ANSYS Advantage. Русская редакция 4'2007

ОТ ИДЕЙ К РЕШЕНИЯМОТ ИДЕЙ К РЕШЕНИЯМ™™

Инженерно-технический журнал. Русская редакция

Зима 2007

СтроительствоГЛАВНАЯ ТЕМА:

Нелинейные возможности ANSYS

Совместное использование ANSYS AQWA и ASAS в морском строительстве

Анализ причин обрушения конструкций покрытия СОК «Трансвааль-парк»

Содержание

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD, ASAS, AQWA являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании ANSYS, Inc. «От идей к решениям» является торговой маркой компании ЗАО «ЕМТ Р». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм. При

использовании материалов журнала в любой форме ссылка на журнал «ANSYS Solutions. Русская редакция» обязательна.

«ANSYS Solutions. Русская редакция»

Инженернотехнический журнал

Выходит 4 раза в год Зима 2007 (4)

Учредитель:ЗАО «ЕМТ Р»

Генеральный директор:Локтев Валерий

Руководитель проекта:Хитрых Денис

[email protected]

Научный консультант:Басов Константин

Над номером работали:Бутяга СергейЛарин Михаил

Плыкин МихаилСлюсаренко АндрейЧернов Александр

Переводчики:Дорфман АлександрЛистопадов Дмитрий

Интернетгруппа:Николаев Александр

Адрес редакции111672 Россия, Москва,

ул. Суздальская, 46,Тел.: (495) 644-0608Факс: (495) 644-0609

Тираж 1500 экз.Цена свободная

ANSYS Solutions. Русская редакция | Зима 2007www.ansyssolutions.ru

От идей к решениям ™

ЗИМА 2007

© 2007 ANSYS, Inc. © 2007 ЗАО «ЕМТ Р»

Новости и события

4-я Международная конференция пользователей ANSYS ................................. 2

Teхнологии

Технологии/ANSYS MultiphysicsАнализ причин обрушения конструкций покрытия СОК «Трансвааль-парк» ....................................................................................... 5

Расчетное обоснование НДС высотных многофункциональных комплексов ................................................. 13

Нелинейные возможности ANSYS ...................................................................... 18

Технологии/CivilFEMОпыт применения ANSYS/CivilFEM в строительных расчетах для объектов г.Москвы ........................................................................................ 21

Технологии/AQWA и ASASСовместное использование ANSYS AQWA и ASAS в морском строительстве..................................................................................... 26

Технологии/CFXМоделирование взаимодействия жидких сред и элементов конструкций в ANSYS..................................................................... 31

Мастер-класс

Мастер класс/Вы спрашивали — мы отвечаем Дистанционный запуск решателя в среде ANSYS Workbench ......................... 38

Параметрическое изменение сетки КЭ в среде ANSYS Workbench ................ 40

Мастер класс/Изучаем самиПодготовка геометрической модели в PREP7 и DesignModeler для создания сетки гексаэдров ........................................................................... 44

Построение гексаэдрической сетки в ANSYS ICEM CFD. Часть 2 ................... 48

Вне рубрики

Документация по ANSYS на русском языке ...................................................... 52




4-я Международная конференция

пользователей ANSYS

С 17 по 19 октября в Москве проходила очередная, уже четвертая по счету международная конференция пользователей ANSYS — «ANSYS Russia — 2006». Организаторами мероприятия выступили компании ЗАО «ЕМТ Р», авторизованный дистрибьютор и инженерноконсалтинговый центр ANSYS в России, и отделение корпорации ANSYS по Центральной и Восточной Европе.

В конференции приняли участие 167 специалистов и руководителей из 76 предприятий, инженернотехнических и научноисследовательских центров, проектных институтов и учебных заведений, представляющих ключевые отрасли промышленности: ТЭК, авиастроение и космос, двигателестроение, транспортное машиностроение, судостроение, металлургию, гражданское строительство и др., — из России, Украины и Белоруссии.

Сегодня компания ANSYS, Inc. является одним из лидеров среди разработчиков программных продуктов для инженерного анализа конструкций (CAE) и сопровождения научноисследовательских работ. Только за период с 2003го по 2005 год ANSYS, Inc. приобрела несколько разработчиков ПО и интегрировала их решения в среду ANSYS Workbench. Например, в начале 2005 года ANSYS, Inc. купила компанию Century Dynamics, специализирующуюся на задачах нестационарной нелинейной динамики. А 1 мая 2006 года она официально объявила о завершении оформления сделки по приобретению Fluent, Inc. — в прошлом главного конкурента ANSYS в области развития коммерческих CFDкодов. Среди партнеров ANSYS, Inc. — компании Ingeciber, Autodesk, Mathsoft, Moldflow, CoCreate, Robobat, Vistagy и др.

Со вступительным словом к участникам конференции обратился генеральный директор компании ЗАО «ЕМТ Р» Валерий Локтев. Он рассказал о значимости использования передовых решений ANSYS, способствующих внедрению инноваций в разработку и выпуск готовых изделий, а также совершенствованию технологий. Кроме того, был отмечен стремительный рост российского рынка CAEсистем и названы основные причины его привлекательности для инвестиций.

С докладами на конференции выступили специалисты ЗАО «ЕМТ Р», «Энергомаш (ЮК) Лимитед», ЗАО «Дигаз», Arbyte, ОАО «Запорожтрансформатор», ФГУП «ОКБМ им. Африкантова», ЦНИИ им. Крылова, ИТЦ «РУСАЛ», ВНИИЭФ, ФГУП «НПО машиностроения» и др. Особенно много докладов было посвящено программному комплексу ANSYS CFX. Отметим доклады «Численное моделирование турбулентного течения в центробежном компрессоре» П.Е.Смирнова, «Моделирование капельноструйных течений в ANSYS CFX 11.0» Е.Ю.Кумзеровой (НТС, СанктПетербург) и пр.

Наиболее интересные доклады конференции мы опубликуем в следующем номере журнала «ANSYS Solutions».

От компании ANSYS в конференции участвовали управляющий директор компании ANSYS по Центральной и Восточной Европе гн George Schuerer, региональный директор компании ANSYS по продажам в развивающихся странах гн Bob Gilliver, менеджер по продажам в Восточной Европе компании Fluent, Inc. гн Thomas Willkommen и Phil Cheetham, директор направления ANSYSOFFSHORE.

George Schuerer и Bob Gilliver любезно согласились ответить на наши вопросы.

Позвольте поприветствовать наших гостей от лица читателей и задать первый вопрос: какие события для компании ANSYS, Inc. в уходящем году вы считаете наиболее значимыми?

George Schuerer: Я думаю, что основным достижением является то, что ANSYS, Inc.

Организаторы и участники 4-й Международной конференции ANSYS

2

3


продолжает проводить свою политику ведущего разработчика программного обеспечения для инженерных и научных расчетов, и в этом смысле большое значение приобретает факт присоединения к ANSYS, Inc. компании Fluent, Inc. В настоящее время компания Fluent является признанным лидером в области создания ПО для решения задач вычислительной гидродинамики. Таким образом, в ANSYS, Inc. практически удвоилось количество сотрудников, а доход компании вырос со 150 до 260 млн долл.

Означает ли, что, приобретя Fluent, компания ANSYS переориентирует свой бизнес на аэрокосмическую и автомобиль-ную отрасли, где CFD-технологии особенно востребованы?

G.S.: Слияние наших компаний следует понимать как объединение возможностей программных продуктов ANSYS и Fluent. Мы уже получили много положительных отзывов от наших клиентов, и это слияние только усилит наши позиции на рынке. Что касается наших предпочтений, то в компании ANSYS всегда существовало разделение бизнеса на несколько направлений: аэрокосмическое, автомобильное, нефтегазовое, химическое и др. И мы гордимся тем, что ни один из этих сегментов не составляет более 20% нашего бизнеса, а следовательно, наши решения успешно применяются практически во всех отраслях промышленности.

Какие направления развития комплек-са ANSYS руководство компании считает наиболее перспективными?

G.S.: Основная концепция развития ANSYS заключается в дальнейшей интеграции всех продуктов в рамках единой среды Workbench. Наши финансовые инвестиции распределены по четырем основным направлениям. Вопервых, это аэрокосмическая отрасль, в которой используются лицензии ANSYS Structural, Mechanical и продукты CFDгруппы, которые могут взаимодействовать друг с другом посредством Workbench. Вовторых, виртуальное моделирование, позволяющее проектировать изделия, которые требуют одновременного проведения нескольких типов расчетов: прочностного, анализа температурного состояния, гидродинамического и др. Втретьих, мы вкладываем средства в разработку новых, более быстрых методов расчета и обработки данных в пре и постпроцессоре. Система становится все более легкой и удобной в использовании и, что не менее важно, позволяет быстрее добиваться конечного результата. Вчетвертых, мы развиваем направление совместной работы различных расчетных групп над единым проектом. Эти четыре сбалансированных направления являются основой для дальнейшего развития продуктов ANSYS.

В чем заключается, по вашему мнению, отличие российского рынка CAE от евро-пейского?

Bob Gilliver: В целом мы не видим особых различий российского и европейского рынков CAEсистем. Единственное, что отличает его здесь, — это стремительный рост продаж. В России нашим надежным и многолетним партнером является компания ЗАО «ЕМТ Р», которую возглавляет Валерий Локтев. У нас есть здесь также несколько Verification Labs, созданных на базе ведущих российских университетов, которые занимаются тестированием программных продуктов ANSYS (преимущественно CFDгруппы).

Существуют ли на данном уровне раз-вития науки и техники какие-либо принципи-альные ограничения, препятствующие более активному использованию CAE-систем?

B.G.: Одно из главных ограничений, с которым может столкнуться наш заказчик, связано с построения им вычислительной сети достаточного быстродействия. Современное оборудование позволяет создавать кластерные системы неограниченной мощности и решать вычислительные задачи практически любой степени сложности. ANSYS, Inc. является первой в мире компанией, которая преодолела рубеж в 100 млн степеней свободы.

Рабочий момент конференции

Выступает George Schuerer, управляющий директор компании ANSYS по Центральной и Восточной Европе

�



G.S.: Объективных причин, препятствующих более широкому распространению ANSYS, не существует. Единственное ограничение — финансовые возможности заказчика. Ведь недостаточно просто купить лицензионное ПО и вычислительную технику — необходимо еще обучить персонал. Например, если говорить о нашем продукте ANSYS CFX, то мы давно преодолели все сложности, связанные с математической постановкой задачи, и наши заказчики уже применяют расчетные сетки, состоящие из 1 млрд элементов.

Какие основные преимущества имеют программные продукты ANSYS перед кон-курентами?

G.S.: Помимо уже перечисленных особенностей, решения ANSYS имеют большое преимущество в области высоконелинейных динамических расчетов. Как вы знаете, в прошлом году компания ANSYS, Inc. приобрела фирму Century Dynamics, которая специализируется именно на моделировании нелинейных задач. В области CFDрасчетов мы предлагаем теперь на выбор два лидирующих продукта: CFX и Fluent. Все

наши продукты очень сильные, но мы к тому же обеспечиваем возможность их интеграции в единую расчетную среду ANSYS Workbench. На протяжении последних пяти лет мы успешно претворяем в жизнь концепцию интеграции продуктов, и это уже оценили наши пользователи, в том числе и российские. Для крупных компаний философия развития продуктов и их интеграция не менее важны, чем функциональность отдельных модулей. Пока ANSYS, Inc. — единственная компания, которая достигла столь высокой степени интеграции своих CAEпродуктов, благодаря чему мы успешно вытесняем конкурентов во всех отраслях.

Одним из важных элементов стратегии ANSYS, Inc. является изменение последовательности применения CAEтехнологий при проектировании новых изделий. Если еще десять лет назад доминировала практика поверочных расчетов, то сегодня концептуальный проектировочный CAEрасчет выполняется до детального моделирования изделия. Это позволяет с минимумом итераций, а иногда и с первого раза спроектировать оптимальную конструкцию. Следовательно, инновации заключаются в изменении самой методики проектирования, что обеспечивает сокращение времени проектирования и повышение доходности предприятия заказчика. С точки зрения инноваций больший вклад вносят все же расчетчики, а не конструкторы. Именно на стадии проектировочных расчетов задаются характеристики будущего изделия.

Год назад компания Dassault Systemes приобрела пакет ABAQUS и на его основе создала свой новый бренд SIMULIA. Счита-ете ли вы целесообразной интеграцию CAE-систем с CAD?

B.G.: Наша стратегия фокусируется на разработке ПО для инженерного анализа. Интеграция ANSYS с какойлибо CADсистемой не является для нас приоритетной задачей — ее целесообразность мне кажется довольно спорной. Дело в том, что геометрические модели для расчетов и изготовления, как правило, сильно различаются. В плане интеграции среда ANSYS Workbench предоставляет пользователю гораздо большие возможности. Другое дело — интеграция с PDMсистемами. Например, ANSYS, Inc. разработала программный интерфейс с PDMсистемой Teamcenter фирмы UGS, который уже используется нашими заказчиками. В качестве примера можно привести российскую компанию «Энергомаш (ЮК) Лимитед».

G.S.: Естественно, наши продукты могут обмениваться данными с CADсистемами, но, на наш взгляд, в тесной интеграции между CAD и CAEсистемами пока нет необходимости.

Спасибо за ответы. Надеемся в буду-щем году вновь увидеть вас в России!

Bob Gilliver, региональный директор компании ANSYS (слева), и Александр Чернов, ведущий специалист ЗАО «ЕМТ Р»

Выступает Thomas Willkommen, менеджер по продажам в Восточной Европе компании Fluent, Inc.

�


В рамках строительной экспертизы был выполнен анализ причин обрушения боль-шепролетного здания спортивно-оздоро-вительного комплекса (СОК) «Трансва-аль-парк». В настоящей статье мы рас-скажем об опыте применения ANSYS при численном моделировании поведения и сценариев обрушения системы «грунто-вое основание — ж/б каркас — стальные колонны со связями — ребристая ж/б оболочка покрытия» СОК.

Математические модели: общее описаниеПрограмма расчетных исследований включала разработку и верификацию с помощью ANSYS следующих расчетных моделей сооружения СОК:• статическая модель, воспроизводящая

геометрико-жесткостные, инерционные и нагрузочные характеристики системы «ме-

таллические колонны со связями — реб-ристая ж/б оболочка покрытия»;

• статическая модель системы «сооруже-ние — грунтовое основание», учитываю-щая данные геологических изысканий и геодезических исследований;

• динамическая модель системы «колон-ны со связями — ребристая ж/б оболочка покрытия» для определения значимого спектра собственных частот и форм и для анализа влияния пульсационных ветро-вых, сейсмических, вибродинамических нагрузок;

• модель системы «колонны со связями — ребристая ж/б оболочка покрытия» для уче-та физической нелинейности (для железо-бетона — эффекты ползучести, растрески-вания и др., для металла — пластичность и образование трещин) и геометрической нелинейности — большие перемещения оболочки покрытия;

Анализ причин обрушения конструкций покрытия

СОК «Трансвааль-парк» А.М.Белостоцкий, ЗАО «НИЦ «СтаДиО», МГСУ

С.И.Дубинский, МГСУ

Здание СОК «Трансвааль-парк» после обрушения конструкций покрытия (фото Владара Бондарева, «Новая газета»)

Технологии

�



• объемные твердотельные модели наибо-лее напряженных узлов системы покры-тия, разрушение которых могло привести к частичному обрушению системы (верхние и нижние узлы металлических колонн, со-единения горизонтальных связей-распорок Р1 с колоннами и закладными деталями в стенах, соединение связей С1 с колонна-ми, устойчивость колонн).По результатам верификационных расче-

тов можно сделать вывод о взаимном соответ-ствии расчетных моделей ANSYS, Лира, СТА-ДИО и SCAD.

Кроме того, стоит обратить внимание на следующие факторы, которые необходимо учиты-вать при выполнении подобного рода расчетов:• значимость температурных факторов;• достоверное численное определение эпюр

стационарного ветрового давления для ха-рактерных направлений ветра;

• необходимость учета динамических нагру-зок вообще и пульсационных ветровых на-грузок в частности;

• определяющая роль эффектов физической (ползучесть бетона) и геометрической (боль-шие перемещения оболочки) нелинейности в адекватном описании работы системы;

• подтвержденная расчетами возможность работы системы по схемам, отличным от принятой в проекте (в частности, шарнир-ное опирание колонн снизу и сверху): от-рыв крайних колонн от нижней закладной; чрезмерно большие сдвигающие усилия и угрожающий уровень выявленных числен-но квазиупругих напряжений в верхнем узле колонн, которые могут привести к раз-рушению блюмса, сварных швов, массива бетона опорного контура оболочки. Все это требует привлечения нелинейных моделей поведения металлов и бетона.

