстрировать руководству и заказчикам рабо-

ту и эффективность различных вариантов сис-

тем отопления, вентиляции и кондиционирова-

ния.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. Q. Y. Chen and W. R. Xu “A zero-equation

turbulence model for indoor airflow simulation”, Energy and Buildings, Vol. 28, 137-144, 1998.

2. E. H. Chui and G. D. Raithby. Computation of Radiant Heat Transfer on a Non-Orthogonal Mesh Using the Finite-Volume Method. Numerical Heat Transfer, Part B, 23:269-288, 1993.

Ðèñ. 8. Ïîëå ñêîðîñòåé â îáëàñòè ðåøåíèÿ â ëåòíåå âðåìÿ: à — ïðîäîëüíîå ñå÷åíèå, á — ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå

39




В данной статье мы рассмотрим различ-

ные алгоритмы генерации призматичес-

ких слоев, реализованные в сеточных

препроцессорах ANSYS ICEM CFD и TGrid.

Каждый из указанных пакетов содержит

набор расширенных опций, которые поз-

воляют генерировать более качественные

призматические слои, по сравнению с ва-

риантами, когда используются настройки

по умолчанию. Все описываемые воз-

можности пакетов относятся к послед-

нему 12-му релизу ANSYS. Отметим, что

ни один из пакетов не имеет явного пре-

имущества перед другим при генерации

призм. Однако в обоих пакетах существу-

ет много различий как на уровне интер-

фейса, так и с точки зрения наличия тех

или иных опций.

Прежде чем перейти к описанию возмож-

ностей пакетов, рассмотрим основные

ограничения и проблемные моменты в

12-й версии ANSYS ICEM CFD и TGrid.

Ограничения модуля Tetra/Prism• В закладке Advanced Prism Meshing

Parameters отключение опции Stair Step

(которая контролирует появление пирами-

дальных элементов) не оказывает никако-

го влияния на процесс генерации призм.

Вместо этого для уменьшения вероятности

появления пирамид следует использовать

опцию Auto Reduction, а также задавать бо-

лее маленькие значения параметра Min

Prism Quality и более большие значения па-

раметра Max Prism Angle.

• Некоторые опции и инструменты для рабо-

ты с призмами (например, «Select parts for

Prism» или «Split Prism») не функциониру-

ют при загрузке ICEM CFD в режиме

«aienv». Для решения этой проблемы сле-

дует загрузить ICEM CFD в режиме «FEA +

CFD Utilities» (раздел основного меню

Setting→Products).

Призматические слои в ICEM CFD и TGridICEM CFD и TGrid имеют большой набор опций

для генерации призматических слоев. Призма-

тические слои могут быть сгенерированы даже

для поверхностных сеток большой размерности.

Каждый из пакетов имеет свои характерные

особенности при генерации внутренних призма-

тических слоев: TGrid сначала создает призма-

тические слои, а затем генерирует сетку на ос-

нове тетраэдров, а ICEM CFD разбивает модель

на тетраэдры и только потом создает призмати-

ческие слои.

Пользователь может генерировать значи-

тельное количество слоев даже в таких про-

блемных местах, как узкие зазоры или при пере-

сечении поверхностей под очень острым углом.

Для этого в TGrid существует опция Proximity

Detection, которая автоматически сжимает при-

зматические слои в соответствии с топологией

геометрии. Аналогичную функцию в ICEM CFD

Сравнительный анализ

возможностей

ANSYS ICEM CFD и TGrid

для генерации

призматических слоев

Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ðèñ. 1. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Auto Reduction â ICEM CFD


40



выполняет опция Auto Reduction. Для контроля

качества элементов в подобных случаях лучше

использовать критерий Skewness, значения ко-

торого не должны превышать порядка 0.2–0.3.

Опишем стандартную последовательность

действий при генерации призм в TGrid:

1) Подготовка поверхностной сетки.

– Проверка на отсутствие разрывов между

поверхностями и улучшение качества ба-

зовой поверхностной сетки.

– Проверка ориентации граней элементов,

используемых для генерации призм.

– Изменение ориентации граней «некоррект-

ных» элементов.

2) Определение опций препроцессора для гене-

рации призматических слоев: Mesh→Prisms.

– Задание закона роста призматических сло-

ев.

– Определение дополнительных настроек

для управления процессом генерации

призм.

3) Определение опций, отвечающих за улучше-

ние качества призм.

