Новые возможности ANSYS Mechanical 2020R1 часть 1

Уважаемые коллеги!

Вашему вниманию традиционно предлагается обзорная статья по новым возможностям свежего релиза - ANSYS Mechanical 2020R1. Статья будет в двух частях и эта часть, первая, посвящена наиболее интересным обновлениям основного функционала программы.

1. Интерфейс и работа в Mechanical

• В одной из недавних версий уже была реализована возможность включать в 3D расчет отдельные тела, смоделированные в 2D постановке. Свежая версия позволяет прикладывать к таким телам импортированные нагрузки, например давление.

Рисунок 1. Импортированное давление

• Одной из наиболее ярких возможностей интерфейса в новой версии является опция по отображению и редактированию нормалей элементов в контактной паре. Новая опция отображения называется Element Normals и находится в специально созданной для нее категории Display в окне свойств контактной пары. Кроме того, направления нормалей теперь можно редактировать при помощи новых свойств в категории Geometric Modifications: Flip Contact Normals и Flip Target Normals.

Рисунок 2. Новые настройки отображения и редактирования нормалей в контакте

• Следующее нововведение на мой взгляд ждали очень многие и его наконец сделали – теперь внутри Mechanical можно создавать и редактировать сечения для балочных элементов.

Рисунок 3. Выбор формы сечения

Рисунок 4. Редактирование сечения

• Для граничного условия конвекции Convection в режиме Fluid Flow появилась новая опция отображения – Display Connection Lines. В этом режиме визуализации в графическом окне появляются оранжевые линии, соединяющие центр грани/ребра каждого элемента поверхности/линии, подверженной конвекции, с ближайшим соответствующим узлом на балочном теле потока среды.

Рисунок 5. Режим визуализации граничного условия конвекции в режиме Fluid Flow

• В новой версии снято ограничение на 6 секущих плоскостей – теперь их может быть больше. Правда включить («поставить галочку») одновременно можно по-прежнему только шесть.

Рисунок 6. Семь секущих плоскостей

• Новая кнопка умного выбора Smart Select (автоматическое переключение между режимами выбора вершин, ребер и поверхностей в зависимости от ситуации) теперь является опцией выбора по умолчанию.
• С некоторых пор в инструменте обработки результатов Solution Combination есть возможность задавать сразу несколько разных комбинаций. В версии 2020 R1 появилось несколько дополнительных опций для контурных графиков, позволяющих между разными комбинациями переключаться:
  • Combination (по умолчанию) – Выбор определенной комбинации
  • Maximum/Minimum Over Combinations – Вывод максимальной/минимальной величины по всем узлам, элементам и сочетаниям
  • Combination of Maximum/Minimum – Вывод сочетания, на котором возникает минимальное/максимальное значение результата

 

Рисунок 7. Новые опции для результатов в Solution Combination

• В объекты результатов теперь добавлен новый метод прикрепления (Scoping method т.е.) – Result File Item. С помощью него в частности можно просматривать в Mechanical результаты на элементах армирования (REINF263, REINF264, и REINF265).

Рисунок 8. Результат в элементах армирования

• В новой версии был расширен интерфейс ACT Console, которая теперь еще и называется иначе – Mechanical Scripting. Новый инструмент позволяет редактировать и запускать скрипты, а также редактировать кнопки.

Рисунок 9. Mechanical Scripting

• В настройках расчета Analysis Settings для Transient Structural (FULL) в группе свойств Solver Controls появилось свойство App. Based Settings, которое в зависимости от выбранной опции выставляет умолчания для настроек интегрирования по времени. Каждая опция является некоторой типичной задачей, решаемой в Transient Structural: Impact (удар), High Speed Dynamics (высокоскоростной процесс), Moderate Speed Dynamics (процесс средней скорости), Low Speed Dynamics (низкоскоростной процесс), Quasi-Static (квази-статика) и User Defined (выбор пользователя). В последнем случае пользователю также потребуется задать величину коэффициента амплитуды затухания amplitude decay factor – так теперь называется коэффициент численного демпфирования numerical damping value в разделе Damping Settings.

Рисунок 10. Новая настройка выбора группы умолчаний в зависимости от характеристик задачи

• Добавлено ACT расширение External Study Importer для импорта в Mechanical баз данных из Discovery Live и Autodesk Fusion 360.