Рис. 1. Оболочечно-стержневая ANSYS-модель системы «ж/б оболочка — металлические колонны со связями» СОК «Трансвааль-парк». Ребристая ж/б оболочка покрытия (фрагменты)

Рис. 2. Стержневые КЭ (колонны, связи, ребра). Справа: верхний и нижний узлы колонны

7


С учетом результатов верификации была разработана уточненная «унифицированная» многопараметрическая оболочечно-стержне-вая модель, воспроизводящая все особенности геометрии, свойств материалов и НДС системы «ребристая оболочка — колонны со связями» для стадий распалубки, завершения строитель-ства и эксплуатации (рис. 1 и 2). Конечно-эле-ментная модель содержит 30 «материалов»/се-чений, около 1� тыс. узлов и 20 тыс. стержневых и оболочечных КЭ.

Калибровка моделейСтадия распалубки важна не только как форми-рующая начальное НДС, которое в значитель-ной мере определяет поведение конструкции на последующих стадиях строительства и эксплу-атации. Интерес также вызывает наличие на-турных измерений прогибов, по которым можно «калибровать» математическую модель. Были рассмотрены линейно-упругие и нелинейные (растрескивание опорного контура, изменение жесткости верхнего узла колонн) задачи для стадии распалубки. В качестве нагрузок были заданы собственный вес конструкций и суточ-ный температурный перепад; перголы отсут-ствовали. В рамках линейно-упругих моделей растрескивание опорного контура и пониженная жесткость верхнего узла колонн моделирова-лись приведенными характеристиками:

Eбет = 30 000 МПа, Eоп.конт = 9000 МПа, J′блюмс = Jблюмс / 10.

Основные результаты вариантных статических расчетов, выполненных в ANSYS и СТАДИО:

прогибы оболочки достигают 12� мм (что близко к замеренной величине 134 мм) только за счет растрескивания бетона опорного кольца и при-легающей зоны 200-мм скорлупы, а при неучете этого фактора едва дотягивают до 80 мм.

Расчеты, связанные с определением соб-ственных частот и форм колебаний механичес-ких систем, являются наиболее информативны-ми с точки зрения верификации моделей, пос-кольку, с одной стороны, интегрируют многие факторы и параметры расчетной модели, а с другой — позволяют выявить их различие.

Первой рассматривалась грубая модель конструкции покрытия СОК для шарнирного со-единения колонн-труб с жестким основанием и оболочкой при «начальном» значении модуля упругости бетона Eбет = 30 000 МПа — условно этап распалубки.

Расчет динамических характеристик по-казал выраженную жесткостную диспропорцию оболочки покрытия и колонн со связями. Это видно по первым трем формам собственных ко-лебаний расчетной модели конструкции, в кото-рых оболочка в целом перемещается в горизон-тальной плоскости (по первой форме собствен-ных колебаний — поступательно, а по второй и третьей — вращательно) как твердое тело. Только начиная с четвертой формы оболочка начинает деформироваться в вертикальном направлении, как это принято в традиционном представлении о динамических деформациях оболочечных конструкций.

Все используемые в верификационных ис-пытаниях программные комплексы дали весьма близкие значения первых десяти собственных

«Тестовая» модель покрытия. Низшие собственные частоты колебаний, Гц

№ ANSYS СТАДИО* Лира Форма

1 0,7876 0,7628 0,780 0,7627 0,7876 Сдвиг

2 1,1691 1,1193 1,157 1,1190 1,1691 Поворот

3 1,5932 1,5687 1,579 1,5691 1,5932 Поворот

4 2,0502 2,0808 2,057 2,0927 2,0502 n**= 1, m***= 1

5 2,2774 2,3620 2,278 2,3122 2,2774 n = 2, m = 1

6 2,3616 2,5147 2,354 2,3848 2,3616 n = 3, m = 1

7 2,4630 2,6976 2,442 2,4673 2,4630 n = 4, m = 1

8 2,5682 2,8231 2,536 2,5613 2,5682 n = 5, m = 1

9 2,6035 2,9778 2,574 2,6179 2,6035 n = 3, m = 2

10 2,7524 3,1599 2,706 2,7161 2,7524 n = 6, m = 1

* 1-й столбец — среднестенные оболочечные КЭ, 2-й — тонкостенные КЭ Олмана, 3-й — тонкостенные КЭ с моментным ПНС.** n — число полуволн в окружном направлении оболочки.*** m — число полуволн в радиальном направлении оболочки.

8



частот при одинаковой последовательности со-ответствующих им форм колебаний (см. табли-цу), что подтверждает идентичность расчетных моделей и достоверность полученных резуль-татов.

Выявленное расчетами низкое значение первой частоты указывает на необходимость проведения динамического расчета на действие пульсационной составляющей ветровой нагруз-ки, а плотный спектр собственных частот свиде-тельствует о возможности резонансных откли-ков системы на вибродинамические, сейсмичес-кие и виброакустические воздействия.

Стадии завершения строительства и эксплуатацииЛинейно-упругие модели от действия собствен-ного веса, веса кровли с утеплителем, снеговой нагрузки и средней ветровой нагрузки для раз-личных периодов строительства и эксплуатации СОК показали объяснимое нарастание пере-мещений, усилий и напряжений в критических несущих конструкциях по сравнению с учетом только собственного веса (этап распалубки).

Для уточнения влияния изменения свойств железобетона необходим дополнительный ана-лиз, позволяющий учитывать нелинейность деформирования бетона и арматуры, кинетику образования и раскрытия трещин в наиболее напряженных зонах, образование очагов разру-шения в бетоне.

При нелинейном моделировании бетона в ANSYS обычно применяется модель CONCRETE, которая описывает поведение хрупких материа-лов. При достижении любым главным напряже-нием растяжения поверхности разрушения воз-никает трещина и напряжения в этом направле-нии внезапно падают до нуля. При предельном сжатии возникает крошение. Для каждого глав-

ного направления проводится проверка по кри-терию William-Warnke. Упрочнение не предпола-гается ни для растяжения, ни для сжатия.

При анализе поведения конструкции при длительном загружении следует учитывать вли-яние реологических процессов и возникновение дополнительных деформаций ползучести для данных свойств бетона с учетом геометрии обо-лочки и влажности.

Нелинейные расчеты, выполненные в ANSYS, показали теоретически объяснимое различие с результатами линейно-упругих рас-четов. В частности:1. Интенсивное нарастание перемещений и

усилий в первые 40-�0 дней после распа-лубки как проявление длительной ползу-чести, удовлетворительно согласующееся с доступными натурными наблюдениями.

2. Влияние геометрической нелинейности, особенно выраженное для зон оболочки с минимальными приведенными жесткост-ными характеристиками.

AРис. 3. Расчет оболочки с колоннами и связями с учетом ползучести бетона: a — изменение во времени прогибов (мм; максимальный — красный, на биссектральной плоскости — синий и радиальное перемещение — зеленый) при учете ползучести в бетоне; б — прогибы (мм) для T = 120 дней

Рис. 4. Сжимающие напряжения (МПа) для T = 120 дней

Б

9


3. Вызванное вышеупомянутыми эффектами возрастание усилий в опорной системе, в частности в распорках Р1 (до 48-�0 т).Заметим, что параметры НДС достиг-

ли угрожающе большого максимума как раз к 14 февраля 2004 года. В этот день был зафик-сирован максимум снеговой нагрузки.

Результаты линейно-спектральных рас-четов системы на вибродинамические и сейс-мические воздействия показали, что они могут быть исключены не только из числа версий раз-рушения, но и из набора значимых, требующих учета факторов. Полученные амплитуды дина-мических напряжений для наиболее нагружен-ных элементов системы находятся ниже порога чувствительности, то есть не вносят свой вклад в усталостную повреждаемость.

Для оценки влияния разрушения критичес-ких, тяжело нагруженных зон/узлов конструкций покрытия на инициирование обрушения всей системы были построены и проанализированы вариантные расчетные модели системы «обо-лочка — колонны со связями».

Результаты статических расчетов по этим моделям показывают:• прогрессирующий характер разрушения

всей системы при образовании радиаль-ной трещины в опорном контуре;

• существенную перегрузку соседних колонн при выходе колонны из опорного контура;

• значимое перераспределение усилий в опорной системе при обрыве связей Р1.Реальные процессы разрушения, отра-

женные в рассмотренных статических моде-лях, носят сильно выраженный динамический характер и могут приводить к более значимым перегрузкам.

Система «грунтовый массив — сооружение»Сложный характер работы сооружения с пере-менными по площади жесткостями и нагрузка-ми, необходимость учета реального рельефа и пространственного распределения различных грунтовых фракций делают обоснованным при-менение продвинутых моделей основания. В рас-четах использовалась упруго-пластическая мо-дель грунта Друкера-Прагера с известными из испытаний грунтов по ГОСТ механическими па-раметрами (модуль деформации, коэффициент Пуассона, угол внутреннего трения и удельное сцепление). Трехмерная конечно-элементная модель массива основания с учетом реального рельефа и слоистости показана на рис. �.

На разработанной суперэлементной мо-дели комплексной системы «основание — фун-даментная плита с каркасом — конструкции покрытия» СОК (суперэлемент 1 — грунтовый массив, 2 — фундаментная плита с каркасом, 3 — подсистема «ребристая ж/б оболочка — ме-таллические колонны со связями») были прове-дены расчетные исследования НДС для различ-ных этапов возведения фундаментной плиты, каркаса, оболочки и заполнения бассейнов. Рас-смотрены все значимые варианты нагружения, а также их значимые линейные комбинации-соче-тания. Расчеты показали:• удовлетворительное соответствие указан-

ных результатов данным геодезических наблюдений, выполненных на стадии стро-ительства объекта (максимальная осадка за период с начала до завершения строи-тельства — до 2� мм);

• возникновение неразрушающих (на поря-док меньших), но и не пренебрежимо ма-лых перемещений, деформаций, усилий и напряжений в подсистеме «металлические колонны со связями» покрытия в процес-се строительства, ввода в эксплуатацию (монтаж технологических систем, возведе-ние конструкций и заполнение бассейнов)

Рис. 5. Эквивалентные напряжения (МПа) в элементах, моделирующих арматуру в ребрах

Рис. 6. Трехмерная конечно-элементная модель системы «грунтовый массив — сооружение» СОК «Трансвааль-парк»

10



и самой эксплуатации (осушение/заполне-ние бассейнов и технологических систем), нарушающих симметрию расчетного НДС.Таким образом, выдвинутая сначала вер-

сия о решающем влиянии деформативности системы «грунтовое основание — ж/б фунда-ментная плита и каркас» на поведение и раз-рушение системы «ж/б оболочка — металли-ческие колонны со связями» не нашла своего подтверждения.

Были разработаны и исследованы уточ-ненные объемные физически (ползучесть и трещинообразование бетона, пластичность и развитие трещин в металле блюмса и сварки), геометрически (большие перемещения, потеря устойчивости) и структурно (контакты элементов с трением и отрывом) нелинейные конечно-эле-ментные модели критических узлов конструкции СОК, обеспечивающие анализ их напряженно-деформированного состояния, прочности, устой-чивости и разрушения в рамках выдвинутых версий причин и сценариев разрушения.

Верхний узел колоннДля верхнего узла опорной колонны была по-строена объемная КЭ-модель, содержащая приблизительно 40 тыс. узлов (для 1/2 части с учетом симметрии задачи), — рис. 7. Модель включала блюмс, ребра, закладную пластину, крышку трубы и сварные швы. Использовались конечные элементы второго порядка с промежу-точными узлами (шестигранный двадцатиузло-вой и тетраэдральный десятиузловой), а также контактные элементы. С учетом доминирую-щего влияния на НДС изгибающего момента, возникающего от прогибов оболочки (кручения опорного контура), был рассмотрен именно этот нагружающий фактор.

Результаты выполненных расчетных ис-следований для двух подтвержденных длин катетов сварного шва «блюмс — закладная пластина» (1� мм — по проекту, 22 мм — в не-которых «натурных» колоннах) с учетом раскры-тия контактов «блюмс — закладная пластина» и «блюмс — боковые ребра» и возникновения пластических деформаций (приняты реальные диаграммы деформирования металла блюмса и сварных швов) позволяют:• определить зависимость угловой подат-

ливости этого узла (до его разрушения) от изгибающего момента, отличную от идеального шарнира и от защемления (в 10-�0 раз меньше для этапов распалубки и эксплуатации), и использовать ее в рас-четах системы «оболочка — колонны со связями»;

• выявить реальное НДС и возможные меха-низмы разрушения.

Полученные результаты численного мо-делирования подтверждают и конкретизируют несовершенство проектного и реализованно-го вариантов верхнего узла колонн, «рабочее» состояние которого является либо докритичес-ким с восприятием и передачей на колонны со связями значимого момента до 10-1� тсм), либо закритическим с разрушением по сварке или по телу блюмса, сопровождаемым мгновенным па-дением момента и динамическим нагружением системы.

Нижний узел колоннБыла составлена также объемная КЭ-модель нижнего узла колонны, состоящая из � тыс. уз-лов (для 1/2 части модели с учетом симметрии задачи). Использовались конечные элементы второго порядка с промежуточными узлами,

Рис. 7. Параметризованная трехмерная нелинейная конечно-элементная модель верхнего узла колонн

Рис. 8. Эквивалентные напряжения (МПа) для М = 9,44 тсм

11


а также контактные элементы. В качестве ос-новных нагрузок были заданы сдвигающие уси-лия, которые по результатам расчетов достигли 400 кН и выше для эксплуатационного состоя-ния, и угол поворота.

Устойчивость колонны со связямиБыли разработаны оболочечные модели ко-лонны с двумя коробами с использованием восьмиузловых изопараметрических конечных элементов второго порядка, поддерживающих сдвиг. Верхняя и нижняя зоны колонны (блюмс с ребрами) моделировались жесткими стержне-выми конечными элементами. Внизу были зада-ны условия шарнирного опирания, вверху и по границе коробов — заданные нагрузки и (или) перемещения. Задача решалась в физически (пластичность металла колонн) и геометричес-ки (значимые перемещения) нелинейной по-становке. Результаты расчетных исследований, представленные на рис. 9, свидетельствуют о том, что потеря устойчивости сжатой колонны с растянутыми связями Р1 происходит не по

традиционной стержневой форме при высокой критической нагрузке, а по сугубо оболочечной форме в зоне коробов (с изменением кольцевой формы сечения на сложную эллипсообразную c большим радиальным прогибом со стороны внешней стороны колонны) при весьма высоком уровне пластических деформаций при нагруз-ках, близких к заданным (0,9� — для варианта 1; 1,14 — для варианта 2).

Опорный ж/б контур оболочкиВыполненное моделирование ребристой обо-лочки толщиной 70-100 мм пластинчато-оболо-чечными и стержневыми конечными элемента-ми, по нашему мнению, является обоснованным. Тем не менее в условиях довольно высоких сжи-мающих напряжений на большей части площади необходим анализ прочности по растрескиванию в критических зонах стыка ребер и скорлупы на объемных моделях. Как показали проведенные тестовые расчеты, применение объемных эле-ментов бетона даже при одном слое элементов по толщине возможно без потери точности.

Рис. 9. Оболочечное деформирование и потеря устойчивости колонны со связями СОК: a — перемещения наружной, внутренней и верхней точек колонны; б — эквивалентные пластические деформации, εmax = 19,8%

Рис. 10. Опорный контур: a — эквивалентные напряжения в арматуре и закладной пластине со стержнями (σmax = 69 МПа); б — растягивающие напряжения в оголовке (МПа)

A Б

A Б

12



При 10%-ной нагрузке (от полной нагрузки распалубки) выявлено резкое изменение жест-кости системы, вызванное появлением большой зоны трещинообразования. Как показал анализ результатов расчетов, НДС бетонной части в нели-нейной постановке существенно зависит от жест-кости колонны со связями. Важным для общей жесткости системы является изгиб относительно слабо армированной зоны переменной толщины (от 200 до �00 мм). При 12-1�%-ной нагрузке про-изошло резкое уменьшение жесткости системы, вызванное появлением большой зоны трещино-образования в опорном контуре (рис. 10).

ВыводыВ ходе экспертных исследований была под-тверждена возможность разрушения сооруже-ния СОК «Трансвааль-парк» по двум сценариям, связанным с ошибками проектирования:1. Толчком к разрушению покрытия стало

подготовленное всей статической и цикли-ческой историей нагружения разрушение одного из тяжело нагруженных узлов опор-ной системы или потеря устойчивости од-ной из колонн (вследствие больших плас-тических деформаций в зоне соединения с распорками), что привело к образованию, распространению и раскрытию субради-альной трещины в оболочке. В завершаю-щей стадии падающая оболочка потянула за собой всю опорную систему, не рассчи-танную на такие нагрузки.

