ANSYS Advantage. Русская редакция 7'2008

СудоСтроение и проектированиеморСких Сооружений

иСпользование ANSYSпри проектировании

объектов оСвоения шельфов

CFD-технологиив Современном

СудоСтроении

Сопряженныйтеплообменв ANSYS CFX

непревзойденное преимущеСтво в инженерных раСчетах тм

веСна 2008 (7)

Содержание

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD, ASAS, AQWA, FLUENT являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании ANSYS, Inc. «От идей к решениям», «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками компании ЗАО «ЕМТ Р». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются

торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

«ANSYS Advantage. Русская редакция»

Инженернотехнический журнал

Выходит 4 раза в год Весна 2008 (7)

Учредитель:ЗАО «ЕМТ Р»

Генеральный директор:Локтев Валерий

Руководитель проекта:Хитрых Денис

[email protected]

Над номером работали:Бутяга СергейКабанов ЮрийЛарин Михаил

Чернов АлександрЮрченко Денис

Интернетгруппа:Николаев Александр

Переводчик:Юрченко Анна

Адрес редакции111672 Россия, Москва,

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

Тираж 1500 экз.Цена свободная

ANSYS Advantage. Русская редакция | Весна 2008www.ansyssolutions.ru

ВЕСНА 2008

© 2008 ANSYS, Inc. © 2008 ЗАО «ЕМТ Р»

Teхнологии

Технологии/ANSYS MultiphysicsИспользование программного комплекса ANSYS при проектировании объектов освоения шельфа ............................................... 2

Использование пК ANSYS для расчета морской ледостойкой стационарной платформы «приразломная» ....................................................... 7

Реализация метода конечных элементов в исследованиях прочности и несущей способности сложных судовых конструкций ............................................................................ 12

Верификация и аттестация программного комплекса ANSYS в части расчета температурного состояния конструкций и оборудования ЯЭУ ............................................................................................ 17

Технологии/ANSYS WorkbenchЛокализация семейства программных продуктов ANSYS Workbench. Что это нам дает? ................................................................................................. 19

Оптимизация конструкций в модуле DesignXplorer среды Workbench с использованием метода Variational Technology ........................................................................................... 22

Технологии/ANSYS LS-DYNAприменение modeFRONTIER при расчете изделий из композитных материалов ............................................................................... 26

Технологии/ANSYS CFXАнализ эффективности пылеулавливания вихревого аппарата ВЗп-M 200 с помощью программного комплекса ANSYS CFX ............................................................... 29

FSI-технологии ANSYS в медицине .................................................................... 34

Мастер-класс

Мастер класс/Вы спрашивали — мы отвечаем Создание вычислительного кластера на платформе Microsoft Windows x64 для ANSYS Distributed Solvers (в режиме Distributed Memory Parallel) ................................................................ 36

подвижные, деформируемые и перестраиваемые сетки в ANSYS CFX и FLUENT. Часть 1........................................................................ 38

Моделирование сопряженного теплообмена в трубчатом теплообменнике. 16 шагов ............................................................. 46

перепечатка опублико-ванных материалов толь ко с письменного раз решения ре дакции, за исключением кратких цитат в материа-лах информационного ха-рактера. Мнение редакции может не совпадать с мне-нием авторов

2

Технологии

ANSYS Solutions. Русская редакция | Весна 2008www.ansyssolutions.ru

ЦКБ «Коралл» выполняет значительный объем работ по проектированию корпу-сов объектов освоения шельфа, в том числе морских ледостойких стационар-ных платформ (МЛСП), самоподъемных буровых установок (СПБУ), а также ком-плексов сооружений, предназначенных для обустройства месторождений угле-водородного сырья в различных регио-нах мира на различных глубинах моря.В большинстве случаев такие установки представляют собой сложные простран-ственные сооружения, состоящие из опорной конструкции, несущего корпу-са и многоярусного верхнего строения, включающие как стержневые, так и пло-скостные конструктивные элементы в са-мых различных соотношениях.Вся установка и отдельные ее модули противостоят нагрузкам, вызываемым воздействиями окружающей среды (вол-нения, ветра, течения, сейсмоактивности и др.), а также самым разнообразным по величине, направлению и динамическим характеристикам нагрузкам, связанным с функционированием установки.Следует отметить, что помимо расчетов прочности конструкций корпуса установ-ки на нагрузки и их сочетания, характер-ные для этапа эксплуатации платформы, при проектировании рассматриваются также фазы строительства на заводе, транспортировки к месту эксплуатации и установки на точку эксплуатации.Во всех случаях основной задачей рас-четов прочности является обеспечение надежности и долговечности металло-конструкций корпуса при оптимальных затратах на материалы, изготовление и эксплуатацию.Успешному решению поставленных за-дач при проектировании сложных объ-

ектов в настоящее время способствует широкое применение метода конечных элементов (МКЭ), реализованного в раз-личных программных комплексах (ПК), в том числе и в ПК ANSYS.

В настоящей статье изложен опыт использо-вания ПК ANSYS для выполнения расчетов прочности металлоконструкций, в частности для решения вопросов обеспечения прочности при морской транспортировке и при подъеме модулей-тяжеловесов в условиях завода-строителя.

Примером решения первой проблемы яв-ляется выполнение комплекса расчетов проч-ности узла соединения основных несущих конструкций опорного основания платформы (понтонов, колонн и раскосов) при действии на-грузок, возникающих при перегоне объекта на точку эксплуатации с применением транспорт-ного понтона (ТП). Использование ТП обуслов-лено особенностями навигации на маршруте перегона.

Платформа представляет собой сложное пространственное сооружение, основными эле-ментами которого являются понтоны, колонны, соединительные раскосы, ледовое ограждение и многоярусное верхнее строение. Общий вид платформы представлен на рис. 1, основные конструктивные элементы и ТП в виде конечно-элементной модели — на рис. 2.

ТП подводится под горизонтальные попе-речные раскосы, через которые дополнительные силы поддержания передаются на платформу.

Усилия взаимодействия платформы и ТП воспринимаются шестью бортовыми опорны-ми фундаментами, установленными на относи-тельно гибких горизонтальных раскосах 25 шп., 77 шп. и 129 шп., и двумя фундаментами в ДП на горизонтальных раскосах 25 шп. и 129 шп. По-следние соединены с конструкциями ледового ограждения платформы.

Использование программного комплекса

ANSYS при проектировании объектов освоения шельфа

Павел Семенович Карпов, Вадим Иванович Кузьменко,ЦКБ «Коралл»

3


Фундаменты платформы опираются на фундаменты ТП через сосновую подушку тол-щиной 200 мм.

В данном случае проблема заключалась в том, что в результате предварительных рас-четов прочности узла соединения на действие нагрузок, возникающих при перегоне платфор-мы на точку эксплуатации с использованием ТП, было установлено, что прочность горизонталь-ного раскоса на участке от колонны до опорного фундамента недостаточна. В обшивке раскоса имеют место нормальные и касательные напря-жения, существенно превышающие допускае-мые. Перегруженными оказались и конструкции внутри раскоса.

Кроме того, значительные углы поворота сечений раскосов обусловили относительный перекос опорных поверхностей опорных фунда-ментов платформы и ТП, что, в свою очередь, могло привести к перегрузке деревянной (сосно-вой) подушки — раскрытию зазора (геометриче-ская нелинейность).

Для отработки оптимальной конструкции подкреплений узла соединения в условиях жест-ких ограничений по массе были выполнены мно-говариантные расчеты прочности узла соедине-ния на локальных КЭ. Геометрия локальной КЭ модели представлена на рис. 3, а разбивка на элементы в проблемной зоне — на рис. 4.

Для изучения напряженного состояния кон-струкций узла соединения использовалось не-сколько КЭ-моделей, которые отличались схемой приложения нагрузок, типом элементов для мо-делирования деревянной подушки и величинами заданных перемещений граничных сечений для раскосов в оконечностях и среднего раскоса.

Для изучения поведения деревянной по-душки в модель была включена конструкция, имитирующая поверхность фундамента на ТП.

При моделировании пластинчатых кон-струкций всех КЭ-моделей применялся элемент

Рис. 1. Общий вид платформы

Рис. 2. Глобальная КЭ-модель платформы и ТП

4



типа Shell181. Учитывая сложную конфигурацию конструкций узла соединения и опорных фун-даментов, для обеспечения должной точности расчета использовались конечные элементы малых размеров, в среднем — 100Ѕ100 мм, с постепенным их увеличением по мере удаления от проблемного района.

Для представления работы деревянной по-душки был применен стержневой элемент LINK 10, работающий только на сжатие.

Использование такого элемента обуслов-лено возможностью раскрытия зазора между по-верхностями опорного фундамента и дерева из-за их значительного взаимного перекоса ввиду гибкости раскосов. Последнее обстоятельство приводит к существенной неравномерности за-грузки деревянных подушек по ширине.

Схема расположения элементов, моде-лирующих деревянную подушку, приведена на рис. 5.

Для повышения достоверности результа-тов расчета было рассмотрено два варианта приложения расчетных нагрузок в КЭ-модели:

• узловая нагрузка, приложенная к централь-ному узлу плиты, имитирующей фундамент ТП (рис. 6);

• узловая нагрузка, приложенная непосред-ственно к узлам пластины опорного фунда-мента платформы (рис. 7).Следует отметить, что возможность объ-

единения степеней свободы, предоставляемая ANSYS, значительно упрощает процесс измене-ния узловой нагрузки и закреплений в узлах при выполнении многовариантных расчетов.

Таким образом, использование ANSYS по-зволило в короткий срок рассчитать большое количество вариантов подкрепления узла со-единения и выбрать оптимальную по критерию «прочность—масса» конструкцию подкрепления.

Рис. 5. Схема расположения элементов деревянной подушки

Рис. 6. Схема приложения нагрузки к центральному узлу фундамента ТП

Рис. 7. Схема приложения нагрузки непосредственно к пластине опорного фундамента платформы

Рис. 3. Локальная КЭ-модель. Общий вид

Рис. 4. КЭ-модель. Разбивка на элементы в проблемной зоне

5


Внутренние усилия и напряжения в рас-сматриваемых конструкциях определены на подробной локальной КЭ-модели с учетом воз-можных проявлений геометрической нелинейно-сти при деформации деревянной подушки, что значительно повысило достоверность получен-ных результатов.

Анализ результатов расчета в ANSYS боль-шого количества рассмотренных КЭ-моделей показал высокую стабильность работы комплек-са, что также подтверждает высокую достовер-ность результатов расчета.

Указанные выше обстоятельства позволи-ли обосновать применение повышенного коэф-фициента безопасности для конструкций узла соединения в режиме транспортировки η1 = 0,70 против η1 = 0,60, предусмотренного «Правила-ми классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок (ПБУ) и морских стационарных платформ (МСП)», часть II «Кор-пус Российского морского регистра судоходства (2006 г.) для основных конструктивных элемен-тов корпуса в режиме транспортировки».

Одним из важных и сложных вопросов при обустройстве морских месторождений являет-ся максимально возможное снижение объема строительно-монтажных работ, выполняемых в открытом море в условиях незащищенной аква-тории. Для обеспечения этого идут на укрупне-ние монтажных единиц, массу которых ограни-чивает в основном грузоподъемность крановых средств.

Как правило, такие монтажные единицы — это сложные пространственные многоярусные сооружения различной конструкции и назна-чения. Но всех их объединяет одно — необхо-димость уменьшения массовых характеристик за счет несущих металлоконструкций. Поэтому расчеты прочности и деформируемости при подъеме являются одним из основных средств

достижения цели, а ПК ANSYS — мощным ин-струментом для успешного решения поставлен-ной задачи.

Вопросы обеспечения прочности при подъ-еме модулей-тяжеловесов возникают также в процессе строительства на заводе. В смысле использования ANSYS эти случаи аналогичны, хотя существенно отличаются величинами рас-четных нагрузок и допускаемых напряжений.

В активе ЦКБ «Коралл» — выполнение расчетов прочности модулей массой до 2 тыс. т.

Рассматриваемый жилой модуль (ЖМ) представляет собой сложную пространственную конструкцию длиной 27,7 м, шириной 22,2 м и высотой 14,25 м, состоящую из несущего дни-ща, пяти палуб, наружных и внутренних стенок; масса ЖМ — 1395 т. При этом расчетная нагруз-ка на один обух (в плоскости обуха) составляет около 7000 кН. Общий вид ЖМ представлен на рис. 8.

Далее приведена общая схема проверки прочности при подъеме ЖМ.

Расчет прочности ЖМ при подъеме состо-ит из четырех частей:• расчет общей прочности; глобальная КЭ-

модель на рис. 8;• расчет местной прочности подкреплений

под обухи и примыкающих к ним конструк-ций; локальная КЭ-модель на рис. 9;

• расчет прочности обухов; локальная КЭ-модель на рис. 10;

• расчет прочности проушины обуха; локаль-ная КЭ-модель на рис. 11.При расчете общей прочности ЖМ и мест-

ной прочности подкреплений нагрузка от соб-ственного веса металлоконструкций с учетом расчетных коэффициентов формируется авто-матически средствами ANSYS.

При проверке местной прочности подкре-плений и обухов нагрузки в КЭ-моделях пред-

Рис. 8. Общий вид ЖМ. КЭ-модель для проверки общей прочности ЖМ

Рис. 9. КЭ-модель для проверки местной прочности подкреплений под обух

6



ставлены как узловые, а по граничным сечениям локальных КЭ-моделей введены соответствую-щие закрепления по данным счета глобальной КЭ-модели.

Для моделирования пластинчатых кон-струкций всех КЭ-моделей использован элемент типа Shell181.

Стержневые элементы Beam188 исполь-зованы для моделирования ребер жесткости (основного набора) и поясков некоторых рамных балок.

Конструкция обухов для подъема такова, что толщина проушины (s) составляет 20 + 30 + + 60 = 110 мм. Поэтому для моделирования обу-ха и проушины в локальной КЭ-модели для рас-чета прочности проушины использованы объем-ные элементы типа SOLID95. Для определения контактных напряжений в эту модель включен фрагмент пальца такелажной скобы, также смо-делированный с помощью элементов типа SOL-ID95. На контактных поверхностях отверстия проушины и пальца применены элементы типа TARGE170 и CONTA174.

В результате расчетов в ANSYS для раз-личных вариантов подкреплений под обухи и конструкций, к ним примыкающих, был опреде-лен оптимальный по параметру «прочность — масса» конструктивный тип ЖМ.

Возможность относительно простой реа-лизации в ANSYS расчета контактных напря-жений в проушине (рис. 12) весьма актуальна, поскольку в последнее время отдельные стра-ховщики рассматривают именно МКЭ-расчеты вместо традиционных ручных расчетов прочно-сти обухов.

Приведенные примеры использования ПК при проектировании корпусов объектов освое-ния шельфа показывает, что ANSYS является высокоэффективным инструментом изучения напряженного состояния сложных простран-ственных конструкций. Приемлемая скорость работы решателей ANSYS позволяет выпол-нять многовариантные расчеты прочности в условиях жестких ограничений по срокам про-ектирования.

На персональном компьютере Intel Pentium 4 CPU, 3.000 GHz, 512 MB RAM продолжитель-ность счета линейной задачи на 106 элементов составляет 4 мин, а нелинейной при 5,5⋅104 эле-ментов — 11 мин.