 

2. Инструмент импорта моделей External Data

• Традиционно в каждой новой версии увеличивается количество объектов моделей сторонних решений, которые автоматически распознаются в Mechanical при импорте через External Data. В 2020R1 это:
  • Нелинейные пружины SPRING2 из ABAQUS
  • Theta Field из CQUAD*/CTRA*/CTRI* в NASTRAN
  • *CONTACT INTERFERENCE и *CLEARANCE из ABAQUS
• Кроме того, благодаря новой возможности по созданию и редактированию сечений балочных элементов Mechanical теперь может импортировать балочную геометрию без предварительно заданных сечений.

Рисунок 11. Пружины, импортированные из ABAQUS

3. Контакт

• В разделе Advanced ветки настроек расчета Analysis Settings появилась новая опция Contact Split (DMP), активирующая распределение вычислений контактных взаимодействий по указанному количеству ядер. По умолчанию выключена.

Рисунок 12. Настройка распараллеливания контактных вычислений

• Изменено симметричное поведение контакта. Ничего радикального, просто теперь обе пары в симметричном контакте имеют один набор характеристик (KEYOP(8) =1), а не два разных (KEYOP(8) =0) как это было раньше.
• Добавлена опция редактирования контактной жесткости Update Stiffness – «Each Iteration, Exponential». С такой настройкой контактная жесткость обновляется таким образом, чтобы между давлением и проникновением в контакте соблюдалось экспоненциальное соотношение. Опция работает только для Frictional/Frictionless контактов с формулировкой чистого штрафа Pure Penalty. При активации добавляются еще два редактируемых свойства:
  • Pressure at Zero Penetration – давление при нулевом проникновении (PZER в APDL)
  • Initial Clearance – исходный зазор (CZER в MAPDL)

Каждое из этих свойств имеет три опции:

• • Program Controlled (по умолчанию): решатель использует величины по умолчанию
  • Value: можно указать любую положительную величину
  • Factor: можно задать коэффициент к значениям по умолчанию

Рисунок 13. Экспоненциальное соотношение между давлением и проникновением и настройки для его моделирования

• Команда PSMESH (является частью процедуры моделирования предварительного затягивания болта Bolt Pretension) теперь может создавать joint элементы MPC184, что позволяет моделировать предварительную нагрузку на болт, испытывающий большие повороты и перемещения.

Рисунок 14. Сравнение результатов подходов с MPC и PRET элементами.

• Добавлен новый метод для решения задачи посадки с натягом, основанный на постепенном наращивании нормальной и касательной контактной жесткости (FKN, FKT), а также коэффициента трения (MU) от около нулевого значения до фактического. Метод может быть активен как в ходе заданного шага так и просто в течение временного промежутка. Время активности может быть, как внутри одного шага, так и растянуто по нескольким шагам. В отличие от других методов моделирования посадки с натягом, начальное контактное взаимодействие не требуется.
• В новой версии 2D и 3D контактные и соответствующие им целевые элементы типа поверхность-поверхность теперь поддерживают касательные нагрузки давления от проникающей среды (прежде можно было учесть только нормальные).

Рисунок 15. Касательное давление проникающей среды в контакте

 

4. Нелинейное адаптивное перестроение сетки NLAD

• Инструмент нелинейного адаптивного перестроения сетки (Non-linear Adaptivity Region или NLAD) теперь работает и при малых перемещениях (Large Deflection = Off). Это полезно, т.к. ошибки, которые можно исправить адаптивным перестроением, вполне могут возникать и без больших перемещений.

Рисунок 16. График Error до перестроения при малых перемещениях и после

• Также теперь Mechanical будет перезаписывать файлы перезапуска NLAD после максимального количества в 999.
• Кроме того в рамках бета функционала добавлена возможность сохранять именованные наборы в процессе решения с NLAD – Preserve During Solve (Beta) в свойствах именованного набора. Это позволит пользоваться исходными именованными наборами для обработки результатов даже после множества перестроений. При работе в классической среде эта опция для компонентов задается в рамках команды создания CM с настройкой KEEP (CM, Cname, Entity, KEEP).

Рисунок 17. Именованные наборы после перестроений

• Расчеты с использованием NLAD теперь также поддерживают и Nonlinear Stabilization

 

5. Механика разрушения

• Традиционно в новой версии получил развитие инструмент моделирования процесса роста трещины SMART Crack Growth. В частности его теперь можно использовать в расчете с несколькими шагами нагружения.

