Новые возможности ANSYS 2021R1. Mechanical, явная динамика и ANSYS Motion

Уважаемые читатели форума, вашему вниманию предлагается обзорная статья по новым возможностям ANSYS Mechanical (опции и настройки решателей), модулей для явной динамики (Explicit и LS-Dyna) и ANSYS Motion.

1. Нововведения в ANSYS Mechanical

Улучшения в технологии элементов

Общие улучшения:

• Повышение производительности моделирования надежности электронных компонентов.
• Улучшены алгоритмы построения сетки на криволинейной геометрии.
• Возможность совместного применения линейных и квадратичных элементов на одной сетке.
• Улучшена пост-обработка результатов при расчете конструкций с армированием (REINF элементов).

Рис. 1.1 – Пост-обработка результатов

 Новые функции для элементов BEAM/PIPE:

• Возможность применения в 2D-анализе: уменьшение степеней свободы и, как следствие, уменьшение времени решения и объема файла результатов. Активировать возможно с помощью KEYOPT.
• В качестве бета-опций возможно использовать жесткость, зависимую от смещений, тем самым повысить стабильность решения с большими деформациями.
• Улучшена функция определения распределенной нагрузки.

Улучшения для связанного анализа:

• Возможность определения энтальпии (ENTH) в качестве свойства материала для моделирования фазового перехода (термомеханический анализ).

Рис. 1.2 – Моделирование фазового перехода

• Повышена производительность тепловых твердотельных элементов на 15%. Workbench автоматически изменяет старый тип элементов на новый.
• В связанных осесимметричных задачах доступна степень свободы ROTY. Пример применения: моделирование коробления тормозного диска в процессе работы.
• Пьезоэлектрическом анализе доступны результаты энергии демпфирования и кинетической энергии.

Жесткость на основе геометрии для абсолютно жестких балок MPC184:

• Для получения корректных результатов собственных чисел добавлена функция учета жесткости на основе геометрии (как для формулировки на основе множителей Лагранжа, так и для метода прямых исключений).

Рис. 1.3 – Пример расчета собственных чисел с учетом жесткости rigid-body-beam MPC184

Возможность определения давления (direct) в задачах с циклической симметрией:

• Данная возможность реализована с помощью команды SFCONTROL для приложения давления напрямую к выбранным поверхностям элементов без создания дополнительных поверхностей.

SMART (технология адаптивного перестроения сетки при расчете трещин)

Технология SMART заключается в перестроении сетки при вершине трещины для исключения сингулярности. Естественно, данный подход порождает избыточное количество ненужных элементов, что в свою очередь существенно «раздувает» задачу. Теперь данная технология перестраивает сетку только при вершине трещины. Данное улучшение продемонстрировано на рис. 1.4.

Рис. 1.4 – Новый принцип работы технологии SMART (слева – прошлые версии; справа – в новой версии)

Также при моделировании роста трещины с помощью технологии SMART появилась возможность использовать контакты любого типа, благодаря чему можно описать различные взаимодействия объектов. Кроме того, стало доступным определение начального напряженного состояния, которое на первой итерации пересчитывается в начальную деформацию. Ещё одной полезной опцией является возможность остановки расчета при достижении максимального значения интенсивности напряжений (опция STOP). И традиционно разработчики повышают производительность и стабильность решения при использовании данной технологии.

Адаптивное перестроение сетки в нелинейных расчетах (NLAD)

Новые функции, добавленные в версию 2021R1:

• Адаптивный выбор типа элемента (NLAD-ETCHG).

Предпосылки данной разработки: метод Hex-dominant построения сетки используется во многих линейных и нелинейных задачах совместно с NLGEOM, OFF; невозможность перестроения гексаэдрической сетки; искаженные элементы ухудшают сходимость и снижают точность; при внедрении данного улучшения NLAD можно использовать для технологии SMART и добавления произвольных трещин.

Основные принципы работы: запуск изменения типа элемента с критерием перестроения и измельчения сетки при NLGEOM, ON и при NLGEOM, OFF; применяется для искаженных элементов и гексаэдрических элементов (SOLID185 и SOLID186); автоматический перенос нагрузок, ГУ, контактов на тетраэдрическую сетку; минимизация невязок на тетраэдрической сетке; продолжение работы функции на тетраэдрической сетке; гибкая архитектура для передачи решения с любого элемента; поддержка всех функций стандартной опции NLAD (модели материалов, контакты, нагрузки и ГУ).

