Новые возможности ANSYS Mechanical 2019 R1 - часть 4

Вашему вниманию традиционно предлагается обзорная статья по новым возможностям свежего релиза - ANSYS Mechanical 2019R1. В четвертой части поговорим о нововведениях ANSYS Mechanical, касающихся динамики и вибраций.

Метод суперэлемента (CMS) в WB-Mechanical

Начнем с нововведений, касающихся метода суперэлемента/подконструкций (CMS/Substructure) в ANSYS Mechanical. Вот уже несколько версий данная методика присутствует в расчете динамики жестких тел (RBD) и относительно недавно расширилась до применения в модальном анализе (речь, разумеется, про реализацию в интерфейсе Workbench Mechanical – в MAPDL оно куда старше).

Начиная с новой версии 2019R1, CMS допускается применять в Harmoniс Response расчете, правда только в сочетании с методом суперпозиции мод (MSUP). Реализовано через уже знакомые нам объекты Condensed Part и Expansion Settings и работает с обоими вариантами постановки MSUP гармонического расчета – как с предварительным модальным анализом, так и без. Метод суперэлемента позволяет снизить размер задачи и ставить на расчет более сложные конструкции с меньшими затратами вычислительных ресурсов, теперь и в гармоническом анализе.

Рисунок 1. CMS в гармоническом расчете

Как видно на рисунке 1, тела, составляющие суперэлемент (входящие в condensed part), становятся прозрачными, а также отображаются степени свободы в интерфейсах (MDOF).

Рисунок 2. Активация расчета подконструкции (Expansion pass) и контурный график результата (запрашивался только для condensed part 2)

Еще одним нововведением в этой области является новая одноименная формулировка в шарнире Bushing Joint для использования в модальном и гармоническом расчетах с CMS. Эта формулировка основана на элементе COMBI250 (прежде можно было использовать только MPC), может работать в системе координат элемента и позволяет задавать только диагональные члены для жесткости и демпфирования.

Примечательно, что с данной формулировкой Bushing Joint может быть частью суперэлемента, т.е. находиться внутри Condensed Part.

Рисунок 3. Новая формулировка для Bushing Joint

Рисунок 4. Bushing Joint находится внутри Condensed Part

MSUP Harmonic в сочетании с CMS теперь поддерживает нагружение ускорением (Acceleration). Поскольку нагрузка данного типа подразумевает применение ко всем телам в модели (All Bodies), то нужно, чтобы ей были подвержены как тела в подконструкции Condensed part, так и вне ее. Для этого в процессе решения основной модели (Use Pass) проводится специальная процедура перезапуска (substructure restart).

Рисунок 5. Листинг применения ускорения в гармоническом расчете подконструкции

Кроме того, в новой версии при создании суперэлемента (Generation Pass) активируется команда MODDIR, позволяющая последующим процессам решения общей модели (Use Pass) и подконструкции (Expansion Pass) при необходимости ссылаться на файлы, вместо копирования их. Таким образом можно избежать копирования LN22 и прочих файлов для улучшения работы с диском и производительности.

Динамика абсолютно жестких тел (RBD)

В Rigid Body Dynamics появился новый алгоритм интегрирования по времени, который называется Stabilized Generalized Alpha. Дело в том, что просто Generalized Alpha и другие неявные методы в RBD, в процессе коррекции соблюдения граничных условий деформируемыми телами (Condensed Part) создают высокочастотные осцилляции результатов, негативно влияющие на сходимость и шаги по времени. Улучшенная версия Generalized Alpha обеспечивает как соблюдение ограничений, так и динамическое равновесие, не давая таким образом паразитных колебаний, что дает более быструю сходимость и более крупный шаг по времени.