2. Сначала произошла потеря устойчивости гибкой ж/б ребристой оболочки (вследствие больших перемещений, вызванных в том чис-ле проявлением эффекта ползучести бетона под действием весовой и снеговой нагрузок), сопровождаемая образованием локальных и магистральной трещин. А после раскрытия указанной и, возможно, кольцевой магист-ральной трещин падающая оболочка потяну-ла за собой всю опорную систему.Архитектурное инженерно-техническое и

административно-бюрократическое сообщества должны усвоить, что эффективное, не ограничи-вающее свободу творчества архитектора решение задач обеспечения надежности и безопасности уникальных сооружений возможно только силами квалифицированных специалистов-расчетчиков с применением математического моделирования и численных методов, реализованных в совре-менных программных комплексах. Эти матема-тические модели должны сопровождать объекты на всех этапах их жизненного цикла (проектиро-вания, строительства, эксплуатации, ремонта и реконструкции), обеспечивая адекватный анализ и прогноз их состояния в составе информацион-но-диагностических систем мониторинга.

13


В статье приводится методика и обоб-щаются результаты численного модели-рования напряженно-деформированного состояния (НДС) высотного многофунк-ционального комплекса (заказчик и ав-тор проекта — ООО «Профпроект», глав-ный конструктор — Д.К.Каличава). Ра-боты выполнены с учетом повышенных требований МГСН 4.19-2005 [1]. В качест-ве основного инструмента расчетных ис-следований использовался программный комплекс ANSYS [2].

Участок строительства проектируемого высотного комплекса расположен в пределах флювиогляциальной равнины, осложненной склоном засыпанного оврага на северозападе участка. Насыпь сложена суглинками, перекопанными с песком, с обломками кирпича, бетона, осколками стекла, со щепой древесины и т.п. Под насыпными грунтами залегают суглинки, глины мягкопластичной и тугопластичной консистенции, супеси пластичные и пески пылеватые, мелкие, средней плотности и плотные влажные и водонасыщенные.

К настоящему моменту часть грунтового основания под центральной зоной здания усилена сваями «РИТ». Для устранения возможного крена здания и его чрезмерной осадки в рассматриваемом конструктивном решении фундирования основания предполагается дополнительное устройство буронабивных свай.

Объемнопланировочные и конструктивные решения не имеют прямых аналогов: поперечное сечение (план) здания имеет эллипсовидную форму, для высотной части здания принята перекрестностеновая диафрагменная схема несущих конструкций. Пространственная жесткость и устойчивость всего жилого комплекса обеспечиваются совместной работой вертикальных монолитных диафрагм жесткости, лестничных и лиф

товых блоков, объединенных жесткими поэтажными монолитными железобетонными дисками перекрытий. На уровне нижних этажей (–3, –2 и –1) к зданию примыкает подземная автостоянка, которая отделена деформационным швом.

Фундамент высотной части здания представляет собой коробчатую конструкцию эллипсовидной формы. Высота конструкции — 4,6 м. Она включает нижнюю монолитную железобетонную плиту полигональноэллипсовидной формы (размер ≈ 102,7Ѕ35,03 м, толщина — 1,200 м) и верхнюю плиту (толщина — 0,4 м). Плиты соединены между собой ребрами жесткости (монолитными железобетонными стенами толщиной 0,6, 0,4 и 0,25 м). Для повышения жесткости здания и равномерной передачи нагрузок на фундаментную плиту по периметру наружных стен на уровне –3го этажа устраиваются контрфорсы толщиной 0,4 м.

Колонны с сечением 575Ѕ600 мм, расположенные по торцам здания, возводятся с –3го по 40й этаж. На –2м и –1м этажах по периметру здания расположены колонны с сечением 300Ѕ500 мм. Шахты лифтов выполняются из монолитного железобетона толщиной 250 мм. Лестничные клетки — из монолитного железобетона со сборными маршами. Толщина стен лестничных блоков — 250 мм.

Рассмотрены следующие варианты высотного комплекса: одно и двухподъездный, с плитным и плитносвайным коробчатым фундаментами. Помимо ANSYS расчеты НДС здания были выполнены в альтернативных программных комплексах. Рассматривались статические вертикальные и ветровые нагрузки с учетом взаимодействия с грунтовым основанием [35]. При этом коэффициенты постели эквивалентного неоднородного винклеровского основания для вариантов плитного и плитносвайного фундаментов принимались по результатам расчетных конечноэлементных исследований

Расчетное обоснование НДС высотных

многофункциональных комплексов

А.М.Белостоцкий, С.Б.Пеньковой, ЗАО «НИЦ «СтаДиО»В.В.Орехов, ООО «МИГГ»

Д.К.Каличава, ООО «Профпроект»С.И.Дубинский, ООО «ГК Техстрой»


14



трехмерной системы «коробчатый фунда-мент — грунтовый массив (нелинейная модель Ю.К.Зарецкого)» [7] (рис. 1 и 2). Параметры модели Зарецкого, сформулированной в рамках теории пластического течения с упрочнением, определяются при стандартных стабилометрических испытаниях грунта по траекториям раздавливания [6, 8].

Также были рассмотрены сейсмическое воздействие и варианты локальных разрушений несущих конструкций, регламентированные МГСН 4.192005. Расчетный анализ последствий этих разрушений позволяет оценить устойчивость здания против прогрессирующего обрушения.

На рис. 3 показаны оболочечностержневые модели двухподъездного варианта здания, построенные в комплексе ANSYS.

Для моделирования колонн и балок использовались конечные элементы типа BEAM4, а для представления стен, фундаментных плит и плит перекрытий — КЭоболочки «средней» толщины SHELL63 [2].

Разработанные расчетные модели адекватно отражают жесткостные и инерционные свойства и параметры нагрузок строительных конструкций и основания высотного здания. Об

этом свидетельствует и вычислительная размерность построенных КЭмоделей — более 88 тыс. узлов (более 528 тыс. степеней свободы) и 106 тыс. конечных элементов.

Результаты расчетов для системы «про-странственный каркас — неоднородное винк-леровское основание» высотного здания пред

Рис. 1. Конечно-элементная модель расчетной области: а — размеры расчетной области, б — участок грунтового основания под фундаментной плитой

Рис. 2. Распределение коэффициентов постели (т/м3) под фундаментной плитой (из результатов расчета по модели Ю.К.Зарецкого)

A Б

Рис. 3. Конечно-элементная модель высотного здания

A Б

Плитно-свайный фундаментПлитный фундамент

15


ставлены на рис. 4 и 5. Показаны выборки максимальных значений параметров НДС, картины деформированного состояния и собственных форм колебаний, а также изополя/изолинии усилий (сил, моментов) и давлений для статических и ветровых нагрузок и их расчетных сочетаний.

Расчеты, выполненные в ANSYS 9.0, подтверждены выборочными расчетами в программных комплексах СТАДИО и MicroFE.

С помощью блочного метода Ланцоша определены значимые собственные частоты (fi < 0,95 Гц) и формы колебаний системы «обо-

лочечно-стержневые конструкции — динами-ческое винклеровское основание» высотного здания (рис. 5 и табл. 1).

Таким образом установлено, что при каждом горизонтальном направлении ветрового воздействия значимо реализуется лишь одна форма с частотой, меньшей критериальной fi < 0,95 Гц.

Расчеты ветровых полей и эпюр давления на здание были выполнены в программном комплексе CFXFlo. Поля расчетного ветрового давления получены для различных углов направления ветра. Следует отметить, что суммарная рас

Вертикальные перемещения в нижней плите фундамента UZ (м)

Плитный фундамент Плитно-свайный фундамент

Давления под подошвой нижней плиты фундамента PZ (кПа)

Pzmax = 1597 кПа, Pz

min = 25,4 кПа

Uzmax = 98,0 мм, Uz

min = 67,4 мм Uzmax = 36,8 мм, Uz

min = 13,9 мм

Pzmax = 709,8 кПа, Pz

min = 300,9 кПа

Рис. 4. Сравнительный анализ НДС плитного и плитно-свайного фундаментов: вес + полезная нагрузка + статический ветер 250°

Таблица 1. Низшие собственные частоты (Гц) и формы колебаний здания

№ формы

Одноподъездное ДвухподъездноеОписание

ANSYS MicroFE ANSYS СТАДИО

1 0,353 0,39 0,318 0,319 1-я изгибно-консольная (по оси минимальной жесткости) с докруткой

2 0,429 0,42 0,339 0,343 1-я крутильная консольная

3 0,822 0,96 0,396 0,401 1-я изгибно-консольная по оси максимальной жесткости

4 1,644 1,63 1,420 1,431 2-я крутильно-консольная

16



четная ветровая нагрузка для характерных углов (например, 80100°, сe

max =1,53) удовлетворительно согласуется с соответствующими интегральными характеристиками для наиболее близкого по геометрии случая, описанного в Приложении 4 СНиП 2.01.0785. «Нагрузки и воздействия», — аэродинамическим коэффициентом сe

норм = 1,4. При этом выявлено, что наиболее повреждающим, то есть дающим максимальную нагрузку на

здание, является угол 250°. Расчетные горизонтальные перемещения верха здания при угле обтекания 250° достигают 28 мм от действия статической составляющей и 32,3 мм от динамической составляющей ветровой нагрузки.

Некоторые численные результаты при вертикальной и полной нагрузке для плитного и плитносвайного вариантов фундамента представлены в табл. 2.

Рис. 5. Низшие собственные частоты (Гц) и формы колебаний здания (в скобках — значения при массе, соответствующей полной нагрузке)

f4 = 1,420 Гц (f4 = 1,629 Гц)

f1 = 0,318 Гц (0,369 Гц) f2 = 0,339 Гц (f2 = 0,394 Гц)

f3 = 0,396 Гц (f3 = 0,455 Гц)

Таблица 2. Сравнение плитного и плитно-свайного вариантов здания

№ Расчетный параметрПлитный фундамент Плитно-свайный фундамент

Максимум Минимум Максимум Минимум

1 Перемещения покрытия, ммпо Xпо Yпо Z

21,940,3

134,5

1,20,789,6

22,135,375,5

14,211,941,2

2 Осадки фундаметной плиты, мм 98,0 67,4 36,8 13,9

3 Давление под подошвой, кПА 709,8 300,9 1597 25,4

4 Моменты в нижней плите фундамента Mx, кН м/м 753,1 –1337 978,1 –1440

5 Моменты в нижней плите фундамента My, кН м/м 860,1 –995,1 926,4 –986,6

17


Анализ перемещений, внутренних усилий и напряжений в несущих конструкциях здания показал, что все изученные проектные варианты высотного здания удовлетворяют нормативным условиям деформативности и прочности. Поэтому критерии окончательного выбора варианта конструкции лежат вне прочностного поля.

Из результатов выполненных расчетов стало понятно, что для адекватного численного представления НДС грунта и строительных конструкций анализ системы «основание — не-боскреб» следует проводить в рамках единой модели с учетом реальных распределительных и нелинейных свойств грунтового массива и всех значимых стадий строительства и эксплуатации.

Об этом, в частности, свидетельствуют видимые различия в распределении осадок и давления под подошвой фундаментной плиты, полученные по модели «коробчатый фундамент — трехмерный нелинейный грунтовый массив (модель Ю.К.Зарецкого)» и по эквивалентной модели «пространственный каркас — неодно-родное винклеровское основание».

Как показали результаты суперэлементного моделирования в ANSYS, учет жесткости верхнего 40этажного строения оказывает наибольшее влияние на осадку здания при использовании плитного фундамента (максимальная осадка сокращается приблизительно на 30%). При этом прогибы фундамента уменьшаются, а распределение коэффициента постели основания под фундаментной плитой становится более равномерным (рис. 6).

Построенная единая суперэлементная модель должна быть положена и в математичес

кую основу системы мониторинга состояния высотного комплекса. Кроме того, планируется интеграция нелинейной модели грунта [6] в программный комплекс ANSYS.

Список использованных источников1. Временные нормы и правила проектирования много-

функциональных высотных зданий и зданий-комплек-сов в городе Москве. МГСН 4.19-2005. М.: ФГУП ЦПП, 2006.

2. ANSYS 9.0. User’s Guide. Canonsburg, 2004.3. Белостоцкий А.М. Построение эффективных простран-

ственных моделей для статического и динамического расчета систем «сооружение — основание»/Труды ЦНИ-ИСК им. Кучеренко. 1990. С. 175-180.

4. Белостоцкий А.М., Белый М.В. Суперэлементные алгорит-мы решения пространственных нелинейных статических и динамических задач большой размерности. Реализа-ция в программном комплексе СТАДИО и опыт расчетных исследований/Труды XVIII международной конференции BEM&FEM-2000. С-Пб., 2000. С. 65-69.

5. Белостоцкий А.М. Численное моделирование состояния высотных зданий и комплексов в контексте обеспечения техногенной безопасности мегаполиса / Труды конфе-ренции «Особенности проектирования и строительства жилых и общественных высотных зданий». С-Пб.: Лен-НИИПроект, 2006. С. 65-67.

6. Зарецкий Ю.К. Вязко-пластичность грунтов и расчеты со-оружений. М: Стройиздат, 1988.

7. Орехов В.В. Комплекс вычислительных программ «Зем-ля-89»//Исследования и разработки по компьютерному проектированию фундаментов и оснований. Новочер-касск, 1990.

8. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного опре-деления характеристик прочности и деформируемости. М.: МНТКС, 1996.

Рис. 6. Расчетные осадки и коэффициенты постели фундамента: а — без учета жесткости верхнего строения, б — с учетом жесткости

A Б

18



Нелинейные эффекты встречаются во многих инженерных задачах и, безусловно, являются существенными для понимания поведения моделируемой конструкции или системы. Программный комплекс ANSYS обладает широкими возможностями, которые могут быть использованы для решения подобного рода задач.

Изменение состояния, или нелинейные контактные задачиСуществует довольно много разнообразных конструкций, которые демонстрируют нелиней-ное поведение, зависящее от состояния. Изме-нение состояния может быть непосредственно связано с нагрузкой или определяться некото-рой внешней причиной. Ситуации, предусмат-ривающие контакт, встречаются во многих не-линейных приложений. Свойства контакта типа разделения и скольжения с трением вводят в расчет нелинейность.

Геометрические нелинейностиПри существенных перемещениях изменение геометрической формы конструкции может вы-звать нелинейный отклик. Геометрические не-линейности характеризуются большими пере-мещениями и (или) поворотами. Расчет задач с малым отклонением и деформацией предпола-гает, что перемещение является довольно ма-лым, а получаемое изменение жесткости — не-значительным. При расчете задач с большими деформациями, напротив, учитывается измене-ние жесткости, которое появляется вследствие изменения формы элементов и их ориентации. Возможность учета больших деформаций до-ступна для большинства элементов объемного НДС (включая все элементы с большими дефор-мациями), так же как и для большинства балок и оболочек.

Кроме того, ANSYS поддерживает два дру-гих типа геометрических нелинейностей: изме-нение жесткости при приложении нагрузки и из-менение жесткости вращающегося тела.

Для тонкостенных сильно нагруженных конструкций, например кабелей и мембран,

жесткость в направлении из плоскости конс-трукции может существенно зависеть от напря-женного состояния в ее плоскости. Изменение жесткости является связью между напряжени-ями в плоскости и поперечной жесткостью. Из-менение жесткости вращающегося тела ослаб-ляет матрицу жесткости вращающегося тела в связи с динамическими массовыми эффектами. Настройка аппроксимирует эффекты изменения геометрических размеров, обусловленных боль-шими перемещениями периферии, при расчете с малыми перемещениями. Изменение жесткос-ти вращающегося тела используется совместно с начальными напряжениями, вызванными цент-робежной силой вращающегося тела.

Физические нелинейности (нелинейное поведение материала)Нелинейная связь напряжений с деформацией чаще всего является основной причиной нели-нейного поведения конструкции. В реальных конструкциях напряженно-деформированное состояние меняется со временем и зависит от истории нагружения (как и в случае упругоплас-тической деформации), длительности приложе-ния нагрузок (ползучесть) и от условий окружа-ющей среды (например, от температуры).

ANSYS учитывает многие факторы, опре-деляемые свойствами материала, которые мо-гут вызвать изменение жесткости конструкции в процессе численного расчета, в том числе ани-зотропию, нелинейную связь напряжения с де-формацией, зависимость от времени, скорость деформаций и некоторые сложные физические явления типа пьезоэлектричества или термо-электрических явлений (эффектов Зеебека и Пельтье).