Рисунок 18. Использование SMART трещины в двух шаговом расчете

• Кроме того, есть еще ряд различных улучшений расчетов с использованием SMART трещины:
  • Существенно сокращено количество элементов при перестроении сетки
  • Улучшен коэффициент успешности перестроений
  • Улучшен процесс перестроения для случаев роста трещины в угол, через деталь нассковозь и через ребро.
  • Улучшена производительность вычисления параметров механики разрушения
  • Улучшено прогнозирование направления и расширения трещины

Рисунок 19. Производительность расчета параметров механики разрушения

 

6. Линейная динамика

• Метод подконструкций на основе CMS теперь поддерживается в Response Spectrum расчете

Рисунок 20. CMS в Response Spectrum

Нагрузку от электродвигателя из Maxwell в Harmonic Response (Full) теперь можно передать в виде частотно зависимых нагрузок объемной плотности сил – Body Force Density

Рисунок 21. Использование электромагнитных сил из Maxwell

• Для улучшения производительности Harmonic и Transient методом MSUP, шаг вычисления результата например по напряжениям и/или деформациям Expansion Pass теперь можно пропустить при помощи новой опции Skip Expansion в Analysis Settings и выполнять только при необходимости для каждого результата в отдельности.

 

7. Связанный расчет Coupled Field Analysis

• В связанном расчете теперь есть возможность выбора прикладывать ли импортированную температуру Imported Temperature как граничное или как начальное условие (новые опции Initial Condition и Boundary Condition в свойстве Apply As). Раньше импортировать температуру можно было только как граничное условие.

Рисунок 22. Вариативность в импорте температур

• Связанный расчет теперь также поддерживает импорт CDB, Nastran и Abaqus через инструмент External Data. При распознавании степени свободы удаленной точки (Remote point) выбираются на основе выбора пользователя или типа физики участвующих узлов​, а недостающие свойства автоматически становятся недействительными, чтобы привлечь внимание пользователя (теплопроводность контакта).

Рисунок 23. Степени свободы для удаленной точки

• Кроме того, добавлено оповещение соответствующими сообщениями в ситуациях, когда импортируемые объекты не поддерживаются типом физики тела.

Рисунок 24. Сообщение о несоответствии импортируемого объекта физике тела

• Mechanical теперь поддерживает использование объектов точечной сварки (spot welds) для чисто тепловых или чисто конструкционных взаимодействий. Режим работы объекта выбирается автоматически на основе физики тел.

Рисунок 25. Точечная сварка в связанном расчете

• В связанном расчете теперь можно использовать пользовательские уравнения связи Constraint equations.
• В связанном Transient расчете теперь автоматически создаются новые трекеры результатов Global Minimum Temperature и Global Maximum Temperature. Благодаря этому теперь в нестационарном связанном расчете отслеживать поведение тепловой составляющей ничуть не менее удобно, чем в чисто тепловом расчете Transient Thermal.

Рисунок 26. Температурные трекеры для связанного расчета

• Кроме того, на уровне бета функционала добавлена возможность построения контурного графика невязок как для силовой, так и для тепловой сходимостей.

Рисунок 27. Графики невязок в связанном расчете

• Второй новой возможностью бета функционала является поддержка объектов механики разрушения в связанном расчете, правда пока только для трещин на телах только с физикой structural.

Рисунок 28. Механика разрушения в связанном расчете

8. ANSYS Motion

• Продолжается интеграция Motion в основной функционал ANSYS. ACT расширение совместимо с версией 2019R3 и, конечно, 2020R1.

Рисунок 29. Motion ACT в appstore.

Рисунок 30. Работа в ANSYS Motion ACT

• В ANSYS Motion добавлен новый элемент подшипника скольжения ElastoHydro Dynamic (EHD) Bearing, позволяющий работать с давлением смазочной пленки в зависимости от эксцентриситета и скорости вращения. Инструмент работает с лицензией Drivetrain toolkit.

Рисунок 31. Задание и обработка результатов EHD подшипника

• Добавлена возможность экспорта данных модального анализа Modal Data Export для более эффективного вычисления положения, скорости или ускорения поверхности, в частности для расчета давления звука.
• Новый инструмент взаимодействия грунта Soil Interaction в рамках инструментария Links Toolkit дает решение для задачи взаимодействия гусеничного или колесного транспорта с мягким грунтом. Используется формулировка Bekker’s formulation.

Рисунок 32. Инструмент Soil Interaction

• Добавлена возможность импорта в Motion электромагнитных сил, посчитанных в Maxwell, через UNV файл.

Рисунок 33. Импорт электромагнитных сил в Motion

9. Элементы MAPDL

• Добавлен новый элемент для моделирования кабелей и тросов CABLE280. Это квадратичный элемент с тремя узлами и тремя поступательными степенями свободы в каждом, основанный на смешанной формулировке по осевой силе и перемещениям mixed U-F (квадратичное описание для перемещений, но линейное для осевой силы).