При таком быстродействии вполне ре-ально, рассматривая различные варианты кон-струкции, изучить и степень влияния на резуль-таты счета изменений на входе процесса (типы элементов, способ приложения нагрузки и др.), чтобы показать высокий уровень надежности результатов расчета.

Это может послужить основой для поста-новки перед надзорными органами вопроса об уточнении нормирования прочности корпуса в части уменьшения запасов на «несовершенство методов расчетов», что будет способствовать снижению металлоемкости корпусов.

Рис. 12. Проушина обуха. Эквивалентные напряжения σе

Рис. 11. КЭ-модель для проверки прочности проушины обуха

Рис. 10. КЭ-модель для проверки местной прочности тела обуха

2



Целью настоящей статьи является озна-комление читателей журнала «ANSYS Advantage» с практикой применения про-граммного комплекса ANSYS в ЦКБ «Ко-ралл» при проектировании платформ для добычи нефти и газа на континентальном шельфе. В статье делается попытка в са-мой общей форме показать принятый в ЦКБ подход к расчету прочности силовых конструкций с учетом требований правил международных классификационных обществ по проектированию плавучих буровых установок и стационарных плат-форм (в данном случае Правил регистра РФ — далее Правил).В статье описан расчет прочности несу-щей конструкции ферм и палуб в районе сетки скважин Морской ледостойкой ста-ционарной платформы (МЛСП) «Прираз-ломная».

МЛСП предназначена для добычи и глубокой переработки нефти на месторождении «Прираз-ломное» на шельфе Баренцева моря.

Общий вид платформы представлен на рис. 1. Опорное основание платформы кессон-ного типа имеет размеры 100Ѕ100Ѕ16 м. Плат-форма предназначена для установки на морское дно при глубине 21 м.

Одним из основных элементов платфор-мы является буровая вышка. Она неподвижно закреплена на подвышечном основании, кото-рое через четыре опорных башмака опирает-ся на два рельса, установленных на опорной раме, и может перемещаться вдоль нее (в на-правлении с запада на восток) с помощью ги-дроцилиндров. В свою очередь, опорная рама через шесть опорных башмаков опирается на три рельса, прикрепленных к трем опорным фермам и может перемещаться вдоль них (в направлении с севера на юг) с помощью ги-дроцилиндров вместе с вышкой. За счет этого с одной вышки можно бурить и обслуживать сетку из 40 скважин, как это показано на рис. 2.

Использование ПК ANSYS для расчета морской

ледостойкой стационарной платформы «Приразломная»

И.М.Берхин, Ю.Э.Лазоренко, ЦКБ «Коралл»

Рис. 1. Общий вид МЛСП «Приразломная»Рис. 2. Несущая ферма (фото строящейся установки)

3


Конечно-элементная модельДля получения приемлемого размера конечно-элементной модели на основании предваритель-ного деформационного анализа было принято решение общую систему «буровая вышка — под-вышечное основание — промежуточная рама — фермы и палубы района сетки скважин» разбить на четыре отдельные расчетные модели.

Рассматриваемый фрагмент ферм и палуб в районе сетки скважин включает рельсы, опира-ющиеся на фермы в плоскостях T4' и T5 и на пе-реборку в плоскости Т4 (рис. 3). Две однопролет-ные фермы решетчатого типа длиной по 43,5 м и высотой по 11 м опираются по концам (в пло-скостях K и M) на поперечные переборки. Фермы состоят из балок, поддерживающих рельсы (на уровне верхней палубы), а также двутавровых поясов, стоек и раскосов. Рельсы выполнены из конструкционной корпусной стали и приварены к опорным балкам по всей длине. Поэтому верхние опорные балки и рельсы рассматриваются как единые балки сложного сечения (рис. 6).

Рассматриваемый фрагмент включает так-же главную (уровень 36 500), промежуточную (уровень 42 000) и верхнюю (уровень 47 750) па-лубы, опирающиеся на переборки в плоскостях K, M и Т4. Палубы представляют собой пере-крытия размером 24,5×38 м с настилом, подкре-пленным ребрами жесткости в виде коробчатых, двутавровых и тавровых балок. В расчете палу-бы смоделированы главным образом для пере-дачи нагрузок от контейнеров и оборудования к фермам и поэтому оснащены только ребрами жесткости без настила.

Основными несущими конструкциями, кото-рые воспринимают нагрузку от вышки (вес выш-ки и оборудования, нагрузка на крюке, вет ровые нагрузки на вышку), являются фермы. В принци-пе их можно хорошо смоделировать балочными элементами. Исключение составляют верхние пояса ферм, нагрузка на которые прикладыва-ется от башмаков к верхним опорным поверх-ностям рельсов. В этом случае распределение напряжений по высоте пояса не может быть по-лучено при использовании балочных элементов и требуется пластинчатая идеализация.

Необходимо также учесть, что для коррект-ного моделирования передачи усилия от башма-ка к рельсу необходимо применять контактный алгоритм, что автоматически переводит задачу в нелинейую и требует дополнительных расчет-ных ресурсов. В связи с этим для минимизации размеров задачи принята следующая схема мо-делирования:• все элементы ферм, за исключением верх-

него пояса фермы Т4', смоделированы про-странственными стержневыми элементами BEAM188;

• верхний пояс (рельс и опорная балка) фер-мы Т4' (как наиболее нагруженный) для корректного определения распределения напряжений среза и эквивалентных напря-жений по высоте выполнен в пластинчатой идеализации элементами SHELL63;

• соединение балочных и пластинчатых эле-ментов произведено с помощью «жестких регионов»;

• передача усилия от опорной рамы к рель-сам для фермы Т4' смоделирована с при-менением контактных элементов типа «поверхность—поверхность».Общий вид конечно-элементной модели

представлен на рис. 4. На рис. 5 приведен фрагмент расчетной модели фермы под рельс Т4' в пластин-чатой идеализации с указанием толщин листов, на

Рис. 3. Сетка скважин

Рис. 4. Общая конечно-элементная схема

Рис. 5. Верхний пояс фермы Т4’. Пластинчатая модель

4



рис. 6 — профиль верхнего пояса фермы Т5 в ба-лочной идеализации (элемент BEAM188).

Расчетные нагрузкиНагрузками, непосредственно действующими на расчетный район, являются усилия, приложенные к рельсам Т4, Т4' и Т5 через шесть башмаков опор-ной рамы. При этом опорная рама может находить-ся в одном из десяти положений вдоль рельсов в соответствии с сеткой скважин (см. рис. 2).

Усилия на башмаках складываются из соб-ственного веса расположенных выше конструкций (буровая вышка, подвышечное основание, опорная рама), оборудования и систем, функциональных

нагрузок (усилия на крюке буровой вышки), а также нагрузок окружающей среды (ветровой нагрузки).

В соответствии с требованием Правил проч-ность конструкций буровых платформ проверяет-ся на действие нагрузок рабочего режима и на-грузок экстремального режима (при разном уров-не допускаемых напряжений). При этом должны быть рассмотрены наиболее неблагоприятные сочетания нагрузок и расчетных положений.

Как было отмечено, вышка может нахо-диться в двадцати расчетных позициях по сетке скважин, а ветер может иметь любое направ-ление (в расчете рассматривается восемь на-правлений с шагом 45°). Таким образом, общее количество расчетных вариантов нагрузок для каждого рельса теоретически составляет по 320 для рабочего и для экстремального состояния. Естественно, что такое количество вариантов при проектировании не рассматривается. Од-нако предварительный анализ приблизительно 20-30 вариантов выполнять приходится. Этот анализ показал, что наихудшими расчетными сочетаниями нагрузок являются:• для рабочего режима:

- w1 — вышка на 1-й скважине 2-го ряда южной стороны,

- w4 — вышка на 4-й скважине 2-го ряда южной стороны,

- направление ветра с северо-запада, скорость 25,8 м/с;

• для экстремального режима:- s1 — вышка на 1-й скважине 1-го ряда

южной стороны,- s4 — вышка на 4-й скважине 1-го ряда

южной стороны,- направление ветра с северо-запада,

скорость 48 м/с.Выполненные расчеты показывают, что

для всех вариантов максимальная нагрузка при-ходится на башмаки рельса Т4'.

Передача усилия от опорной рамы к рель-сам для фермы Т4' смоделирована с применени-ем контактных элементов типа «поверхность—поверхность». Вертикальные и горизонтальные нагрузки приложены к башмаку в геометриче-ском центре поперечного сечения с использова-нием «жестких регионов». Башмаки закреплены по всем степеням свободы, кроме вертикально-го перемещения. На рельсы ферм Т4 и Т5 на-грузки от башмаков приложены в виде сосредо-точенных сил.

На рис. 7 в качестве примера приведено приложение нагрузки от башмаков промежуточ-ной рамы к рельсам для расчетного сочетания нагрузок s1.

Наряду с внешними усилиями (нагрузками на башмаки), конструкция нагружается также собственным весом, который задается массой

Рис. 6. Верхний пояс фермы Т5. Балочная модель (элемент BEAM188)

Рис. 8. Промежуточная палуба. Нагрузки от веса оборудования

Рис. 7. Нагрузка на рельсы от башмаков опорной рамы. Вариант нагрузки s1

5


конструкции (через ее геометрические характе-ристики и приведенную плотность) и компонен-тами ускорений.

Кроме того, в расчетные нагрузки включе-ны вес оборудования и вес контейнеров со шла-мом, хранящихся на ВП на начальном этапе бу-рения. Масса систем и оборудования и отходов бурения прикладывается к палубам в районах их расположения в виде равномерно распреде-ленной узловой нагрузки. Общая масса обору-дования, запасов и контейнеров со шламом на трех палубах составляет около 750 т.

На рис. 8 в качестве примера приведено приложение нагрузки от веса оборудования на промежуточной палубе.

Результаты расчетаВ соответствии с требованиями Правил допуска-емые напряжения устанавливаются в зависимо-сти от толщины, предела текучести материала, степени ответственности конструкции.

По степени ответственности элементы ферм отнесены к наиболее ответственным (специаль-ным) конструкциям, повреждение которых вызыва-ет тяжелые последствия для платформы в целом.

Наиболее нагруженными конструкциями являются элементы фермы Т4'.

На рис. 9-11 в качестве примера приведено распределение общих и местных напряжений в элементах фермы Т4' для варианта нагружения s1. В соответствии с Правилами прочность ме-таллоконструкций при экстремальном нагруже-нии проверяется по эквивалентным (по Мизесу) и касательным напряжениям.

Значения действующих и допускаемых на-пряжений в наиболее нагруженных элементах фермы Т4' приведены в таблице, из которой видно, что прочность конструкции обеспечена.

В расчете также выполнена оценка кон-тактных давлений по контактным поверхностям башмаков и наиболее нагруженного рельса Т4' с применением контактных элементов типа «поверхность—поверхность».

Распределение контактных напряжений для наиболее нагруженного башмака показано на рис. 13, из которого видно, что давления по площади контакта (0,8Ѕ1,3 м) распределяются очень неравномерно. Максимальное давление составляет 36 МПа, в то время как среднее дав-ление — 13,2 МПа. Это объясняется наличием стенок и ребер жесткости как на рельсе, так и на башмаке, а также характером величиной общей деформации рельса и фермы Т4'.

Прогиб фермы Т4' по середине пролета со-ставляет 22 мм.

По результатам расчета сделано заключе-ние, что прочность конструкции обеспечена в со-ответствии с требованиями Правил регистра РФ.

Рис. 9. Эквивалентные (по Мизесу) напряжения в ферме Т4’. Вариант нагрузки s1.Для получения более наглядной картины распределения напряжений в основных элементах фермы напряжения визуализируются в суженном диапазоне 0-120 МПа

Рис. 10. Распределение эввивалентных (по Мизесу) напряжений в районе контакта рельса Т4’ с башмаком. Вариант нагрузки s1, южный башмак

Рис. 11. Распределение касательных напряжений в районе контакта рельса Т4' с башмаком. Вариант нагрузки s1, южный башмак

6



Выводы1. Использование смешанной балочно-

пластинчатой модели позволило умень-шить размер конечно-элементной модели без ущерба для достоверности отображе-ния всех основных особенностей задачи. В частности, это относится к анализу на-пряженного состояния рельсов в зонах передачи нагрузок от башмаков к рельсу.Применение «жестких регионов» для со-единения балочных и пластинчатых эле-ментов позволило обеспечить правильную передачу усилий между элементами и при этом существенно упростить и ускорить разработку модели.

2. Использование нового поколения балоч-ных элементов BEAM188 позволяет полу-чить развернутую оценку напряженного со-стояния используемых в модели балок от-крытого сечения со сложными профилями поперечного сечения. Чрезвычайно удобен ввод исходных характеристик сечения и возможность его объемного отображения элемента в пре- и постпроцессорах.

3. Применение контактной технологии типа «поверхность—поверхность» при моделиро-вании передачи усилий от башмаков к рель-су позволяет получить весьма достоверные результаты в части распределения местных напряжений в элементах взаимодействую-щих узлов, в том числе в стенках и ребрах, подкрепляющих контактные поверхности. Это позволяет правильно спроектировать узлы, находящиеся в зоне передачи боль-ших нагрузок, и обеспечить повышение их статической и циклической надежности.

4. Принятая в расчетной модели схема закре-пления башмаков по всем трем поворот-ным степеням свободы равносильна тому, что опорную раму следует рассматривать как абсолютно жесткую. При этом контакт-ные поверхности башмаков в процессе расчета остаются горизонтальными и не отслеживают общую деформацию рельса. Это дает консервативную (в запас) оценку удельных давлений на контактных поверх-ностях и местных напряжений в прилегаю-щих конструкциях. Устранить этот эффект можно путем включения промежуточной рамы в общую расчетную модель. Обрат-ной стороной такого подхода будет суще-ственное увеличение размеров модели, необходимых расчетных ресурсов и време-ни расчета.

5. Программный комплекс ANSYS является мощным, эффективным и удобным рас-четным средством, которое позволяет осуществлять разработку таких сложных, ответственных и тяжело нагруженных конструкций, как сооружения для работы на континентальном шельфе на совре-менном уровне при обеспечении высокой эффективности и эксплуатационной на-дежности.

Значения действующих и допускаемых напряжений

КонструкцияПредел текучести, МПа Действующие напряжения, МПа Допускаемые напряжения, МПа

Rp σeτ [σ] [τ]

Рельс Т4' (местные напряжения в стенке)

500 356 123 375 214

Ферма плоскости Т4' (общие напряжения)

320…355 150 38 240 137

Рис. 12. Поверхности контакта рельса Т4' с башмаком

Рис. 13. Распределение давлений на поверхности контакта рельса Т4' с башмаком. Вариант нагрузки s1, южный башмак

2



ВведениеВнедрение в строительство морской техники, в первую очередь подводной, все более сложных конструкций и корпусных материалов с повы-шенными прочностными характеристиками на-прямую связано с тенденцией повышения техни-ческих требований к новым разработкам. Это, в свою очередь, заставляет уделять повышенное внимание проблемам обеспечения прочности и надежности практически безрезервных и дли-тельно эксплуатируемых прочных (несущих) корпусных конструкций тех или иных объектов.

При рассмотрении данной проблемы в последние годы, несмотря на наличие в отече-

ственном подводном кораблестроении хорошо развитых расчетно-аналитических подходов и численных решений, все большое применение находят универсальные программные МКЭ-комплексы ANSYS, COSMOS, NASTRAN и др. При соответствующей специальной адаптации к решению задач уточненной оценки напряженно-деформированного состояния и устойчивости (несущей способности) оболочечных конструк-ций (рис. 1) в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова уда-лось осуществить ряд разноплановых и весьма успешных в практическом отношении расчетных постановок.