Рис. 1.5 – Пример работы опции NLAD-ETCHG

• Пример использования технологии NLAD: «Деформация сердечно-сосудистой системы». Целью задачи являлось определить НДС сосуда при нулевом давлении.

Рис. 1.6 – Моделирование НДС сердечно-сосудистой системы (обратная задача)

• В справке добавлен раздел по моделированию шин.

Рис. 1.7 – Раздел с рекомендациями по моделированию шин

Сопряженный анализ (Coupled Physics Analysis)

1. Нестационарный анализ

Внесены следующие изменения в нестационарный решатель:

• Улучшена стабильность решения при использовании HHT.
• Система уравнений первого порядка усредняется также, как и система второго порядка (согласованная формулировка).
• Возможность связанного анализа газовых турбин (температура-перемещения).
• Минимизировано вмешательство пользователя (стабильное решение с настройками по умолчанию).

2. Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрические материалы являются преобразователями электрической энергии в механическую или наоборот. В ANSYS Mechanical можно проводить сопряженный модальный и гармонический (full) анализ пьезоэлектриков.

Рис.1.8 – Настройка сопряженного анализа пьезоэлектриков в Workbench

Возможность определения следующих свойств материалов:

• Пьезоэлектрическая матрица: тип – напряжения и деформации; можно определить в формате APDL или IEEE.
• Анизотропная упругость: тип – жесткость и соответствие требованию; можно определить в формате APDL или IEEE.
• Относительная электрическая проницаемость.

Рис. 1.9 – Определение свойств пьезоэлектрических материалов

Далее необходимо определить Physics Region. Пример определения областей представлен на рис. 1.10.

Рис. 1.10 – Определение Physics Region для сопряженного анализа

В новой версии появилась возможность определения электрической емкости в контакте (задается значением).

В гармоническом сопряженном анализе могут быть использованы любые механические граничные условия и нагрузки, а в качестве электрических граничных условий могут быть заданы: заряд (Electric Charge), напряжение (Voltage), земля (Voltage (Ground)) и контактное напряжение (Voltage Coupling).

Рис. 1.11 – Определение граничных условий

В качестве результатов доступны: напряжение, интенсивность электрического потока и напряженность электрического поля. Графики АЧХ доступны для напряжения, реакции заряда и импеданса.

Рис. 1.12 – Просмотр результатов

3. Гармонический анализ (full)

Появилась возможность определить нециклическую нагрузку в полном гармоническом анализе с использованием циклической симметрии (различная нагрузка в секторах). Поддерживаемый тип нагрузки: давление, сила, удаленная сила, момент, узловая сила. Как правило, при расчете вращающихся машин используют симметрию с циклической нагрузкой (одинаковая нагрузка на каждый сектор), что является некоторым допущением.

При определении нециклической нагрузки необходимо задать нагрузку для каждого сектора (Harmonic Index) с помощью таблицы. Нециклическая нагрузка прикладывается путем разложения с помощью преобразования Фурье.

Рис. 1.13 – Определение нециклической нагрузки

Для каждого сектора могут быть получены следующие результаты: перемещения, напряжения, деформации, а также графики АЧХ.

4. Общие улучшения:

• Существенно улучшена стабильность решения плоских, симметричных задач с лучистым теплообменом.
• Возможность индивидуальной настройки переразбиения шага (bisection) в нелинейном расчете для каждого типа анализа. Выполняется с помощью команды CUTCON (механика: перемещения, вращения; тепловой анализ: температура; электрический: напряжение, ток).
• Автоматический выбор типа элемента или выбор вручную (для интеграции с SOLID186 в сопряженном анализе).
• Применение последовательного интегрирования по времени при использовании HHT.
• Для теплового анализа используются элементы нового типа SOLID278, SOLID279, SOLID291, PLANE292, и PLANE293 (кроме моделирования аддитивного производства).
• В новых элементах может быть использована другая схема интегрирования матриц проводимости и/или теплоемкости, поэтому результаты могут несущественно отличаться (в зависимости от КЭ-сетки).

Линейная динамика

Также в новой версии внесены улучшения в модули линейной динамики:

• Метод подконструкций.

Метод подконструкций «снизу-вверх» может быть использован для модального гармонического или спектральных типов анализов (применяется разложение по собственным формам). Суперэлемент созданный в Mechanical через Condensed Part может быть экспортирован с помощью Export Condensed Part.

Рис. 1.14 – Экспорт суперэлемента

Естественно, что Condensed Part может быть импортирован в другую сессию с помощью функции Imported Condensed Part.

Рис. 1.15 – Импорт суперэлемента

При импорте поддерживается формат *.cpa (Exported Condensed Part). В данной версии расположение возможно только относительно глобальной системы координат (доработают в следующих версиях). Node offset смещает узел главной степени свободы, если номера узлов совпадают с общей сеткой.

Рис. 1.16 – Опции импорта суперэлемента

После импорта в разделе Worksheet будет содержаться информация об интерфейсах и узлах связи. В рабочем окне информация будет представлена графически.

Рис. 1.17 – Просмотр интерфейсов и информации о связи суперэлемента

Для интерфейсов могут быть созданы узловые именованные наборы для дальнейшей связи с обычными делами через удаленные граничные условия (remote point, joint и т.д.). Ниже представлено сравнение результатов модального анализа при использовании метода подконструкций с подходом «сверху-вниз» и «снизу-вверх».

Рис. 1.18 – Сравнение результатов

• Улучшение решателя собственных значений (DAMP Eigensolver)

В прошлых версиях решатель собственных значений был ограничен количеством значений и находил только близкие к 0. Кроме того, при поиске большого количества значений мог выдавать ошибки. В новой версии возможно использовать сдвиг вдоль оси комплексных частот для охвата необходимой области. Кроме того, при использовании автоматического сдвига получится уловить множество собственных чисел. Данная опция активируется командой DAMPOPT,SHIFT,<ON,OFF>​.

Рис. 1.19 – Процедура поиска собственных чисел

• Улучшение волнового решателя (акустика):

- Возможность понижения порядка задачи для снижения степеней свободы.

- Реализация модального решения уравнения конвективной волны.

- Получение в октавном диапазоне уровней звукового давления в дальнем поле.

- В System Coupling доступны результаты для новых типов элементов: плотность силы и тепловой поток. Возможно применение объемной температурной нагрузки.

Контакты

В технологиях контактов внесены следующие улучшения:

• Проецируемый 3D-контакт линия-поверхность

Проецируемый контакт обеспечивает наложение контактных ограничений на перекрывающуюся область контактных и целевых поверхностей, а не на отдельные контактные узлы, тем самым повышается точность результатов в контакте и обеспечивается более плавное распределение напряжений для нижележащих элементов. В том случае, когда размер элемента балки больше радиуса кривизны данная опция позволит обнаружить контакт. Кроме того, данная опция позволяет исключить резкое падение силы между узлами балки и целевой поверхностью.

Рис. 1.20 – Пример моделей для использования проецируемого контакта

• Моделирование износа в контакте

За счет применения технологии NLAD моделирование износа в контакте с гексаэдрическими элементами будет достаточно точным и стабильным. Кроме того, доступна возможность распараллелить контактные пары.

Рис. 1.21 – Примение NLAD для моделирования износа в контакте

• Улучшено демпфирование в контакте

Новые значения коэффициентов демпфирования и схема обновления помогут избежать движения тел как жесткого целого. В результате чего улучшена стабильность решения.

Рис. 1.22 – Сравнение демпфирующего давления с предыдущей версией

Рис. 1.23 – Сравнение сходимости с предыдущей версией

• Общие улучшения

В WB Mechanical доступны дополнительные возможности интерфейсов:

- Offset Only, No Ramping.

- Offset Only, Ramped Effects.

-Offset Only, Ignore Initial Status, Ramped Effects.

- Offset Only, Ignore Initial Status, No Ramping.

Благодаря этому, пользователям будет проще описывать условия контактов (зазор/проникновение; расстояние между поверхностями; исходный статус и движение).

Для контактов типа узел-поверхность и узел-ребро выбор регионов возможен на основании геометрии или на основании именованных наборов, также стала доступна опция выбора узла (nodal scoping). Данные функции могут быть использованы при связи обычных тел с суперэлементами в методе подконструкций (подход «снизу-вверх»).

Появилась возможность выбора узлов для контактов по ребру (элемент CONTA177). Данная функция активна, когда в качестве контактной поверхности выбраны геометрическое ребро, линия, оболочка или твердое тело, а в качестве целевой поверхности ребро, поверхность, поверхности элементов на оболочке или твердом теле.

Рис. 1.24 – Выбор узлов для контакта по ребру

Демпфирование для стабилизации контактных при использование ненулевого показателя (damping factor) устанавливается KEYOPT(15) = 3 (в прошлой версии KEYOPT(15) = 2). Благодаря данному изменению демпфирование будет активно пока все точки определения контакта не примут закрытый статус. Также в контактах может быть определена электроемкость (автоматически или вручную).

Граничные условия

• Появилась возможность определения граничных условий на плоскости для абсолютно жестких тел.
• Определение на плоскости граничных условий с распределенной силой.
• В метод множителей Лагранжа и в MPC добавлена опция учета жесткости на основе напряженного состояния (stress stiffness).
• Улучшена точность, стабильность и производительность: увеличена скорость сходимости, стабильное решение с избыточными граничными условиями, допускается большое приращение нагрузки, вызывающей повороты.

В качестве примера на рис. 1.25 представлено соединение двух пластин болтами (жесткие пружины) с помощью элементов RBE3. Сравнивалось решение с использованием классического метода MPC с методами MPC и множителей Лагранжа (LM) с опцией учета жесткости на основе напряженного состояния. Благодаря опции stress stiffening удалось получить правильное распределение нагрузки, при этом потребовалось на 19% меньше итераций.

Рис. 1.25 – Результаты расчета с опцией stress stiffening

2. Explicit

Внесены новые возможности в продукт Explicit Dynamics, повышающие производительность:

• Добавлена поддержка Open MPI интерфейса для распределенного решения под Linux.

Рис. 2.1 – Выбор интерфейса Open MPI

• Активация/деактивация SPH-тел с помощью технологии «рождения-смерти элементов» для каждого шага решения. Данное нововведение поможет существенно сократить время расчета.

Рис. 2.2 – Применение технологии «рождения-смерти» элементов для SPH-тел

• Возможность определения жесткой связи (Bonded) между SPH-телами и «лагранжевыми» телами с помощью Contact Region или Body Interactions. Узлы SPH будут связаны с поверхность с помощью штрафных сил. При этом связь может быть разрушаемой на основе критериев нормального напряжения или напряжения сдвига.

Рис. 2.3 – Создание жесткой связи между телами

3. LS-Dyna

Workbench LS-Dyna

Ниже описанны новые возможности Workbench LS-Dyna:

• Добавлена новая система единиц измерений – mm ,ms, kg.

Рис. 3.1 – Выбор единиц измерений

• Обновлен решатель до версии 11.2 (более 250 улучшений). Также добавлена возможность выбора версии решателей из доступных через интерфейс.

Рис. 3.2 – Выбор версии решателя

• Добавлена поддержка импорта ECAD модели (трассировки) для прочностных расчетов. Данный подходы может применяться для твердотельной и оболочечной геометрии и позволяет упростить модель для построения сетки

Рис. 3.3 – Импорт ECAD-модели

• Поддерживаются модели материалов, представленные на рис. 3.4.

Рис.3.4 – Модели материалов LS-Dyna

• Добавлены классические инструмента мониторинга и отладки: сводный отчет по производительности «Performance Summary»; трекеры напряжений/деформаций.

Рис. 3.5 – Использование трекера для мониторинга решения

• Чтение файлов результатов и запись входного файла теперь осуществляется с помощью функций Mechanical.
• Добавлена возможность параметризации с помощью командных вставок.

Рис. 3.6 – Определение параметров с помощью командных вставок

Основные улучшения LS-Dyna

Развиваются инструменты и функции LS-Dyna с учетом современных трендов:

• Продолжается работа над созданием модели сердца, позволяющей проводить сопряженный электромагнитный-гидродинамический-механический анализ. Модель будет описывать распространение электрических волн в предсердии и желудочке, что в свою очередь вызывает «механические» деформации, позволяющие перекачивать кровь.

Рис. 3.7 – Моделирование работы сердца

• Добавлены 4 модели модулей батарей, в зависимости от масштаба и детализации: твердотельные элементы, композитные оболочки, макромодель и модель без построения сетки.

Рис. 3.8 – Моделирование модулей батарей в LS-Dyna

• Технология SPH может быть использована для моделирования процессов в неявном виде.

Рис. 3.9 – Применение SPH в Implicit задачах

• Созданы инструменты для моделирования пористых/проницаемых мембран, позволяющих определять падение давления.

Рис. 3.10 – Моделирование раскрытия парашюта

• Улучшен электромагнитный решатель: добавлена связь с решателем ICFD (сетки ICFD могут быть проводниками), добавлен решатель FEM-BEM (моделирование продолжительных по времени процессов и улучшена стабильность моделирования ферромагнитных материалов).
• Улучшен решатель ICFD: добавлена технология sliding mesh для расчетов вращающихся машин; улучшена работа FSI, возможности моделирования пористых/проницаемых мембран.
• Электрохимический решатель для расчета литий-ионных источников питания. Пример расчета представлен на рис. 3.11.

Рис. 3.11 – Расчет литий-ионного источника питания

• Расширены возможности NVH-анализа для вычисления акустической мощности (три варианта расчета): классический ERP (на основе теории плоских волн); расширенный ERP (с возможностью учета коэффициента излучения); вычисление с помощью интеграла Рэлея.

Рис. 3.12 – Расчет мощности рассеивания в зависимости от частоты

•  При анализе усталостной прочности добавлены карты: *DATABASE_D3FTG (анимация и визуализация развития усталостных повреждений в различные моменты времени) и *FATIGUE_FAILURE (удаление «поврежденных» элементов для связи анализа статической и усталостной прочности).
• Возможность проведения топологической оптимизации при различных динамических расчетах (нестационарная динамика, краш-тест, NVH-анализ и т.д.) с помощью продукта LS-TaSC.
• Проведение многоуровневого решения задач в ANSYS LS-Dyna: развиваются инструменты моделирования на микро-, мезо- и макроуровне. 

Рис. 3.13 – Концепция многоуровневого подхода в ANSYS LS-Dyna к оценке работоспособности изделий

4. ANSYS Motion

Продукт ANSYS Motion продолжает развиваться (и на мой взгляд вытесняет RBD) одновременно в двух направлениях: дорабатывается как ACT с классическим интерфейсом Mechanical, так и сам продукт.

В новой версии добавилось следующее:

• ACT устанавливается автоматически вместе с продуктом Mechanical (ранее нужно было скачивать актуальную версии с официальных порталов).
• Расширены возможности пост-процессинга: скорости, ускорения, НДС (в том числе создавать сечения в модели) можно просматривать в пост-процессоре с новым API.

Рис. 4.1 – Новый пост-процессор ANSYS Motion

• Возможность использования моделей материалов с ортотропной упругостью.

Рис. 4.2 – Определение ортотропной модели упругости в Engineering Data

• В интерфейсе Mechanical доступны следующие результаты: скорости, ускорения, напряжения и деформации.
• Также при работе в интерфейсе Mechanical теперь будут доступны следующие функции: при определении шарнира будет создаваться система координат (аналогично классическому ANSYS); силы могут быть определены как константы напрямую (ранее только через шарнир); нагрузка, определенная только по одному направлению может быть использована в качестве «нагрузки в шарнире» для шарниров любых типов.
• Для ACT расширился набор Drivetrain: появилась возможность создания планетарной передачи.

Рис. 4.3 – Создание планетарной передачи в интерфейсе Mechanical

• Расширился набор инструментов Links в Mechanical: в пост-процессоре доступен просмотр результатов потерь и растяжения цепных механизмов; добавлена возможность определения объекта Soil Interaction (данный объект является специальной контактной формулировкой и его можно использовать при моделировании движения по пересеченной местности).

Рис. 4.4 – Обработка результатов расчета цепных механизмов

Рис. 4.5 – Использование объекта Soil Interaction в интерфейсе Mechanical

Также расширились возможности решателя ANSYS Motion:

• Motion поддерживает все типы результатов ANSYS Maxwell.
• Появилась возможность передачи результатов нестационарного решения в анализ акустики.

Рис. 4.6 – Схема NVH-анализа с помощью продуктов ANSYS

• Улучшен решатель подшипников с эластогидродинамическим смазыванием (убрано ограничение размера шага) в результате чего повышена производительность, что подтверждено примерами в справке.

Рис. 4.7 – Верификация расчета подшипника с EHD (пример в help)

• Появилась возможность 1D-моделирования автомобиля.

Рис. 4.8 – 1D-моделирование автомобиля

• Для контактной поверхности балочных элементов можно создавать твердотельные объекты без массы и жесткости.
• Добавилась возможность использования общей топологии с помощью tie contact (тела будут представлены как одно тело).

Рис. 4.9 – Создание и импорт общей топологии