ANSYS Explicit 14

© 2012 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», ANSYS, Inc. 1

Георгий Белов

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

[email protected]

Новые расчетные возможности ANSYS Explicit 14.0

mailto:[email protected]




Типовые приложения программных комплексов ANSYS Explicit Dynamics

Ударные процессы • Низкоскоростные удары (краш тесты)

• Проникание деформируемых тел в различные среды

• Высокоскоростные ударные явления

Ударно-волновые процессы • Распространения ударных волн в средах

• Взаимодействие волн с объектами

Прочностной расчет конструкций, подвергаемых интенсивным динамическим воздействиям

• Расчеты за пределами несущей способности

• Большие перемещения и деформации

• Разрушение, дробление

Исследование поведения материалов со сложными физико-механическими свойствами

• Поведение материалов со сложной реологией в широком диапазоне давлений, деформаций, скоростей деформаций и температур

• Энергетические материалы (горение и детонация ВВ, порохов, пиросоставов)


Программные продукты ANSYS EXPLICIT DYNAMICS

1. ANSYS AUTODYN 2. ANSYS

EXPLICIT STR 3. ANSYS LS-DYNA

• Программный комплекс для исследователей •Решатель LS-DYNA версии 971 R5.1 •Препроцессор ANSYS Mechanical APDL (Prep7) •Препроцессор Mesher в среде WB

• Программа начального уровня на основе решателя AUTODYN •Полная интеграция в среде ANSYS WB

•Легкий в использовании комплекс для решения многодисциплинарных задач •Полнофункциональный решатель AUTODYN 14.0 •Интеграция в среде ANSYS WB


История создания AUTODYN

1960 HEMP Mark Wilkins, LLNL лагранжев решатель

1965 PIPE Physics Intl.(PI) развитие метода HEMP

1974 PISCES-2DELK PI 2D лагранжево-эйлерово связывание

1985 AUTODYN Century Dynamics 2D лагранжев код

1990 2D эйлеров решатель, 2D лагранжево-эйлерово связывание, оболочки

1995 3D лагранжев решатель, 3D эйлеров FCT решатель, решатель ALE, 3D оболочки

2000 3D SPH решатель, балки, 3D лагранжево-эйлерово связывание

2005 новый графический интерфейс, автоматическое связывание, неструктурированный лагранжев решатель

1985 – 2005 разработка и адаптация моделей материалов

2005 – интеграция в среду ANSYS Workbench


Вычислительные методы ANSYS AUTODYN

Пространственная дискретизация и симметрия

Решатели

2D 3D

Lagrange Небольшие деформации, сложные контактные границы,

реологические свойства материалов

Euler multi-

material

Произвольные деформации,

ALE Выравнивание расчетной сетки при больших

деформациях

Shells Тонкостенные оболочки

Euler, Ideal

gas

Расчет течений идеального газа

SPH Безсеточный метод с лагранжевым представлением

среды

Beams Дискретные балочные элементы


Области применения ANSYS AUTODYN и ANSYS LS-DYNA

Скорости, м/с Скорости

деформаций,1/с Определяющие

эффекты

<50 10-1 Упругость, локальная пластичность

50-1000 102 Пластичность. Преобладание

эффектов прочности

1000-3000 105 Равенство значимости эффектов

сжимаемости и прочности

3000-12000 107 Гидродинамические эффекты

намного превышают прочностные

>12000 108 Эффекты фазовых переходов

ANSYS AUTODYN

Классификация ударных процессов (Zucas 1982)

LAGRANGE

ALE

EULER

SPH

ANSYS LS-DYNA


Модели материалов LS-DYNA и ANSYS AUTODYN

МОДЕЛИ МАТЕРИАЛОВ AUTODYN

Уравнение

состояния Модель

прочности

(пластичности)

Модель

разрушения

(потеря

прочности)

МОДЕЛИ МАТЕРИАЛОВ LS-DYNA

AUTODYN включает базу данных с константными наборами для более 270 различных материалов

• Металлы, пластичные материалы

• Ортотропные и анизопропные

материалы

• Хрупкоразрушаемые материалы

• Грунты, бетоны, керамика,

• Вязко-пластичные материалы,

пластмассы

• Пеноматериалы,

• Дерево

• Жидкости и газы

• Химически реагирующие

материалы, ВВ, пиросоставы

Более 200 различных моделей материалов


Модели пластичных материалов ANSYS AUTODYN

Теория

пластического

течения Прандля-

Рейсса с алгоритмом

Уилкинса

приведения вектора

главных напряжений

в «круг текучести»