Рисунок 6. Сравнение производительности методов Stabilized Generalized Alpha и Generalized Alpha

Второе существенное улучшение, касающееся RBD, также снова касается и CMS. Третий шаг метода суперэлемента Expansion Pass зачастую создает большие RST файлы с очень подробными сетками/разрешением во времени, которые довольно затратно читать и писать. Новая опция «On-demand expansion» в настройках Expansion Settings позволяет выполнять расчет подконструкции прямо в процессе обработки результатов без создания файла результатов.

Кроме того, можно выделить ряд более мелких, но не менее полезных нововведений:

Окно Worksheet для настроек расчета Analysis Settings теперь позволяет просматривать различные настройки на разных шагах в сводной таблице.
Коэффициент restitution factor, отвечающий за неидеальность взаимодействия жестких тел, теперь может быть параметром.
Добавлены команды для вывода контактных сил и силового баланса тела.

Линейная динамика

В этом разделе начнем с логического продолжения прошлых трендов на расширение функционала линейных динамических расчетов в сочетании с циклической симметрией. На этот раз стало можно проводить преднапряженный модальный анализ, т.е. при расчете собственных частот и форм команду INISTATE (DTYP = STRE или EPEL) теперь можно применять вместе с циклической симметрией. Однако, речь пока только про применение в MAPDL.

Рисунок 7. Остаточные напряжения от аддитивного производства как пример предварительного напряженного состояния

Кроме того, наличие циклической симметрии в новой версии больше не является преградой к заданию в модальном анализе демпфирования и/или эффектов вращения (Кориолиса). Иными словами, команды MODOPT, DAMP и QRDAMP теперь поддерживают наличие циклической симметрии. Здесь также речь только про MAPDL.

В прежних версиях функционал расчетов динамики ротора во вращающейся системе отсчета был ограничен только статическими задачами. В новой версии его существенно расширили:

Учет эффектов вращения (эффект Кориолиса, разупрочнение при вращении)
Процедура SYNCHRO (позволяет проводить гармонический расчет отклика вращающейся конструкции на дисбаланс)
Диаграмма Кэмпбэлла (расчет критических скоростей в модальном анализе)
Учет демпфирования при вращении
Опирание на элементы подшипников COMBI214

Перейти к динамике роторов во вращающейся системе отсчета можно с помощью четвертого аргумента команды CORIOLIS и доступно это также только в MAPDL.

Рисунок 8. Сравнение собственных частот, полученных в стационарной и вращающейся системах отсчета.

Некоторые изменения произошли с заданием постоянного демпфирования в модели материала:

В Engineering data появилась группа Material Dependent Damping, состоящая из двух свойств Damping Ratio и Constant Structural damping coefficient.
Constant structural damping coefficient поддерживается в 2019 R1 для Full Harmonic, Fully damped Modal, Reduced Damped Modal (когда complex solution = Yes) и Full transient расчетов.
По умолчанию в Constant Structural Damping Coefficient стоит число в два раза большее, чем Damping Ratio, указанное пользователем
Демпфирование в модели материала на основе Damping ratio передается в решатель как команда MP,DMPR, а на основе Constant Structural Damping Coefficient – как команда MP,DMPS.

Рисунок 9. Новые поля для задания демпфирования в Engineering Data

На самом деле, Damping Ratio – это новое название «старого» коэффициента Constant Damping Coefficient в Engineering data. Данное переименование распространяется и на MAPDL и на Mechanical, а также имеет место и в Analysis Settings. Если Damping ratio был указан в материале из базы данных старше версии 2019 R1, то будет также автоматически добавлен и коэффициент Constant Structural Damping Coefficient с величиной вдвое больше Damping ratio. Кроме того, зависимый от материала Damping Ratio больше не работает с Full Harmonic расчетом.

Среди прочего, новый инструмент получения информации о решении в модальном анализе Participation factor summary – по сути таблица с коэффициентами участия, теперь поддерживается в 2D постановке.

Рисунок 10. Сводка факторов участия.

