Новые возможности ANSYS Mechanical 2021 R2. Часть 2

Аватар пользователя Sergey Khrulev
0 419

Итак, давайте погрузимся в обзор некоторых нововведений ANSYS Mechanical 2021R2.

MAPDL Contact

Начнем с нововведений решателя имеющих некоторое отношение к созданию соединений.  И первое, что мы здесь отметим – это решение проблемы неопределенных вращательных степеней свободы в случае коллинеарного закрепления посредством MPC или Lagrange Multipliers. Дополнительное угловое закрепление помогает корректно передавать моменты. На более поверхностном уровне это означает, что теперь, например, задача, в которой вращательное удаленное граничное условие приложено к ребру оболочки будет решаться более устойчиво (быстрее сходиться).

Рисунок 1. Пример коллинеарного нагружения. В 2021R1 эта задача расходится, а в 2021R2 – нет.

Также в работу Lagrange Multiplier удаленных связей (как правило речь про Joint) на случай избыточных ограничений (они создают численную неустойчивость) добавлен новый метод релаксации. Этот метод ослабляет ограничения путем создания 2D/3D продольных и угловых пружин, изолирующих ограничения пилотного узла от опираний поверхности. Таким образом, нелинейная задача потребует меньше итераций.

Кроме того, к удаленным ГУ (а также и к жестким телам) в новой версии была добавлена возможность учета теплового расширения. Движение узлов происходит по направлению от пилотного узла.

Рисунок 2. Демонстрационная задача: все тела подвержены тепловому расширению, но внутренняя сфера закреплена удаленным граничным условием.

Рисунок 3. Результаты демонстрационной задачи: на изображении слева старая ситуация (закрепленные границы фиксированы и отсюда развитие напряжений), а на изображении справа – новая (граница расширяется вместе с телами).

В 2021R2 сразу несколько удобных возможностей было добавлено к опции задания предварительного затяга болтового соединения (Bolt Pretension). В частности:

  • Можно использовать не декартову систему координат при разрезании;
  • Можно использовать любую ось системы координат в качестве направления нормали поверхности разделения;
  • Вариант задания предзатяга через приращение перемещения (Increment) теперь поддерживает Bolt Pretension, основанный на MPC (на Joint).

Рисунок 4. Использование Increment в Bolt Pretension на основе Joint.

В уже традиционной рубрике нововведений для улучшения сходимости нелинейной задачи, новая версия программы предлагает возможность автоматического перехода между статическим и квазистатическим расчетами. Идея в том, чтобы в случае расхождения статической задачи автоматически включалось решение в режиме Transient (подход Quasi-Static Backward Euler, если точнее). Такое поведение позволит сильно улучшить сходимость в целом ряде задач (где постановкой диктуется недостаточность закреплений и/или процесс потери устойчивости) и при целом ряде проблем (движение тела как жесткого целого, потеря контакта, chattering и т.д.)

Работает новый инструмент по тому же принципу, что и внедренный некоторое время назад полунеявный подход – специальная команда (SOLO) активирует сначала сам факт желаемого перехода, а затем вторая строка ограничивает время, проведенное решением в квазистатической фазе.

 

Рисунок 5. Пример командной вставки и график сходимости тестовой задачи с выделением квазистатической фазы решения.

Рисунок 6. Пример успешно решенной задачи моделирования процесса потери устойчивости при помощи перехода Static – Transient

Рисунок 7. Пример успешно решенной контактной задачи при помощи перехода Static – Transient (чисто статический расчет расходится в момент раскрытия контакта).

Также важно отметить общее улучшение сходимости по перемещениям и в целом для задач с Lagrange Multiplier контактом (достигнуто за счет нового более «умного» алгоритма проведения бисекций).

 

Рисунок 8. Иллюстрация улучшения сходимости по перемещениям – раньше в 2021R1 (верхнее изображение) задача вообще не сходилась.

 

Рисунок 9. Иллюстрация улучшения сходимости контактных задач. В 2021R1 потребовалось 172 итерации, а в 2021R2 – 122 (30%, однако).

MAPDL Materials

В этом разделе в первую очередь отметим новую модель материала для термопластиков. Она называется Three Network Model и, что логично, состоит из 3х соединенных параллельно звеньев. На каждом параллельном участке используется модель гиперупругости на основе подхода восьми цепочек (как Arruda-Boyce). На 2х участках также определяется последовательное соединение уже упомянутой гиперупругой модели с вязкой составляющей термопластичного материала. Поддерживает новая модель и Curve Fitting (процесс поиска коэффициентов модели по данным испытаний), в том числе и по инженерной кривой, правда только в рамках классической среды MAPDL.