4) Генерация призматических слоев.

5) Проецирование граней призм на соответству-

ющие поверхности.

6) Заключительное разбиение модели на эле-

менты типа «тетраэдр».

В ICEM CFD последовательность действий

выглядит по-другому:

1) Подготовка поверхностной/объемной сетки.

– Для генерации призматических слоев тре-

буется высококачественная сетка, либо

объемная на основе тетраэдров, либо по-

верхностная сетка на основе треугольных

элементов.

– Обязательно следует оценить качество ис-

ходной сетки и локализовать проблемные

места и объекты: одиночные («висячие»)

Ðèñ. 2. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Proximity Detection â TGrid

Ðèñ. 3. Ïðîáëåìíûå ìåñòà: a — îñòðûå êðîìêè, á — îñòðûå óãëû, ñ — ïðÿìîóãîëüíûå êðîìêè, ä — áëèçêîðàñïîëîæåííûå ïîâåðõíîñòè

41


ребра, «висячие» узлы, совпадающие эле-

менты и пр.

2) Как вариант, можно начать с импорта качест-

венной поверхностной сетки из внешнего сеточ-

ного препроцессора, например, GAMBIT.

– Восстановление геометрии из поверхност-

ной сетки: Edit→Mesh→Facets.

– Используйте методы «снизу-вверх», такие

как Delaunay (или Advancing Front и TGrid).

– Проверка ассоциативных связей между

геометрией и элементами поверхностной

сетки.

3) Определение опций, отвечающих за генера-

цию призматических слоев: Mesh→Global Mesh

Setup→Global Prism Settings.

4) Задание глобальных параметров, закона рос-

та, размера первого элемента у стенки, направ-

ления роста.

5) Выбор поверхностей (Part) на которых будут

выращиваться слои призм.

6) Определение опций для сглаживания сетки

(качество и направление).

7) Генерация призматических слоев.

ПроблемыМожно выделить следующие моменты, на кото-

рые следует обращать особое внимание при ге-

нерации призм:

• Определение закона роста элементов.

• Острые углы и острые кромки.

• Близкорасположенные поверхности (конт-

роль расстояния).

• Переход от призм к тетраэдрам.

• Улучшение качества элементов.

На рис. 3 показаны проблемные места, ха-

рактерные для сложных геометрических объек-

тов.

Далее мы последовательно рассмотрим

как решаются данные проблемы в пакетах TGrid

и ICEM CFD.

Закон роста элементов

В TGrid изменения толщины призматических сло-

ев (по высоте) можно контролировать тремя спо-

собами: Uniform Method, Last-Ratio Method, Aspect-

Ratio Method. В Uniform Method высота первого

элемента является величиной постоянной. Высо-

та последующих элементов определяется в соот-

ветствии с заданным законом роста. В методе

Last-Ratio высота первого элемента также являет-

ся величиной постоянной. Высота последнего

элемента задаются в процентах от размера тетра-

эдра (например, First Height = 0.1), контактирую-

щего с призмой. В методе Aspect-Ratio задается

постоянный Aspect-Ratio для первого слоя призм

(например, First Aspect Ratio = 10) и указывается

значение коэффициента роста. Примеры задания

закона роста призм в TGrid показаны на рис. 4.

В ICEM CFD можно использовать два зако-

на роста: экспоненциальный и линейный. Опция

Initial Height контролирует высоту первого эле-

мента, лежащего у стенки. Опция Height Ratio

задает скорость роста элементов (отношение

высоты призм). Для контроля высоты призм ре-

комендуется использовать опцию Prism Height

Limit Factor.

Кроме того, в обоих пакетах можно для раз-

ных областей определять разные законы роста.

В TGrid для этого есть опция Zone Specific

Growth (см. рис. 5). В ICEM CFD данная пробле-

ма решается иным способом. Для этого необхо-

димо определять закон роста призм для отде-

льных Part (группы объектов).

Следующим важным моментом при гене-

рации призм является управление направлени-

ем роста призм. В TGrid есть две опции для кон-

троля направления роста призм: Normal и

Uniform. Параметр Max Angle Change обеспечи-

вает менее жесткий контроль над направлением

роста. Этот параметр очень полезен при генера-

ции призм в районе острых кромок.

Ðèñ. 4. Ïðèìåðû èñïîëüçîâàíèÿ ðàçëè÷íûõ ìåòîäîâ çàäàíèÿ çàêîíà ðîñòà ïðèçì â TGrid: à — Uniform Method, á — Aspect-Ratio Method, â — Last-Ratio Method.