Дополнительную гибкость в новой версии приобрела команда Solve, запускающая задачу на решение. Добавленное в объект Commands(APDL), свойство Issue Solver Command в сочетании с выбором шага (Step Number) позволяет указывать шаги, для которых команда solve не будет активирована. Таким образом, в многошаговом расчете теперь можно запускать решение выборочно – по отдельным шагам.

Рисунок 11. Свойство Issue Solver Command. На втором шаге решение запущено не будет.

Акустика и NVH

При проектировании электромашин важно проанализировать акустические характеристики системы. Для достижения этой цели можно посчитать эквивалентную излучённую мощность (Equivalent Radiated Power) на диапазоне скорости вращения и диапазоне частот. В новой версии разработан полностью автоматизированный метод достижения этой цели:

Проведение DX параметрического исследования в Maxwell
Передача EMAG сил в Mechanical для всех скоростей вращения
Построение ERP Waterfall Diagram

Рисунок 12. Типовая схема проекта для проведения акустического расчета электромашин

Реализовано два альтернативных способа передачи сил в Mechanical: через силы/моменты и через их распределение по поверхности.

Рисунок 13. Два способа передачи сил в Mechanical

ERP Waterfall Diagram (можно перевести как диаграмма водопада для эквивалентной излученной мощности) предоставляет собой глобальную акустическую характеристику сразу в двух диапазонах – скоростей вращения и частот.

Рисунок 14. Графики зависимости эквивалентной излученной мощности на разных скоростях вращения от частоты

Рисунок 15. ERP Waterfall Diagram

В новой версии теперь можно связывать между собой два расчета Harmonic Acoustic. Таким образом можно, например, проанализировать излучаемый шум конструкции, содержащей жидкость (трансформатор и т. д.)

Рисунок 16. Схема проекта при связывании двух акустических расчетов

Также в ветке Solution для акустического расчета появился раздел свойств Cyclic Expansion Display, отвечающий за визуализацию результатов расчета с циклической симметрией. Можно указать исходный сектор и их количество.

Рисунок 17. Раздел свойств Cyclic Expansion Display

Результаты Equivalent Radiated Power и Sound Power Level теперь можно экспортировать в формате XML. Файлы в этом формате можно прочитать, например, в программе Optis VRXP Sound Dimension, где есть возможность по загруженным данным синтезировать звуковую дорожку в формате .wav.

Ну и наконец, есть еще одна интересная опция, на текущий момент являющаяся бетой. В настройках Analysis Settings в разделе Damping Controls для акустического расчета теперь есть поле Ignore Acoustic Damping (Beta), позволяющее отключать диссипативные свойства, которые по умолчанию есть в материалах Air и Water. Это позволяет избежать использования Damped solver без удаления свойств в Engineering Data.

Рисунок 18. Свойство Ignore Acoustic Damping.

Explicit Dynamics и LS-DYNA

В новой версии в Explicit Dynamics возросло количество величин, которые можно просматривать через результаты Probe и Result Tracker. В частности, теперь есть Energy probe для разных энергий и отдельные трекеры для Hourglass Energy и Contact Energy.

Рисунок 19. Результат Energy Probe

Рисунок 20. Energy Probe и новые Result Tracker

В свойствах ветви Body Interactions теперь есть новая «вилка» поведения контактов: Manual Contact Treatment = Lumped или Pairwise.

Рисунок 21. Настройка Manual Contact Treatment

Несмотря на свое местоположение данная настройка влияет в первую очередь на созданные вручную контактные пары (Contact Region), а не на Body Interaction. Поведение Lumped стоит по умолчанию и по сути является стандартным и единственным вариантом из прошлых версий. Его особенностью является некоторая универсальность взаимодействия между разными контактными парами.