Выполненные в институте проработки в обеспечение необходимого и достаточного уров-ня математического моделирования высокона-груженных конструкций делают возможным на-дежное выявление наиболее проблемных узлов и элементов конструкций. Эти проработки вклю-чают не только теоретические исследования, но и создание банка экспериментальных данных и верифицированных конечно-элементных моде-лей. Многовариантные расчеты сложных оболо-чечных конструкций, выполненные на базе этих моделей, показали, что в отдельных случаях при-менение традиционных расчетно-аналитических методов приводит к недооценке уровня напря-женности рассматриваемых объектов.

Накопленный многолетний опыт соответ-ствующих исследований и имеющиеся в ин-ституте мощные экспериментальные средства оказались особенно востребованными в по-следние годы в связи с решением ряда сложных и ответственных задач, в частности при разра-ботке концепции и рабочего проекта подъема атомного подводного крейсера «Курск» (АПК), при обосновании возможности повышения эксплуатационных параметров ряда объектов

Реализация метода конечных элементов

в исследованиях прочности и несущей способности

сложных судовых конструкцийВ.В.Осипенко, канд. техн. наук, А.М.Пузырев, Г.А.Тумашик, канд. техн. наук,

ГНЦ ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова»

Рис. 1. Структура процесса проектирования

3


подводной техники, при оценке прочности и работоспособности новой высокопрочной ста-ли и ее сварных соединений в составе прочных корпусов перспективных объектов подводной техники.

При решении данных задач оказалось очень эффективным сочетание проведения масштабных экспериментально-расчетных ра-бот и использования средств математического моделирования и численного анализа, реали-зованных в конечно-элементном программном комплексе ANSYS.

Судоподъем АПК «Курск»В судоподъемных морских операциях определя-ющими являются параметры надежности, свя-занные с прочностью поднимаемого объекта и грузонесущей системы. Уникальность подъема АПК требовала особого внимания к вопросам расчетно-экспериментального обоснования ко-эффициентов безопасности.

Основная идея концепции проекта подъ-ема — крепление подъемных устройств к верх-ней части корпуса вместо традиционной для судоподъема системы устройств, подводимых под днище. Передача подъемных усилий осу-ществлялась с помощью специально созданных захватных устройств-зацепов, вводимых внутрь прочного корпуса через вырезы.

В расчетах НДС прочного корпуса учиты-вались его предполагаемые разрушения, рас-пределение весовой нагрузки и сил присоса к грунту, различные варианты расположения за-хватных устройств по длине корпуса АПК.

Для детальных расчетов прочности корпу-са при подъеме АПК «Курск» с целью уточнения величин тяговых усилий была разработана об-щая конечно-элементная модель для прочного корпуса в целом (рис. 2). Разработанная модель позволяла варьировать количество и величины тяговых усилий при неизменной общей конфи-гурации их расположения. Наружные конструк-

ции (легкий корпус, прочные цистерны и кон-струкции внутри прочного корпуса) в модели не учитывались, вследствие чего погрешности расчета были заведомо направлены в безопас-ную сторону. Расчетным путем моделировалось упругое состояние прочного корпуса — цилин-дрической оболочки, подкрепленной наружными шпангоутами таврового профиля. Оценивалось как влияние отверстий на прочность корпуса при общем изгибе, так и взаимовлияние отверстий. В отличие от проектных проработок ЦКБ МТ «Рубин» при моделировании точно удовлетворя-лись условия продольного и поперечного равно-весия корпуса при подъеме.

Результаты расчетов показали, что макси-мальные напряжения в корпусе АПК возникают на стадии отрыва от грунта.

Фибровые напряжения от общего изгиба корпуса при отрыве от грунта представлены на

Рис. 2. КЭ-модель для прочного корпуса

Рис. 3. Результаты расчета НДС прочного корпуса

Рис. 4. Результаты расчета локального НДС прочного корпуса

4



рис. 3. Было установлено, что они не превыша-ют 0,3σ0,2 (σ0,2 — предел текучести материала прочного корпуса).

С целью расчета локального напряженного состояния прочного корпуса в районе отверстий с учетом истинной геометрии вырезов и реаль-ной схемы приложения тяговых усилий было создано несколько конечно-элементных подмо-делей для представления корпуса в районе от-секов АПК (рис. 4).

Предполагалось, что силы трения зацепа по поверхностям контакта с обшивкой отсут-ствуют, поэтому радиальная составляющая тя-гового усилия воспринимается шпангоутом, а тангенциальная — кромкой обшивки у выреза.

Были выполнены расчеты корпуса в райо-не отверстий при различных соотношениях нор-мального и касательного компонентов нагрузки, что соответствовало различному расстоянию от диаметральной плоскости корпуса до центра от-верстий и разному наклону нормали к оболоч-ке по отношению к вертикальному подъемному усилию.

В целом, как показал расчет, уровень ло-кальных напряжений в районе отверстий воз-растал пропорционально углу между линией приложения усилия и нормалью к оболочке и не превышал 0,4σ0,2 — для поясков загруженных шпангоутов и 0,5σ0,2 — для обшивки в районе отверстий.

Для верификации полученных расчет-ных данных и подтверждения коэффициентов безопасности был запланирован и проведен ряд экспериментально-опытных работ на раз-личных элементах судоподъемной системы, в том числе натурные фрагменты корпуса АПК, включающие подкрепленную обшивку, отвер-стие и элементы устройства-зацепа; фрагменты шпангоутов без и с присоединенным пояском обшивки. Нагрузка прикладывалась статически и циклически. Все экспериментальные работы сопровождались созданием соответствующих КЭ-моделей и расчетом в программном ком-плексе ANSYS.

Сопоставление результатов опытных ра-бот, расчетов НДС модельных конструкций и комплексного расчета прочного корпуса в целом показало их хорошую согласованность (рис. 5).

Проведенные исследования были положе-ны в основу правильной оценки значений коэф-фициентов безопасности, что стало одним из ключевых моментов успешного проведения су-доподъемной операции в целом.

Рис. 5. Сравнение результатов численного моделирования и экспериментальных исследований

Рис. 6. Примеры КЭ-моделей конструкций

5


Оценка прочности и несущей способности корпусных конструкций с учетом их фактических характеристикВ настоящее время одним из важных направ-лений исследовательских работ является по-вышение эксплуатационных характеристик кор-пусов отдельных объектов подводной техники. В частности, в обеспечение этого направления институтом был проведен ряд важных расчетно-теоретических и экспериментальных исследо-ваний на существующих и строящихся заказах. Номенклатуру исследований составляли как испытания натурных корпусных конструкций на статическую нагрузку с целью определения па-раметров НДС, сопровождающиеся расчетами прочности с помощью аналитических и числен-ных методов, так и выполнение серии расчетов несущей способности.

В результате были уточнены методы расче-та статической прочности и устойчивости; с це-лью получения подробной картины напряженно-деформированного состояния и выявления наиболее напряженных районов разработаны соответствующие конечно-элементные модели на базе 2D- и 3D-элементов (рис. 6).

Важной эксплуатационной характеристи-кой для оболочечных конструкций является величина критического давления, при котором происходит потеря несущей способности с по-следующим разрушением. Фактором, опреде-ляющим расчет данной величины, является

учет как физической, так и геометрической не-линейности.

Институтом накоплен большой положи-тельный опыт по совместному использованию собственных аналитических и численных реше-ний и расчетов в пакете ANSYS при определе-нии несущей способности подкрепленных обо-лочек вращения по их фактическому состоянию. В качестве примера можно привести построение обобщенных параметрических кривых для опре-деления местной несущей способности в пред-ставляющем практический интерес диапазоне конструктивных параметров подкрепленной цилиндрической оболочки, что позволяет про-изводить надежную экспресс-оценку несущей способности шпации, учитывающую данные по реальной геометрии и характеристикам мате-риала (рис. 7).

Полученные в работе результаты позво-ляют внедрять новые конструктивные и техно-логические решения при гарантиях прочности и эксплуатационной надежности корпусов с повышенными эксплуатационными характери-стиками.

Комплексные исследования прочности корпусных конструкций, использующих новые высокопрочные материалыОсновой внедрения перспективных материа-лов в корпусном судостроении является про-верка их работоспособности, которая включает комплекс гидравлических испытаний внеш-

Рис. 7. Пример построения обобщенных параметрических кривых

6



ним давлением (ГИ) масштабного объекта. ГИ осуществляются путем внешней нагрузки на гидробарическом стенде института, в со-став которого входит док-камера ДК-600. В последнее время существенным дополнением таких испытаний стали параллельные конечно-элементные расчеты.

Опытный отсек, как правило, представ-ляет собой крупномасштабную объемную кон-струкцию (рис. 8), состоящую из подкрепленных шпангоутами оболочек вращения, ограничен-ных по торцам плоскими или торосферическими переборками. Нагрузки, действующие на отсек, по характеру воздействия соответствуют экс-плуатационным.

Последовательность работ заключается в следующем. На первом этапе разрабатыва-ются конечно-элементные модели (как прави-ло 3D) с целью получения подробной картины

напряженно-деформированного состояния опытной конструкции и выявления наиболее напряженных районов с целью повышения эффективности схемы установки тензорези-сторов.

В ходе ГИ обработанные данные тензоиз-мерений сопоставляются с результатами КЭ рас-четов и данными, полученными аналитическими методами, что позволяет откорректировать как схему тензоизмерений, так и КЭ-модели соот-ветствующих районов.

Путем сопоставления и согласования опыт-ных и расчетных результатов обеспечивается получение максимально достоверных данных по напряженно-деформированному состоянию конструкций опытных отсеков, позволяющих надежно оценить работоспособность новых вы-сокопрочных сталей в составе корпусных кон-струкций объектов подводной техники.

ЗаключениеРаботы, выполнявшиеся институтом в послед-нее время, показали высокую эффективность комплексных исследований прочности и несу-щей способности судовых конструкций, вклю-чающих на разных этапах конечно-элементные расчеты в широком диапазоне постановок. Основными функциями, которые они при этом выполняют, являются уточнение, дополнение, верификация. Следует при этом отметить, что значимость конечно-элементного анализа как инструмента в существенной мере зависит от наличия таких факторов, как банк надежных экспериментальных данных, опыт расчета ины-ми методами и, наконец, практический уровень специалистов-расчетчиков в области механики деформируемого твердого тела. Только при со-четании всех этих факторов можно рассчиты-вать на успех.

Рис. 8. Конструкция опытного отсека

Рис. 9. Результаты расчетов НДС конструкций в ANSYS

2



В ФГУП «ОКБМ» для расчета температурного состояния элементов конструкции, оборудова-ния и трубопроводов, испытывающих воздей-ствие постоянных и переменных во времени тепловых нагрузок, при обосновании безопас-ности реакторных установок применяется уни-версальный конечно-элементный программный комплекс ANSYS [1].

В соответствии с требованиями ПБЯ РУ АЭС-89 [2] все программные средства (ПС), используемые для обоснования безопасности ЯЭУ, представляются в надзорные органы и подлежат аттестации. Аттестацию ПС проводит Совет по аттестации при НТЦ ЯРБ Ростехнадзо-ра России согласно с РД-03-17-2001 [3].

Основным документом, обосновывающим информацию, содержащуюся в аттестационном паспорте ПС, является отчет о верификации ПС, который выполняется в соответствии с требова-ниями РД-03-34-2000 [4].

В соответствии с [4] верификационный от-чет должен содержать описание и обоснование применяемых расчетных схем и геометрических моделей, а также сопоставление результатов расчета по ПС:• с экспериментальными и эксплуатацион-

ными данными;• с аналогичными результатами, полученны-

ми по ранее аттестованным ПС;• с аналитическими решениями;• с результатами теоретического анализа.

Верификация программы ANSYS проводи-лась путем сопоставления результатов расчета с соответствующими аналитическими реше-ниями, с расчетами, выполненными с помощью аттестованного ПС TROSK [5], и с эксперимен-тальными данными, полученными на действую-щей реакторной установке БН-600.

Сравнение результатов расчета по про-грамме ANSYS с аналитическими решениями выполнено для следующих задач:• распределение температур в плоской стенке;• распределение температур в цилиндриче-

ской стенке;

• распределение температур в шаровой стенке;

• распределение температур в многослой-ной плоской стенке;

• распределение температур в многослой-ной цилиндрической стенке;

• передача тепла через стержень;• распределение температур в круглом пло-

ском ребре;• распределение температур в плоской стенке

при наличии внутренних источников тепла;• распределение температур в цилиндриче-

ской стенке при наличии внутренних источ-ников тепла;

• распределение температур в шаровой стенке при наличии внутренних источников тепла;

• охлаждение плоской стенки;• нагревание тела цилиндрической формы;• нагревание тела сферической формы;• неограниченная пластина. Температура

среды — линейная функция времени;• неограниченный цилиндр. Температура

среды — линейная функция времени;• шар. Температура среды — линейная

функция времени;• излучение плоской пластины в окружаю-

щей среде;• лучистый теплообмен между двумя цилин-

дрическими трубами.Проведенное сравнение показало, что

максимальное значение относительной погреш-ности составляет:• для задач стационарной теплопередачи —

2,1%;• для задач нестационарной теплопереда-

чи — 2,8%.Сравнение результатов расчета по про-

грамме ANSYS с результатами, полученными по аттестованному ПС TROSK, выполнено для сле-дующих задач:• неограниченный уголок в засыпке;• сектор цилиндрической втулки при нали-

чии внутренних источников тепла (рис. 1);

Верификация и аттестация программного комплекса ANSYS

в части расчета температурного состояния

конструкций и оборудования ЯЭУС.Л.Осипов, С.А.Рогожкин, С.Ф.Шепелев,

ФГУП «ОКБМ им. И.И.Африкантова» (г.Нижний Новгород)

3


• распределение температур в опорном узле корпуса реактора;

• распределение температур в узле перехо-да верхней трубной доски (ВТД) теплооб-менника в наружную обечайку;

• распределение температур в узле пере-хода ВТД теплообменника во внутреннюю обечайку.Максимальное значение относительной по-

грешности составляет:• для задач стационарной теплопередачи —


чи — 7,5%.Сравнение результатов расчета по програм-

ме ANSYS с экспериментальными данными [5], полученными на действующей реакторной уста-новке БН-600, выполнено для следующих задач:• распределение температур в опорном узле

корпуса реактора (см. таблицу);• распределение температур в узле перехо-

да ВТД теплообменника в наружную обе-чайку (рис. 2);

• распределение температур в узле пере-хода ВТД теплообменника во внутреннюю обечайку (рис. 3).Проведенное сравнение показало, что

максимальное значение относительной погреш-ности составляет:• для задач стационарной теплопередачи —


чи — 6,0%.Проведенная верификация подтвердила

возможность использования программы ANSYS для расчета температурного состояния ЯЭУ раз-

личного назначения — как проектируемых, так и находящихся в эксплуатации.

В настоящее время вся программная до-кументация по ПС ANSYS и верификационный отчет переданы в НТЦ ЯРБ для прохождения процедуры аттестации.

Литература:1. Программный комплекс ANSYS, экспортная лицензия

D334623,АNSYS,Inc.2. Правила ядерной безопасности реакторных установок

атомныхстанций(ПБЯРУАС—89),утвержденыпоста-новлениемГоспроматомнадзораСССР№7от12.06.90,введенывдействиес01.09.90.