Устойчивость методов вычисленийДля расчета вышеперечисленных нелинейных задач в комплексе ANSYS применяется метод Ньютона-Рафсона, в котором невязки усилий (разница между восстановленными усилиями и приложенными нагрузками) используются для выполнения линейного расчета. ANSYS прове-ряет сходимость для усилий, перемещений или иных критериев. Если условие сходимости не вы-

Нелинейные возможности ANSYS

Achuth Rao, руководитель направления,ANSYS, Inc.

19


полняется, то происходит обновление матрицы жесткости и затем производится новый расчет.

По умолчанию ANSYS предлагает несколь-ко методов улучшения сходимости, например поиск на линии, автоматическое назначение шага нагрузки и деление шага пополам. В осо-бых случаях, например при нелинейной устой-чивости, комплекс ANSYS предлагает альтер-нативную итерационную схему — метод длины дуги. Это позволяет избежать точек бифуркации и отслеживать разгрузку.

Новые возможности ANSYSВ последних версиях комплекса ANSYS содер-жатся расширенные возможности по расчету не-линейных задач для применения вышеперечис-ленных типов нелинейных свойств. Рассмотрим их подробнее.

Непосредственное изменение сетки — при расчете задач с большими деформациями искажение сетки снижает точность расчета, вызывает проблемы сходимости и в конечном счете может привести к преждевременному прекращению расчета. Изменение сетки позво-ляет пользователю восстановить искаженную сетку и продолжить расчет. В документации к комплексу ANSYS есть глава о том, когда нуж-но выполнять изменение сетки, как выделять область, в которой оно производится, и как ме-нять сетку в выделенной области (областях). В ходе изменения сетки комплекс ANSYS по мере необходимости обновляет базу данных, создает контактные элементы, передает граничные ус-ловия и нагрузки из исходной сетки и автома-тически аппроксимирует все вычисленные пе-ременные (узловые и элементные результаты) для новой сетки. Далее расчет продолжается с новой сеткой, с достигнутым равновесием, ос-нованным на аппроксимированных значениях переменных.

Диагностика нелинейных задач — сред-ства диагностики нелинейных задач в комп-лексе ANSYS помогают обнаруживать причины несходимости нелинейных задач. Как правило, ими являются:• существенное искажение формы элемен-

тов;• наличие в элементах узлов с почти нулевы-

ми значениями коэффициентов матрицы жесткости на главной диагонали (в нели-нейных задачах);

• чрезмерные приращения пластических де-формаций или деформаций ползучести;

• элементы, в которых не удовлетворяются смешанные u-P-ограничения.Отслеживание нелинейных невязок — в

рамках диагностики нелинейных задач комплекс ANSYS позволяет отслеживать невязки метода

Ньютона-Рафсона в ходе итераций нелинейных расчетов. Графическое отображение остаточ-ных усилий дает возможность определять об-ласти с высокими остаточными усилиями, что полезно при наличии проблем со сходимостью в середине шага нагрузки, когда модель имеет большое количество контактных поверхностей и иных нелинейностей. Отслеживание нели-нейных невязок позволяет сосредоточиваться на нелинейностях в интересующей области, а не иметь дело с полной моделью. Диагностика нелинейных задач также позволяет выявлять элементы, в которых нарушаются отдельные критерии сходимости, например приращение деформаций пластичности и ползучести и т.п. Опция отслеживания истории нелинейных про-цессов позволяет контролировать вызывающие интерес результаты в ходе расчета в режиме реального времени. Перед вызовом расчета пользователь может запросить такие узловые данные, как перемещения или усилия реакции в определенных узлах, а также графическое отображение элементных узловых данных, на-

Визуализация нелинейных невязок метода Ньютона-Рафсона

Результаты моделирования нелинейного поведения резинового чехла рычага переключения передач

20



пример напряжений и деформаций в опреде-ленных элементах.

Расчет визга тормоза — метод вычисле-ния собственных значений (частот) с учетом де-мпфирования QR теперь подходит для исполь-зования в задачах с нелинейным трением, в которых может быть получена несимметричная матрица жесткости. Примером задачи такого типа является расчет визга тормоза, в котором комбинация контактных элементов комплекса ANSYS и метод вычисления собственных зна-чений (частот) QRDAMP обеспечивают удобное в работе, эффективное средство для опреде-ления непостоянных частот. Комплекс ANSYS предлагает двухшаговую процедуру, в которой нелинейная несимметричная жесткость, обус-ловленная фрикционным скольжением в стати-ческом расчете, включается в расчет собствен-ных частот. В расчете визга тормоза эффект коэффициента трения (как и другие параметры) может различаться, что позволяет видеть изме-нение частот и связь между ними. Это может помочь в определении того, какие частоты яв-ляются непостоянными и создают звуковой дис-комфорт.

Связь сред — при взаимодействии раз-личных сред расчет связанных сред по опреде-лению является нелинейным. Взаимодействие между разными средами обычно воспринима-ется в виде нагрузок или изменения жесткости иной среды. Оно порождает связанную систему нелинейных уравнений. Комплекс ANSYS пред-лагает два типа связи сред: прямую и последо-вательно соединенные среды.

Прямой метод обычно предполагает ис-пользование одного расчета, в котором задей-ствуются типы элементов связанных сред, со-держащие все необходимые степени свободы. Связь поддерживается при помощи вычисле-ния матриц элементов или векторов нагрузки

элементов, включая все необходимые члены. В качестве примера можно привести рас-чет нескольких сред при помощи элементов PLANE223, SOLID226 и SOLID227. Пользова-тель может определить свойства материалов для этих элементов, чтобы моделировать вза-имодействие типа пьезоэлектричества, пьезо-сопротивления, эффектов Зеебека и Пельтье и пьезотеплового.

Последовательный метод предполага-ет два или более последовательных расчетов, каждый из которых выполняется для отдельной среды. Метод вычислений для различных сред (Multi-field) комплекса ANSYS, применимый для большого класса задач взаимодействия сред, является автоматизированным средством для последовательного расчета связанных задач. Он основан на предпосылке, что каждая среда является областью со своей независимой гео-метрической моделью и сеткой. Нагрузки от свя-зей автоматически передаются между сетками при расчете. Данный метод можно использовать для задач статических, вынужденных колебаний и переходных процессов в зависимости от тре-бований механики. При последовательном (или смешанном последовательном и одновремен-ном) расчете может применяться любое число полей (сред). Метод вычислений для нескольких сред ANSYS Multi-field (программный код MFX-Multiple) используется для расчета физических полей (сред) при наличии лицензий на комплек-сы ANSYS Multiphysics и ANSYS CFX. В методе вычислений применяется итерационное связы-вание, в котором каждая среда рассчитывается одновременно или последовательно, а каждое матричное уравнение решается отдельно. Ме-тод вычислений предполагает выполнение ите-рационного расчета для каждой среды до тех пор, пока нагрузки, передаваемые между сре-дами, не сойдутся.

В дополнение к некоторым из недавних улучшений, упомянутых в данной статье, разра-ботчики комплекса ANSYS продолжают разви-вать его нелинейные возможности. Следующая версия комплекса ANSYS будет иметь расшире-ния в таких областях, как контактные нелиней-ности (контакт линии с поверхностью, модель зон когезии при помощи контактных элемен-тов), физические нелинейности (материал Гур-сона (Gurson), анизотропная гиперупругость), элементная, или геометрическая, нелинейность (оболочки высших порядков, армированные элементы) и методы повышения сходимости (стабилизация).

Перевод статьи выполнен К.Басовым в 2006 году специально для журнала «ANSYS Solutions. Русская редакция».

Графическое отображение процесса сходимости

31


В статье описываются возможности FSI-технологий ANSYS, ориентированные на нефтегазовые приложения. В частности, рассказывается об опыте применения ANSYS Multiphysics при проектировании водоотделяющей колонны плавучей бу-ровой установки. Приводятся результаты сравнения численных расчетов с извест-ными аналитическими решениями и ре-зультатами экспериментов, например для случая вихревого возбуждения цилиндра при поперечном обтекании.

ВведениеКонструкции морских нефтепромысловых со-оружений подвержены разнообразным нагруз-кам от ветра, течения, волнения, льда и пр. Не-доучет части из них может привести к техноген-ной катастрофе, подобной той, что произошла в Мексиканском заливе в 2005 году.

Наиболее очевидная область, где FSI может найти широкое применение, — расчет вибра-ций отдельных элементов конструкции морской платформы, возбуждаемых потоком жидкости

вследствие отрыва вихрей от поверхности этих объектов (так называемое вихревое возбужде-ние). В основном это касается тел цилиндричес-кой формы, например в буровой установке это водоотделяющая колонна, внутри которой рас-положена буровая колонна.

В процессе проектирования морских плат-форм различного назначения возникает немало проблем. Во-первых, в конструкции любой плат-формы всегда присутствуют элементы, которые по размеру значительно отличаются друг от дру-га (на несколько порядков). Во-вторых, детали даже относительно небольших размеров могут воздействовать на поток жидкости и изменять его структуру. Соответственно появляются до-полнительные вибрации, возбуждаемые пото-ком вследствие пульсаций давления и скорости.

Ударная нагрузка от океанских волн может быть рассчитана и в ANSYS, однако основная сложность заключается в том, что поля поверх-ностных и ветровых волн носят случайный ха-рактер. Кроме того, следует учитывать влияние числа Рейнольдса (Re) на характер обтекания при его изменении в широком диапазоне по глу-бине океана. И наконец, на практике водоотде-ляющая колонна представляет собой не прямую, а зачастую сильно изогнутую трубу, что приво-дит к изменению угла атаки по длине колонны.

Несмотря на перечисленные трудности, возможности CFD далеко не исчерпаны и могут быть расширены за счет использования парал-лельных вычислительных систем.

Далее мы рассмотрим все эти вопросы более подробно. Начнем с общего описания про-цесса обтекания цилиндра и причин возникнове-ния гидродинамических вибраций труб.

Численное моделирование

Моделирование турбулентностиПри малых значениях числа Рейнольдса (Re) ци-линдр обтекается ламинарным потоком. С уве-

Моделирование взаимодействия жидких сред и элементов

конструкций в ANSYSФ.Ментер (F.Menter), М.Кунтц (M.Kuntz), ANSYS Germany GmbH,

Патрик Шарки (Patrick Sharkey), ANSYS UKСергей Якубов, НТС, Россия

Морское бурение


32



личением Re течение в следе за цилиндром ста-новится неустойчивым, начинает формировать-ся трехмерная структура следа. При Re > 105 ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный и характер обтекания цилиндра качественно изменяется: точка отрыва резко смещается в направлении течения потока (отно-сительно ламинарного отрыва). В целом турбу-лентность оказывает значительное влияние на общий уровень сопротивления цилиндра и раз-мер области вихреобразования. Поэтому важно выбрать правильную модель турбулентности для корректного моделирования процесса перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный и для определения точек отрыва.

Сложность конструкций любых морских сооружений, подобных плавучей платформе типа SPAR, налагает определенные требования к разрешению сетки у стенки даже в случае ре-шения осредненных по Рейнольдсу уравнений движения вязкой жидкости (RANS).

Хотя все характерные особенности таких течений со сложной структурой следа могут быть корректно смоделированы и при LES-под-ходе (моделирование крупных вихрей), в дан-ном случае следует признать его избыточность. В работе [1] приводится количественная оценка ресурсов компьютера, необходимых для LES в диапазоне высоких Re. При моделировании обтекания колонны даже при низких Re исполь-зование LES потребовало бы подробнейшей расчетной сетки по направлению движения по-тока для расчета трехмерной структуры вихрей. В нашем случае можно говорить как минимум о 50 расчетных узлах по длине хорды (диаметру колонны), что делает невозможными все расче-ты на базе LES сложных объектов с большим количеством деталей. Очевидно, что в этой ситуации целесообразно применение моделей класса RANS.

В 2004 году Menter и Langtry [2] предло-жили новую переходную модель турбулентно-сти, которая учитывает все основные явления, сопровождающие процесс перехода. На рис. 1 показана картина течения для характерных ре-жимов поперечного обтекания цилиндра.

Хотя все расчеты, о которых мы расска-жем далее, были выполнены при относительно низких числах Re (докритический режим обтека-ния), многие инженерные задачи нефтегазового профиля, например любые FSI-приложения при высоких Re, можно решить только с помощью переходной модели турбулентности.

Технология FSIКомплекс ANSYS Multiphysics содержит специаль-ные многодисциплинарные элементы, которые позволяют напрямую решать связанные задачи теплообмена, электромагнетизма, гидродинами-ки и прочности (SOLID69, FLUID142 и др.). Второй вариант подразумевает итерационную процедуру решения и использование парных элементов, та-ких как тепловой — структурный, магнитный — тепловой и пр. Такой подход получил в ANSYS на-звание MFS и является наиболее часто используе-мым. В отдельных случаях для сопряжения ANSYS Mechanical и ANSYS CFX применяется особая раз-новидность решателя ANSYS Multi-field — MFX-ANSYS/CFX. На рис. 2 показана общая схема ите-рационного взаимодействия решателей.

Обмен данными между связанными реша-телями осуществляется через специальные пор-

Рис. 1. Обтекание цилиндра при различных Re: a — отрыв ламинарного пограничного слоя (низкие значения Re); б — критический режим обтекания (Re ~ 2·105)

Рис. 2. Схема взаимодействия ANSYS- и CFX-решателей

A б

33


ты. Характер выполняемых операций (импорт или экспорт данных) определяется текущим со-стоянием портов. Внешний цикл (MF Time Step) описывает протекание процесса решения во времени, а внутренние циклы (Stagger Iteration) контролируют сходимость ANSYS- и CFX-ре-шений и управляют процессом обмена данных. Такая неявная процедура сопряжения двух ре-шателей иногда затрудняет получение точного и устойчивого решения FSI-задачи.

Решатели ANSYS Structural и CFX могут быть запущены как одновременно, так и друг за другом при выполнении внутреннего цикла. В FSI зави-симыми переменными являются перемещение и сила, действующая на элемент поверхности.

Для ускорения моделирования задача мо-жет быть распараллелена.

Примеры задач

балка в сужающемся каналеВ данном тесте исследовалось течение в сужаю-щемся канале с балкой. Для этой задачи извес-тно аналитическое решение для полей скорости, давления и перемещений балки [3]. Расчетная об-ласть была образована двумя каналами с регули-руемой высотой. Каналы были разделены гибкой стенкой — балкой. Скорость потока на входе в первый и второй каналы была различной, что при-вело к возникновению разницы давлений снизу и сверху от балки, которая вызвала перемещение балки в направлении более низкого давления.

На рис. 3 показана конфигурация иссле-дуемого канала. Основные геометрические размеры канала: h1 = 0,02 м; h2 = 0,04 м; длина L = 0,75 м. Упругие свойства материала балки: модуль Юнга E = 2Ѕ1011 Н/м2 и коэффициент Пуассона μ = 0,3. Рабочая жидкость — вода с температурой 25 °C плотностью ρ = 997 кг/м3 и вязкостью η = 889,9Ѕ10-6 кг/м/с.

На входе в канал был задан профиль ско-рости, соответствующий полностью развитому ламинарному течению:

,

где uave = 0,008 м/с — средняя скорость потока на входе в канал.

В табл. 1 представлены параметры расчет-ных сеток.

На рис. 4 показано перемещение балки при вышеописанных условиях. Результаты чис-ленного моделирования сравнивались с анали-тическим решением. Отметим хорошую корре-ляцию результатов на средней и точной сетках.

Вихревое возбуждение цилиндраПрежде чем перейти к анализу реальных конс-трукций морских сооружений, изучим природу возникновения и характер гидродинамических вибраций на таком простом примере, как обтека-ние плоского цилиндра. Мы приведем результаты сравнения численных расчетов с известными эк-спериментальными данными Anagnostopoulos и Bearman [4], Khalak и Williamson [5], а также обсу-дим устойчивость предложенного Menter и Kuntz [6] алгоритма деформируемых подвижных сеток.

Некоторое несовпадение с данными экспе-риментов может быть объяснено различиями в Rе, жесткости пружины, коэффициенте затуха-ния и массе.

Заметим, что выполненный расчет не явля-ется полностью связанным, так как в нем отсут-ствовали деформации цилиндра.

Колебания цилиндра могут быть представ-лены в виде нестационарного движения твердо-го тела с одной степенью свободы (рис. 5). Урав-нение движения цилиндра под действием гидро-динамических сил и при наличии демпферной связи имеет следующий вид:

.

Рис. 3. Конфигурация расчетной модели

Рис. 4. Перемещение балки: сравнение результатов моделирования с аналитическим решением [3]

Класс x y

Грубая 51 11

Средняя 101 21

Точная 201 41

Таблица 1

34



Данное уравнение можно решить непо-средственно в ANSYS CFX, используя возмож-ности внутреннего языка CEL (CFX Expression Language).