Рисунок 10. Схема поведения Three Network модели

Также ряд небольших нововведений коснулся алгоритма расчетов Jump Control и Cyclic-Loading (подходы к ускоренному решению задач с циклическими нагрузками при помощи пропуска – «перепрыгивания» одинаковых циклов деформирования):

  • Работа алгоритма только на выбранных материалах (через ID);
  • Критерий скачка на основе ID материала или Control Variable;
  • Регулирование скачка при помощи State Variables (используются в сочетании с usermat);
  • Альтернативная схема деления на подшаги (полезна при неравномерном по времени циклическом нагружении);
  • Вывод данных на некоторых точках во времени для экономии размера файла результатов.

MAPDL Fracture

Не обошли вниманием в новой версии и инструменты механики разрушения. В 2021R2 вновь пополнился список законов усталостного роста трещины – добавлена модель NASGRO. Она охватывает все три этапа усталостного роста трещины типичного сплава, а ее параметры могут быть заданы зависимыми от температуры. Также, согласно этой модели, трещина не растет в той части фронта, где приращение КИН оказывается меньше определенного порогового значения, а при достижении ударной вязкости разрушения решение будет остановлено.

Рисунок 11. Закон усталостного роста трещины NASGRO

Рисунок 12 (Анимация). Процесс усталостного роста трещины по модели NSGRO (часть фронта начинает развиваться не сразу, а в соответствии с возрастанием нагрузки).

Кроме того, расчет параметров механики разрушения теперь поддерживается и при наличии нагрузок любого направления на поверхностях трещины.

Рисунок 13. Результаты расчета тестовой задачи - круглый стержень с круглой трещиной подвержен растяжению поверхностей трещины в нормальном и касательном направлениях

Также, теперь трещина произвольной формы Arbitrary Crack может быть добавлена к исходной гекса сетке. Тем не менее, это не означает поддержку алгоритмом гекса элементов – просто вместо сообщения об ошибке будет активировано автоматическое перестроение сетки для получения тетра элементов. Помимо возросшей дружелюбности интерфейса это также позволит использовать произвольные трещины совместно с импортированной сеткой. Метод SMART для моделирования процесса развития трещины также поддерживает это нововведение.

Рисунок 14. Внедрение произвольной трещины в гекса сетку

MAPDL NLAD

Далее рассмотрим несколько нововведений, касающихся адаптивного перестроения сетки в нелинейной задаче. Аналогично тому, как это реализовано для трещин, инструмент нелинейной адаптивности сетки теперь поддерживает применение к Hex-Dominant сеткам в 3Д. При первом же перестроении (для гекса сетки также существует и свой отдельный mesh-based критерий), соответственно, сетка изменится на тетра вариант. Несмотря на то, что объектов Nonlinear Adaptive Region может быть несколько, только один из них можно применить к гекса сетке.

Рисунок 15. Применение нелинейной адаптивности на Hex-Dominant сетке.

 

Рисунок 16. Сеточный критерий перестроения для гекса сетки

Кроме того, инструмент нелинейной адаптивности теперь также поддерживает возможность самоконтакта, а также применение в Transient расчете. Более того, нестационарный расчет теперь поддерживает абсолютно все инструменты и возможности перестроения сетки, включая Rezoning, в том числе и в связанном Coupled Structural-Thermal Transient.

Рисунок 17. Задача с нелинейной адаптивностью сетки и самоконтактом

Рисунок 18. Многоэтапный расчет роликовой прокатки при помощи coupled structural-thermal transient подхода с NLAD

Рисунок 19. Столкновение торов в transient расчете с NLAD

MAPDL Solver

Теперь настало время обсудить нововведения в области эффективности работы решателя. Начнем с изменений в области поддержки MPI библиотек:

  • Обновлена до Intel MPI 2019 Update 9 на Windows;
  • Microsoft MPI v10.0 без изменений на Windows;
  • Intel MPI 2018 Update 3 без изменений на Linux;
  • Обновлена до Open MPI v4.0.5 на Linux.

Также значительно увеличена производительность, сокращены требования к памяти и I/O, и повышена эффективность хранения данных в файле собранной матрицы (.full) в задачах с уравнениями связи (coupling и/или constraint equations).

Кроме того, традиционно улучшено в целом масштабирование распределенных вычислений и снижено потребление памяти.