Предельная

поверхность

Октаэнтдрическая

плоскость

Деформации

Напряж

ении

Диаграмма упругопластического

поведения металлов

Гидростатическое

давление

Упругая

разгрузка

Пластическая

разгрузка

Упругое

нагружение Предел упругости зависит от:

• накопленной пластической деформации

• скорости деформации

• температуры

• давления

Модели прочности металлов ANSYS AUTODYN

1. Johnson-Cook

2. Zerilli-Armstrong

4. Steinberg-Guinan

3. Cowper-Symonds

Уравнения состояния для металлов ANSYS AUTODYN

1. Linear

2. Mie - Gruneisen

3.Polinomial

4.Shock


Модели грунтов

Уравнения состояния для грунтов Модели прочности для грунтов

1. Porous EOS 1. Модель Друккера-Прагера

2. MO Granular модель грунта

• прочность как у Друккера-Прагера

(зависимость предела текучести Y

от давления p)

• зависимость предела упругости Y

от плотности ρ

• зависимость модуля G сдвига от

плотности ρ

• различные формы зависимости

предела текучести Y от давления p

2. Compaction EOS

3. P-alpha EOS

давление

плотность начальная плотность

пластическое уплотнение

начальная

скорость

звука

скорость

звука

уплотненного

материала

упругая

разгрузка и

повторная

нагрузка

плотность

дав

лен

ие

• кривая


уплотнения

p=p(ρ)

• различные

модули

объемной

разгрузки

К=К(ρ)

• кривая


уплотнения

p=p(ρ)

• различные

скорости звука

для объемной

разгрузки


Модель бетона

Модель RTH (Riedel, Thoma, Hiermaier)

Уравнение состояния P-alpha

Типичная кривая напряжение-

деформация для бетона

Особенности модели:

1. Нелинейная сжимаемость, объемное

пластическое деформирование

2. Многофакторный критерий

пластичности при растяжении, сдвиге

и сжатии (компактирование)

3. Деформационное упрочнение

4. Кинетическая модель накопления

поврежденности и разупрочнения

5. Учет эффектов скорости деформации

6. Расчет поведения полностью

разрушенного материала (щебень)


Модели ортотропных композиционных материалов ANSYS AUTODYN

Особенности поведения КМ Соотношения для упругой области

Уравнение состояния Нелинейное упрочнение

Ортопропная модель разрушения


Модель детонации ВВ

Уравнение состояния продуктов детонации

• JWL, модифицированное Миллером для ВВ

с неидеальной детонацией

(термобарические составы)

• для расчета течений сильно разряженных ПД

существует возможность перехода от УРС JWL к

УРС идеального газа

• JWL (Jones-Wilkins-Lee)

Модель детонации

Пример расчетного профиля давления и удельного

импульса для ТНТ с алюминием

Схема распространения детонационной волны для

зарядов с инертными включениями и «теневыми»

зонами


Примеры использования EXPLICIT комплексов


Оценка безопасности при падении контейнеров

• Моделирование Drop тестов (низкоскоростной удар)

• Оценка НДС и герметичности после падения

• Разработка и оптимизация энергопоглощающих устройств


Примеры Drop тестов

Ударостойкость электронных устройств


Оценка ударостойкости строительных и защитных сооружений

• Модель бетона RTH

• Прямое моделирование арматуры

• Возможен импорт преднагруженного состояния


Модерирование ударов самолетов

Деформируемая модель самолета

Учет топлива в баках

Возможно моделирование прогрессирующего разрушения здания


Моделирование удара самолета по всемирному торговому центру


Моделирование разрушения турбоагрегатов

Прогрессирующее разрушение элементов турбоагрегатов

Оценка эффективности защитных кожухов


Баллистический удар пуль и осколков

Лагранжев решатель (с искуственной эрозией)

Эйлеров решатель (жидкости, пластичные материалы)

SPH решатель (хрупкие материалы, не требует эрозии)


Прострел пулей из АК74 многослойной композиционной оболочки


Расчет пробития алюминиевых плит

A.J. Piekutowski, M.J. Forrestal, K.L.

Poormon, T.L. Warren

Perforation aluminum plates with ogive-nise

steel rord at normal and oblique impacts//

Int. J. Imp. Eng., 1996. Vol 18.

Aluminum 6061-T651

26.3 мм

Steel 4340

67.5 мм 21.4 мм

12.9 мм


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Vs, м/с

Vr,

м/с

Эксперимент 2D LAGRANGE 2D EULER 2D SPH


Верификация расчетной модели по результатам пробития по нормали



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Vs, м/с

Vr,

м/с

Эксперимент Lagrange Euler

Верификация расчетной модели по результатам пробития под углом 30 град


Верификация модели бетона

S.J. Hanchak, M.J. Forrestal, E.R. Young et al.