3. Положение об аттестации программных средств, при-меняемыхприобоснованиибезопасностиобъектовис-пользованияатомнойэнергии(РД-03-17-2001),утверж-денноприказомначальникаГосатомнадзораРоссииот13.12.2001№105,введеновдействиес01.01.2002г.

4. Требованияксоставуисодержаниюотчетаоверифика-циииобоснованиипрограммныхсредств,применяемыхдляобоснованиябезопасностиобъектовиспользованияатомной энергии, утверждены приказом начальникаГосатомнадзораРоссииот28.12.2000№122,введенывдействиес29.12.2000г.

5. Регистрационныйномерпаспортааттестациипрограмм-ногосредстваTROSK№195от26.05.05.

Рис. 1. Сравнение результатов расчета по ПС ANSYS и TROSK для задачи «сектор цилиндрической втулки при наличии внутренних источников тепла»

Рис. 2. Сравнение результатов расчета распределения температур в узле перехода ВТД теплообменника в наружную обечайку, полученных по программе ANSYS, с экспериментальными данными

Сравнение результатов расчета по программе ANSYS и эксперимента для опорного узла корпуса реактора

Номер точки

системы ТиТ

Значение температуры, °С

Эксперимент ANSYS Эксперимент ANSYS

137 332 330,7 353 351,4

138 314 321,9 343 342,2

142 240 256,3 267 276,4

Рис. 3. Сравнение результатов расчета распределения температур в узле перехода ВТД теплообменника во внутреннюю обечайку, полученных с помощью ANSYS, с экспериментальными данными

2



Ни для кого не секрет, что эффектив-ность работы с программным продуктом во многом зависит от того, удобен ли он в эксплуатации. Одним из важнейших кри-териев удобства можно назвать доступ-ность восприятия графического интер-фейса среды, а именно возможность ра-боты с программой на родном для поль-зователя языке. Преодоление языкового барьера дает пользователю возможность сосредоточиться на освоении программ-ного продукта, и без того достаточно сложного.

До появления программной среды ANSYS Workbench локализация таких расчетных си-стем, как ANSYS, своими силами была практи-чески нерешаемой задачей. Это в первую оче-редь связано с особенностями работы графиче-ского интерфейса ANSYS.

Создание интеграционной оболочки ANSYS Workbench, основанной на передовых технологи-ях и современных средствах программирования, во многом упростило решение данной задачи.

В настоящее время расчетные возмож-ности модуля Simulation, работающего в среде ANSYS Workbench, пока скромнее, чем его про-тотипа — классического ANSYS, несмотря на ис-пользование одного и того же решателя. Однако программная среда ANSYS Workbench Simulation обладает рядом заметных преимуществ, и одно из них — параметризация на основе ядра Parasolid. Эта возможность отсутствует при ис-пользовании классического препостпроцессора ANSYS.

Учитывая тенденции и скорость развития ANSYS Workbench, можно сделать предполо-жение о скором (через 1-2 версии) совпадении расчетных возможностей классического ANSYS и ANSYS Workbench Simulation.

Как уже было отмечено, возможность ра-боты на родном языке значительно ускоряет процесс освоения любого сложного программ-

ного продукта. Учитывая многочисленные по-желания пользователей ANSYS, компания ЗАО «ЕМТ Р», ведущий авторизованный дистри-бьютор, инженерно-консалтинговый и учебный центр ANSYS, в тесном сотрудничестве c ОАО «Энергомаш», разработчиком оборудования для энергетики и крупнейшим пользователем ПО ANSYS и ANSYS CFX в России, успешно выполнила перевод, адаптацию и тестирова-ние интерфейса ANSYS Workbench Simulation на русском языке. Были полностью переве-дены графический интерфейс пользователя, включая меню и диалоговые окна, дерево проектов, систему отчетов и другие шаблоны. Сопоставить удобство восприятия информа-ции до и после перевода можно, посмотрев на фрагменты рабочего экрана, представленные на рис. 1.

Локализация семейства программных продуктов

ANSYS Workbench Что это нам дает?

Сергей Денисихин, Вера Иванова, Александр Чернов

Рис. 1. Так выглядят графические интерфейсы ANSYS Workbench Simulation на английском и русском языке

3


Кроме преимуществ, связанных с ускорени-ем процесса обучения работы с расчетной систе-мой, локализация программного продукта ANSYS Workbench Simulation несет и некоторые дополни-тельные функции. Одна из них — возможность разработки шаблона отчетной документации в соответствии с некоторым стандартом.

Известно, что на каждом предприятии су-ществуют свои форматы представления отчет-ной документации. Причем по форме и содер-жанию отчеты могут различаться даже внутри одного подразделения.

Начиная с 11-й версии ANSYS Workbench появилась реальная возможность использовать встроенный в программный продукт генератор отчетов. Такой инструмент позволяет достаточ-но оперативно создавать отчеты, сокращая при этом рутинную работу инженера-расчетчика. К недостаткам работы генератора можно отне-сти формат вывода, который может не соответ-ствовать стандарту предприятия, и, увы, получе-ние документов на английском языке. Устране-ние названных недостатков — задача непростая, но выполнимая. Причем для ее решения как раз необходимо иметь уже локализованную, то есть русифицированную версию ANSYS Workbench.

В структуре файлов ANSYS Workbench со-держится ряд директорий, отвечающих за язы-ковое наполнение программного продукта. По-этому для создания собственного языка интер-фейса необходимо подготовить и подключить, аналогично имеющимся языкам, локализован-ные файлы описания. Так, в базовой поставке пользователь имеет возможность выбрать один из четырех языков: английский, немецкий, французский или итальянский. Аналогичным об-разом создается папка с русским языком.

Элемент среды ANSYS Workbench, выпол-няющий работу генератора отчетов, состоит из взаимосвязанных описаний структур (файлы с расширением *.xml), форм (файлы с расшире-нием *.html) и функций (файлы с расширением *.js). В зависимости от выбора языка генератор будет взаимодействовать с соответствующими языковыми файлами.

Поскольку ANSYS Workbench является мо-дульной системой, для полной локализации не-обходимо было провести работу с каждым моду-лем отдельно (Simulation, DesignModeler и т.д.). Каждый модуль располагается в собственной ди-ректории. Элементы, отвечающие за язык интер-фейса того или иного модуля, находятся в папке Language, в которой, в свою очередь, идет деле-ние на варианты языкового оформления (англий-ский — «en-us», немецкий — «de» и т.д.).

На рис. 2 представлена связь между язы-ковыми папками всей среды ANSYS Workbench и ее отдельными модулями.

В процессе анализа работы генератора от-четов было выяснено, что формирование отчета происходит практически только за счет заим-ствования значений элементов языковых фай-лов, содержащих такие сведения, как тип ис-пользуемых элементов, материал исследуемой среды, тип анализа и ряд других. Такой способ формирования позволяет путем выбора языка графического интерфейса задавать язык полу-чаемого отчета.

Рис. 4. Отчет: раздел нагрузок

Рис. 2. Схема расположения языковых файлов интерфейса ANSYS Workbench

Рис. 3. Отчет: разделы содержания и системы единиц

4



Так, на рис. 3-5 представлен вариант от-чета по задаче, решенной с помощью модуля ANSYS Workbench Simulation. При этом в пред-ставленном отчете собственные формы запол-нения не использовались. Из рисунка видно, что даже в таком варианте получаемый отчет несет

гораздо больший объем информативных данных о задаче. В ряде случаев, например при генера-ции промежуточных отчетов, может применять-ся такая упрощенная форма.

Изменение содержимого отчетаДля того чтобы скорректировать имеющийся отчет под требуемый стандарт или хотя бы мак-симально приблизиться к нему, существует не-сколько различных подходов.

Самым простым решением вопроса явля-ется передача отчета без каких-либо изменений из среды ANSYS Workbench в Microsoft Word с последующими изменениями уже в Microsoft Word. Данный вариант хоть и наиболее простой в реализации, но является самым трудоемким.

Оптимальным представляется вариант, за-ключающийся в исправлении содержимого отче-та непосредственно при его генерации в среде ANSYS Workbench. Для такой реализации необ-ходимо знание языков программирования XML и JavaScript. Данный подход позволяет значитель-но сократить сроки создания отчета и снизить вероятность получения ошибок, неизбежно воз-никающих при ручном переносе данных. В ходе работ по локализации и адаптации среды ANSYS Workbench были разработаны и адаптированы несколько функцией, отвечающих за стандар-тизацию отчетов. На рис. 6 представлен один из вариантов скорректированного отчета.

Необходимо учитывать тот факт, что отче-ты формируются в виде HTML-файлов, то есть имеют некоторый формат, отличный от Microsoft Word. Это налагает ряд особенностей на пере-дачу данных.

Один из вариантов автоматической генера-ции отчета с использованием шаблона страницы представлен на рис. 7, из которого видно, что при передаче производится и автоматическое запол-нение полей «штампа» — данные о разработчи-ке, дата создания, название подразделения и др.

В результате работы по переводу среды ANSYS Workbench нами было решено сразу не-сколько задач. Среди них наиболее важными представляются доступность обучения и работы с интерфейсом на русском языке, а также воз-можность значительного, в среднем в 2-3 раза (по тестам ОАО «Энергомаш»), сокращения времени на написание отчетной документации за счет гиб-кого использования адаптированного генератора отчетов ANSYS Workbench. Сама русификация — это программная оболочка с локализацией и адаптированным генератором отчетов с рабочим названием WB-RUS v.11, который устанавливает-ся поверх лицензионного ANSYS Workbench v.11. В дальнейшем, при выходе новых релизов ПО ANSYS, авторы и разработчики продолжат лока-лизацию и адаптацию ANSYS Workbench.

Рис. 5. Отчет: раздел решения

Рис. 6. Модифицированный отчет на русском языке в среде ANSYS Workbench

Рис. 7. Пример модифицированного отчета, полученного в ANSYS Workbench с использованием адаптированного шаблона (любезно предоставлен компанией ОАО «Энергомаш»)

2



В 5-м номере журнала «ANSYS Solutions. Русская редакция» была опубликована статья «Оптимизация конструкций в сре-де DesignXplorer», в которой рассматри-валась оптимизация конструкции с ис-пользованием алгоритма оптимизации — Design of Experiment. В этой статье мы расскажем о другом методе, известном как Variational Technology.

В чем состоит основное отличие между этими двумя методами? При использовании метода Design of Experiment («Планирование эксперимента») на основании входных пере-менных (описывающих геометрическую мо-дель) для каждой расчетной точки генератором сетки создается новая КЭ-модель. Этот метод позволяет решать задачи с большими измене-ниями формы и поэтому является более уни-версальным.

В случае когда входные переменные (чис-ло которых не превышает 10), отвечающие за изменение формы, имеют такие диапазоны из-

менения, при которых не меняется топология геометрии, более экономичным представляет-ся применение метода оптимизации Variational Technology.

Суть метода заключается в том, что для оптимизации выбирается одна расчетная КЭ-модель (из диапазонов входных перемен-

Оптимизация конструкций в модуле DesignXplorer

среды Workbench с использованием метода

Variational TechnologyАлександр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р»

Рис. 1 Рис. 3

Рис. 2

3


ных, отвечающих за изменение формы модели, для создания КЭ-модели выбираются средние значения) и далее для других расчетных точек комбинируются «морфинг»-сетки с приближени-ем с помощью разложения в ряды Тейлора.

Рассмотрим метод оптимизации Variational Technology на примере расчета пластины с от-верстием.

На рис. 1 представлена геометрическая модель плоской пластины с отверстием, выпол-ненная в модуле геометрического моделирова-ния DesignModeler.

Обратите внимание на два параметра: XYPlane.L5 = @DS_L2 и XYPlane.L4 = @DS_L1, которые задают положение отверстия (рис. 2).

Далее эту геометрическую модель мы пе-редаем для расчета в модуль DesignSimulation. При этом имена данных параметров (DS_L1 и DS_L2) появятся в строке CAD Parameters раз-дела Geometry текущего проекта (рис. 3).

После этого мы должны определить гра-ничные условия и провести решение. Визуали-зация объекта решения в виде контуров полей эквивалентных напряжений представлена на рис. 4.

Далее в качестве искомых параметров мы задаем максимальные эквивалентные на-пряжения (рис. 5) и переходим к процедуре па-

раметрической оптимизации данной расчетной модели. Для этого в странице проекта выби-раем запуск модуля оптимизации Start DesignXplorer… (рис. 6).

Появится диалоговое окно выбора подхода к оптимизации (рис. 7).

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

4



Сразу поясним, что подход Whatif есть не что иное, как задаваемые пользователем в таб-личном виде варианты расчета (никакие алго-ритмы оптимизации в этом случае не применя-ются).

Выбираем подход Deterministic, после чего на экране появится диалоговое окно метода оптимизации (рис. 8). На этом этапе укажем на ограничения по использованию метода оптими-зации Variational Technology. Этот метод не ра-ботает, если в расчетной модели присутствуют геометрические нелинейности и нелинейные свойства материала. Есть еще ряд других, о ко-торых можно подробнее узнать в документации ANSYS Workbench Help.

Поэтому если расчетная модель попадает под ограничения применимости данного метода, то в следующем диалоговом окне среди пред-лагаемых методов пункт Variational Technology будет неактивным.

Далее появится окно описания входных/выходных переменных, в котором следует за-дать диапазоны изменения входных параме-тров (рис. 9).

Далее следует выполнить предваритель-ную проверку возможности применимости дан-ного метода для заданного диапазона входных параметров. В верхней панели в ниспадающем меню кнопки Run следует последовательно вы-полнить команды Verify Geometry Parameters (проверка возможности построения геометрии в заданных диапазонах входных параметров) и Mesh Morph (проверка возможности морфинга сетки). В случае успешного прохождения этой процедуры можно запустить процесс решения в ANSYS — Run ANSYS Solution.

При успешном завершении процесса ре-шения можно будет ознакомиться с откликом конструкции на изменение входных данных. Наиболее наглядным представлением явля-ется выбор в разделе Responses опции FEA Result. На рис. 10 и 11 показано отображение результатов расчета в виде контуров экви-валентных напряжений для двух расчетных случаев: в первом случае — DS_L1= 50 мм и DS_L2= 30 мм, во втором — DS_L1= 46,5 мм и DS_L2= 32 мм.

Кроме того, результаты расчетов можно представить в виде диаграммы Response Charts (рис. 12).Рис. 9

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 7

Рис. 8

5


Следует отметить, что в этом примере в качестве входных переменных использовались только две переменные (можно использовать не более 10), описывающие изменение геометри-ческой модели.

В качестве входных параметров кроме переменных, описывающих изменение геоме-трической модели, могут быть использованы пе-ременные, описывающие свойства материалов для статического расчета НДС (модуль Юнга, плотность и коэффициент Пуассона), толщину для оболочечных моделей, инерционные нагруз-ки (ускорение, скорость вращения). Перемен-ных такого типа можно использовать не более 50. Кроме того, нельзя применять упрощение геометрической модели с помощью опции Virtual topology. На рис. 13-15 наглядно показано, что понимается под изменением топологии гео-

метрической модели, которое приводит к не-возможности применения метода оптимизации Variational Technology.