Ðèñ. 5. Çàäàíèå îòäåëüíûõ çàêîíîâ ðîñòà ïðèçì äëÿ ðàçíûõ îáëàñòåé â TGrid


42



В ANSYS ICEM CFD для контроля направ-

ления роста призм используется опция Fix

Marching Direction, которая самостоятельно вы-

бирает места, в которых призмы должны быть

«выращены» по нормали к соответствующему

треугольному элементу. При этом качество

призм контролируется с помощью переменной

Min Prism Quality. Когда опция Fix Marching

Direction отключена, направление роста конт-

ролируется с помощью переменной Ortho

weight (на рис. 6а показаны призматические

слои, сгенерированные при значении Ortho

weight = 0.1, на рис. 6б — при Ortho weight =

0.9). Если опция Fix Marching Direction включе-

на, то призмы «выращиваются» по нормали к

соответствующей грани тетраэдра, однако воз-

можно незначительное отклонение от заданно-

го направления, если качество призм является

неудовлетворительным.

При низких значениях переменной Ortho

weight во время выполнения операции сглажи-

вания ICEM CFD старается улучшить значения

Aspect Ratio общих для призм и тетраэдров гра-

ней, что способствует повышению качества этих

тетраэдров.

Кроме того, в ICEM CFD есть опция

Directional Smoothing, которая используется

только при включенной (активной) опции Fix

Marching Direction. Именно эта переменная конт-

ролирует направление «выращивания» призм

(по нормали к грани тетраэдра в пределах пер-

вого слоя призм). На последующие слои влия-

ние этой переменной не распространяется.

В TGrid есть опции Orthogonal Layers, кото-

рая выполняет можно задать число ортогональ-

ных слоев. При этом генерация каждого после-

дующего слоя будет сопровождаться проверкой

ориентации слоев относительно друг друга

(normal direction smoothing).

Генерация призм в проблемных местах

геометрии

В местах, где две поверхности пересекаются

под острым углом всегда очень трудно сгенери-

ровать призмы высокого качества. При генера-

ции призматических слоев в подобных случаях

всегда следует использовать специальные оп-

ции: в TGrid это Allow Shrinkage, а в ICEM CFD

— Auto Reduction (панель Advanced Prism Meshing

Parameters). При выборе этих опций генератор

автоматически будет отслеживать проблемные

места и локально сжимать в них призматичес-

кие слои.

Переход от призм к тетраэдральным

элементам

При генерации призматических слоев всегда

важно обеспечить плавный переход от призма-

тического слоя к основному, состоящему из тет-

раэдральных элементов. Для этого в TGrid есть

специальный алгоритм, называемый Last-Ratio.

В этом методе основным параметром является

отношение высоты призмы последнего слоя к

характерному размеру тетраэдрального элемен-

та, задаваемое в процентах — параметр Last

Percent (см. рис. 7).

Далее мы рассмотрим как эта проблема

решается в сеточном препроцессоре ICEM CFD.

Установите в ICEM CFD значение Initial Height

равным 0 (см. панель Global Prism Settings). В

этом случае ICEM CFD самостоятельно подбе-

Ðèñ. 6. Ïðè îòêëþ÷åííîé îïöèè Fix Marching Direction íàïðàâëåíèå ðîñòà êîíòðîëèðóåòñÿ ïàðàìåòðîì Ortho weight: à — ïðèçìàòè÷åñêèå ñëîè, ñãåíåðèðîâàííûå ïðè çíà÷åíèè Ortho weight = 0.1, á — ïðè Ortho weight = 0.9.

Ðèñ. 7. Îïöèè ìåòîäà Last-Ratio (TGrid)

43


рет такое значение Initial Height (высота первой

призмы у стенки), чтобы не было резкого пере-

хода от призмы к тетраэдру (рис. 8).

Если значение Initial Height сильно колеб-

лется, то рекомендуется измельчить сетку. Это

ограничит колебания высоты первой призмы и

позволит избежать появления пирамидальных

элементов в местах перехода от призм к тетра-

эдрам (или на границе пересечения двух при-

зматических слоев).