Дальнейшие исследования FSI-технологии ANSYS на основе представленной динамичес-кой системы (см. рис. 5) связаны с использова-нием элементов упругого демпфера.

Тестовые расчеты были выполнены при постоянном числе Re = 1×104 на двух различ-ных 2D-сетках, содержащих приблизительно 13,5 и 65 тыс. элементов соответственно. На начальной стадии численных расчетов мы ис-пользовали ламинарную модель течения, так как при Re ~ 1×104 пограничный слой на ци-линдре является ламинарным, хотя течение в следе турбулентно и неустойчиво. В дальней-ших расчетах, чтобы снять это противоречие, мы применяли переходную модель турбулент-ности.

На рис. 6 сравниваются экспериментально полученные зависимости относительной амп-литуды колебаний цилиндра (y/D) от безраз-мерной скорости потока (U/fnD) с результатами численного моделирования на двух различных сетках — точной и грубой. Здесь U — скорость потока, D — диаметр цилиндра, fn — свободная частота колебаний системы «цилиндр — упру-гий демпфер».

При моделировании на грубой сетке про-гнозы для численных характеристик системы хорошо согласуются с экспериментальными данными при низких значениях безразмерной скорости и имеют большую погрешность в об-ласти высоких значений, где CFD завышает зна-чение максимальной амплитуды колебаний.

Для варианта с точной сеткой продемон-стрировано вполне удовлетворительное совпа-дение с экспериментальными данными во всем диапазоне, однако наблюдается небольшое за-вышение амплитуд колебаний.

Это еще раз подчеркивает важность сеточ-ного разрешения при решении подобного рода связанных задач.

Заметим, что в рамках данной работы мы не проводили исследования оптимальной раз-мерности расчетной сетки.

Вибрация цилиндра определяется структу-рой течения потока в ближнем следе цилиндра (рис. 7). При малых скоростях амплитуда коле-баний невелика и за цилиндром образуются два одиночных вихря, вращающихся в разные сто-роны (2S-форма). С ростом скорости амплитуда колебаний достигает своего максимального зна-чения, наблюдаются качественные изменения в структуре следа, связанные с образованием до-рожки, вихри которой располагаются в шахмат-ном порядке (2Р-форма).

Водоотделяющая колоннаВ заключительной части статьи представле-ны результаты тестирования FSI-технологии ANSYS на основе имеющихся эксперимен-тальных данных [7] для конструкции, имити-рующей условия работы реальной водоотде-ляющей колонны (рис. 8). Рабочий интервал Re = 2500÷25 000. Длина колонны — 13,12 м, диаметр — 0,028 м. Нижняя часть колонны длиной 6,5 м испытывает нагрузку от течения, верхняя часть колонны находится в защитной камере, заполненной стоячей водой. Изгибная жесткость колонны равна 29,9 Н·м2, осевая жесткость — 5,88Ѕ106 Н, вес конструкции в по-груженном состоянии — 12,1 Н/м.

В [7] приведено большое количество при-меров расчета подобной геометрии, однако практически везде использовалась теория плоских потенциальных течений со всеми ее ограничениями. По мнению авторов, настоящая

Рис. 6. Сопоставительный анализ результатов чис-ленного моделирования (∆ — грубая сетка, — точная сетка) с экспериментальными данными (+)

Рис. 5. Динамическая система

35


работа является первой, в которой выполнено полноценное моделирование FSI в трехмерной постановке.

Исследование воздействия потока жидкос-ти на колонну было проведено для следующих условий: скорость буксировки — 0,16 м/с, сила натяжения колонны — 405 Н. Информация о расчетной сетке представлена в табл. 2.

На стенках были определены следующие граничные условия: на бакe — граничное усло-вие с проскальзыванием, на колонне — стен-ка без трения. Шаг по времени ∆t = 0,02 с, при этом полный период колебаний включал 30-60 шагов.

Модель в ANSYS состояла из элементов типа SOLID185 и содержала 145 узлов в попе-речном сечении и 100 узлов вдоль оси.

Следует отметить, что колонна в ANSYS моделировалась как сплошной цилиндр, в то время как в эксперименте это была полая труба с

Рис. 7. Завихренность при разной безразмерной скорости потока

Рис. 8. Схема экспериментальной установкиРис. 9. Граничные условия в виде ограничений на степени свободы

№Число узлов

Общее число узловв поперечном

сечениипо длине колонны

1 5700 25 138 290

2 5700 50 276 260

Таблица 2

36



определенной начинкой. Из-за этого упрощения было невозможно получить соответствующие параметры жесткости колонны. Поэтому был за-дан модуль Юнга E = 9,55Ѕ109 Па. По крайней мере, это позволило привести в соответствие осевую жесткость конструкции.

На рис. 10 показана картина обтекания ко-лонны. Хорошо видны отличия в структуре сле-да на разной высоте колонны.

На рис. 11 показаны осредненные пере-мещения колонны вдоль потока и огибающие колебаний колонны для разных сеток. Боль-шое несоответствие в поведении расчетных кривых и экспериментальной [7] можно объ-яснить несоответствием осевой жесткости ко-лонны и модуля упругости. Опыт показывает, что количество сеточных узлов в поперечном сечении тоже влияет на точность определе-ния величины сопротивления колонны при боковых перемещениях. На рис. 11 можно выделить слабо выраженную четвертую моду, первая и вторая моды не рассматривались.

Подобные наблюдения были сделаны также Willden и Graham [8].

Рис. 10. Картина обтекания колонны. Сечения закрашены полным давлением

Рис. 11. Относительные перемещения: a — осредненные перемещения, б — огибающие колебаний

A

б

Рис. 12. Огибающая поперечных колебаний

37


В расчетах была исследована зависимость результатов от размерности сетки. Более точная сетка показала лучшее совпадение с данными эксперимента и более заметную разницу в осе-вом направлении.

На рис. 12 представлена огибающая поперечных колебаний. Получено хорошее соответствие экспериментальным данным. Это несколько неожиданно, учитывая неудовлетво-рительные результаты для вибраций колонны вдоль потока.

На рис. 13 показано распределение сред-неквадратичного отклонения (RSM) амплитуд

колебаний колонны по высоте (колонны) при ее перемещениях поперек и вдоль потока.

Список использованных источников1. Spalart, P.R., Jou, W-H., Strelets, M., Allmaras, S.R.

Comments on the Feasibility of LES for Wings and on a Hybrid RANS/LES Approach. Advances in DNS/LES; Proc. 1st AFOSR International Conference on DNS/LES/ Louisiana Tech University; Eds C. Liu, Z. Liu, L. Sakell. 1997.

2. Menter, F.R., Langtry, R.B., Likki, S.R., Suzen, Y.B., Huang, P.G., Völker, S. A Correlation based Transition Model using Local Variables. Part 1. Model Formulation ASME-GT2004-53452. ASME TURBO EXPO 2004. Vienna, 2004.

3. Wang, X. Analytical and Computational Approaches for some Fluid-Structure Interaction Analyses // Computers & Structures. 1999. № 72. Р. 423-433.

4. Anagnostopoulos, P., Bearman, P.W. Response characteristics of a vortex-excited cylinder at low Reynolds Numbers // Journal of Fluids and Structures. 1992. № 6. Р. 39-50.

5. Khalak, A., Williamson, C.H.K. Dynamics of a Hydroelastic Cylinder with Very Low Mass and Damping // Journal of Fluids and Structures. 1996. № 10. Р. 455-472.

6. Kuntz, M., Menter, F. Aerodynamic Simulations on Moving Grids. IFASD 2005, International Symposium on Aeroelasticity and Structural Dynamics. München, 2005.

7. Chaplin, J.R., Bearman, P.W., Huera Huarte, F.J., Pattenden, R.J. Laboratory Measurements of Vortex-Induced Vibrations of a Vertical Tension Riser in a Stepped Current. Proc. FIV2004. Paris, 2004.

8. Willden, R.H.J., Graham, J.M.R. CFD simulations of the vortex-induced vibrations of model riser pipes. OMAE2005-67197, OMAE 2005. Halkidiki, 2005.

Рис. 13. Кривые распределения среднеквадратичного отклонения амплитуд колебаний: а — смещение колонны вдоль потока, б — поперек потока

26



В мировой энергетике все более актуаль-ным станосится разработка месторож-дений нефти и газа на шельфе. При ре-ализации таких дорогостоящих проектов цена ошибки является очень большой и составляет миллионы долларов.Именно поэтому уже на самых ранних этапах развития морской нефтегазодо-бычи компании, занимающиеся инжини-рингом в этой области, начали разрабаты-вать специализированное программное обеспечение (ПО), основное назначение которого — моделирование поведения элементов конструкций морских соору-жений под воздействием неблагоприят-ных факторов внешней среды. Далее мы расскажем об истории создания ПО для расчета морских сооружений, которое в настоящее время предлагается на рынке компанией ANSYS, Inc.

Одним из пионеров в области создания специа-лизированного ПО для проектирования морских сооружений является компания WS Atkins — ее программы ASAS-LAUNCH и AQWA-FLOAT ста-ли стандартом в «морском» проектировании и используются множеством компаний, например EXXON, DNV и Bureau Veritas.

Программа AQWA была создана в середи-не 1970-х годов, когда Англия занялась разра-боткой нефтегазовых месторождений в Север-ном море. Это не самое простое место для экс-плуатации подобных сооружений, поэтому они должны отвечать более серьезным требованиям по сравнению с теми, что строятся в более бла-гоприятных климатических условиях.

Наиболее популярной конструкцией в то время было опорное основание (jacket) — ме-таллическое жесткое основание сквозного типа, состоящее из набора трубчатых конструкций, за-топляемых водой, и имеющее вес до 20 тыс. т.

Эти большие конструкции обычно соби-рались на земле, затем грузились на баржу и доставлялись к месту установки. Далее опор-ное основание сгружалось с баржи и вставала на место планируемой установки на морском дне.

В 80-х годах наметилась тенденция стро-ительства морских добывающих платформ на глубоководном шельфе вследствие истощения месторождений на мелководье. Компания WS Atkins обратилась к правительству Великобрита-нии, и оно согласилось выдать кредит на разра-ботку нового программного обеспечения на базе FLOAT/LAUNCH. В первую очередь необходимо было создать новые модели, включающие сис-темы позиционирования (постановки морских сооружений на якоря), а также рассчитать такие модели, которые, наряду с трубчатыми, включа-ли бы другие элементы, поскольку экономичес-

Совместное использование ANSYS AQWA и ASAS

в морском строительстве

Транспортировка эксплуатационной платформы к месту установки

Плавучая добывающая платформа

27


кая целесообразность эксплуатации платформ с каркасным основанием заканчивалась на глуби-не моря 450 м.

Работа завершилась созданием семейства моделей, названного AQWA suite. С середины 90-х годов программа AQWA начала лицензироваться на коммерческой основе, а чуть позже в нее был добавлен графический интерфейс (рис. 1).

Что касается программного комплекса ASAS, то он появился на свет несколькими го-дами раньше AQWA — в 1971-м. Примерно в это же время на рынок вышел другой ныне хорошо известный продукт — ANSYS. Но, в отличие от

ANSYS, который всегда позиционировался как универсальное ПО, комплекс ASAS изначально был ориентирован на решение целевых задач морского строительства на континентальном шельфе.

Позднее возможности ASAS были значи-тельно расширены: обновились расчетные мо-дели волновых нагрузок, нагрузок от течения, добавились анализ усталости от нерегулярного волнового нагружения и взаимодействие типа «морской грунт — закрепление свай платфор-мы». В результате комплекс ASAS приобрел свой современный вид и стал называться ASAS Offshore.

Интересно отметить, что около половины нефтегазовых сооружений в Северном море были рассчитаны с помощью данной программы (рис. 2).

К 2001 году персонал WS Atkins вырос с 2400 человек до 14 тыс., и стало понятно, что бизнесу по разработке программного обеспе-чения некомфортно в компании, которая зани-мается преимущественно консалтинговой де-ятельностью. В результате AQWA и ASAS были выставлены на продажу. Приобрела бизнес WS Atkins компания Century Dynamics, Inc., которая в январе 2005 года стала частью ANSYS MBU (Mechanical Business Unit).

Объекты морского строительства, рассчитываемые в ASAS и AQWAНа рис. 3 показано, как глубина моря влияет на конструкцию морских нефтедобывающих соору-жений. Крайняя слева конструкция на рис. 3а — это основание со стальным каркасом (jacket), являющееся наиболее распространенным типом морской платформы.

По мере выработки месторождений нефти на континентальном шельфе все большее зна-чение приобретали альтернативные концепции строительства, такие как глубоководное строи-тельство.

Рис. 1. Графический интерфейс AQWA

Рис. 2. Расчетная модель транспортировки jacket в ANSYS ASAS

Рис. 3. Типы конструкции нефтедобывающей платформы в зависимости от глубины моря: a — сооружения с опорой на дно; б — сооружения, заякоренные тросами (с натяжением)

A Б

28



Крайняя слева на рис. 3б платформа типа SPAR (платформа на вертикальном буе), она широко используется при добыче нефти и газа в Мексиканском заливе на участках с глубиной до 1000 м. Справа на рис. 3б показано судно системы FPSO, которое обычно применяется на больших глубинах, а также при разведыватель-ном бурении.

Кроме того, AQWA и ASAS используют-ся при проектировании других конструкций нефтедобывающих платформ: самоподъем-ных буровых платформ (Jack-up), морских экс-плуатационных оснований с гравитационным фундаментом (Concrete gravity based platform), плавучих эксплуатационных систем FPSO, по-лупогружных платформ с натяжными опорами (TLP), полупогружных буровых платформ (Semi-submersible platform).

Рассмотрим более подробно особенности программных комплексов ANSYS AQWA и ASAS.

Комплекс ANSYS ASAS — это апробиро-ванная и доказавшая свою состоятельность технология для проектирования и расчета конст-руктивных элементов буровых комплексов и до-бывающих платформ.

В ANSYS ASAS Offshore включены модули для задания волновой нагрузки, расчет взаимо-действия «свая — опора — грунт», расчет на ре-сурс с учетом спектрального волнового и ветро-вого воздействия. По модулям эти возможности распределены следующим образом:• ASAS-WAVE/MASS вычисляет волновую

нагрузку и добавленную массу на труб-чатые затопленные каркасные опор-ные части платформ. Эта возможность распространяется как на мелководные участки шельфа, так и на глубоководные участки;

• SPLINTER рассчитывает схемы «свая — опора — почва» и «свая — почва»;

• FATJACK вычисляет усталостные повреж-дения и срок службы опорных частей и

верхних строений каркасных морских платформ с помощью детерминирован-ных и спектральных (вероятностных) ме-тодов;

• WINDSPEC проводит анализ усталости трубчатых конструкций (буровой мачты, крана на платформе) при воздействии вет-ровой нагрузки.Заметим, что изначально ASAS Offshore

создавался как специализированный расчет-ный комплекс для оценки сложных ферменных металлоконструкций таких как опорные части платформ, самоподъемных буровых платформ, других подводных сооружений. Расчетные моде-ли ASAS могут быть созданы в препроцессорах: ANSYS PREP7, FEMGV и MSC PATRAN (рис. 4 и 5). Конечно-элементные модели можно также описывать в текстовом файле с определенным форматом представления данных.

В комплексе ANSYS ASAS реализована ин-тегрированная база данных. Это означает, что результаты расчета, полученные из разных мо-дулей ASAS, записываются в общую базу дан-ных (рис. 6).

При расчете ферменных конструкций, опи-рающихся на дно, и плавучих объектов различа-

Рис. 4. Расчетная модель в FEMGV Рис. 5. Пример отображения ГУ для связанного расчета опорной части платформы в постпроцессоре ASAS-VISUALIZER

Рис. 6. Общая схема взаимодействия модулей ANSYS ASAS

29


ют два подхода: линейный и нелинейный (конс-трукции, работающие в зоне пластических де-формаций). Для каждого вида расчетов можно написать блок-схему взаимодействия модулей (рис. 7-9).

Результаты расчета волновых нагрузок в ASAS могут быть переданы в качестве гранич-ных условий в программный комплекс ANSYS.

Картина создаваемых судном волновых колебаний довольно сложна. Выделяют носовые и кормовые группы продольных и поперечных волн. Носовые продольные волны обусловлены повышением давлением около носовой части судна, которое вызывает местный подъем воды. Эти волны являются короткими и при незначи-

тельной дисперсии способны самостоятельно перемещаться на значительные расстояния. Кормовые продольные волны несколько мень-ше по размерам, чем носовые, и их образование

Рис. 7. Схема взаимодействия модулей при расчете каркасных оснований (jacket)

Рис. 8. Блок-схема процесса расчета полупогружной платформы

Рис. 9. Схема взаимодействия модулей при решении связанной задачи

ТАКР «Баку» — страж морских владений СССР

Катер российского Черноморского флота

Судно системы FPSO

30



связано с взаимодействием струй воды, обтека-ющих судно по бортам. Поперечные кормовые волны образуются за срезом кормы.