Пусть имеется исходная геометрическая модель (рис. 13). Предположим, что изменяется параметр, описывающий радиус расположения отверстий. В случае, когда изменение радиуса не приводит к изменению топологии, метод оптими-зации Variational Technology применим (рис. 14). Если изменение радиуса приводит к попаданию отверстий на галтель, то метод оптимизации Variational Technology использовать невозможно, так как изменилась топология модели (рис. 15).

Метод оптимизации Variational Technology является одним из самых быстрых, но имеет много ограничений по использованию, поэтому следует внимательно оценить возможность его применения для текущей задачи оптимизации.

Рис. 13 Рис. 14 Рис. 15

Рис. 12

2



Пример калибровки моделей LS‑DYNA на основе результатов натурных экспери‑ментов для моделей из композиционных материалов с использованием методов оптимизации многоцелевой программной среды modeFRONTIER.

На протяжении последних двадцати лет многие ученые неоднократно пытались понять модель сложного поведения слоистых композиционных материалов при нестационарных режимах на-гружения. Цель данных попыток — идентифи-цировать и характеризовать соответствующие механизмы разрушения, понять их причины и спрогнозировать возможное поведение слож-ных конструкций при определенных режимах нагружения. В данной статье рассматриваются некоторые основные проектные характеристи-ки, например параметры материала (матрица, наполнение и граница между слоями), последо-вательность упаковки, последовательность от-слоения, толщина отслоения и др.

При использовании виртуальных прототи-пов возникают определенные сложности — в данном случае для ввода реальных свойств ма-териалов необходимо точное сравнение резуль-татов моделирования и эксперимента. Новая процедура применения виртуальных прототи-

пов при проведении численного моделирования предусматривает достаточно простые и эконо-мичные предварительные натурные испытания для калибровки модели.

Испытание физических моделей, демон-стрирующее реальное поведение композици-онных материалов при столкновении, играет существенную роль при проведении численного моделирования. Благодаря испытаниям можно изучить разностороннее влияние свойств компо-зиционных материалов на их поведение при не-стационарных режимах нагружения и улучшить эксплуатационные характеристики промышлен-ных изделий. Кроме того, данный метод позво-ляет понять влияние нефизических численных исходных данных на динамические характе-ристики композитов с точки зрения численной устойчивости расчета, точности результатов и эффективности численных моделей (скорости расчета).

Виртуальные прототипы могут также при-меняться на этапе оптимизации промышлен-ных изделий, на котором требуется улучшить ряд свойств изделий из композиционных мате-риалов.

Процедура использования виртуальных прототипов требует численных исследований с применением инструментов программного ком-

Применение modeFRONTIER

при расчете изделий из композитных материалов

Рис. 1. Модель шлема PTW для расчета в LS-DYNA

3


плекса LS-DYNA, разработанных специально для изучения столкновений и нелинейного дина-мического поведения совместно с многоцелевой интегрированной платформой modeFRONTIER, используемой для проведения калибровки зада-ваемых физических свойств моделей.

В данном случае виртуальные прототипы применялись для проектирования (и прогно-за надежности при аварии) защитного шлема PTW.

Для калибровки были проведены испы-тания на квазистатическое растяжение и стол-кновение (как правило, необходимо для оценки основных механических характеристик и спо-собности материала шлема к поглощению энер-гии) на двух различных квадратных образцах композитов и на четырех различных образцах слоистых пластиков.

Численные модели LS-DYNA из композит-ных материалов строились на основе физиче-ских свойств материала, полученных в резуль-тате натурного эксперимента.

С помощью modeFRONTIER были получе-ны необходимые входные параметры для моде-лей материала LS-DYNA и изучены существую-щие ограничения применяемых моделей.

Были взяты образцы двух различных типов слоистых пластиков, полученных автоклавным формованием (autoclave-moulded composite lam-inates), и четырех различных типов пластиков-сэндвичей с углеродными и органическими во-локнами (autoclave-moulded Kevlar — Carbon skins sandwich laminates) с PVC, PMI, PU и сото-вым заполнителями.

На предприятии были проведены все на-турные эксперименты квадратных (110Ѕ110 мм) образцов на стенде Fractovis CEAST drop tower в соответствии со стандартом ASTM 3763. Запи-сывались результаты по действующим нагруз-кам, кинетической энергии, скорости и дефор-мации каждого из образцов композиционных материалов.

Затем анализируемые слоистые пластики были смоделированы с применением оболо-чечных элементов с формулировкой Belytschko-Tsai. В многослойных оболочечных элементах для каждого из слоев было задано по одной точ-ке интегрирования. Для разных типов компози-ционных материалов был использован матери-ал type 58 c гладкой поверхностью разрушения (smooth failure surface). Геометрия заполнителя сэндвича была построена с помощью оболочеч-ных и твердотельных элементов, включающих два восьмиузловых гекса-элемента (материал type 63). В LS-DYNA был проведен квазистати-ческий расчет, соответствующий тесту на рас-тяжение слоистых пластиков для определения поведения модели в напряженном состоянии.

Затем были рассчитаны механические харак-теристики и редуцирующие факторы слоистых пластиков и пластиков-сэндвичей.

При проведении оптимизации в качестве входных управляемых переменных были ис-пользованы полученные таким образом стати-стически распределенные результаты расче-тов и определенный диапазон редуцирующих факторов. Целевой функцией при проведении оптимизации выступало совпадение точек экс-периментальных и полученных расчетным путем кривых F-t и E-t. После решения оптимальной задачи использовались два основных средства анализа результатов: Фронт Парето и диаграм-ма Student.

В результате проведенной многокритери-альной оптимизации был получен набор данных, описывающий модель материала с хорошим со-гласованием результатов расчетов и натурных экспериментов по всем оцениваемым парамет-рам и характером поведения кривых для слои-стых пластиков. Была получена дельта: самая меньшая — 5% (для слоистых пластиков), а са-мая большая — 6% (для пластиков-сэндвичей). Данный подход с использованием методики оптимизации curve-fitting позволил определить для каждого участвующего в расчете материала по одному набору редуцирующих факторов, что, в свою очередь, означало корректность выбран-ных входных параметров в LS-DYNA.

Разработанная методика расчетов мо-делей из композиционных материалов была использована при оценке ударной стойкости шлема PTW. Принятая процедура проведения натурных экспериментов и расчетов в LS-DYNA (с моделями материала 58 и 63) подразумевает использование в качестве интегрирующей плат-формы среду modeFRONTIER. Для моделирова-ния тканевой основы (woven fabrics) использо-валась модель материала 58, а для пенного за-полнителя (crushable foam) — модель материала 63. В аналогичном предыдущем проекте (в этой статье он не обсуждается) применялись триаль-

ModeFRONTIER позволяет работать с большим объемом информации из разных источников и бы-стро получать лучшую конфигурацию модели, опти-мально соответствующую эксперименту.

Данный инструмент позволяет оценить исходные данные, рассчитать точную конфигурацию модели материала, а также добиться чувствительности мо-дели к заданным параметрам. В результате можно получить надежные численные модели для процес-сов столкновения, а также оценить исходные данные и переменные величины при изучении динамических характеристик композитов и слоистых пластиков с точки зрения поглощаемой и максимальной энергий и воспринимаемой максимальной силы.

4



ный и тестовый методы. Полученные результаты также показали невозможность достижения схо-димости результатов по максимальной и погло-щаемой энергиям без использования настоящей многокритериальной методики.

Представленные результаты демонстриру-ют качество разработанной методики калибров-ки параметров материала, используемых при расчете моделей из простых или сложных слои-стых пластиков или пластиков-сэндвичей.

Разработанная методика успешно ис-пользовалась с образцами и моделями раз-личных материалов программного комплекса LS-DYNA.

Дополнительную информацию о программ-ном продукте modeFRONTIER вы можете полу-чить на сайтах www.esteco.com или www.network.modefrontier.eu.

ЗАО «ЕМТ Р» является официальным дис-трибьютором modeFRONTIER в России и стра-нах СНГ.

Рис. 2. Результаты проведенной оптимизации для триального и тестового методов

Рис. 3. Результаты проведенной оптимизации по совпадению исследуемых кривых при испытаниях и расчете шлема PTW

2



ВведениеРеальные условия эксплуатации вихревых ап-паратов могут отличаться от средних расчет-ных, которые приводятся в каталогах фирм-изготовителей. Это обусловлено тем, что не-возможно на стадии проектирования и изго-товления оборудования учесть все множество факторов, влияющих на эффективность рабо-ты аппарата.

В группу «неучтенных» факторов для аппа-ратов-пылеуловителей, как правило, входят:• физические свойства дисперсного матери-

ала, к которым относятся плотность мате-риала, размер дисперсных частиц, форма частиц, показатель полидисперсности;

• начальная концентрация дисперсной фазы, которая должна быть отделена;

• рабочая температура газа;• реальный расход газа, определяемый экс-

плуатируемым тягодутьевым оборудова-нием, линейными и местными сопротивле-ниями трубопроводов.Современные средства моделирования,

основанные на численном решении уравнений гидрогазодинамики, позволяют проанализиро-вать вклад этих факторов и вычислить расчет-ную эффективность пылеулавливания на стадии эксплуатации. Программный комплекс ANSYS CFX предоставляет необходимый инструмента-рий для решения широкого круга задач по ана-лизу эффективности в реальных условиях экс-плуатации.

В данной работе приведен расчет эффек-тивности пылеулавливания вихревого пылеуло-вителя ВЗП-М 200.

Технологии численного моделирования турбулентных потоков позволяют совершен-

ствовать существующие конструкции вихревых аппаратов и создавать принципиально новые, которые будут иметь высокий коэффициент улавливания тонкодисперсных частиц.

Конструкция аппаратаАппарат со встречно-закрученными потоками (ВЗП) является наиболее интересным в каче-стве объекта численного исследования, так как его эффективность улавливания тонкодисперс-ных частиц является высокой. Конструкция ап-парата представлена на рис. 1. Сечения аппара-та плоскостью, перпендикулярной оси аппарата и проходящей через верхний и нижний патрубки входа газовзвеси, представлены в верхнем и нижнем правом углу рисунка.

Анализ эффективности пылеулавливания

вихревого аппарата ВЗП-M 200 с помощью

программного комплекса ANSYS CFX

Сергей Николаевич Поляков, канд. техн. наук, компания T-Flow, Россия

Рис. 1. Конструкция аппарата ВЗП-M 200

3


Цель расчетаЦель расчета — определить относительную эф-фективность улавливания частиц дисперсной фазы при исходных данных, приведенных в та-блице:

Эффективность улавливания частиц η определяется зависимостью

s

1r

rs−= (1),

где sr — объемная концентрация дисперсной фазы на выходе из аппарата.

В первом варианте расчета рассматрива-ется эффективность аппарата по улавливанию мелкодисперсных частиц. Обычно диаметр 10 мкм для аппаратов этой конструкции соот-ветствует критическому размеру. Во втором случае рассматривается эффективность по улавливанию частиц средней крупности с диа-метром 30 мкм.

Гидродинамический расчетГидродинамический расчет позволяет опреде-лить «сухое» сопротивление аппарата и предска-зать траектории движения очень мелких частиц.

Численный анализ течения газа внутри циклонного аппарата сводится к решению си-стемы осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса. Для замыкания газодинамиче-ских уравнений Навье-Стокса использовалась стандартная (k-ε)-модель турбулентности. Для нахождения скалярных параметров k и ε ис-пользуются два дополнительных модельных уравнения, содержащих эмпирические кон-станты. Расчетная сетка была построена в се-точном генераторе ANSYS ICEM CFD. Сетка содержит 437 513 гексаэдрических элементов (рис. 2).

Картина течения газа в аппарате ВЗП-М является достаточно сложной ввиду того, что

в центральной части аппарата расположен то-роидальный вихрь. Он приближен к конической стенке аппарата со стороны тангенциального ввода. Его след в осевой плоскости виден на рис. 3. Также его след можно обнаружить и в се-чении, перпендикулярном оси аппарата (рис. 4). Расчетное избыточное давление на верхнем и нижнем входных патрубках аппарата составляет 760 и 1200 Па соответственно.

№ Наименование Имя переменной Значение Размерность

1Скорость газовзвеси в верхнем (см. рис. 1) патрубке

Vверх 14,3 м/с

2 Скорость газовзвеси в нижнем патрубке Vнижн 14,3 м/с

3 Сплошная среда Воздух, 25 °C

4 Дисперсная среда Песок

5 Плотность частиц ρs 1700 кг/м3

6 Диаметр частиц ds 10, 30 мкм

7Начальная объемная концентрация дисперсной фазы

rs 3,0Ѕ10-61

8Скорость частиц дисперсной фазы на входных участках

Uверх = Uнижн 12,0 м/с

9 Рабочий диаметр аппарата D 0,200 м

Ей соответствует массовая концентрация ~ 5 г/м3.

Рис. 2. Общий вид расчетной области

4



Расчетная модель газовзвеси в вихревом аппаратеДля описания движения твердых частиц в аппа-ратах вихревого типа (гидроциклонах, циклонах, скрубберах) используются две модели. Первая (Лагранжева) рассматривает траектории оди-ночных частиц и может достоверно описывать движение твердых крупных и среднедисперсных частиц, если имеет место упругое соударение частиц со стенкой аппарата. Модель позволяет решить задачу об эффективности улавливания статистически. Полученное этим способом ре-шение для всех частиц строится по принципу обобщения поведения в потоке небольшой груп-пы частиц (порядка 1000). Особенностью реше-ний такого типа является расчет «граничного» размера частиц, ниже которого эффективность улавливания считается нулевой, а при значениях больших граничного приближается к 100%.

В случае тонкодисперсных (до 10 мкм) и мелкодисперсных частиц (до 100 мкм) соуда-рениями со стенкой пренебрегают, так как они уже не играют существенной роли. При умень-

шении размера частицы ее масса стремится к нулю, следовательно, среду с такими частицами можно рассматривать как сплошную. Транспорт частиц в этом случае должен рассматриваться с учетом их концентрации в рамках модели Эй-лера. Достоинством этой модели является то, что разность концентраций частиц между двумя точками определяет диффузионный поток ча-стиц, который обеспечивается турбулентными пульсациями сплошной среды (в нашем случае воздуха). Этот механизм объясняет существова-ние в вихревых аппаратах областей аномально высоких концентраций тонкодисперсных частиц, полученных опытным путем. Этот эксперимен-тальный факт не может быть описан в рамках модели частиц Лагранжа.

Для описания движения частиц дисперсной фазы в этой работе была выбрана модель Эйле-ра. Движение сплошной среды также описыва-лось в рамках модели Эйлера. Турбулентность считается общей для двух фаз и описывается (k-ε)-моделью. В расчете учитывается, что дис-персные частицы способствуют дополнительной генерации турбулентности. При описании дви-жения газовой фазы учитывается сила тормо-жения, определяемая по эмпирической зависи-мости через скорость скольжения фаз, а также сила плавучести, которая существует благодаря разности плотностей, обусловленной разностью объемной концентрации твердой фазы в раз-личных областях аппарата.

При описании движения дисперсной среды ее вязкость не учитывалась. Сила сопротивле-ния со стороны газовой фазы определялась по эмпирической зависимости через скорость скольжения фаз. При постановке граничных условий по твердым частицам на стенках аппа-рата применялось условие скольжения.

В расчете с учетом дисперсной фазы ис-пользовалась та же сетка гексаэдров, что и в первой задаче.