Рисунок 20. Масштабирование на большом количестве ядер (модель LEDA)

Рисунок 21. Масштабирование на большом количестве ядер (модель ECU)

Рисунок 22. Расход памяти (модель MEG)

Рисунок 23. Расход памяти (модель ECU)

Рисунок 24. Суммарный прогресс во времени решения, достигнутый за годы совершенствования и методик постановки задачи и эффективности решателя, на примере термомеханического расчета.

Также добавлена новая опция DeleOpt в команде DMPOPTION, что дает гибкую возможность удалять файлы локального решения после комбинирования в итоговый и помогает сократить требуемое пространство на жестком диске в процессе комбинирования файлов по завершению распределенного решения.

Вместе с тем, в рамках улучшения эффективности распределенных вычислений создана новая команда /FCLEAN, предоставляющая возможность для удаления всех локальных файлов на всех вычислительных узлах и помогающая сократить перенос файлов на кластерах, который возникает при завершении распределенного решения.

Кроме того, реализована поддержка для библиотеки AMD BLIS math library, которая позволяет достигать оптимальной производительности на процессорах AMD. Наиболее подходящая для процессора библиотека math library теперь автоматически загружается при запуске.

Рисунок 25. Сравнение эффективности решения при использовании разных библиотек совместно с процессорами AMD.

Отметим также расширение возможностей применения инструмента инерционного уравновешивания Inertia Relief (команда IRLF) – его теперь можно использовать вместе с большими перемещениями (NLGEOM, ON) и в расчете критической нагрузки потери устойчивости (ANTYPE, BUCKLE). Более того, в самой команде прибавилось два аргумента:

  • PrintFreq – управление выводом инерционных сил;
  • RampKey – управление плавностью приложения нагрузки.

Рисунок 26. Inertia Relief в расчетах с большими и малыми перемещениями

nCode DesignLife

Совсем недавно выпущенный интерфейс для расчетов усталости Embedded DesignLife продолжает свое развитие и в новой версии 2021R2.

Первое, что необходимо отметить – это облегчение доступа к самой программе. Больше нет необходимости вручную устанавливать двоичный файл ACT расширения из архива установки nCode – теперь Embedded DesignLife сразу установлен по умолчанию как и многие другие дополнительные инструменты.

Рисунок 27. Embedded DesignLife в списке расширений Workbench

Также программа теперь будет выдавать сообщение об ошибке, если в вышестоящих файлах результатов расчетов прочности (rst) не совпадает система единиц. Таким образом исключено получение неправильного результата по причине несогласованности единиц.

Целый пласт нововведений касается банального удобства работы в Embedded DesignLife, что все больше приближает опыт работы в нем к традиционным расчетам в Mechanical:

  • Улучшена работа сообщений об ошибках и предупреждений;
  • Улучшены надежность и производительность;
  • Контекстное меню по правой кнопке мыши теперь показывает только опции DesignLife;
  • Добавлена DesignLife documentation – Документация Ansys для DesignLife Mechanical UI;
  • Добавлены всплывающие подсказки для всех объектов вкладки nCode.

Рисунок 28. В контекстном меню теперь нет ничего лишнего.

Рисунок 29. Всплывающая подсказка в Embedde DesignLife

Кроме того, в новой версии реализован подход nCode DesignLife для расчета усталостной долговечности сварного шва на модели из Solid элементов. В настройках удалили пустой слот в выпадающем списке свойства Analysis Type, переименовали Seam Weld в Shell Seam Weld и добавили новый слот Solid Seam Weld. Все настройки данного метода по умолчанию соответствуют умолчаниям классического интерфейса DesignLife.

Рисунок 30. Выбор нового типа расчета

Рисунок 31. Постановка задачи для расчета усталостной долговечности сварного шва в solid элементах.

Рисунок 32. Результаты расчета по методу Solid Seam Weld

Ряд необходимых улучшений произведен в области обработки результатов в интерфейсе Embedded DesignLife. В процессе работы с контурными графиками Life и Damage:

  • Можно выбрать minimum life для отображения (по умолчанию 1);
  • Можно выбрать maximum damage для отображения (по умолчанию 1);
  • Min/Max значения для Life/Damage должны быть установлены как граничные значения;
  • Если напряжение любого элемента превысит UTS (предел прочности при растяжении), появится соответствующее сообщение.