Рисунок 34. Новый элемент CABLE280

• Обратное решение теперь поддерживает Solid185 с формулировкой B-bar, а также наличие mixed U/P опции у элементов Solid186, Solid187 и Solid185(B-bar) и наличие несжимаемости материала при больших перемещениях. Эти нововведения позволяют получать более точные решения в биомедицинской сфере.

Рисунок 35. Решение обратной задачи для модели аорты

• Для линейного тетра элемента SOLID285 теперь доступна формулировка Pure Displacement.
• Новая команда SFCONTROL позволяет задавать нормальное, касательное или произвольное пользовательское направление для распределенных нагрузок, задаваемых командами SF и SFE. Поддерживаются все актуальные 2D/3D Solid и Shell элементы, а также мнимая распределенная нагрузка в гармоническом расчете.

Рисунок 36. Распределённая нагрузка

• Добавлены новые элементы для решения плоских тепловых задач – PLANE292/293.
• Элементы, используемые в связанном расчете, теперь поддерживают задание пользовательских модели материалов при помощи UPF подпрограмм UserMat и UserMatTh.

 

 

10. Производительность MAPDL

• В новой версии существенно снижены требования к расходуемой памяти при большом количестве ядер.

Рисунок 37. Сокращение требуемой памяти при большом количестве ядер на примере BGA модели

• Улучшена производительность масштабирования решателя модального анализа Block Lanczos на большом количестве ядер

Рисунок 38. Улучшение масштабирования Block Lanczos на примере ECU модели

• Улучшена производительность решателя Sparse при запуске в режиме out-of-core memory на системах с операционной системой Microsoft Windows

Рисунок 39. Улучшение производительности решателя Sparse при помощи I/O функций Windows

 

 

11. LS-DYNA

• В WB LS-DYNA добавилось несколько новых результатов:
  • Остаточное напряжение в рамках модели билинейного изотропного упрочнения
  • Толщина оболочечного элемента
  • Объекты вычисления сил реакций Joint Probe, Spring Probe и Beam Probe

Рисунок 40. Spring Probe в LS-DYNA

Рисунок 41. Beam Probe в LS-DYNA

Рисунок 42. Joint Probe в LS-DYNA

• Для решения ряда задач (например расчет обратного хода пружинения) теперь можно использовать неявный решатель LS-DYNA. Он является альтернативой решателю MAPDL и позволяет добиться лучшей совместимости моделей для явной и неявной частей решения в плане моделей материалов и формулировок. Соответствующий раздел настроек Implicit Controls Menu появляется, когда выключена опция Explicit Solution Only.

Рисунок 43. Настройки неявного решателя LS-DYNA

 

12. Explicit Dynamics

• Заделка Fixed Support теперь поддерживает прикрепление к выборкам из узлов и граней элементов.

Рисунок 44. Использование узлов и граней элементов для задания граничного условия Fixed Support

• Инструмент поворота геометрии Rotate Geometry, разработанный в рамках мастера по дроп-тестам Drop Test Wizard, заменен на встроенный более общий объект Part Transform. В старых проектах замена проходит также бесшовно и автоматически.

Рисунок 45. Part Transform из под Drop Test Wizard

• Также в новой версии теперь поддерживается получение сил реакций Force Reaction и Moment Reaction для граничных условий Fixed Support, Displacement и Remote Displacement.

Рисунок 46. Силы реакции Force Reaction и Moment Reaction в Explicit Dynamics.

13. AQWA

• AqwaLoadMapping ACT расширение для удобной передачи нагрузок давления из AQWA в Mechanical теперь поддерживает в том числе и передачу давлений на внутренние цистерны при помощи объекта Internal Tank Pressure. Кроме того эти давление теперь можно и предварительно отображать и просматривать в самом расчете Hydrodynamic Diffraction.

Рисунок 47. Передача давлений во внутренней цистерне в Mechanical

• В расчетах во временной области Time Response Analysis с регулярными или нерегулярнуми волнами (Analysis Type = Irregular Wave Response или Regular Wave Response) теперь есть возможность получать распределение давлений и на внешних поверхностях судна и на поверхностях внутренних цистерн в указанные моменты времени. Вычисление этих величин поддерживает распараллеливание.

Рисунок 48. Давления в AQWA

• AQWA теперь доступна на операционных системах Linux.