Perforation of Concrete Slabs with 48 MPa and 140

MPa Unconfined Compressive Strengths.// Int. J.

Imp. Eng., 1992 Ударник

M=0.5 кг

D=25.4 мм

L=144 мм

Мишень

Бетон fc’=48 МПа

Н= 178 мм

V0 Vr

Расчет в AUTODYN (SPH)


Верификация модели бетона

Vr=220 м/с

Vr=225 м/с

Vr=190 м/с

1. T.J. Holmquist, G. R. Johnson, W.H. Cook, 1993. Расчет лагранжевым кодом EPIC Модель бетона Johnson- Holmquist

2. Расчет в LS-DYNA в

лагранжевой постановке

Модель бетона PSEUDO TENSOR

4. Расчет в LS-DYNA в

эйлеровой постановке

Модель бетона PSEUDO TENSOR

3. Расчет в ANSYS AUTODYN в SPH постановке Модель бетона RTH


Методология расчета комбинированного ударно-проникающего и взрывного воздействия на ж/б плиту

Разрушение бетона при воздействии проникающего боеприпаса Расчет взрыва ВВ

ВВ

Воздух

Бетон

Воздействие продуктов детонации на плиту Разрушения в бетоне после взрывного воздействия


Модерирование физических взрывов (при внезапном разрушении емкостей с газом под давлением)


Пример:

• Использование ANSYS (implicit) для расчета нагружения внутреннем давлением

• Использование метода Euler-FCT для моделирования истекающего газа

• FSI решение в AUTODYN

Пример расчета прострела предварительно нагруженного резервуара

Pre-stressed Explicit


Моделирование взрыва ВВ в AUTODYN

Модель геометрической детонации (с учетом теневых зон)

Модель догорания ПД (алюминосодержащие ВВ)

Кинетика Lee-Tarver для БВВ

Кинетика горения пиротехнических составов

Аналитическая модель взрывной нагрузки


Воздействие воздушной ударной волны на объекты

0.01

0.1

1

10

0 1 2 3 4 5

3/13 /,/ кгмMr

МПаp,

расчет в ANSYS AUTODYN

формула Садовского

33

233

7.027.0084.0

r

m

r

m

r

mp

Избыточное давление во ФУВ

Технология расчета воздействия воздушных ударных волн на объекты

Сравнение с экспериментом

1. Ближняя зона 2. Дальняя зона

3. Взаимодействие с конструкцией


Расчет взаимодействий УВ с объектами

Расчет строительных конструкций Расчет резервуара


Моделирование взрыва артиллерийского снаряда в среде WB

• Модуль ANSYS Explicit Dynamics

• Параметризованная 2D геометрия в Design Modeler (beta)

• Неструктурированная 2D КЭ лагранжева сетка –«болванка»

• Импорт в AUTODYN

• Добавление моделей материалов и эйлеровых частей

Параметризованная 2D геометрия в

Design Modeler

Конечно-элементная сетка в ANSYS Mesh


Моделирование взрыва артиллерийского снаряда в среде WB

Модель в ANSYS AUTODYN • Расчет в AUTODYN в эйлеровых координатах

• При изменении геометрии происходит автоматическое перестроение всей модели



Нагрузка от воздушного взрыва как динамическое ГУ

• Методика разработана на основе руководства

Department of the Army (1986). Fundamentals of Protective Design for Conventional Weapons TM 5-855-1, Washington

• Поверхности объекта на которые действует давление задаются автоматически или вручную

• Ограничение на относительное расстояние от 0.147 до 40.0 m/kg1/3

• Нагрузки на Shells и грани Solids

• Поверхностный и наземный взрыв



Пример: взрыв в ограниченном пространстве • Расчет/Эксперимент с учетом и без учета влияния канала

Без бетонных блоков С бетонными блоками


Моделирование поведения материалов, имеющие сложные физико-механические свойства

Установление и адаптация определяющих соотношения по условиям натурных и численных экспериментов


Моделирование технологических операций


Новые расчетные возможности ANSYS Explicit 14.0


• Развитие модуля ANSYS Explicit Dynamic, унификация модуля ANSYS AUTODYN со средой Workbench.

• Численные методы для работы с автоматически генерируемыми HEX и TET сетками (2D и 3D)

• Интеграция с другими расчетными модулями ANSYS

– Импорт-экспорт КЭМ и НДС

• Усовершенствование параллельных расчетов

• Разработка решателя LS-DYNA (LSTC)

– 2D Euler, FEM Explicit & Implicit, EFG, CFD, EM.