Рисунок 33. Настройка предельных значений контурных графиков

Рисунок 34. Сообщение о превышении предела прочности

Вместе с тем, появилась возможность отобразить Damage или Rainflow Matrix для выбранного в графическом окне узла при помощи соответствующих кнопок на вкладке. Если удалось угадать наиболее поврежденный узел, то появится специальное предупреждение warning message.

Рисунок 35. Вывод гистограммы повреждений на выбранном узле в качестве результата

Explicit Dynamics (AUTODYN solver)

Теперь перейдем к явной динамике и рассмотрим сначала несколько улучшений системы Explicit Dynamics, основанной на решателе AUTODYN (некоторые ее могут помнить под названием Explicit STR).

При помощи именованных наборов теперь в Explicit Dynamics можно создавать контактные пары на основе узлов сетки.

Рисунок 36. Прикрепление контактной пары к узлам сетки в Explicit Dynamics.

Аналогичное нововведение представлено и для задания граничных условий – их теперь тоже можно прикреплять к объектам сетки конечных элементов. Это сделано для граничных условий pressure, displacement, remote displacement, force, remote force.

Рисунок 37. Прикрепление Remote Displacement к узлам сетки

Рисунок 38. Прикрепление давления к граням элементов

Кроме того, коэффициент трения в объекте Body Interaction (режим Frictional, разумеется) в новой версии можно сделать параметром, а также появилась формальная поддержка новых типов шарниров (Orientation, In-Line, In-Plane и Parallel joint) в рамках General Joint.

Рисунок 39. Параметризация по коэффициенту трения

Рисунок 40. Новые типы шарниров

Также поддержка OpenMPI для Linux обновлена до версии 4.0.5.

Workbench LS-DYNA

Разработчики ANSYS не скрывают, что скорейшая и удобная интеграция максимального количества возможностей и инструментов LS-DYNA является для них важнейшим трендом и одним из самых главных приоритетов. Рассмотрим достигнутые успехи на этом пути на момент новой актуальной версии продуктов ANSYS 2021R2.

Добавлен новый инструмент интерфейса для осуществления автоматического превращения разрушившихся или убранных по эрозии элементов в SPH частицы - Adaptive Solid to SPH.

Рисунок 41. Постановка задачи с опцией создания SPH частиц

Рисунок 42. Прикрепление результата реализуется через solver component / result file item

Также в новой версии создан объект интерфейса соответствующий специальному контакту между различными SPH телами – SPH to SPH contact. В основу положена карта *DEFINE_SPH_TO_SPH_COUPLING.

Рисунок 43. Контакт между SPH телами прикрепляется через именованные наборы.

 

Рисунок 44. Решенная задача с взаимодействием трех SPH тел.

В направлении реализации возможностей неявного решения LS-DYNA достигнут новый уровень – теперь данный инструмент можно свободно использовать в расчете предварительного нагружения в качестве альтернативы решателю MAPDL. Таким образом и в интерфейсе Workbench LS-DYNA теперь есть возможность для бесшовного переключения между неявным и явным решениями.

Рисунок 45. Интерфейс активации и настройки предварительного неявного решения в LS-DYNA

Рисунок 46. Типичное применение предварительного нагружения – затяжка болта

Шаблон Workbench для перезапуска LS-DYNA Restart теперь не привязан намертво к модели исходного расчета, что открывает множество возможностей программы для настройки повторного решения.

Рисунок 47. Между шаблонами требуется меньше связей

Благодаря этому, перед перезапуском модель можно поворачивать, импортировать дополнительную геометрию (только Full Restart разумеется), а также запускать полностью неявное решение.

Рисунок 48. Модель была повернута при помощи Part Transform

Рисунок 49. Импорт дополнительной геометрии к перезапуску (только Full)

Рисунок 50. Настройка неявного перезапуска (только Full)

Рисунок 51. В соответствии с терминологией LS-DYNA многие преобразования поддерживаются только в Full Restart (соответственно не поддерживаются в Small варианте)

Также, в настройках Dynamic Relaxation теперь можно вручную ограничить заданные нагрузки только фазой релаксации и/или фазой последующего решения.

Рисунок 52. Три варианта для области применения нагрузки по отношению к фазе динамической релаксации.

Традиционно, продолжается пополнение списка карт моделей материалов LS-DYNA напрямую перенесенных в Engineering Data. На сей раз стали доступны несколько уравнений состояния, характерные для ALE расчетов.

Рисунок 53. Пополнение списка доступных напрямую карт материалов LS-DYNA

Кроме того, теперь WB LS-DYNA поддерживает также угловые инерционные нагрузки, в том числе и в фазе динамической релаксации, что очень хорошо для задач турбомашин.