Кроме того, в ANSYS ICEM CFD есть спе-

циальный параметр Prism Height Limit Factor, ко-

торый контролирует Aspect Ratio элементов пос-

леднего призматического слоя. Полная высота

слоя, составленного из призм, в этом случае оп-

ределяется на основе заданного числа слоев и

значения Prism Height Limit Factor: если Prism

Height Limit Factor = 1, то высота призмы подби-

рается соразмерной базовому размеру треу-

гольного элемента, если Prism Height Limit Factor

= 0.5, то высота призмы ограничена значением,

равным 50% от базового размера треугольного

элемента.

Область распространения призм

В TGrid за контроль области распространения

призматического слоя отвечает специальная оп-

ция Max Adjacent Zone Angle. Параметр Adjacent

Zone Angle — это угол между направлением роста

призм (Growth Direction) и прилегающей (сосед-

ней) поверхностью. На рис. 9 показаны результа-

ты генерации призматических слоев при разных

значениях параметра Max Adjacent Zone Angle.

В ICEM CFD есть параметр Max Prism Angle,

который контролирует угол между 2-мя соседни-

ми пересекающимися поверхностями (рис. 10).

Этот параметр выполняет в ICEM CFD аналогич-

ные функции, что и параметр Max Adjacent Zone

Angle в TGrid.

Качество элементов

В TGrid в панели Prisms есть специальные пара-

метры для сглаживания/перемещения ребер

элементов и узлов для улучшения качества эле-

ментов (например, скошенности) при генерации

призм. С помощью опции Check Quality можно

Ðèñ. 8. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Initial Height äëÿ ñîãëàñîâàíèÿ ïðèçìàòè÷åñêèõ ñëîåâ âîêðóã äâóõ îáúåêòîâ

Ðèñ. 9. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Adjacent Zone Angle: à — Max Adjacent Zone Angle = 45°, á — Max Adjacent Zone Angle = 85°

Ðèñ. 10. Êîíòðîëü îáëàñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïðèçì â ICEM CFD c ïîìîùüþ ïàðàìåòðà Max Prism Angle: à — Max Prism Angle = 140°, á — Max Prism Angle = 180°


44



контролировать качество элементов по крите-

рию скошенности: в случае превышения значе-

ния, заданного в Max Allowable Skewness, про-

грамма автоматически остановит процесс гене-

рации призм.

Опция Warp отвечает за исправление ис-

кривленных (скрученных элементов). Это отно-

сится, в первую очередь, к четырехугольным

элементам.

Кроме того, для повышения качества эле-

ментов вы можете использовать следующие ко-

манды через TUI (Text User Interface): /mesh/

prism/improve с ключами «improve-prism-cells» и

«smooth-prism-cells».

В ANSYS ICEM CFD при генерации призм

можно использовать опции сглаживания поверх-

ностной треугольной сетки. Кроме того, после

генерации призм, можно выполнить операцию

сглаживания объемной сетки из тетраэдров.

Дополнительные возможностиВ ICEM CFD после генерации призм можно из-

менить высоту первого призматического эле-

мента у стенки (см. рис. 11). Это полезная опция

для выбора высоты первого элемента в соот-

ветствии с критерием Y+. На рис. 12 показаны

примеры использования данной опции.

Кроме того, используя команду Split Mesh

можно изменить число призматических слоев

после их генерации. Доступны два метода (при

фиксированном числе слоев):

• Fix Ratio: задание коэффициента роста (от-

ношение высоты N-го элемента к N-1).

• Fix Initial Height: задание высоты первого

элемента.

Во второй части статьи мы покажем приме-

ры использования расширенного функционала

TGrid и ICEM CFD при разбиении сложных моде-

лей. Все примеры будут ориентированы на зада-

чи внешней аэродинамики (см. рис. 13-14).

Автор выражает благодарность Samir Kadam

(ANSYS, Inc.) за помощь, оказанную при подго-

товке данной статьи.

Ðèñ. 11. Îïöèÿ ICEM CFD äëÿ èçìåíåíèÿ âûñîòû «ïåðâîé» ïðèçìû

Ðèñ. 12. Ïðèìåðû èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Redistribute Prism Edge â ICEM CFD

Ðèñ. 13. Êîíñòðóêöèÿ ñ ïëàâíûì ïåðåõîäîì îò êðûëà ê ôþçåëÿæó

Ðèñ. 14. Êîíñòðóêöèÿ êðûëà, îáúåäèíåííàÿ ñî ñòàáèëèçàòîðîì

Documents

ANSYS Advantage. Русская редакция 12'2009