Результаты расчета по модели Эйлера для частиц диаметром 10 мкмПрисутствие твердой фазы в потоке «сглажива-ет» картину течения (рис. 5) и изменяет картину течения, как в случае движения более вязкой жидкости. Линии тока дисперсных частиц повто-ряют аналогичные для газа.

Линии тока для частиц показывают, что вероятен интенсивный их унос из верхней трети аппарата из-за существования циркуляционной зоны, которая соприкасается с верхним выход-ным патрубком.

Если рассматривать пространственную кар-тину течения, то на выходе завихрителя, продолжа-ющего нижний входной патрубок, обнаруживается

Рис. 4. Картина течения в нормальном сечении аппарата. След тороидального вихря

Рис. 3. Картина течения в осевом сечении аппарата

5


вихревой столб с винтовой осевой линией. Этот случай хорошо известен и описан в литературе.

В зоне стыка цилиндрической и кониче-ских областей находится область интенсивных пульсаций. Там же существует прецессирующее вихревое ядро (ПВЯ). Эта структура характери-зуется вихрем со смещенным центром (рис. 6) и принципиально отличается от структуры, пред-ставленной на рис. 4 для чистого газа. Суще-ствование ПВЯ сопровождается сильным гидро-динамическим шумом, что может приводить к нежелательным вибрациям корпуса аппарата.

На рис. 7 приведена картина распределе-ния объемной концентрации твердых частиц в аппарате. Следует отметить, что в донной части сепаратора задано условие полного удаления ча-стиц, которое является идеализированным. При этом расчетные значения для уноса частиц мож-но рассматривать как предельно достижимые для данной конструкции аппарата. Дисперсная фаза, как это видно из рис. 7, распределяется в объеме аппарата крайне неравномерно. Мак-симум концентрации частиц в аппарате дости-

гается на стенках улитки верхнего подвода газа и на внутренней поверхности цилиндрической стенки. Для слипающихся частиц возможно об-разование агрегатов в этих зонах, повышенный износ стенок аппарата.

Для анализа эффективности используется профиль объемной концентрации частиц на вы-ходном патрубке аппарата (рис. 8). Заметим, что ядро потока характеризуется низкой концентра-цией частиц, а периферийная часть — высокой. Этот факт неоднократно подтвержден экспери-ментально. Для определения эффективности требуется выполнить расчет средней концентра-ции. Эта операция сводится к интегрированию функции концентрации по поперечному сечению патрубка с весовой функцией, которой является осевая компонента скорости частиц.

Средняя концентрация может быть получе-на при помощи встроенного калькулятора CFX-Post. Для данного случая было получено значе-ние средней объемной концентрации 3.47e-7.

Рис. 5. Картина течения газа в осевой плоскости аппарата. Сплошные линии — линии тока газа

Рис. 6. Картина тока газа в в нормальном сечении аппарата в присутствии частиц диаметром 10 мкм

Рис. 7. Распределение концентрации твердой фазы в осевом сечении аппарата

Рис. 8. Профиль концентрации частиц диаметром 10 мкм на выходном патрубке аппарата

6



Подставив полученное значение в формулу (1), получим параметр интенсивности η = 87%. Рас-четное избыточное давление на верхнем и ниж-нем входных патрубках аппарата составляет 901 и 1483 Па соответственно.

Результаты расчета по модели Эйлера для частиц диаметром 30 мкмПрисутствие частиц твердой фазы с диаметром 30 мкм еще более упорядочивает течение в ап-парате, делая его регулярным. В этом можно убедиться, если сравнить, например, рис. 9 и 3. Заметим, что в случае более крупных частиц реа-лизуется более регулярный вихревой столб меж-ду нижним завихрителем и верхним выходным патрубком. При этом линии тока для диспресной фазы повторяют линии тока сплошной фазы.

Трехмерная картина течения (рис. 10) ха-рактеризуется одним вытянутым тороидальным вихрем, занимающим практически весь объем

аппарата. Ось тора совпадает с осью аппарата, то есть течение является симметричным относи-тельно оси вращения. Расчетное распределение объемной концентрации частиц позволяет судить об эффективности аппарата. Следует отметить, что высокая концентрация частиц достигается в непосредственной близости сепарационной зоны. В непосредственной близости от верхнего патрубка концентрация становится низкой.

Гидродинамический режим работы аппара-та ВЗП-М-200 для частиц с диаметром 30 мкм и объемной концентрацией 3.0e-6 может считать-ся оптимальным.

Если рассмотреть профиль концентрации частиц (рис. 11), то он окажется близок к осе-симметричному, а среднее значение концентра-ции составляет 4.59e-6, что и дает значение эф-фективности η = 98,4%. Расчетное избыточное давление на верхнем и нижнем входных патруб-ках аппарата составляет 1064 и 1644 Па соот-ветственно.

Выводы1. Основным показателем, влияющим на эф-

фективность улавливания частиц, являет-ся диаметр аппарата.

2. Эффективное улавливание пыли достига-ется при регулярном гидродинамическом режиме. Присутствие нерегулярностей, на-пример ПВЯ, ухудшает показатели эффек-тивности.

3. При разработке новых конструкций аппа-ратов их сравнительная эффективность может оцениваться с помощью изложен-ной выше методики.

4. Диаметр твердых частиц и объемная кон-центрация должны учитываться при вы-боре тягодутьевого оборудования. Для определения мощности воздуходувки мо-жет использоваться представленная выше методика.

Рис. 9. Картина течения газа в осевой плоскости аппарата. Сплошные линии — линии тока газа

Рис. 10. Пространственные линии тока газа в присутствии частиц диаметром 30 мкм

Рис. 11. Профиль объемной концентрации частиц 30 мкм на выходном патрубке аппарата

2



Может ли технология численного моделирова-ния, обычно используемая в таких отраслях, как, например, ракетостроение или проектиро-вание гоночных автомобилей, однажды загля-нуть в сердечно-сосудистую систему человека? Способна ли она реально помочь врачам обе-спечить лечение с улучшенной диагностикой в клинических ситуациях? Исследователи Центра здравоохранения Университета Колорадо недав-но сделали первые шаги в этом направлении, а решение ANSYS по моделированию аэроупруго-го взаимодействия послужило ключевой техно-логией для достижения этой цели.

Легочные артерии представляют собой кровеносные сосуды, через которые кровь с низким содержанием кислорода протекает из правого желудочка сердца в легкие для газооб-мена. У здорового человека среднее давление крови в легочной артерии составляет примерно 14-20 мм рт. ст. Повышенный уровень давления в крови (более 25 мм рт. ст. в покое) приводит к объемной перегрузке правых отделов сердца.

Диагностика и оценка повышенного дав-ления крови в легочной артерии является ком-плексной процедурой. Кроме катетеризации полостей сердца она может включать и такие методы визуализации циркулирующей крови, как, например, традиционная или магнитно-

резонансная ангиография. Несмотря на то что указанные методы являются эффективными при диагностике сосудистых заболеваний, они в настоящее время не могут обеспечить необ-ходимую детализацию или применяться с повто-ряемостью, достаточной для объяснения причин развития заболевания, и с трудом могут исполь-зоваться для предсказания результатов клини-ческого вмешательства.

До настоящего времени клиницисты в основном характеризовали повышенное дав-ление в легочной артерии путем оценки сопро-тивления легочных сосудов, определяемого как среднее падение давления, разделенное на среднюю скорость потока. При учете только усредненных условий влиянием жесткости со-судов пренебрегают. Однако у пациентов с по-вышенным давлением в легочной артерии это влияние может составлять до 40% от общей нагрузки, преодолеваемой правой половиной сердца. Со временем сосуды могут утолщаться в ответ на повышенное давление. Считается, что такое внутреннее утолщение и увеличе-ние жесткости сосуда изменяет перифериче-ский поток и еще больше повышает давление. Следовательно, такое поведение может быть частью петли обратной связи, из-за которой уровень давления крови в легочной артерии постоянно растет. Исследователи из Универ-ситета Колорадо изучают влияние жесткости легочной артерии с помощью программного обеспечения ANSYS для моделирования не-стационарного аэроупругого взаимодействия потока крови и стенок сосудов легочной арте-рии. Применяя технологию численного моде-лирования, исследователи могут лучше понять основы физических процессов, происходящих при повышенном давлении в легочной артерии, оценить степень влияния жесткости сосудов на изменяющуюся структуру течения и, что, воз-можно, более важно, на периферийную гемо-динамику.

Со временем регулярное клиническое ис-пользование численного моделирования для каждого отдельного пациента, где геометрия со-судов определяется из медицинского «изобра-жения», сможет обеспечить лучшее понимание развития повышенного давления в легочной ар-

FSI технологии ANSYS в медицине

Kendall S. Hunter, Университет Колорадо, США

Внешний вид расчетной сетки, сгенерированной в ANSYS ICEM CFD. Расчетная область для задачи расчета течения внутри сосуда ограничена голубыми ячейками. Оболочечная модель окрашена в сиреневый цвет

3


терии и улучшить предсказуемость результатов при хирургическом вмешательстве.

Исходная геометрия сосудов была получена по результатам ангиографии в двух плоскостях внутреннего легочного дерева, выполненной при катетеризации полостей сердца 18-месячного пациента мужского пола. Таким образом была получена информация о средней линии сосуда и его диаметре, которая затем использовалась при создании трехмерной математической модели сосуда в CAD-программе. Далее геометрия была передана в ANSYS ICEM CFD для построения высококачественной объемной сетки, составлен-ной из гексаэдров. При построении результирую-щей сетки применялись данные кольцевых сеток от всех стенок, так что она получилась почти ортогональной. Поверхностная сетка, созданная в ICEM CFD, использовалась затем в ANSYS при построении оболочечной модели стенки сосуда с учетом изменения ее толщины.

В этих исследованиях применялась модель сверхупругого материала Arruda-Boyce. Пара-метры модели были взяты из биомеханических исследований свойств растяжения-сжатия ле-гочных артерий с нормальным и повышенным давлением для модели крысы и объемных мо-делирований легочных артерий человека. Оста-точное напряжение здесь не рассматривалось вследствие трудностей внедрения подобных эффектов в клинических моделях, при которых прямые измерения внутри артерии не могут быть выполнены. Входное и выходные сечения были жестко закреплены. Оставшиеся узлы мо-дели могли деформироваться в ответ на прила-гаемые усилия.

Кровь моделировалась как несжимаемая ньютоновская жидкость с постоянной динами-ческой вязкостью. Рассматривался ламинарный режим течения.

На входе в расчетную область с помощью CEL (внутренний язык CFX для написания выра-жений) был задан полусинусоидальный профиль давления, зависящий от времени.

Граничные условия на выходе также были определены с использованием CEL и резистив-ного соотношения, в котором выходное давле-ние для каждой ветви определялось как произ-ведение локальной мгновенной скорости потока на коэффициент сопротивления [1, 2]. Первые результаты данного пилотного исследования подтвердили предполагаемое поведение систе-мы. Последующие исследования с уточненными клиническими данными и данными визуализа-ции обеспечат подтверждение и совершенство-вание методологии моделирования. Со време-нем клиническое применение бесконтактного моделирования для каждого отдельного паци-ента поможет глубже понять развитие повы-шенного давления в легочной артерии и улуч-шить прогнозирование результатов возможного лечения.

Литература:1. Vignon-Clementel,I.E.;Figueroa,C.A.;Jansen,K.E.;Taylor,

C.A.: Outflow Boundary Conditions for Three-DimensionalFinite Element Modeling of Blood Flow and Pressure inArteries.Comp.Meth.App.Mech.Engr.(CMAME)2006.

2. Olufsen,M.S.:StructuredTreeOutflowConditionsforBloodFlow in Larger Systemic Arteries. Am. J. Physiol. (AJP)276(1):H257-H268,1999.

Контуры деформации стенки сосуда на пике систолы

Контуры давления на стенках сосуда на пике систолы

2



Данная статья базируется на личном опы-те автора по созданию вычислительного двухузлового кластера на платформе операционной системы MS Windows 2003 Server R2 x64.

Протокол MPI — это стандартный интерфейс прикладного программирования (API) и специ-фикация на передачу сообщений. Он был разра-ботан специально для высокопроизводительных вычислений, выполняемых на больших компью-терных системах или на объединенных в кластер обычных компьютерах.

Автором статьи была использована реа-лизация специального программного обеспече-ния для управления передачей данных между вычислительными узлами Message Passing Interface (MPI) — бесплатная свободно рас-пространяемая реализация MPI — MPICH2. MPICH2 — разработка Аргонской националь-ной лаборатории США (http://www.mcs.anl.gov/research/projects/mpich2/).

По приведенной web-ссылке можно сво-бодно загрузить последние версии MPICH2.

При ознакомлении с руководством «ANSYS, Inc. Installation Guide for Windows Release 11.0 002309 January 2007» перед пользователем встает дилемма по выбору реализации MPI для операционных систем Microsoft Windows.

В разделе «Configuring Distributed ANSYS» указаны две реализации MPI, которые могут

быть использованы решателями ANSYS 11.0 в режиме распределенной памяти: MPICH2 и Mi-crosoft Compute Cluster pack (MS MPI).

В данной статье не будет рассматриваться вариант использования протокола MS-MPI, ко-торый является вариантом открытого стандарта MPICH2 Аргонской национальной лаборатории.

В указанном выше официальном руко-водстве ANSYS, Inc. предлагается использо-вать реализацию MPICH2, дистрибутив кото-рой будет находиться по пути Program Files\Ansys Inc\V110\ANSYS\MPICH2\mpich2-1.0.3-1-win64-x86-64.zip после инсталляции программ-ных продуктов ANSYS. Однако далее предла-гается компилировать MPICH2, используя или компиляторы для C/C++ (MS Visual C/C++ for x64 либо другие компиляторы C/C++, совмести-мые с MS), или компиляторы Fortran compiler for x64. Естественно, данная ситуация многих пользователей не устраивает.

Инструкция основывалась на данных ян-варя 2007 года, когда еще не было реализации MPICH2 в виде исполняемого файла (Binaries Win EM64T/AMD64). Текущая версия реализа-ции MPICH2 — 1.0.6p1, дата выпуска которой — 31 октября 2007 года. Автором статьи была ис-пользована версия mpich2-1.0.6p1-win64-x86-64.

Перед установкой MPICH2 надо инсталли-ровать обновление Microsoft Visual C++ 2005 Re-distributable Package — vcredist_x64.exe, которое можно загрузить с сайта компании Microsoft.

Вы спрашивали — мы отвечаем

Создание вычислительного кластера на платформе Microsoft Windows x64

для ANSYS Distributed Solvers (в режиме Distributed

Memory Parallel)Александр Чернов, ЗАО «ЕМТ Р»

3


Главное требование к развертыванию кла-стера для ANSYS на операционных системах Microsoft Windows x64 — каждый узел кластера должен быть членом домена Active Directory. Это нужно для того, чтобы под учетной записью поль-зователя на ведомых узлах запускались нужные программы (без подключения вычислительных узлов к домену нельзя будет использовать об-щую учетную запись пользователя для запуска программ на вычислительных узлах). Пользова-тели сети с помощью единого процесса входа в систему могут получать доступ к разрешенным ресурсам из любой точки сети. Членство в доме-не Active Directory обязательно и для ведущих, и для вычислительных узлов. Все вычислитель-ные узлы должны располагаться в том же доме-не Active Directory, что и ведущий узел.

Если домен уже есть, то надо просто под-ключить к нему компьютер и добавить учетную запись пользователя домена (которая будет

использоваться при входе в операционные си-стемы узлов кластера) в группу учетных записей «Локальные администраторы компьютера».

Установка на всех узлах кластера должна быть в совершенно идентичные места структу-ры директорий, в том числе имена дисков!

На всех вычислительных узлах необходи-мо сделать доступными следующие папки:…\Program Files \MPICH2,…\Program Files\ANSYS Inc,…\work_ansys (для размещения задачи).

Конфигурирование будущего кластера для решателей ANSYS осуществляется с помощью графической утилиты ANS_ADMIN: Пуск → Про-граммы → ANSYS 11.0 → Utilities → ANS_ADMIN.

В диалоговых окнах необходимо описать предполагаемые вычислительные узлы.

В системных переменных ANSYS110_DIR и ANSYSLIC_DIR необходимо изменить локаль-

ные пути на сетевые Universal Naming Conven-tion (UNC).

В переменную Path добавить пути:…\Program Files \MPICH2,…\Program Files \MPICH2\bin,…\Program Files\ANSYS Inc\v110\ANSYS\bin\winx64\DANSYSMPICH.

Чтобы убедиться в работоспособности MPICH2 и ANSYS, для начала необходимо про-вести тест MPI, который присутствует в папке ANSYS. Для этого в командной строке следу-ет перейти в директорию cd …:\Program Files\MPICH2\bin и выполнить команду: wmpiexec.exe –np 2 …:\Program Files\ANSYS Inc\v110\ANSYS\bin\winx64\DANSYSMPICH\ mpitestmpich.exe.

После этого должен появиться запрос на право запуска процесса учетной записи пользо-вателя domain\user и запрос пароля.

В случае удачного прохождения теста долж-но появиться сообщение следующего вида:

После проверок локальной работы MPICH2 следует провести проверку работоспособности MPICH2 с управляющего узла на вычислитель-ных узлах:cd …:\Program Files\MPICH2\bin,wmpiexec.exe –np 2 \\<имя узла>\ ANSYS Inc\v110\ANSYS\bin\winx64\DANSYSMPICH\ mpitest-mpich.exe.

Должно появиться сообщение об успеш-ном прохождении MPI Test.

После этого на управляющем узле с помо-щью ANSYS Product Launcher во вкладке High Performance Computing Setup необходимо задать опцию Use Distributed ANSYS. Теперь, указав Specify Multiple Hosts и выбрав вычислительные узлы, настроенные ранее с помощью графической утилиты ANS_ADMIN, можно запустить ANSYS в режиме Distributed Solvers (в режиме распреде-ленной памяти Distributed Memory Parallel).

2




Подвижные, деформируемые и перестраиваемые сетки

в ANSYS CFX и FLUENTЧасть 1

Процесс создания любой CFD-модели со-стоит из нескольких этапов, главными из которых являются следующие:• выбор физической модели;• выбор и обоснование допущений и

упро щений физики и геометрии за-дачи;

• создание или импорт геометриче-ской модели в сеточный генератор;

• построение расчетной сетки в сеточ-ном генераторе (GAMBIT, ICEM CFD и др.);

• импорт расчетной сетки в решатель и задание граничных, начальных усло-вий, а также параметров решателя;

• получение собственно решения;• анализ результатов и верификация

модели.

Чтобы показать возможности комплекса ANSYS FLUENT в области моделирования под-вижных, деформируемых сеток, рассмотрим за-дачу работы гидродемпфера (рис. 1). В данном устройстве поршень имеет два отверстия, и при

его движении в закрытом объеме через эти от-верстия жидкость может перетекать из одной части камеры в другую. Модель данного устрой-ства будем строить в трехмерной постановке.

Для работы с геометрией и расчетной сет-кой в комплексе FLUENT существует сеточный генератор GAMBIT, который имеет интуитивный интерфейс, а также обширные возможности для построения геометрии и расчетной сетки (рис. 2).

Геометрию можно строить двумя спосо-бами: снизу вверх, когда строятся точки, за-тем линии, поверхности и объемы, или сверху вниз — при этом строятся объемы, с которыми выполняются булевы операции (вычитания, пе-ресечения, объединения). При необходимости геометрию можно импортировать в GAMBIT, используя любые широко известные форматы. Кроме того, существуют прямые интерфейсы к популярным CAD.

При построении расчетной сетки в GAMBIT доступны любые типы элементов: двумерные четырехугольники, треугольники и трехмерные Рис. 1. Внешний вид гидродемпфера

Рис. 2. Общая панель инструментов GAMBIT

3


гексаэдры, тетраэдры, призмы и пирамиды, в том числе элементы второго порядка.

Построим геометрию гидродемпфера в среде GAMBIT, при этом воспользуемся комби-нированной технологией построения.

Для создания поверхности окружности необходимо зайти в меню построения поверх-ностей, выбрать из меню готовых примитивов окружность и в соответствующем поле задать радиус, равный 100 мм. Выполнение команды подтверждаем нажатием кнопки Apply.

Для построения отверстий в окружности создадим две дополнительные системы коор-динат. Заходим в меню инструментов, выбира-ем системы координат и указываем смещение вдоль оси Y для текущей системы координат 50, нажимаем Apply, затем вводим значение –100 и еще раз нажимаем Apply. Возвращаемся в меню построения поверхностей, задаем радиус

окружности 10 и выбираем вторую систему ко-ординат, нажимаем Apply. Далее выбираем тре-тью систему координат и снова нажимаем Apply. В результате получаем картину, изображенную на рис. 4.

На следующем этапе нам необходимо вы-честь две малые окружности из большей, чтобы получить три отдельные поверхности. Для это-го воспользуемся панелью булевых операций (рис. 5). Выбираем операцию Вычесть. В первом поле поверхностей выбираем большую поверх-ность, во втором поле выбираем две малые по-верхности; ставим галочку Retain, чтобы сохра-нить две малые поверхности после вычитания, нажимаем Apply.

Теперь создадим первую часть камеры при помощи вытягивания полученных поверхностей вдоль заданной оси координат. Для этого нужно зайти в панель меню создания объемов и выбрать опцию Sweep Faces (рис. 6). Далее в поле для поверхностей следует выбрать все созданные

Рис. 3. Построение окружности

Рис. 4. Сечение будущей модели

Рис. 5. Булева операция вычитания

Рис. 6. Создание объема вытягиванием поверхности

4



поверхности, в поле Path выбрать Vector и на-жать кнопку Define. Затем в поле Magnitude ука-зываем 100, нажимаем Apply, и еще раз в меню Sweep Faces нажимаем Apply. В результате по-лучаем объем первой части камеры (рис. 7).

Теперь построим область поршня — для этого нам нужно лишь вытянуть малые поверх-ности на толщину поршня. Объем строится толь-ко для области течения, никаких твердотельных частей в данной задаче мы строить не будем. Для построения области поршня воспользуемся тем же инструментом создания объемов Sweep Faces; в поле для поверхностей выбираем только

торцевые поверхности полученных внутренних цилиндров (на рис. 8 они подсвечены красным цветом). Далее нажимаем кнопку Define, в поле Magnitude указываем 25 и нажимаем Apply. В меню Sweep Faces нажимаем Apply. В результа-те получаем объем жидкостной части поршня.

Для создания основного объема камеры дополнительно к сформированным торцевым поверхностям внутренних цилиндров нам необ-

Рис. 7. Объем меньшей части камеры

Рис. 8. Исходные поверхности для создания объема поршня

Рис. 9. Поверхность с отверстиями

Рис. 10. Копирование поверхности с отверстиями

5


ходимо скопировать поверхность с отверстиями. Для этого воспользуемся инструментом копиро-вания. Чтобы применить эту команду, необходи-мо перейти в меню работы с поверхностями и далее выбрать опцию Move/Copy. В этом меню нужно выбрать поверхность, которую мы соби-раемся копировать (на рис. 9 она подсвечена красным цветом), и выбрать опцию Copy, а в поле координаты Z указать 25 (рис. 10).

Теперь создадим последнюю часть камеры при помощи той же технологии вытягивания. Для этого нужно вернуться в меню создания объе-мов и выбрать способ Sweep Faces. В поле для поверхностей выбираем скопированную поверх-ность, а также две торцевые поверхности вну-тренних цилиндров; в поле Path выбираем Vec-tor, нажимаем кнопку Define. В поле Magnitude указываем 300, нажимаем Apply. В меню Sweep Faces нажимаем Apply. В результате всех дей-ствий получаем объемную геометрию рассма-триваемой задачи гидродемпфера (рис. 11).

Теперь нам нужно сгруппировать объемы. Для этого воспользуемся булевой операцией Unite Real Volumes (рис. 12). Объединим три объема в большей части камеры, а затем три

объема в меньшей части камеры. В результате проделанной операции получаем окончатель-ный вид области решения (рис. 13).

Следующим этапом построения модели гидродемпфера является создание расчетной сетки. Мы будем строить неструктурированную гексаэдральную расчетную сетку при помощи технологии Cooper, которая позволяет получать объемную расчетную сетку из поверхностной. Построим поверхностную расчетную сетку, из которой будем вытягивать объемную. Для этого нужно зайти в раздел построения расчетных се-ток Mesh, далее — Face (рис. 14).

В данной панели необходимо указать три поверхности, на которых мы будем строить рас-четную сетку (на рис. 15 они подсвечены крас-ным цветом).

Рис. 11. Объемная геометрия расчетной области

Рис. 12. Объединение объемов

Рис. 13. Окончательный вид области решения

Рис. 14. Окно опций построения поверхностной сетки

6



Также следует выбрать тип элемента Quad и метод построения сетки Pave. В поле Spacing нужно ввести значение 5, далее нажать кнопку Apply.

Теперь мы можем построить объемную сет-ку для меньшего объема камеры. Но перед этим зайдем в меню параметров генератора Cooper (рис. 16) и зададим параметр Smooth Projected Face Mesh равный 0. Далее заходим в меню по-строения объемной сетки (рис. 17), указываем объем меньшей части камеры, а также задаем все торцевые поверхности данного объема в поле Sources. Нажимаем Apply. Далее в этом же меню выбираем первый малый объем области поршня и нажимаем Apply. После этого выби-раем второй объем и, наконец, самый большой объем рассматриваемой области. Каждый раз подтверждаем выполнение операции нажатием на клавишу Apply. В результате получаем рас-четную сетку, как показано на рис. 18.

Теперь мы должны указать поверхности, на которых будем задавать граничные условия (ГУ), в частности движущиеся поверхности. Для этого переходим в меню задания граничных условий, как показано на рис. 19.

В данной панели нужно указать поверх-ности, которые на рис. 20 подсвечены красным цветом. Присвоить имя internal_1 и указать тип граничного условия INTERNAL.

Нам также нужно определить поверхность поршня с отверстиями: выбираем поверхность, как показано на рис. 21, и присваиваем имя sur-face_1; тип ГУ — WALL.

Далее нужно повторить эти операции для противоположной стороны отверстий и поверх-ности поршня, указав соответственно имена in-ternal_2 и surface_2.

Рис. 15. Исходные поверхности

Рис. 16. Корректировка параметров сеточного генератора

Рис. 17. Построение объемной сетки

Рис. 18. Объемная расчетная сетка

7


После указанных действий мы можем со-хранить построенную расчетную сетку. Для это-го нужно перейти в панель сохранения сетки (File → Export → Mesh), как показано на рис. 22.

В поле File Name вводим hydro.msh.Теперь мы можем выйти из GAMBIT и за-

грузить решатель FLUENT.

Запустим 3D-версию FLUENT, перейдем в панель File→Read→Case и откроем сохранен-ный ранее файл hydro.msh.

Дальше нам нужно масштабировать рас-четную сетку, так как она была сделана в милли-метрах. Для этого заходим в панель Grid→Scale (рис. 23). В поле Grid Was Created in выбираем мм, нажимаем Scale, затем Close.

Теперь нам нужно выбрать нестационарный режим расчета. Для этого нужно зайти в панель решателя Define→Models→Solver (рис. 24).

Рис. 19. Панель задания граничных условий

Рис. 20. Поверхности граничных условий

Рис. 21. Поверхности граничных условий

Рис. 22. Сохранение расчетной сетки

Рис. 23. Панель масштабирования

Рис. 24. Панель решателя

8



В этом окне выбираем опцию Unsteady. Нажимаем ОК.

Следующим шагом мы настроим параме-тры динамической сетки. Для этого зайдем в панель Define → Dynamic Mesh → Parameters, в появившемся окне включаем опцию Dynamic Mesh, в результате появится окно рис. 25.

В этом окне выбираем Layering как опцию Mesh Methods; в поле Collapse Factor указыва-ем 0.4, и нажимаем ОК.

Для описания движения сетки или ее де-формации можно воспользоваться заданием профиля. Создадим текстовый файл со следую-щим содержимым:((movement_linear 2 point)(time0.0 1.0)(z0.0 0.3)

Сохраним этот файл в рабочей директории текущей сессии FLUENT под именем z_c.prof.

Заходим в панель работы с профилями Define→Profiles и нажимаем кнопку Read. В появившемся окне выбираем созданный нами файл z_c.prof, нажимаем ОК, затем закрываем панель Boundary Profiles.

Далее переходим в панель Define→Dynamic Mesh→Zones. В этой панели в поле Zone names выбираем internal_1; заходим в закладку Meshing Options и указываем в полях Cell High значение 0.005, нажимаем Create. Повторяем эту процеду-ру с зонами internal_2, surface_1, surface_2.

Так как нас интересует задача со свободной поверхностью, то определим соответствующие мо-дели и опции. Выберем модель свободной поверх-ности Define→Models→Multiphase. В появившем-ся окне выбираем Volume of Fluid. Все настройки оставляем по умолчанию. Нажимаем ОК.

Теперь нам нужно описать физические свойства моделируемых материалов, в нашем случае это будет сжимаемый газ (воздух) и не-сжимаемая вода. Зайдем в панель описания фи-зических свойств материалов Define→Materials. В появившемся окне в поле Density выбираем ideal-gas (рис. 26), нажимаем Create/Change и закрываем эту панель.

Теперь добавим воду в список моделируе-мых сред. Для этого нужно в текущей панели на-жать кнопку Fluent Database, далее в меню Flu-ent Fluid Materials нужно выбрать water-liquid и последовательно нажать Copy и Close. После этого закрываем панель Materials.

Определим соответствие материалов и фаз. Для этого зайдем в панель Define→Phases. В меню Phase выбираем Phase1, нажимаем кнопку Set. В появившемся окне выбираем в air поле Phase Material. Для Phase2 выбираем water-liquid.

Перед счетом нужно обязательно задать начальные условия в области решения, для это-го нужно зайди в панель Solver → Initialize → Initialize, в появившемся окне нажимаем Init.

Также нам нужно задать начальное поло-жение свободной поверхности. Для этого опре-делим зону при помощи панели Adapt → Region.

Рис. 25. Панель опций Dynamic Mesh

Рис. 26. Панель свойств материалов

Рис. 27. Панель выбора зоны адаптации

Рис. 28. Панель задания начальных условий в зоне

9


В появившемся окне задаем параметры, как по-казано на рис. 27.

Нажимаем кнопку Mark и закрываем панель. Теперь заходим в панель Solver → Initialize → Patch и указываем параметры, как показано на рис. 28. Далее нажимаем Patch.

Теперь необходимо задать ускорение сво-бодного падения и опорную плотность, как по-казано на рис. 29.

Теперь создадим продольное сечение об-ласти решения для визуализации результатов расчета. Для этого зайдем в панель создания плоских поверхностей Surface → Plane, нажи-маем Create. В результате строится плоскость Plane-6.

Зададим параметры анимации. Мы будем визуализировать раздел фаз между водой и воздухом. Зайдем в панель Solve → Animate → Define. В появившемся окне зададим параме-тры, как показано на рис. 30.

Далее нажимаем кнопку Define, в появив-шемся окне в поле Storage Type указываем In Memory, в поле Display Type выбираем Con-

tours, задаем параметры, как показано на рис. 31. Нажимаем Display и закрываем окно.

Заходим в панель Display → Views. В поле Views выбираем Right, нажимаем Apply, и далее Close. Также закрываем панель Animation Se-quence кнопкой ОК и панель Solution Animation.

Теперь можем запустить задачу на счет. Для этого перейдем в панель Solve → Iterate и укажем параметры, как показано на рис. 32.

По окончании счета мы можем просмотреть созданную анимацию. Для этого нужно зайти в панель Animate → Play. В появившемся окне нажимаем кнопку Воспроизвести. При желании можно сохранить анимацию в формате MPEG. Для этого выбираем MPEG в поле Write/Record Format и нажимаем кнопку Write.

Во второй части статьи, которая будет опу-бликована в следующем номере журнала, мы расскажем о возможностях ANSYS CFX по рабо-те с подвижными и деформируемыми сетками, а также о языке CCL, который является полезным инструментом при решении подобных задач.

Рис. 29. Опорные параметры

Рис. 30. Панель параметров анимации

Рис. 31. Параметры отображения поля массовых долей

Рис. 32. Панель параметров шага по времени

2



В настоящей статье мы расскажем об основных этапах моделирования в ANSYS CFX сопряженного теплообмена в кожухотрубчатом теплообменнике с U-образными трубами. За основу взята реальная конструкция теплообменного аппарата, разработанного Proodos Industrial Boilers (Греция). Расчет был

выполнен в программном комплексе ANSYS CFX версии 10.0. Для создания сетки использовался сеточный генератор ANSYS ICEM CFD. 3D-модель теплообменника была построена в AutoCAD и передана в ICEM через формат DWG. Внешний вид теплообменника показан на рисунке.


Моделирование сопряженного теплообмена

в трубчатом теплообменнике 16 шагов

Конструкция кожухотрубного теплообменника с U-образными трубами

3


Шаг 1. Конструкция теплообменникаТрехмерная модель теплообменного аппарата была создана в AutoCAD и сохранена в форма-те DWG. Конструкция теплообменника вклю-чает кожух с двумя трубами, фланец, входную и выходную камеры и трубную решетку с 16 U-образными трубами. Внутренний диаметр труб составляет 15 мм, толщина стенок — 1,5 мм. Средняя длина U-образной трубы составляет ~2000 мм.

Шаг 2. Принцип работы теплообменникаСхема течения — с противотоком. Холодная вода с температурой 20 °C попадает в теплооб-менник через верхнюю трубу на кожухе. Далее поворачивает налево, затем направо и выходит из теплообменника через нижнюю трубу. Разде-лительная перегородка не позволяет холодной воде напрямую попасть из верхней подводящей трубы в нижнюю трубу.

Горячая вода с температурой 90 °C через нижнюю камеру поступает на вход в U-образные трубы. Далее она движется по трубам, развора-чивается на 180° и попадает в выходную камеру.

Таким образом, в данном случае мы имеем классический пример сложного теплообмена, который включает наряду с вынужденной кон-векцией (передача тепла от горячего теплоноси-теля стенке) передачу тепла теплопроводностью через стенки труб.

Шаг 3. «Лечение» геометрииИсходная трехмерная модель теплообменни-ка была построена в AutoCAD и сохранена в формате DWG. Сеточный генератор ICEM CFD поддерживает импорт геометрии через этот формат. Так как конструкция теплообменни-ка является симметричной в плоскостях X=0 и Z=0, то геометрия строится для 1/4 области решения.

После импорта была выполнена операция построения топологии Repair Geometry→Build Topology в ICEM CFD с точностью 0,1 мм, кото-рая показала отсутствие «дыр» и щелей в гео-метрической модели. Была обнаружена только одна проблемная зона — в месте соединения подводящей трубы и коллектора.

Она может быть быстро устранена путем удаления кривой полуокружности, которая огра-ничивает проблемную поверхность

Шаг 4. Генерация расчетной сеткиВследствие различных масштабов длин, при-сутствующих в рассматриваемом устройстве (lp/tp=2000/1,5=1333, где lp и tp — длина и толщина стенок труб соответственно), предпочтительно использовать гексаэдрическую расчетную сетку для области жидкости внутри труб, для стенок труб и для межтрубного пространства.

Применение этого типа элементов позво-ляет достигнуть достаточного измельчения сет-ки в области пограничного слоя при допустимом

4



уровне количества ячеек в 2,7 млн для половины симметричной части всей области решения.

Для достижения компромисса между вре-менем создания модели и точностью получае-мых результатов использовалась технология с несовпадающими узлами на интерфейсе меж-ду гексаэдральной и тетраэдральной сетками. Название этого интерфейса в области жидко-сти — SURFSCOMMON, а в области фланца — FLANGECOMMON.

Было сохранено два различных проекта ICEM: первый, содержащий область труб, на-зывался tubes.prj, а второй, содержащий осталь-ные части области решения, — shell.prj.

Шаг 5. Гибридная (тетраэдральная/призматическая) расчетная сеткаПри построении расчетной сетки в проекте shell.prj применялись следующие параметры:

1. Названия Parts — групп поверхностей, необходимых для определения граничных усло-вий и интерфейсов:• CUP — поверхности коллектора (камеры);• FLANGE — поверхности фланца;• FLANGECOMMON — интерфейс между

гексаэдрическими и тетраэдрическими элементами в области FLANGE;

• PLATE — поверхности разделительной перегородки;

• SHELL — поверхность труб (внутренняя и наружная стенки);

• SURFSCOMMON — интерфейс между гек-саэдрическими и тетраэдрическими эле-ментами в области жидкости (течения);

• SYMMX — плоскость симметрии.2. Задание Material points — произвольных

точек внутри областей с разными физическими свойствами (жидкость/газ, твердое тело):• WATER1T — холодный теплоноситель;• WATER2T — горячий теплоноситель;• METALT — трубы и фланец (металл).

3. Параметры сетки:• Scale factor — 1;• Max Element — 12 мм;

• Natural size — 2 мм;• Num. Of Elements in gap — 3;• Refinement — 9;• Tri-Tolerance — 0.001;• Surface mesh control только на

SURFSCOMMON, установлен в 6 мм.4. Призматические слои:Созданы на «мокрых» поверхностях

(SHELL, CUP, FLANGE, PLATE). Начальное ко-личество слоев в Mesh sizes for Parts — 2;

Hight ratio — 1,25; конечное количество слоев: 5 (разбивание слоя #0 (начальный пер-вый слой) на 3 части с коэффициентом роста (показатель степени) 1,25, и слоя #1 (начальный второй слой) на 2 части с коэффициентом роста 1,25.

Сохраненный файл (shell.msh) расчетной сетки для ANSYS CFX содержит 1/4 всей обла-сти решения.

Шаг 6. Гексаэдральная сеткаВ проекте tubes.prj создавалась гексаэдральная расчетная сетка. Использовались следующие ключевые параметры:

1. Названия Parts:• FLANGEHEXA — поверхности фланца;• FLANGECOMMON — интерфейс Hexa/

Tetra в области фланца;

5


• SURFSCOMMON — интерфейс Hexa/Tetra в области жидкости;

• SYMMXHEXA — плоскость симметрии;• TUBESHEXAINNER — внутренняя поверх-

ность труб;• TUBESHEXAOUTER — внешняя поверх-

ность труб.2. Blocking Materials:

• WATER1 — холодный теплоноситель;• WATER2H — горячий теплоноситель;• METALH — трубы и фланец.

Особенности построения сеткиСоздание блочной структуры для отдельной трубы.

Размножение базовой блочной структуры для полного соответствия окончательной блоч-ной структуры исходной компоновке U-образных труб.

Автоматическое создание «О»-сеток во-круг труб и внутри труб. Высокая плотность сет-ки внутри труб.

Сохраненный файл расчетной сетки (tubes.msh) для ANSYS CFX содержит 1/4 всей области решения.

Шаг 7. Препроцессинг в CFX-PreЗапустите диалоговую панель CFX Launcher и укажите рабочую директорию проекта (Working directory).

Далее из диалоговой панели Launcher за-грузите препроцессор CFX-Pre.

В CFX-Pre в главном меню выберите оп-цию Create a new simulation, а в списке Simulation Type — General mode. Присвойте новому проек-ту имя ShellTube. Затем сохраните файл.

Шаг 8. Импорт сеткиВ дереве проекта в разделе Mesh выберите оп-цию Import Mesh. В Mesh format укажите ICEM CFD. Перейдите в папку, в которую мы ранее сохранили файлы с сеткой. Сначала мы импор-тируем файл с именем shell.msh, а затем — с именем tubes.msh.

Шаг 9. «Отзеркаливание» сеткиПосле импорта сеток в разделе Mesh появятся две сборки: Assembly и Assembly 2. Выберите их и примените для них команду Transform mesh assembly с опцией Reflection. Плоскость отраже-ния — XY Plane, Z=0. Поставьте галочку напро-тив Delete Original и Glue Matching Assemblies. Нажмите кнопку OK.

6



Шаг 10. CEL-выраженияВ диалоговой панели для задания выражений необходимо написать следующие формулы и объявить следующие переменные:• T1av = 30 [C];• T1in = 20 [C];• T2av = 85 [C];• T2in = 90 [C];• Th1out = areaAve(T)@outletw1 — 273.15 [K];• Tmav = 0.5*(T1av + T2av );• denwat20 = 997 [kg m^-3];• hour = 3600 [s];• qw1 = 1 [m^3];• mw1 = qw1*denwat20/hour;• qw2 = 2 [m^3];• mw2 = qw2*denwat20/hour.

Шаг 11. Задание свойств расчетной области (Domains)Выберите Create a domain в панели инструмен-тов. Присвойте новому домену имя water1.

Выберите четыре поверхности WATER1* в качестве Location.

В поле Domain type выберите Fluid Domain;В поле Fluids List — Water;Ref. Pressure — 0 [Pa].Heat Transfer Mode — Thermal Energy;Turbulence Model — SST;Initialization — All to Automatic.В закладке Temperature Option выберите

опцию Automatic with value и укажите в качестве начальной температуры Temperature — выраже-ние T1av, созданное ранее.

Нажмите кнопку OK.Таким образом, домен water1 полностью

определен.

Теперь вы должны создать второй домен с именем water2. Для этого в дереве проекта вы-

берите домен water1 и примените к нему коман-ду Duplicate selected object (дублирование доме-на). Выберите четыре поверхности WATER2* в качестве Location.

Используйте для этого домена в качестве начальной температуры выражение T2av.

Создайте еще один домен с именем metal.Выберите четыре поверхности METAL* в

качестве Location.В поле Domain type выберите Solid Domain;Fluids List — Copper;Heat Transfer Mode — Thermal Energy.Используйте для этого домена в качестве

начальной температуры выражение Tmav.Нажмите кнопку OK. Таким образом, до-

мен metal полностью определен.

Шаг 12. Граничные условияДля домена water1:

• выберите Create a Boundary Condition в па-нели инструментов. Задайте имя inletw1. Выберите «SHELLOPEN1 2» в качестве Location и в полеBoundary Type укажите Inlet,Mass Flow Rate — mw1,Turbulence — Medium intensity 5%,Static Temperature — T1in.Нажмите кнопку OK;

• подобным же образом создайте граничное условие типа Outlet и присвойте ему имя outletw1. В качестве поверхности укажите SHELLOPEN1.Average Static Pressure — 0 [Pa];

• теперь определите граничное условие симметрии — Symmetry. Присвойте этому граничному условию имя symmw1. Выбе-рите следующие поверхности: SYMMX B, SYMMXHEXA C, SYMMXHEXA C 2.

Для домена water2:• выберите Create a Boundary Condition в па-

нели инструментов. Задайте имя inletw2 и выберите CUPOPEN1 в качестве Location. В поле Boundary Type укажите Inlet,Mass Flow Rate — mw2,Turbulence — Medium intensity 5%,Static Temperature — T2in.Нажмите кнопку OK;

• далее создайте граничное условие типа Outlet. Присвойте ему имя outletw2. В ка-честве поверхности укажите CUPOPEN1 2. Average Static Pressure — 0 [Pa];

• теперь определите еще одно граничное условие симметрии. Присвойте этому гра-ничному условию имя symmw2. Выберите следующие поверхности: SYMMX A, SYMMX A 2, SYMMXHEXA A, SYMMXHEXA A 2.

7


Для домена metal необходимо определить только одно граничное условие — Symmetry. Присвойте этому граничному условию имя symmm. Выберите следующие поверхности: SYMMX C, SYMMXHEXA B, SYMMXHEXA B 2.

По умолчанию на всех оставшихся по-верхностях будет задано граничное условие Wall — адиабатная стенка с прилипанием.

Шаг 13. Задание интерфейсов

Для домена water1:Выберите Create a Domain Interface в панели

инструментов. Задайте имя Domain Interface w1.В поле Interface type укажите Fluid Fluid.

В поле Domain (Filter) выберите water1. В поле

Side 1 в качестве Location укажите поверх-ности SURFSCOMMON B, SURFSCOMMON B 3. В поле Side 2 — SURFSCOMMON B 2, SURFSCOMMON B 4. Тип соединения — Automatic.

То же самое необходимо выполнить и для домена water2.

Для домена metal в поле Interface type не-обходимо выбрать Solid Solid.

Дополнительные интерфейсы типа Fluid Solid будут созданы автоматически после вы-полнения команды Write Solver File — сохране-ние файла-определения.

В версии 11.0 интерфейсы типа Fluid Fluid, Fluid Solid, Solid Solid создаются автома-тически.

Шаг 14. Настройки решателя CFXНастройки решателя по умолчанию являются приемлемыми для данной задачи.

Создадим одну точку для отслеживания изменения температуры на выходе из домена water1. Для этого необходимо создать выраже-ние вида areaAve(T)@outletw1.

Шаг 15. Solver managerЗадача рассчитывается в два этапа. На первом этапе используем настройки решателя по умол-чанию. Затем после 20-30 итераций останавли-ваем задачу и меняем значения шагов по време-ни для доменов fluid и solid на следующие: для домена water1 Physical Timescale = 2.0 [s], для домена water2 Physical Timescale = 0.2 [s]. Для домена metal в поле опции Solid Timescale остав-ляем Auto Timescale.

Процесс сходимости контролируем по из-менению температуры теплоносителя на выходе из домена water1.

8



Шаг 16. Результаты расчетаГорячая вода с объемным расходом 4 м3/ч посту-пает на вход теплообменника с температурой 90 °C и выходит с температурой 80 °C. Холодная вода с объемным расходом 2 м3/ч имеет началь-

ную температуру 20 °C, а конечную — 40 °C. Мощность теплообменника по результатам рас-чета составляет 47,1 кВт.

На рисунке показано распределение тем-пературы горячего и холодного теплоносителей внутри теплообменника.

Documents

ANSYS Advantage. Русская редакция 7'2008