Рисунок 22. Пример для сравнения поведения контактов

Например, рассмотрим три тела (рисунок 22). Создано 3 контактные пары: верхняя грань тела 3 и нижняя грань тела 1; верхняя грань тела 3 и нижняя грань тела 2; правая грань тела 1 и левая грань тела 2. C поведением Lumped решатель Explicit Dynamics будет также искать контакт между верхней гранью тела 3 и правой гранью тела 1, хотя такой контактной пары задано не было. Если же будет выбрано поведение Pairwise, то работа с контактными парами будет вестись более бережно и, в вышеописанном случае (рисунок 22), решатель не будет искать неуказанных контактов. Еще с таким поведением можно получить ошибку вместо решения, если типы контакта из пар и Body interactions противоречат друг другу (например в Conatct Region стоит Frictional с коэффициентом трения, а в Body Iinteractions - Frictionless).

Также в новой версии появилась возможность просматривать настройки по шагам в Analysis Settings в виде таблицы в окне Worksheet и в качестве бета опции теперь можно задавать нагрузку ускорения Acceleration в виде таблицы (обычное окно Tabular Data).

В Workbench LS-DYNA теперь доступны объекты Body Interactions с типом Reinforcement. Данный тип нужен для моделирования различных армированных конструкций, таких как железобетон. Узлы в балках арматуры и матрице не обязаны совпадать.

Рисунок 23. Результат расчета с контактом типа Reinforcement в WB LS-DYNA.

Также в новой версии работает передача данных между steady state thermal, transient thermal и Workbench LS-DYNA. Таким образом можно передавать объемное поле температур из теплового расчета в Workbench LS-DYNA. Теперь тепловые деформации можно учесть в расчете явной динамики в LS-DYNA

Рисунок 24. Схема проекта с передачей температур в WB LS-DYNA

Рисунок 25. Импорт температур в Workbench LS-DYNA

Кроме того, в новой версии программы перемещения из Workbench LS-DYNA можно передавать в последующие расчеты, например, в Static Structural для проведения новых вычислений над деформированной геометрией.

Рисунок 26. Схема проекта для передачи перемещений из WB LS-DYNA в Static Structural

Рисунок 27. Передача перемещений из WB LS-DYNA в Static Structural.

Mechanical AQWA

Результаты по давлениям, вычисленные в расчете Hydrodynamic Diffraction, теперь можно передавать в Static Structural с помощью расширения Hydrodynamic Pressure Mapping ACT, через связь на странице проекта Workbench. По аналогии с матером дроп тестов или WB LS-DYNA данное расширение устанавливается вместе со стандартной установкой ANSYS Workbench. Оно устраняет необходимость создавать, редактировать и запускать файлы, являющиеся для Workbench внешними. В итоге как сам процесс передачи, так и будущий расчет прочности существенно упрощаются. Несколько фазовых углов волны теперь можно проанализировать в единственном расчете Static Structural, что дает ясную картину результатов МКЭ расчета конструкции под воздействием гидродинамической нагрузки на протяжении всего волнового цикла.

Рисунок 28. Схема проекта с передачей гидродинамических нагрузок в Static Structural

Рисунок 29. Объект Hydrodynamic Pressure для применения гидродинамических нагрузок

Рисунок 30. Вычисленная гидродинамическая нагрузка в Hydrodynamic Diffraction (сверху) и в Static Structural (снизу).

Кроме того, файл данных решателя AQWA (.DAT) теперь можно гибко импортировать в расчет Hydrodynamic Diffraction. Сделано это для того, чтобы побудить пользователей со старыми проектами и моделями перейти к Workbench, а также для более удобного обмена информацией между проектами.

Рисунок 31. Модели AQWA в классической оболочке и в Workbench Mechanical

Рисунок 32. Импорт данных из файла AQWA для всей модели (слева) и для отдельных ветвей дерева Mechanical (справа)

В версии 2019R1 реализована методика расчета поведения морских конструкций с прикрепленными к ним емкостями, частично заполненными жидкостью, и добавлен соответствующий ей объект дерева в Mechanical (Internal Tank).