Как правило, обтекание судна носит тур-булентный характер. Турбулентное течение само по себе является стохастичным и не име-ет прямого аналитического решения. Однако в носовой части судна, как правило, присутствует участок ламинарного течения. Таким образом, численное моделирование обтекания судна ос-ложняется необходимостью «предсказания» ла-минарно-турбулентного перехода.

В современных CFD-пакетах существует несколько типов моделей турбулентности, со-зданных на основе различных допущений. Рас-чет волновых явлений в них требует от инженера достаточного опыта и квалификации. При этом для большинства задач морского строительства результаты моделирования турбулентных тече-ний являются избыточными.

Как мы уже отмечали, волны при опреде-ленных условиях могут перемещаться из одно-го конца океана в другой, сохраняя свою длину. В этом они очень похожи на радиоволны, кото-рые при движении также не теряют своей кине-тической энергии.

Если посмотреть на энерговыделения на поверхности, находящейся на достаточном рас-стоянии от источника волн, то видно, что энер-гия, полученная, например, в преобразователе волновой энергии, зависит от волнового поля вдали от объекта. И наоборот, преобразователь волновой энергии может служить хорошим ис-точником волн вдали от него.

Снова напрашивается сравнение с объек-тами радиотехники: хорошая принимающая ан-тенна является и хорошей передающей.

Волновое поле, возникшее на удалении от объекта, является значимым фактором и в морском строительстве, поскольку оказывает

непосредственное влияние не только на эксплу-атационные добывающие установки, но и на их систему позиционирования.

Учитывая стоимость морских добывающих систем (например, плавучая эксплуатационная система Schiehallion компании British Petroleum вместимостью 950 тыс. баррелей нефти при-носит доход более 3 млрд фунтов стерлингов в год), понятно, почему на рынке морского стро-ительства программы, способные рассчитывать воздействие волнового поля на объекты, полу-чили самое широкое распространение. Всего в мире насчитывается порядка 100 компаний, ко-торые используют подобное программное обес-печение.

До недавнего времени ведущими разра-ботчиками подобных программных комплексов были компании Det Norske Veritas (WADAM) и Century Dynamics, Inc. (AQWA). Отметим, что, хотя оба программных комплекса разрабатыва-лись независимо друг от друга, точность их ре-зультатов очень высока.

В индустрии морского строительства про-тотипы используются редко, условия работы платформ зачастую бывают очень суровыми, поэтому безопасность морских сооружений для персонала и окружающей среды выходит на первый план.

ANSYS AQWA и ASAS применяются для оценки надежности морских эксплуатационных платформ и танкеров при воздействии таких факторов окружающей среды, как волны, тече-ние, ветра, дрейфующие льдины и пр. При помо-щи этих программ проводятся расчеты нагрузок на опорное основание при транспортировке и установке на точку бурения (см. верхний рису-нок на стр. 26). Решаются типичные геотехни-ческие задачи.

В заключение приведем возможные схе-мы взаимодействия ANSYS AQWA/ASAS с другими программными продуктами компании ANSYS, Inc.:• AQWA Diffraction может применяться

для передачи давлений и перемещений конструкции в модель ANSYS (лицензии Multiphysics, Structural);

• ASAS может служить для расчетов, кото-рые нельзя выполнить в традиционном ANSYS, например связанного расчета водоотделяющей колонны при волновом воздействии;

• APDL может использоваться для подготов-ки моделей, рассчитываемых в AQWA и ASAS.

Статья подготовлена специалистами ком-пании ЗАО «ЕМТ Р» по материалам обзора Phil Cheetham.

Кильватерный след

21


Этой статьей мы открываем серию публи-каций, посвященных программному ком-плексу ANSYS/CivilFEM, ориентирован-ному на решение широкого круга задач промышленного, гражданского, транс-портного и гидротехнического строитель-ства. Программа представлена базовым модулем CivilFEM INTRO и дополнитель-ными специальными модулями: мосты и нелинейности, геотехнический модуль, модуль преднапряженного бетона.

Объекты строительного проектирования в Мос-кве и в других крупных городах-мегаполисах с каждым годом становятся все более сложными с конструктивной точки зрения. Этому способс-твуют многофункциональность зданий и соору-жений, повышение их этажности, необходимость освоения подземного пространства, трудности строительства из-за условий плотной городской застройки и уменьшения количества удобных строительных площадок.

В этом контексте программный комплекс ANSYS/CivilFEM вполне удовлетворяет запросам проектировщиков и позволяет выполнить весь спектр строительных задач: от расчета сложных пространственных надземных конструкций здания или сооружения до решения геотехнических за-дач, таких как расчет крепления котлована, расче-ты различных фундаментов, устойчивости склона с сооружением, фильтрационные расчеты и пр.

В настоящей статье рассмотрен опыт при-менения программного комплекса CivilFEM для решения задач строительного проектирования. Все расчеты были выполнены компанией ЗАО «ЕМТ Р» и МГСУ в рамках пилотных проектов, НИР, а также при адаптации расчетных проце-дур CivilFEM к нормам проектирования и усло-виям РФ [2-12].

Московский опыт использования комплек-са ANSYS/CivilFEM касается расчетов по обосно-ванию проектов зданий, имеющих, как правило, высотную и стилобатную части, несколько под-вальных этажей и расположенных на нескаль-

ных основаниях. Часть проектов была связана с высотными зданиями (высотой более 75 м) [3].

Для таких зданий сразу вырисовывается це-лый набор проектных задач. Это, с одной стороны, геотехнические задачи разной степени сложнос-ти, а с другой — задачи расчета НДС строитель-ных конструкций во взаимодействии с основани-ем. В числе таких задач можно перечислить:• определение НДС грунтовых оснований на

предмет расчета по I и II группам предель-ных состояний;

• определение НДС строительных конструк-ций зданий и сооружений на предмет рас-чета по I и II группам предельных состояний с учетом грунтового основания;

• расчеты устойчивости оснований зданий и сооружений по кругло-цилиндрическим и ломаным поверхностям обрушения;

• расчет ограждения глубоких котлованов по I и II группам предельных состояний включи-тельно и прогноз дополнительных деформа-ций окружающей застройки при их возведе-нии и дальнейшем строительстве зданий;

• расчеты коэффициентов постели грунтовых оснований плитных и других фундаментов.Таким образом, большая часть решаемых

с помощью CivilFEM задач так или иначе связа-на с грунтовыми основаниями.

Следует отметить, что до недавнего времени расчетчики были лишены возможности в полном объеме решать задачи геотехники (геомеханики, механики грунтов, оснований и фундаментов) и каждый из них по-своему приспосабливал для этих целей программы типа ЛИРА, SCAD и др.

В то же время использование исключитель-но геотехнических программных комплексов, таких как Рlaxis или FLAC 3D, обедняет арсенал расчетчика, работающего в области промыш-ленного и гражданского строительства. Как пра-вило, геотехнические комплексы оснащены до-статочными (для своих задач), но не выдающи-мися средствами подготовки геометрии КЭ-мо-делей проектируемых сооружений. Кроме того, современные задачи строительного проектиро-

Опыт применения ANSYS/CivilFEM

в строительных расчетах для объектов г.Москвы

М.В.Прошин, канд. техн. наук, Т.В.Исайкова (МГСУ)


22



вания обладают сложной топологией и для их ре-шения требуется большой набор разнообразных конечных элементов последних поколений.

В этом отношении ANSYS/CivilFEM нахо-дится на самом современном уровне, а после интеграции в среду ANSYS Workbench его воз-можности по работе с геометрией модели воз-растут на порядок.

Существует большой перечень строи-тельных задач, которые могут быть решены с помощью базового модуля комплекса ANSYS/CivilFEM — CivilFEM INTRO, а также путем исполь-зования специальных модулей, которые в насто-ящее время находятся на стадии тестирования: мосты и нелинейности, геотехнический модуль, модуль преднапряженного бетона. В первую оче-редь это относится к проверкам проектирования по российским строительным нормам (нагрузки и воздействия, бетон и железобетон, металличес-кие (стальные) конструкции, сейсмика) [6-9].

Постановка таких задач может быть раз-личной относительно свойств конструкций и основания, а также всего набора возможных на-грузок и воздействий, включая динамические и особые виды воздействий.

Нами были проведены расчеты оснований зданий, в том числе высотных, на Ленинском проспекте и на Беговой улице на предмет опре-деления осадок фундаментов, их неравномер-ностей и кренов. Расчет НДС основания зданий

проводился с учетом приведенной высоты же-лезобетонной сплошной плиты, эквивалентной по моменту инерции сечений подвальной части здания, на условное воздействие в виде реак-тивной эпюры под фундаментной плитой. Таким образом, предстояло решить две задачи: об ос-новании и о верхнем строении здания с основа-нием в виде коэффициента постели фундамент-ной плиты (рис. 1-6).

Все вышеуказанные расчеты проводились с различной деформируемостью оснований на этапах повторного нагружения до природного напряженного состояния и нагружения сверх природного.

Расчет основания высотного здания на Бе-говой улице выполнялся в упругопластической постановке по модели Друккера-Прагера (см. рис. 4-6).

Проводились также расчеты НДС конс-трукций 24-этажных (двух- и трехсекционных) зданий со стеновым железобетонным каркасом с основанием в виде коэффициента постели на целый ряд воздействий, в том числе на ветровое воздействие и на внезапное появление карсто-вой 6-метровой воронки (рис. 7-9).

Рис. 1. Многофункциональный высотный комплекс «Вертикаль»: Hmax = 180 м, среднее давление под подошвой фундаментной плиты — 10 кг/см2

Рис. 2. КЭ-модель основания высотного здания с приведенной (сплошной) высотой подвальной части

Рис. 3. Изополя осадки основания высотного здания под фундаментной плитой при нагружении до природного напряженного состояния

23


На рис. 8 приведены результаты расчета об-текания 24-этажного жилого здания, строящегося в московском районе Строгино. Расчет был вы-полнен в программном комплексе ANSYS CFX на базе КЭ-модели здания, построенной в ANSYS/CivilFEM. Результаты этого расчета использова-лись для задания ветровых нагрузок при после-дующих расчетах в CivilFEM, например на рис. 9 приведены изополя осадки фундаментной плиты.

Расчет коэффициента постели грунтового основания для фундаментов любой геометрии в плане — это еще один пример того, как можно

использовать возможности опции напластова-ния грунтов CivilFEM.

Подобный расчет (рис. 10) проводился для фундаментных плит приведенного по момен-ту инерции поперечного сечения для высотных зданий по Ленинскому проспекту и по проспекту Маршала Жукова (Москва) и показал хорошее совпадение с результатами расчета основания в трехмерной постановке по коэффициенту пос-тели основания Сz (отношение реактивного дав-ления под фрагментом фундаментной плиты к осадке этого фрагмента).

Рис. 4. КЭ-модель надземной части здания высотного комплекса на Беговой улице (Москва)

Рис. 5. КЭ-модель основания и подземной части здания высотного комплекса, приведенная к плите сплошного сечения

Рис. 6. Изополя осадки основания до природного напряженного состояния

Рис. 7. Трехсекционное 24-этажное жилое здание с подземным гаражом

Рис. 8. Расчет ветровых нагрузок на высотное здание в ANSYS CFX

Рис. 9. Осадка фундаментной плиты

24



Такие расчеты очень популярны среди проектировщиков зданий, поскольку позволяют убрать из рассмотрения грунтовое основание и заменить его совокупностью податливостей для части конечных элементов модели здания или сооружения. Однако это не всегда правомерно для зданий повышенной ответственности.

С помощью геотехнического модуля ANSYS/CivilFEM можно выполнять анализ устойчивости склонов и откосов, используя результаты МКЭ-расчетов НДС в плоской постановке или клас-сические методы потери устойчивости склонов и откосов по кругло-цилиндрическим и ломаным поверхностям обрушения: метод Феллениуса, Бишопа и Янбу (обычный и модифицированный) и др.

Мы использовали геотехнический модуль CivilFEM для оценки устойчивости ряда основа-ний зданий, в том числе высотных, расположен-ных на склоне. Такие расчеты особенно акту-альны, поскольку они предписаны российскими нормами проектирования оснований [5, 11].

Необходимость производить расчет осно-вания по первому предельному состоянию при его значительной неоднородности по свойствам заложена в старом СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений» и в новом СП 50-101-2004 [11] и может потребовать выполнения вышеука-занных расчетов и для ситуации основания без склона, когда аналитические методы расчета устойчивости основания некорректны.

На рис. 11 показаны результаты расчета устойчивости по кругло-цилиндрическим поверх-ностям обрушения оснований высотного здания методом Феллениуса.

Расчеты и проектирование шпунтовых ограждений для строительных котлованов (рас-чет гибких подпорных стен) в ANSYS/CivilFEM

являются еще одной сильной стороной этого программного комплекса. Он позволяет пользо-вателю выполнить нелинейный анализ поэтап-ного возведения (выемка или обратная засып-ка) проектируемого сооружения.

На рис. 12 и 13 показана схема шпунтового ограждения котлована (из стальных труб) с дву-мя ярусами подкосов на втором и шестом эта-пах выемки котлована.

На рис. 14 представлена эпюра изгибаю-щих моментов на последнем, 6-м этапе выемки котлована. Здесь подкосы условно моделирова-лись анкерами такого же наклона, что и наклон подкосов из стальных труб — при естественном предположении, что стальные трубы подкосов будут сжаты, а не растянуты, как анкерные тяги.

Аналогичные результаты достаточно быстро могут быть получены для ограждений из шпунто-вых труб (свай) или «стены в грунте» для прак-тически любых существующих подкрепляющих конструкций. На рис. 15-16 показаны эпюры уси-лий в конструкции шпунтовой трубы с распоркой.

Рис. 10. Изополя коэффициента постели по плану фундаментной плиты высотного здания (Москва, просп. Маршала Жукова)

Рис. 11. Результаты расчета устойчивости основания высотного здания (Москва, просп. Маршала Жукова) методом Феллениуса

Рис. 12. Сечение котлована и его шпунтового ограждения

25


Вышеупомянутые расчеты в г.Москве явля-ются массовыми, поэтому они включены в учеб-ные программы студентов МГСУ, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданс-кое строительство».

В заключение еще раз отметим, что ком-плекс ANSYS/CivilFEM представляет собой вы-сокоэффективный инструмент для расчетов и строительного проектирования конструкций и оснований. Он обладает громадными возмож-ностями при детальном освоении и дальнейшей адаптации к отечественным нормам проектиро-вания и, что немаловажно, позволяет сблизить отечественную и общемировую строительные инженерные школы.

Список использованных источников1. Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки. Л.: Стройиздат,

1974.192с.2. Жилыеиобщественныездания:Краткийсправочникин-

женера-конструктора/Подред.проф.Ю.А.Духовичного.М.:Стройиздат,1991.656с.

3. МГСН4.19-2005.Временныенормыиправилапроектиро-ваниямногофункциональныхвысотныхзданийизданий-комплексоввгородеМоскве.М.:ГУП«НИАЦ»,2005.126с.

4. МГСН2.07-01.Основания,фундаментыиподземныесо-оружения.М.:ГУП«НИАЦ»,2003.108с.

5. Основания, фундаменты и подземные сооружения:Справочник проектировщика/М.И.Горбунов-Поса-дов, В.А.Ильичев и др.; Под общ. ред. Е.А.Сорочана иЮ.Г.Трофименкова.М.:Стройиздат,1985.480с.

6. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия/ ГосстройРоссии.М.:ФГУПЦПП,2005.44с.

7. СНиПII-23-81*.Стальныеконструкции/ГосстройРоссии.М.:ФГУПЦПП,2003.90с.

8. СП52-101-2003.Бетонныеижелезобетонныеконструк-циибезпредварительногонапряжения.Основныеполо-женияипособиекнему/ГосстройСССР.М.:ФГУПЦПП,2006.53с.

9. СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах/МинстройРоссии.М.,1996.53с.

10. СНиП 2.02.02-85*. Основания гидротехнических соору-жений.М.:Стройиздат,1986.

11. СП50-101-2004.Сводправилпопроектированиюистро-ительству: Проектирование и устройство оснований ифундаментовзданийисооружений.М.:ФГУПЦПП,2005.176с.

12. СП50-102-2003Сводправилпопроектированиюистро-ительству:Проектированиеиустройствосвайныхфунда-ментов.М.:ФГУПЦПП,2005.109с.

Рис. 13. а — 2-й этап выемки грунта из котлована; б — 6-й этап выемки грунта из котлована

Рис. 14. Эпюра изгибающих моментов (6-й этап)

A Б

Рис. 15. Продольное усилие в распорке

Рис. 16. Эпюры изгибающих моментов в шпунтовой трубе с распоркой

38



Дистанционный запуск решателя в среде ANSYS Workbench

Вы спрашивали — мы отвечаем

Sheldon Imaoka,инженер технической поддержки ANSYS, Inc.

Современные возможности ANSYS поз-воляют пользователю одновременно ре-шать несколько задач — как локально на рабочей станции, так и на удаленном сервере.

Расчетный модуль ANSYS Workbench (WB) позволяет запускать на решение на локальном компьютере или на удаленном сервере сразу несколько задач. Для задания способа решения можно использовать либо настройки ветки So-lution дерева проекта в модуле Simulation (WB), либо менеджер управления расчетом ANSYS Workbench Remote Solution Manager.

По умолчанию все задачи в WB запускаются на решение в синхронном режиме. Это означает, что при запуске модели на выполнение расчета из экранного меню будут рассчитаны только выбранные переменные и для них же автоматически будут выведены результаты.

Опции настройки синхронного решения показаны на рис. 1. Если в поле Run Process on указано Local Machine, значит выбран синхронный тип решения (synchronous solution). В этом же окне можно задать количество процессоров, применяемых при решении; по умолчанию — два процессора (при их наличии).

Этот метод используется обычно в тех случаях, когда пользователь имеет только одну

лицензию ANSYS, а также в случае, если, например, требуется решить одну задачу с несколькими вариантами граничных условий или наоборот. Тогда пользователь должен выбрать «родительский» каталог и последовательно произвести расчет нескольких вариантов.

Асинхронный тип решения (asynchronous solution) позволяет решать задачи на удаленных серверах. На данный момент пользователь может выбрать одну из трех конфигураций асинхронного типа решения WB:• прямое решение на компьютере с операци

онными системами UNIX или Linux;• решение на ANSYS Workbench cluster;• решение с применением программного

обеспечения Platform LSF.Как показано на рис. 2, при решении на

удаленном сервере с ОС UNIX или Linux в поле Run Process on необходимо выбрать WB cluster. В поле RSM Web Server следует указать localhost, а в поле Assignment поменять значение на Server.

Рис. 1. Просмотр настроек синхронного типа решения

Рис. 2. Характерные настройки опций удаленного решения на компьютерах с ОС UNIX или Linux

39


При применении этого метода на удаленном сервере должно быть задано имя сервера (hostname) под управлением ОС UNIX/Linux, а также информация для входа в систему (login information).

Метод WB cluster подразумевает использование нескольких компьютеров, объединенных в кластер, под управлением ОС Windows. (Подробнее см. руководство «ANSYS Workbench Products Remote Solution Manager Configuration Guide», раздел «Installation and Configuration Guides».) При этом используются службы IIS (Internet Information Services) и .NET (Microsoft .NET Framework). Компьютер, настроенный на предоставление Web service, должен работать под управлением ОС Windows Server 2003 или более поздней версии. Он получает запросы на решение задач на компьютерах, объеденных в вычислительный кластер. Постановка задач в очередь и присвоение идентификаторов происходят на сервере Web service. Пользователь может работать с файлами модуля Workbench Simulation на другом компьютере и проводить мониторинг и запрос постановки задач на решение (monitor/submit jobs) на компьютере с Web service.

Пользователь также может воспользоваться специальным программным продуктом Platform LSF фирмы Platform Computing (www.platform.com), позволяющим организовать управление постановкой в очередь задач на вычислительных серверах.

Следует отметить, что асинхронный тип решения на удаленных вычислительных узлах обладает рядом неоспоримых достоинств:• решение проводится на удаленном вычис

лительном сервере, поэтому компьютер пользователя в этот момент свободен и может использоваться для других целей;

• текущая расчетная модель модуля Workbench Simulation может быть сохранена и закрыта, и пользователь может начать работать с новой расчетной моделью;

• в зависимости от числа лицензий и конфигурации Workbench cluster в работе одновременно могут находиться сразу несколько задач, что значительно сокращает время на поиск нужного решения;

• при наличии лицензий ANSYS PrepPost пользователь может независимо от процесса расчета заниматься пре и постпроцессингом.Однако есть ряд моментов, которые следу

ет учитывать в случае применения асинхронного типа решения:• для запуска решения на удаленном вы

числительном сервере требуется дополнительная лицензия ANSYS;

• не поддерживаются некоторые виды анализов, например термопрочностной. Нельзя

использовать специальные опции по нахождению сходимости (объект Convergence). (Подробнее см. следующий раздел справки ANSYS Workbench 10.0: Simulation Help → Using Simulation Features → Synchronous and Asynchronous Solutions);

• важно помнить, что во время выполнения решения пользователь не может изменять входные параметры — это позволяет избежать несоответствия между моделью и результатами;

• для корректной работы этой вычислительной среды необходимо ее правильно сконфигурировать.Еще одна опция — это возможность ком

бинировать оба рассмотренных типа решения. Менеджер управления удаленным решением (RSM) может быть использован локально, что позволит пользователю решать несколько задач для разных расчетных моделей WB.

Пользователь может наблюдать за работой RSM. Для этого он должен вызвать диспетчер задач Windows и нажать правой кнопкой мыши на иконку ANSYS в верхнем правом углу панели Windows Tasks. Далее в выпадающем меню необходимо выбрать команду open job status. После этого на экране появится панель ANSYS solution status monitor со списком запущенных, завершенных и стоящих в очереди задач. Пользователь может работать с двумя переменными: вычислительный сервер и указатель очередности. Здесь вычислительный сервер выступает в значении или локальной рабочей станции, или удаленного компьютера (компьютеров) под управлением ОС UNIX/Linux.

Если у пользователя есть два физических процессора/два ядра и он хочет запустить одновременно на решение две задачи, то для этого он должен создать дополнительный виртуальный сервер с именем LocalHost2 (произвольное имя). Кроме того, требуется определить еще две переменные: MachineName и Enabled (рис. 3).

Очереди можно представить как группу серверов, работающих над решением задач.

Если пользователь собирается решать задачу локально, то следует сохранить установку по умолчанию — local.

Для одновременного решения двух задач на двухпроцессорной/двухъядерной машине необходимо открыть очередность задач и с помощью опции Assigned Servers активировать оба вычислительных сервера: localhost и LocalHost2. После этого можно локально использовать RSM. При этом следует указать Run Process on = WB cluster и RSM Web Server = localhost. Имя очереди должно соответствовать приведенному выше (то есть local). Необходимо также задать значение переменной License to Use.

40



Мы продолжаем знакомить наших чита-телей с улучшениями и обновлениями в программных продуктах ANSYS вер-сии 11.0. И в данной статье рассмотрим новые возможности модуля FE Modeler среды ANSYS Workbench 11.0 по парамет-рическому изменению сетки КЭ. В качес-тве аппаратной платформы и операцион-ной системы была выбрана конфигура-ция, представленная на рис. 1.

Отметим, что на странице проекта (Project) среды ANSYS Workbench реализовано подключение баз данных КЭмоделей не только «родных» программных продуктов ANSYS, но и сторонних, таких как ABAQUS и NASTRAN (рис. 2).

Далее в примере мы будем работать с КЭмоделью, построенной в ANSYS, но то же самое

можно проделать и с КЭмоделями ABAQUS и NASTRAN.

Как только задачи будут отправлены на решение, они будут поставлены в очередь в локальную RSM. Пользователь может сохранить модель и выйти из Workbench Simulation либо начать работу с новой моделью.

Если в иконке RSM диспетчера задач Windows выбрать режим оповещения (desktop alert), то на экране появится отдельная небольшая панель со списком запущенных задач (рис. 4).

Задачи будут решаться в директории с идентификатором имени ce_ (здесь «_» — по

рядковый номер) в системной директории Windows для хранения временных файлов (обычно TEMP). После окончания счета можно перейти к процессу просмотра результатов.

В дополнение к перечисленным достоинствам этого метода необходимо отметить возможность одновременного запуска на расчет двух задач на двухпроцессорном компьютере под ОС Windows. Это не означает, что мы должны открыть две разные расчетные модели в модуле ANSYS Workbench Simulation. Следовательно, появляются дополнительные свободные ресурсы оперативной памяти при работе с большими моделями.

В заключение — несколько замечаний:• пользователь не может выйти из своей учет

ной записи или выключить компьютер до тех пор, пока не завершится процесс счета;

• обязательно должны быть запущены следующие RSMприложения: WBProcStat.exe и JMService.exe.

Рис. 4. Панель Running Jobs Status

Рис. 3. Задание дополнительного виртуального сервера для одновременного решения двух задач на локальной двухпроцессорной/двухъядерной рабочей станции

Рис. 1. Информация об ОС и аппаратной платформе

Параметрическое изменение сетки КЭ в среде ANSYS Workbench

Александр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р»

41


В качестве геометрической модели мы будем использовать параметрическую твердотельную модель DesignModeler (рис. 3).

На рис. 4 показана сетка КЭ, созданная в расчетном модуле DesignSimulation на основе модели DesignModeler.

Обратите внимание на две именованные группы выбора (раздел дерева Named Selections) NS_map1 (рис. 5) и NS_map2, которые были созданы для получения сетки «О»типа в районе отверстий. Эти группы выбора в дальнейшем будут переданы в PREP7 традиционного интерфейса ANSYS как компоненты с узлами сетки КЭ, принадлежащими выбранным поверхностям в Component Manager.

Далее КЭмодель загружается в модуль FE Modeler (рис. 6).

В FE Modeler можно получить детальную информацию о КЭмодели: типы элементов, их количество, используемые материалы, контакт

Рис. 2. Импорт КЭ-моделей

Рис. 3. Геометрическая модель, созданная в модуле DesignModeler

Рис. 4. Конечно-элементная модель

Рис. 5. Указание поверхностей, принадлежащих группе выбора NS_map1

Рис. 6. Передача КЭ-модели в модуль FE Modeler

Рис. 7. Выбраны поверхности элементов компонента NS_map1

42



ные элементы, тела, компоненты, граничные условия и пр.

Мы не будем подробно останавливаться на всех функци ональных возможностях FE Modeler и рассмотрим только следующие вопросы: параметрическое изменение сетки КЭ и передача измененной сетки в препроцессор PREP7.

Как уже было замечено, именованные группы выбора для поверхностей распознаны в

модуле FE Modeler как компоненты Components (в терминах PREP7) (рис. 7). В FE Modeler можно создать дополнительные компоненты, предва

Рис. 8. Создание компонента в FE Modeler: выбраны поверхности элементов, принадлежащие компоненту NS_otv1

Рис. 9. Раздел дерева Geometry Synthesis, в котором описываются операции геометрического синтеза

A

Б

Рис. 10. Сгенерированные поверхности, обтягивающие КЭ-модель, — Skin Detection Tool Component

Рис. 11. Выбрано тело, созданное геометрическим синтезом КЭ-модели

Рис. 12. Задание направления и величины смещения поверхности отверстия с помощью вектора

43


рительно выбрав узлы, поверхности элементов или элементы (рис. 8).

Теперь рассмотрим самую интересную особенность модуля FE Modeler, связанную с возможностью параметрического изменения сетки КЭ. Традиционно КЭмодель создается на базе геометрической модели, но в FE Modeler реализован обратный подход. Этот модуль на базе существующей КЭмодели создает геометрическую модель, как бы «обтягивая» КЭмодель поверхностями (рис. 9).

Эта технология была разработана французской компанией CADOE и реализована в программном продукте ParaMesh. Несколько лет назад ANSYS приобрел CADOE и теперь использует ее идеи в своих модулях на платформе ANSYS Workbench (рис. 10).

Следующий шаг — создание начальной геометрии Initial Geometry (рис. 11).

После этого необходимо создать объект Target Configuration, над которым будут выполняться операции параметрического изменения. В нашем примере мы переместим одно из отверстий на новое место.

Операцию переноса поверхности отверстия можно выполнить двумя способами: либо задав приращение по ортам, либо указав направление перемещения (и его величину) с помощью вектора (рис. 12), определенного посредством двух узлов КЭмодели.

После выполнения этой операции в менеджере управления параметрами Parameter Man-ager среды ANSYS Workbench появится новый параметр ParaMesh.Parametr.1, описывающий операцию перемещения (рис. 13).

Для подтверждения изменения геометрии необходимо в Parameter Manager указать такое же значение параметра, что и в дереве проекта, а затем нажать кнопку синхронизации.

После этого происходит обновление объекта Parameterized Mesh и на экране появляется изображение измененной геометрии, показанное на рис. 14.

Далее необходимо обновить КЭмодель, для чего следует нажать кнопку Update FE Mod-eler Mesh (рис. 15).

Теперь мы можем открыть перестроенную КЭмодель в традиционном интерфейсе PREP7 ANSYS (рис. 16).

Рис. 13. Окно Parameter Manager

Рис. 14. Обновленная геометрия

Рис. 15. Открытие в странице проекта измененной КЭ-модели

Рис. 16. Традиционный интерфейс PREP7

44



Вопрос о разбивке геометрических моделей на конечные элементы (КЭ) преимущественно гексаэдрической формы возникает в ряде рас-четных случаев: нелинейные задачи, контакт-ные задачи, а также большие по размерности расчетные модели. Сразу же оговоримся, что сходимость таких задач не всегда зависит от формы элемента: комплекс ANSYS решает за-дачи по расчету НДС конструкций элементами 2-го порядка в форме тетраэдра с достаточной точностью.

В случае больших расчетных моделей лег-ко убедиться, что использование гексаэдров в разы уменьшает число расчетных элементов в сравнении с тетраэдрами, а это означает сущест-венное ускорение и упрощение расчета.

Для разбивки модели на сетку КЭ можно использовать:• универсальный сеточный генератор ANSYS

ICEM CFD;• средства препроцессора PREP7 в тради-

ционном графическом интерфейсе ANSYS (Tcl/Tk);

• генератор сетки расчетного модуля DesignSimulation среды ANSYS Workbench.В этой статье мы рассмотрим варианты

применения CAD для подготовки геометри-ческой модели перед разбивкой на КЭ гекса-эдрической формы в PREP7 и использование средств модуля DesignModeler среды ANSYS Workbench.

В качестве исходной геометрической мо-дели мы выбрали несимметричный тройник круглого сечения, построенный в CAD-пакете Autodesk Inventor (рис. 1). Модель не является

Подготовка геометрической модели в PREP7 и DesignModeler

для создания сетки гексаэдров

Александр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р»

Рис. 1. 3D-модель тройника

Рис. 2. Операция экспорта геометрической модели в модуль Simulation

Рис. 3. Внешний вид сетки тетраэдров

45


стандартизованной и не может служить для про-фессионального использования в качестве эле-мента трубопроводной арматуры.

Проанализируем возможные действия для генерации сетки. Самым простым, но и самым неправильным будет напрямую передать модель из Autodesk Inventor в расчетный модуль Design-Simulation (рис. 2), а затем разбить ее на сетку КЭ в автоматическом режиме, используя лишь средства загущения сетки в наиболее нагружен-ных зонах (рис. 3).

Мы не беремся обсуждать правильность такого подхода, поэтому предложим несколько иные способы получения эффективной разбив-ки этой модели на сетку КЭ.

Первое, что бросается в глаза, — наличие у модели двух плоскостей симметрии. Следова-тельно, в Autodesk Inventor можно получить сек-тор модели, воспользовавшись операцией Split с опцией (Method) Split Part (рис. 4).

Далее необходимо выбрать сеточный гене-ратор, в котором мы будем создавать сетку КЭ. Для начала рассмотрим генератор препроцес-сора PREP7. Здесь возможны два варианта: мы

можем преобразовать исходную модель в набор регулярных объемов непосредственно в CAD-системе или применить для этих целей средства препроцессора PREP7.

Перед созданием отдельных твердотель-ных объемов (образующих сборку в CAD-систе-ме) следует выполнить топологический анализ исходной геометрической модели на предмет ее «расчленения» на более простые тела (объемы), к которым применима операция Sweep. При мо-делировании необходимо избегать граней объ-емов, в которых касательная стремится к нулю. На рис. 5 показана сборка объемов (отдельные объемы раскрашены в разные цвета), созданная в Autodesk Inventor.

После импорта модели в ANSYS (перед этим модель была сохранена в формате ACIS) необходимо «склеить» объемы, то есть выпол-нить операцию Glue, в результате чего совпада-

Рис. 4. Результаты выполнения операции Split Part

Рис. 5. Набор полученных объемов

Рис. 6. Операция «склеивания» геометрических объектов Glue

Рис. 7. Визуализация объемов в PREP7

46



ющие элементы геометрии будут объединены (рис. 6 и 7).

Далее для созданных объемов необходимо выбрать тип конечного элемента, исходя из вида предполагаемого анализа и пространственной топологии. В данном случае были выбраны два типа объемных КЭ: 20-узловой гексаэдр и 10-уз-ловой тетраэдр.

На рис. 8-9 показаны настройки диалого-вых панелей MeshTool и Sweep Options, необ-

ходимых для создания узлов и конечных эле-ментов на основе объемов. Признак Tet mesh is nonsweepable… позволяет создавать тетраэд-ры в объемах, к которым неприменима операция вытягивания (Sweep) (см. рис. 9).

В результате построенная гибридная сетка будет иметь вид как на рис. 10.

Теперь рассмотрим вариант построения структурированной сетки в модуле DesignSimu-lation (DS) среды ANSYS Workbench.

Для создания осесимметричной модели тройника используем опцию Symmetry модуля DesignModeler (DM) — рис. 11.

В результате этой операции будут сгенери-рованы все необходимые данные для коррект-ного задания осесимметричных граничных усло-вий в расчетном модуле DS (рис. 12).

Технология разбиения модели на sweepable-объемы в DM чем-то похожа на ту, что мы использовали в Autodesk Inventor для со-здания сборки и генерации сетки КЭ в PREP7. Однако следует напомнить, что модуль DS и PREP7 используют абсолютно разные генера-

Рис. 9. Настройки панели Sweep Options

Рис. 10. Гибридная сетка КЭ, построенная на совокупности объемов

Рис. 11. Результаты выполнения операции Symmetry

Рис. 12. Область симметрии в DS

Рис. 8. Настройки панели MeshTool

47


торы сетки (см. статью «Особенности создания сетки КЭ на платформе Workbench» в журна-ле «ANSYS Solutions. Русская редакция» № 1 (1), осень 2005), поэтому возможны некоторые различия в последовательности выполняемых операций. Например, для генератора сетки DS не так критичны острые углы на ребрах поверх-ностей, ограничивающих объемы, а кроме того, он менее требователен к местам сопряжения поверхностей.

На рис. 13 показана геометрическая мо-дель, созданная в модуле DM для генератора сетки DS.

Отличительные особенности этой модели:• операция Symmetry была применена для

двух плоскостей;• для разделения модели использова-

лась как операция Slice (с опциями Slice Off Faces и Slice by Plane), так и опера-ция моделирования со значением опции Operation — Slice Material.

• мы стремились создать такие простые объемы, чтобы они имели точно совпада-ющие друг с другом поверхности сопря-жения;

• для отверстий были подготовлены отдель-ные объемы для применения опции Mapped Face Meshing (регулярная сетка вокруг от-верстий) (рис. 14).

Перед генерацией сетки были использо-ваны средства коррекции КЭ-модели: задание размера элемента для выбранных объемов и задание структурированной разбивки (с указа-нием числа делений).

В результате была получена КЭ-модель, которая на 80% состоит из 20-узловых гексаэд-ров. Эта сетка вполне пригодна для расчетов, хотя и имеет некоторые недостатки (рис. 15).

На рис. 16 показан улучшенный вариант КЭ-модели тройника, построенный инжене-ром, профессионально владеющим средствами PREP7 традиционного графического интерфей-са ANSYS. Как видно из рисунка, модель це-ликом состоит из элементов гексаэдрической формы.

Эта сетка получилась более качественной, чем сетка на рис. 10, так как при ее создании использовались дополнительные операции гео-метрического моделирования PREP7.

Рис. 13. Sweepable-объемы, построенные в DM

Рис. 14. Опция Mapped Face Meshing

Рис. 15. КЭ-модель тройника в модуле DS

Рис. 16. Вид регулярной сетки, построенной в PREP7

48



Мы продолжаем начатую в первом но-мере журнала за 2006 год серию статей, посвященную проблеме создания сетки гексаэдров в ANSYS ICEM CFD.

Для начала вспомним основные этапы построе-ния гексаэдрической сетки:1. Импорт геометрии в ANSYS ICEM CFD.2. Распределение по компонентам поверхнос-

тей, связанных с граничными условиями.3. Создание базовой блочной структуры ко-

мандой экранного меню Blocking → Create Block.

4. Разделение блочной структуры Split Block и назначение ассоциативных связей между блоками и геометрическими объектами — Associate.

5. Выполнение операции Pre-Mesh для полу-чения предварительной сетки.

6. Перенос сетки в основной интерфейс и конвертация в формат решателя.Основная сложность при построении гек-

саэдрической сетки заключается в получении адекватной геометрии блочной структуры. Кри-териями качества служат стандартные парамет-ры скошенности граней и отношения сторон. В зависимости от типа анализа, в котором будет

использоваться построенная сетка, конкретные значения этих параметров могут меняться, но общий принцип остается.

Рассмотрим подробнее основные опера-ции над блоками.

В закладке Blocking дерева модели нахо-дится меню Create Block. С помощью команды этого меню Initialize Block осуществляется на-чальное построение блочной структуры.

Необходимо выбрать тип создаваемого блока — он может быть трехмерным (3D), дву-мерным и поверхностным. Также можно указать геометрические объекты, вокруг которых будет построен блок. Функция From Vertices/Faces позволяет создать блок, указав его вершины или две противоположные грани.

3D-блоки делятся, в свою очередь, на три типа: стандартный Hexa, вытянутый Swept и вырожденный Degenerate. Ниже представлены примеры построения подобных блоков. Нестан-дартные типы блоков применяются в таких мес-тах геометрии, где невозможно создать блок с восемью вершинами.

Построение гексаэдрической сетки

в ANSYS ICEM CFD Часть 2

Михаил Плыкин, ЗАО «ЕМТ Р»

Указание вершин Указание граней

Degenerate-блок Swept-блок

49


Операция Extrude Faces является анало-гом CAD-команды «Выдавливание». Оставшие-ся две команды меню Initialize Block позволяют преобразовывать блочную структуру из трех-мерной в двумерную и наоборот.

В меню Split Block находятся операции по разделению блоков. Команда Split Block делит блок(и) по направлению.

Команда O-grid Block создает на базе бло-ка специальную структуру.

В зависимости от примененных опций по-лучаются различные сочетания блоков.

Операции ассоциативного связывания геометрии и блочной структуры объединены в меню Associations. Между различными эле-ментами геометрии и блочной структуры мож-но назначить связь. Самым распространенным

методом является связь ребра блока с линией. По умолчанию все внешние ребра блока и гра-ни проецируются на ближайшую поверхность. Цвет ребра блока определяет тип ассоциации. Зеленый цвет указывает, что ребро привязано к геометрии, белый (или черный) означает связь с поверхностью, а голубой показывает свободные (внутренние) ребра.

В ходе выполнения операций ассоцииро-вания можно выбирать сразу несколько объек-тов — как геометрических, так и формирующих блочную структуру.

После указания необходимых ассоциаций их можно проверить. Для этого в дереве моде-ли в закладке Blocking—Edges необходимо выбрать пункт Show Associations. Стрелками будут показаны направления между гранями блоков и геометрией.

В ходе данных операций почти всегда воз-никает необходимость переместить вершины блока. Все необходимые инструменты для этого содержатся в меню Move Vertex: передвижение узлов по отдельности или группами, фиксация координат при передвижении или указание на-правления перемещения.

Рассмотрим несколько характерных при-меров построения гексаэдрической сетки.

Создадим базовый блок Blocking → Create Block.

О-сетка С-сетка L-сетка

Исходная модель

Базовый блок

50



Переходим в меню Split Block → O-grid Block и выбираем блок Select Block. Дополнительно не-обходимо указать грани блока, на которые мы хо-тим вывести O-сетку, — опция Select Face.

Для более четкого понимания того, зачем мы выделяем грани блока, рассмотрим несколь-ко типичных ситуаций.

Этот же принцип выделения сторон можно применять и к трехмерным блокам.

Иногда в ходе создания блочной струк-туры требуется удалить блок. Данная опе-рация осуществляется с помощью команды Blocking → Delete Block. По умолчанию в ходе этой операции блок физически не удаля-

ется, а помещается в специальный неактив-ный Part с именем VORFN, что делается для связи блочных параметров в модели. В случае необходимости можно безвозвратно удалить блок — для этого нужно указать опцию Delete permanent.

В нашем примере мы должны удалить цент-ральный блок и получить следующую структуру:

Затем выполним операцию Associations → Edge to Curve и спроецируем ребра блоков на соответствующие кривые геометрии.

Для более точной привязки блочной структуры к геометрии разделим дополнитель-но блоки Split Block в трех местах. В исходной геометрии в этих местах присутствуют кривые, на которые мы можем спроецировать ребра блоков.

После ассоциации ребер, возможно, потре-буется передвинуть узлы вдоль кривых. Исполь-зуйте для этой цели команды меню Move Vertex.

Для получения предварительной сетки Pre-Mesh нужно задать размеры элементов в блочной структуре. Для этого можно восполь-зоваться как методом переноса размеров от по-верхностей к блокам, так и непосредственным заданием размеров на ребрах блока. Первый способ является сильно упрощенным, поэтому мы будем использовать второй способ — более функциональный и точный.

В меню Blocking → Pre-Mesh Params зада-ются параметры сетки на ребрах блоков. Самым распространенным является метод задания ко-личества узлов на ребре и закона распределе-ния. В пункте Nodes задается количество узлов на ребре блока. Также есть возможность зада-ния неравномерной сетки по направлению. Для

Результат операции

Выбраны блок и одна из сторон — получилась С-сетка

Теперь укажем еще одну сторону — получится L-сетка

51


этого нужно указать параметры в начале и в конце ребра и коэффициенты роста размеров. Рядом с окном, где задается значение, показа-но текущее значение параметра. Параметры с индексом 1 относятся к началу ребра, с индек-сом 2 — к концу ребра. Начало и конец ребра определяются направлением стрелки на реб-ре. Параметр Spacing — это размер элемента, Ratio — коэффициент роста размера.

Также можно воспользоваться функциями распределения размеров меню Mesh Law.

После задания размеров элемента можно сгенерировать предварительную сетку. Перей-дем в дереве модели в закладку Blocking. Пра-вой кнопкой вызывается контекстное меню, где определяется видимость сетки Solid/Wire или Wireframe и указывается тип проецирования (по умолчанию Project face). Для просмотра сетки нужно включить видимость пункта Pre-Mesh в дереве.

После изменения параметров сетки, ста-туса проецирования объектов и любого другого изменения необходимо заново сгенерировать предварительную сетку.

В результате всех перечисленных опера-ций на торцах трубы мы получим такую струк-тура, как показана на рис. а. Сетка исказилась в местах, где соединяются два соседних ребра, спроецированных на одну кривую.

Для устранения этого явления необходимо построить О-сетку внутри трубы. В меню Split Block → O-Grid Block выбираем все блоки и указываем две торцевые стороны (на входе и выходе трубы). После операции Pre-Mesh сетка на торцах трубы будет выглядеть подобным об-разом (рис. б).

В ходе построения блочной структуры лю-бой блок или несколько блоков могут быть ско-пированы и перенесены на другую геометрию. При изменении исходной геометрии также мож-но импортировать файл с расширением *.blk из исходного проекта и, скорректировав ассоциа-ции элементов, создать новую гексаэдрическую сетку.

Для создания рабочей сетки из предвари-тельной, необходимо выбрать тип преобразо-вания сетки. Доступны два режима: неструкту-рированная сетка (опция Convert to Unstruct Mesh) или блочно-структурированная сетка (оп-ция Convert to MultiBlock Mesh).

Полученную сетку можно экспортировать в любой решатель, доступный в меню Output-se-lect solver.

В заключение хотелось бы дать несколько рекомендаций.1. В процессе создания сложной блочной

структуры сохраняйте не только весь про-ект, но и отдельно файлы *.blk. Это позво-лит при обнаружении ошибки на предыду-щих этапах построения блочной структуры легко вернуться на несколько шагов назад.

2. Несмотря на то что строить блочную струк-туру можно методом как сверху вниз, так и снизу вверх, более устойчивым является первый метод.

3. При создании сетки в сборке блоки, находя-щиеся в разных деталях, необходимо поме-щать в отдельные компоненты Parts. В этом случае поверхностные элементы в местах контакта создадутся автоматически.

4. После преобразования сетки в стандарт-ный формат обязательно проведите ана-лиз качества сетки. Это позволит опреде-лить не только элементы низкого качества, но и элементы с отрицательным объемом, которые получаются обычно при некоррект-ных ассоциациях на сложной геометрии и требуют обязательного изменения.

5. Если геометрия содержит закругления, от-верстия, галтели или просто плавные пере-ходы, попробуйте применить в этом месте один из типов О-сетки. Подобный тип сетки также применяется для разрешения погра-ничного слоя в задачах вычислительной гидродинамики.

6. Для получения дополнительной информа-ции посетите сайт ansys.msk.ru. БA

52

Вне рубрики


ОБЗОР ANSYS, 71 с.Глава 1. Новости комплекса ANSYS 9Глава 2. Геометрический процессорГлава 3. Распределенные вычисленияГлава 4. Средства импорта

USER GUIDE OPERATIONS, 103 с.Глава 1. Введение в руководствоГлава 2. Среда ANSYSГлава 3. Вызов сеанса работыГлава 4. Использование графического интерфейсаГлава 5. Графическое указаниеГлава 6. Настройка комплекса ANSYSГлава 7. Использование протокола команд

USER Elements Reference, 99 с.Глава 1. СодержаниеГлава 2. Общие свойства элементов

USER GUIDE BASIC (часть 1), 407 с.Глава 1. Предварительная информация об использовании комплекса ANSYSГлава 2. Приложение нагрузокГлава 3. Проведение расчетаГлава 4. Обзор постпроцессоровГлава 5. Основной постпроцессор (POST 1)Глава 6. Постпроцессор просмотра результатов по времени (POST 26)

USER GUIDE BASIC (часть 2), 299 с.Глава 6. Постпроцессор просмотра результатов по времени (POST 26)Глава 7. Расчет задач устойчивостиГлава 8. Вызов средств графикиГлава 9. Общие настройки графикиГлава 10. Режим Power GraphicsГлава 11. Создание изображений геометрических объектовГлава 12. Создание изображений геометрических результатовГлава 13. Построение графиковГлава 14. АннотацииГлава 15. АнимацияГлава 16. Внешняя графикаГлава 17. Создание отчетаГлава 18. Управление файламиГлава 19. Управление памятью и конфигурация

USER GUIDE ADVANSED, 405 с.Глава 1. Оптимизация проектаГлава 2. Топологическая оптимизацияГлава 3. Создание проекта на основе случайных чиселГлава 4. Вариационная технологияГлава 5. Построение адаптивных сеток

Глава 6. Расчет циклически симметричных задачГлава 7. Расчет НДС в локальных зонахГлава 8. Использование суперэлементовГлава 9. Синтез форм компонентовГлава 10. Динамика жесткого тела и интерфейс ANSYS-ADAMSГлава 11. Рождение и смерть элементовГлава 12. Объекты. Программирование пользователем, нестандартное использование комплексаГлава 13. Параллельные вычисления

USER GUIDE MODELING, 521 с.Глава 1. Обзор методов создания моделейГлава 2. Постановка задачиГлава 3. Системы координатГлава 4. Создание геометрических моделейГлава 5. Импорт геометрических моделей (IGES)Глава 6. Создание сети КЭ на основе геометрической моделиГлава 7. Исправление моделиГлава 8. Прямая генерация узлов и элементовГлава 9. Модели трубопроводовГлава 10. Управление нумерацией элементовГлава 11. Связь узлов и уравнения ограниченийГлава 12. Объединение и архивирование

USER GUIDE STRUCTURAL (часть 1), 421 с.Глава 1. Обзор методов расчета МДТТГлава 2. Расчет статических задач МДТТГлава 3. Расчет собственных колебанийГлава 4. Расчет вынужденных колебанийГлава 5. Расчет переходных динамических процессовГлава 6. Спектральные расчетыГлава 7. Расчет задач устойчивостиГлава 8. Расчет нелинейных задач МДТТГлава 9. Аппроксимация кривой деформированияГлава 10. Моделирование уплотнений

USER GUIDE STRUCTURAL (часть 2), 495 с.Глава 11. Контактные задачиГлава 12. Механика разрушенияГлава 13. КомпозитыГлава 14. УсталостьГлава 15. Расчет статического НДСГлава 16. Расчет балокГлава 17. Расчет оболочек

ANSYS Parametric Design Language APDL, 193 с.

ДОКУМЕНТАЦИЯ ПО ANSYS НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ

Documents

ANSYS Advantage. Русская редакция 4'2007