Основные направления развития Explicit модулей ANSYS версий 13-14


Новый тетраэдральный NBS элемент Формулировка Nodal Based Strain (NBS) formulation

• Устраняет ошибки, связанные с объемным и сдвиговым «защемлением»

• Метод является особо ценным при расчетах низкоскоростных ударов объектов сложной геометрии (Дроп-тесты бытовой техники, электронных устройств, защитных устройств атомной энергетики)

– Задачи где проблемы больших деформаций и искажений не играют существенной роли

– Материалы с изотропной упругостью, пластичностью и разрушением

• Тестовые расчеты показывают наилучшие результаты с коэффициентом Hourglass=0.1

• Элемент вводится как полноценный тип (этап бета-тестирования пройден)


Новый тетраэдральный NBS элемент

Пример расчета изгиба балки,

сложного сечения

Case Average End Deflection

ANP Tet -0.178

NBS Tet -0.146

MAPDL -0.147


Пример расчета соединения с самопрокалывающей заклепкой


Решатель с 2D топологией в Workbench

В версии R14 полноценная поддержка 2D Solid (Цилиндрическая симметрия и плоская деформация) в Workbench

• Доступен 2D пре- и пост-процессинг

• Ось симметрии теперь направлена в направлении Y для унификации с другими типами анализа


Оболочки с индивидуальной толщиной для каждого элемента - Импорт данных из других расчетных модулей

• Поддержка обоих Explicit модулей: – Explicit Dynamics

– Explicit Dynamics (LS-DYNA Export)

• Пример – импорт из ANSYS Polyflow – Polyflow – продукт семейства CFD,

используемый для моделирования процессов деформирования таких материалов как полимеры, стекло, металлы и бетон

– Моделируются такие технологические процессы как экструзия, выдувание в форму, горячее формование, протягивание волокон

– Результаты, полученные в Polyflow (рассчитанная толщина оболочек) может быть экспортирована в модули Mechanical и Explicit Dynamic

Расчет выдувания в форму при помощи Polyflow • Получение оболочки с

переменной толщиной


• Полный цикл построения виртуального прототипа и тестирование возможностей ANSYS Workbench для производства пластиковых емкостей: – Моделирование выдувания в форму или

горячего формования для определения конфигурации толщины

– Выполнение прочностного анализа для оболочек с переменной толщиной

Оболочки с индивидуальной толщиной - Импорт из Polyflow


• Design Assessment был введен в Workbench для улучшения постпроцессинга результатов расчетов механических систем – Мощный инструмент для работы с результатами с использованием

программирования и скриптов

• Explicit Dynamics может быть входным модулем для Design Assessment

Связь Explicit Dynamics с модулем Design Assessment


Design Assessment - пример использования с Explicit Dynamics

• Анализ осколочного

спектра

Объемы осколков

Эквивалентная пластическая деформация


• Модуль ACP разработан совместно фирмами ANSYS и EVEN, основные возможности версии R14 являются:

– Интегрирование данных модуля ANSYS Composite PrepPost (ACP) как отдельного компонента

– Введение свойств разрушения как композитного материала в модуле Engineering Date для последующего использования как в модуле ACP так и в Mechanical/Explicit Dynamics

– Улучшение эффективности работы Mechanical/Explicit Dynamics для работы с композитами, включая простое создание и постпроцессинг (ограничена оболочками для R14)

– Обмен данными между модулями ACP и Mechanical/Explicit Dynamics реализован на уровне схем проекта Workbench

Усовершенствования в моделировании композитных оболочек


• Модуль ACP разработан EVEN как компонент среды Workbench

• Реализованы стандартные функции среды Workbench: организация файлов, стандартные действия среды - Update, Duplicate и пр.

• Модуль использует модели материалов из Engineering Data

Организация данных модуля ACP


Организация процесса работы ACP c Mechanical/Explicit Dynamics


- Непосредственное задание слоев композита

Пример построения Explicit расчета композитной модели


• Dr. J.O. Hallquist обозначены основные требования к программе

– «MULTI-PHYSICS»

– «MULTIPLE STAGES»

– «MULTI-PROCESSING»

• Стратегия «одного кода», возможности мультифизики:

– Явный/неявный КЭ решатель

– Нестационарная теплопроводность

– ALE

– EGF, SPH

– CFD решатель для несжимаемых сред

– CFD решатель для сжимаемых сред - CESE

– Электромагнетизм

– Акустика

– Пользовательские интерфейсы (элементы, материалы, нагрузки )

Основные тенденции развития LS-DYNA


• Появился с версии 971 r4

• Доведение решателя 2D до уровня 3D

• Основные возможности:

– Расчет многокомпонентных течений на подвижных (деформируемых) эйлеровых сетках

– Связывание FSI с лагранжевыми частями

– Реализована функция переноса «Mapping», которая позволяет накладывать результаты расчетов с одной сетки на другую

• Расширение расчетной области для задач распространения ударных волн

• Из 2D в 2D и из 2D в 3D

Новый решатель 2D Multi-material ALE


• Гиперскоростной удар алюминиевого шарика в плиту (6 км/с)

– Эксперимент A. Piekutowski, 1993 г.

Валидация 2D ММ ALE решателя



• Проникание удлиненного вольфрамового ударника в алюминиевую преграду

– Сравнение с тестами проводимыми Sandia National Laboratories для CTH и ALEGRA



• Формирование ударного ядра

– Сравнение с CTH

• Кумуляция

– Сравнение с MESA-2D



• Распространение ударной волны от наземного взрыва ВВ

– Применение технологии импорта и наложения результатов в новую сетку


Анализ в частотной области • Модальный анализ

• Неявный метод на основе модального анализа в обобщенных координатах

– Расчет амплитудно частотных характеристик (FRF) *FREQUENCY_DOMAIN_FRF

– Расчет установившейся динамики гармонического воздействия (SSD) *FREQUENCY_DOMAIN_SSD


• 1 этап: расчет стационарной вибрации

– Явный метод во временной области + быстрое преобразование Фурье

– Гармонический анализ в частотной области

• 2 этап: расчет акустического давления на основе:

– FEM

– BEM

Виброакустика в LS-DYNA


• Автоматический ремешинг

• Пригоден для чисел Маха менее 0,3

• Модели турбулентности: k-e, LES

• Автоматическая генерация пристеночных слоев

• Двухфазные течения

• Теплопроводность

CFD решатель для течений несжимаемых сред ICFD

Обтекание ветром солнечной батареи

Работа сердечного клапана

Падение капли в легкую жидкость Генерация пристеночных элементов


• Связанный термо-механический-электромагнитный анализ:

– Введение электрической проводимости в проводниках

– Магнитные и электрические поля

– Генерирование силы Лоренца

– Силы вызывают деформации проводников

– Движение проводников вызывает искажение полей

– Текущий ток вызывает нагрев проводников, нагрев вызывает изменение механических и электромагнитных свойств

Электромагнетизм в LS-DYNA

Моделирование выстрела из ЭМ рельсовой пушки


AUTODYN & LS-DYNA

+ AUTODYN

Интерактивный графический интерфейс

Интеграция в среду ANSYS WB

Высокоэффективный «горячий» рестарт

Полноценный 2D решатель

Более совершенные эйлеровы решатели, FCT решатель

Более гибкий способ определения моделей материалов

База данный константных наборов

+ LS-DYNA

Непревзойденная скорость вычислений

Совершенные контактные алгоритмы

Удобное распараллеливание на SMP системах

Большое количество решателей, в том числе Implicit, EFG, BEM, CFD

Связь с ANSYS Implicit

Специальные средства для Crash анализа

Дополнительные средства для задач ОМД


+ AUTODYN

Распространение ударных волн в различных средах

Воздушные ударные волны (схемы с малой дисперсией фронта)

Конечная баллистика боеприпасов и средств поражения

Гиперскоростные удары

Моделирование разномасштабных ударно-волновых явлений

+ LS-DYNA

Низкоскоростные удары: • CRASH тесты

• DROP тесты

Моделирование средств пассивной безопасности транспортных средств, манекенов человека,

Конечная баллистика боеприпасов и средств поражения

Технологические операции

Задачи с множественным контактным взаимодействием

AUTODYN & LS-DYNA Типовые задачи


fü r Po stS cript -Dr ucker geeignetfü r Po stS cript -Dr ucker geeignet

A E R O S P A Z I O

Space Division

Institut Kurzzeitdynamik Ernst-Mach-Institut

Пользователи ANSYS EXPLICIT


Доля AUTODYN и LS-DYNA среди коммерческих гидрокодов по данным публикаций International Symposium on Ballistics


Георгий Белов

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ведущий инженер по внедрению и технической поддержке ANSYS Explicit Solutions

[email protected]

www.cadfem-cis.ru

www.autodyn.ru

+7 (495) 664-0609

Спасибо !




http://www.cadfem-cis.ru/



http://www.autodyn.ru/

Documents

ANSYS Explicit 14