Рисунок 54. Граничное условие Rotational Velocity в LS-DYNA

Активно развивается также и направление по интеграции возможностей проведения ALE расчетов в Workbench LS-DYNA. В новой 2021 R2 версии поддерживается и классический ALE и более актуальный S-ALE подход. Обе опции доступны в настройке Reference Frame геометрического тела.

Рисунок 55. Задание ALE постановки для тела

Новый объект Coupling в ветке connections позволяет задавать ALE-Lagrange взаимодействия. Внутри объекта используется карта *CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID и работает она для обоих ALE формулировок.

Рисунок 56. Объект Coupling для задания ALE-Lagrange взаимодействий

Специальный объект S-ALE Mesh позволяет указывать число делений вдоль каждой из осей и визуализировать сетку на поверхности.

Рисунок 57. S-ALE Mesh в контекстном меню

Рисунок 58. Настройка и визуализация S-ALE сетки

Соответствующие формулировки ALE элементов теперь можно выбрать в настройках Section, а также в WB LS-DYNA теперь поддерживается граничное условие точки детонации Detonation Point, прежде доступное только в Explicit Dynamics на основе AUTODYN.

Рисунок 59. Выбор ALE элемента в Section

Рисунок 60. Граничное условие точки детонации

Рисунок 61. Решенная в ALE постановке задача птицестойкости

Рисунок 62. Моделирование распространения взрывной волны.

Также получение ALE результатов как переменных общей истории упрощено при помощи окна Worksheet и кроме того, добавлен специальный объект ALE Essential Boundary (основанный на карте *ALE_ESSENTIAL_BOUNDARY) для упрощения задания граничных условий на внешних границах ALE домена.

Рисунок 63. Фрагмент окна Worksheet с таблицей переменных ALE расчета

Рисунок 64. ALE Essential Boundary заменяет целый блок традиционных ограничений

Специальный объект дерева для присвоения пользовательского ID номера именованным наборам LS-DYNA Named Selections Manager был удален, а присвоение номера теперь доступно как одна из стандартных настроек самого набора.

Рисунок 65. Присвоение пользовательского ID номера теперь не требует отдельных объектов интерфейса в дереве проекта.

Обычно мы не включаем в эти регулярные обзоры новые бета функции, но для одной из них очень хочется сделать исключение – это интеграция инструмента Keyword Manager. Данное окно позволяет напрямую работать с картами LS-DYNA, подобно тому как это реализовано в одноименной системе из LS-PrepPost.

Рисунок 66. Keyword Manager среди инструментов WB LS-DYNA

Рисунок 67. Мастер содержит краткое описание настроек карты

Рисунок 68. Каждая карта становится объектом дерева, а ее настройки определяются в соответствующем окне свойств

Рисунок 69. Карты в дереве прекрасно взаимодействуют – на изображении, в настройке перемещения использована кривая из соответствующей карты DEFINE_CURVE

AQWA

В качестве последней темы этой части обзора новых возможностей продуктов ANSYS версии 2021 R2 рассмотрим решение AQWA, посвященное расчетам динамики плавающих конструкций при океанических нагрузках.  

В новой версии, AQWA в интерфейсе Mechanical теперь поддерживает решение при помощи RSM. Запуск решения доступен как для одиночного расчета, так и для параметрического исследования.

Рисунок 70. Настройка решения AQWA через RSM осуществляется в окне свойств Workbench

Также был упрощен процесс работы с массовыми характеристиками различных объектов – они теперь рассчитываются автоматически каждый раз при перестроении сетки или изменении влияющих свойств.  Program Controlled свойства объектов Point Mass/Internal Tank обновляются при построении сетки, а массовые характеристики немедленно обновляются при изменениях в свойствах объектов Point Mass/Point Buoyancy/Internal Tank/Line Body.

Рисунок 71. В окне свойств в 2021R2 (справа) приводятся вычисленные массовые характеристики

Кроме того, были расширены возможности обработки результатов программы: количество шагов вывода (output time steps) в графическом файле Aqwa (.plt) увеличено до 1 миллиона, а в файле списка Aqwa (.lis) теперь можно выводить до 200 узловых откликов (nodal responses).

Рисунок 72. Настройки количества шагов в AQWA

 

Рисунок 73. Узловой отклик (здесь АЧХ по перемещению точки скорее всего судна вдоль оси Z).

Всем спасибо за внимание и успехов в работе!

 

 

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии