Новые возможности ANSYS Mechanical 2022 R1. Часть 2

Добрый день, уважаемые коллеги!

Не успел закончиться 2021 год, как начался 2022, и вместе с новым годом, нас традиционно встречает новая версия ANSYS. Нововведений в ANSYS Mechanical и прочих продуктах, связанных с динамикой и прочностью, как водится, крайне немало, так что рассматривать мы их будем на протяжении нескольких статей. В этом блоке вас ждет увлекательный рассказ о новых возможностях в области линейной динамики, механики разрушения, AQWA и nCode DesignLife.

Линейная динамика.

Начнем с того, что в связанный статический расчет Coupled Field Static добавили акустическую физику и возможность решения пьезоэлектрических задач.

Рисунок 1. Соответствующие опции в настройках расчета

В рамках этого нововведения добавлено много сопутствующих нюансов. В настройки физики геометрии Physics region добавлено задание PML.

Рисунок 2. Настройки PML для акустического домена

Также поддерживается оценка сходимости по заряду и электрическому напряжению.

Рисунок 3. Настройки сходимости по заряду и электрическому напряжению

Добавлены соответствующие акустические и электрические граничные условия.

Рисунок 4. Электрические и акустические граничные условия

Также теперь присутствуют и электрические результаты – и поля и probe результаты.

Рисунок 5. Электрические результаты

Рисунок 6. Электрические Probe результаты

Кроме того, в новой версии поддерживаются связанные модальный и гармонический расчеты с предварительным напряжением в Coupled Field Static.

Рисунок 7. Предварительное напряжение в связанных расчетах

Предварительное напряжение поддерживается для связок:

• Structural – Acoustics
• Structural – Electric with Piezoelectric coupling 
• Acoustics with Piezoelectric coupling

В случае активной тепловой физики Thermal предварительное напряжение не поддерживается.

В проекте с предварительным напряжением, объект Physics region, определенный в статическом расчете будет использоваться автоматически в последующем динамическом анализе.

При этом Pre-Stress Modal поддерживает только акустические граничные условия, а Pre-Stress Harmonic еще поддерживает инерционные и КЭ (Direct FE) нагрузки, а также Voltage и Voltage Coupling.

Рисунок 8. Граничные условия в Pre-Stress Coupled Field Harmonic

Для связанных расчетов еще добавлена возможность импорта диссипативных потерь из Coupled Field Harmonic в Transient Thermal в качестве нагрузки объемного нагрева Heat Generation при помощи обычного соединения веток Solution и Setup.

Рисунок 9. Передача диссипативных потерь в тепловой расчет

Важно отметить, что это поддерживается только для structural-electric тел с пьезоэлектрическим связыванием и может быть реализовано при неодинаковых сетках.

Некоторое время назад в программе уже была наконец реализована Bottom–up версия CMS подхода – по сути возможность сохранить супер элемент в отдельный особый файл, а потом загрузить в какой-либо новой сессии. Этот функционал в свежем релизе получил яркую оболочку в виде нового шаблона (системы) Workbench с названием Substructure Generation.

Рисунок 10. Новый инструмент Workbench для создания супер элементов

Внутри данного модуля собран уже традиционный функционал для CMS (Condensed Part) с возможностью задавать вручную мастер узлы (Remote Point) и интерфейсы (Named Selections), а также применять постоянные нагрузки и закрепления. В ходе создания супер элемента для каждой нагрузки будет сгенерирован вектор нагружения для последующего возможного применения в MSUP (методом суперпозиции мод) гармоническом расчете.

Рисунок 11. Дерево расчета Substructure Generation и возможные граничные условия.

Рисунок 12. Экспорт супер элемента в файл.

Импорт супер элемента затем можно использовать в расчетах Modal, MSUP harmonic, Response Spectrum и Random Vibration. Векторы нагрузок (load vectors) – только в MSUP harmonic.

Предварительное напряжение можно учесть при помощи предварительного же статического расчета.

Рисунок 13. Схема проекта для создания супер элемента с учетом предварительного напряжения

Для ставшей же уже относительно традиционной Top-down версии метода подконструкций в модальный анализ добавлена настройка On Demand Expansion, позволяющая активировать фоновое выполнение «на лету» поиска результатов для супер элемента (expansion pass).

Рисунок 14. Настройка в модальном анализе для автоматического фонового решения expansion pass.

Не отходя далеко от метода подконструкций, рассмотрим теперь в целом нововведения, постигшие метод суперпозиции мод (MSUP).

Уже упомянутая строчка On Demand Expansion теперь может работать совместно с жестким нагружением Base Excitation (и с относительным и с абсолютным).

Сам факт использования On Demand Expansion теперь означает сохранение меньшего количества файлов в проекте (остаются только необходимые в обработке результатов), что позволяет снизить размер папки с решением.

Рисунок 15. Наполнение папки с решением модального анализа актуальной и прошлой версиях

Кроме того, добавлена еще одна настройка, позволяющая при помощи On Demand Expansion не сохранять перемещения в rst файле, что делает его существенно легче.

Рисунок 16. Дополнительная настройка и сокращение размеров файла результатов

В MSUP расчетах давление и сила теперь прикладываются по умолчанию в режиме Direct без создания surface effect элементов, а также удаленные точки внутри созданных удаленной силы и момента (при условии, что решения еще не было, а расположение было выбрано перед созданием граничного условия) автоматически получают соответствующие отдельно стоящие объекты в дереве.

Среди прочих нововведений отметим также изменения функции Surface Coating:

• Данную опцию теперь можно добавить на уровне дерева Mesh Edit
• Название данного режима (в разделе Pull) изменится на Line Coating, если выбрано ребро
• Прикрепление нескольких таких объектов к одной линии поддерживается

Рисунок 17. Surface Coating среди вариантов Pull

 

Рисунок 18. Line Coating

General Axisymmetric сетка теперь может быть создана на основе исходной плоской сетки.

Рисунок 19. General Axisymmetric сетка.

Среди прочего, также была увеличена гибкость MSUP решения в удаленном режиме через DCS – теперь не обязательно, чтобы и Modal и Harmonic были решены в одном месте.

Касательно связки с Maxwell, теперь достаточно одних экспортируемых файлов, чтобы Mechanical мог создать соответствующие силовые факторы. Больше не требуется, чтобы модели Maxwell и Mechanical были внутри одного проекта Workbench.

Рисунок 20. Импорт электромагнитных сил из файла

Кроме того, армирование (Reinforcements) теперь поддерживается в расчете Response Spectrum, а также теперь есть возможность (Execute Post Commands) выполнить команды обработки результатов и извлечь информацию из частично решенной модели (и/или в состоянии перезапуска).

Рисунок 21. Запуск выполнения команд обработки результатов

Одним из достаточно ярких нововведений версии 2022R1 является инструментарий, нацеленный на NVH расчеты – NVH Toolkit. В его рамках добавлен результат с названием MAC Calculator, который вычисляет критерий достоверности Modal Assurance Criterion (MAC) между результатами модального анализа (файл rst) и физических испытаний (файл unv).

Рисунок 22. Интерфейс результата MAC Calculator

При помощи автоматического объединения парных мод можно определить rst-unv совпадения на основе частот и MAC значений.

Рисунок 23. MAC результаты до объединения пар (слева) и после (справа)

Координаты UNV узлов в соответствующей таблице интерфейса вполне можно редактировать.

Рисунок 24. Координаты UNV узлов

Ориентировать UNV модель можно при помощи локальной системы координат, задаваемых перемещений/поворотов в 6 степенях свободы режима Rigid Transformation либо при помощи совпадения трех узлов в RST и UNV моделях.

Рисунок 25. Опция ориентирования UNV модели.

Нажатием на один из квадратов в таблице 2D MAC Table можно активировать режим анимации обоих мод сразу в соседних окнах. Эти окна интерактивные и в них можно работать с видом (двигать, панорамировать), а также останавливать/ставить анимацию на паузу.

Рисунок 26. Окно анимации мод.

Здесь же стоит упомянуть результаты Stress/Strain recovery, вычисляющие упругие напряжения/деформации из суперпозиции мод решенного модального анализа и в соответствии с модальными координатами из файла Modal Coordinates File (MCF). При загрузке данного файла необходимо выбрать систему единиц и способ нормирования (массы или единица), использовавшиеся при получении этих координат. В MCF файле индексы могут соответствовать частотам или времени.

Рисунок 27. Свойства результата Stress/Strain recovery

Также в рамках линейной динамики стоит упомянуть продолжающееся улучшение опции циклической симметрии с несколькими ступенями. Речь, напомним, о возможности сокращать размерность циклически симметричной модели с несколькими неодинаковыми наборами лопаток или других одинаковых особенностей. В этом подходе геометрия определяется сразу несколькими секторами (stages) с различными углами.

Рисунок 28. Модель из двух секторов

В новой версии в рамках классической среды MAPDL появилась возможность раздельного выбора гармоник для составляющих модель секторов. Таким образом можно получать более точное решение и более глубокое понимание влияния различных гармоник на поведение конструкции.

Рисунок 29. Статический расчет конструкции под воздействием центробежных сил. Слева опорный расчет всего колеса, по центру результат согласно нулевому гармоническому индексу (снижена точность), справа суммарный результат нулевого и пятого индексов (высокая точность).

 

Также, в рамках все той же классической среды MAPDL появилась возможность оценивать корреляцию между рассчитанной частотной передаточной функцией и полученной экспериментально (файл .unv). Доступно два критерия:

• • Cross-signature assurance criterion (CSAC) – мера корреляции по форме (адаптация MAC для частотной области),
  • Cross-signature scale factor (CSF) – мера различия в амплитуде.

Данная процедура применяется через опцию FRF в команде MACOPT – MACOPT,FRF.

Рисунок 30. Сравнение расчетной и экспериментальной АЧХ для лопатки.

 

Механика разрушения.

Для задач механики разрушения также есть несколько интересных нововведений, касающихся, правда, в основном классической среды MAPDL.

Начнем с того, что в подходе к моделированию роста усталостной трещины по методу SMART теперь можно дополнительно учитывать модель закрытия трещины. Несколько таких моделей позволяют корректировать коэффициенты интенсивности напряжений исходя из коэффициента асимметрии цикла и таким образом получать более достоверные результаты поведения трещины при цикле, отличном от пульсационного.

Рисунок 31. Зависимость КИН от времени при не пульсационном цикле.

Рисунок 32. Корректировать КИН предлагается при помощи специальной меры закрытия трещины

Рисунок 33. Четыре разных способа соотнести меру закрытия с коэффициентом асимметрии в цикле по сути и являются моделями закрытия трещины

Рисунок 34. Геометрия и нагрузки в иллюстрационной задаче (усилие в 5 кН и коэффициент асимметрии 0,2)

Рисунок 35. Использованные в иллюстрационной задаче зависимости (закон Пэриса и полиномиальная модель закрытия)

Рисунок 36. Контурный график перемещений в один из финальных моментов времени моделируемого процесса в иллюстрационной задаче.

Рисунок 37. График зависимости роста трещины от количества циклов (модель с закрытием хорошо согласуется опорной кривой)

Далее отметим, что для закона Пэриса (PARIS) и табличного закона усталости (TFDK) была добавлена новая переменная поля с интригующим названием – SRAT. Имеется в виду, конечно, коэффициент асимметрии в цикле, т.е. stress ratio.

Рисунок 38. Примеры использования новой переменной поля

Рисунок 39. Различные законы роста трещины при разных коэффициентах асимметрии в цикле

Рисунок 40. Все та же иллюстрационная задача, но на этот раз с 3мя законами роста трещины (при коэффициентах асимметрии 0, 0.5 и 0.7) и 3мя этапами нагружения (при несколько иных коэффициентах 0, 0.2 и 0.6)

Рисунок 41. График зависимости скорости роста трещины от КИН показывает, что этому нововведению не чужда интерполяция для промежуточных значений.

К слову, более привычные переменные поля температуры и времени теперь также можно использовать при задании критерия роста трещины. Иными словами вязкость разрушения (KIC) или эквивалентное значение J-интеграла (JIC) теперь могут быть функциями от температуры и/или времени. Это позволит моделировать процессы роста трещины при:

• Неоднородном поле температур
• Зависящей от времени вязкости разрушения (например из-за коррозии)
• Зависящей от времени температуры

Рисунок 42. Задание зависящей от температуры вязкости разрушения

Рисунок 43. Иллюстрационная задача. Неоднородное поле температур

Рисунок 44. Иллюстрационная задача. Трещиностойкость зависит от температуры

Рисунок 45. Иллюстрационная задача. Рост трещины прекращается, когда К1 меньше K1C

Кроме того, в новой версии, впервые вижу заявление модели именно возникновения трещины. Идея довольно логичная – согласно определенным критериям в опасной зоне в какой-то момент расчета на уровне сетки возникает полуэллиптическая трещина и дальше ведет себя согласно методологии SMART.

Рисунок 46. Автоматическое возникновение полуэллиптической трещины.

Также важно отметить добавление возможности применять команду ESYS (для изменения системы координат элемента) к INTER204 и INTER205 элементам интерфейса в задаче расслоения.

Рисунок 47. Иллюстрационная задача. Две половинки цилиндра склеены элементом интерфейса.

Рисунок 48. Иллюстрационная задача. Распределение усилий на сдвиг в сечении.

Ну и что значительно эффектнее – теперь в программу добавлено динамическое регулирование размера элемента на фронте трещины в процессе ее роста по методу SMART. Таким образом, по мере увеличения геометрических размеров трещины сетка ее фронта будет становиться все более крупной.

 

Рисунок 49. Изменение сетки в процессе роста трещины (масштаб одинаковый)

Это позволит:

• Очень здорово экономить время и вычислительные ресурсы на размере модели при решении задач моделирования роста трещины (в совокупности с уже имеющейся настройкой обратного перестроения сетки на более грубый вариант экономия может получиться очень и очень существенной)
• Увеличить приращение трещины в задаче усталостного роста (т.к. оно связано с размером элемента) и таким образом решать эти задачи быстрее/эффективнее.

 

Рисунок 50. Иллюстрационная задача. Решение с динамическим размером элемента слева (40 подшагов, приращение трещины 12,87мм, время решения 1922с), а без него – справа (40 подшагов, приращение трещины 1,52мм, время решения 4150с).

 

 

ANSYS AQWA.

Нельзя не отметить, что в ANSYS AQWA тоже периодически вносятся некоторые изменения. Так, для расчетов дифракции Hydrodynamic Diffraction теперь доступен новый итерационный решатель Block Low-Rank Generalized Minimal Residual solver библиотеки SPOOLES, предназначенный решать большие комплексные полные матричные уравнения.

Новый решатель:

• Заменяет прежний Intel MKL solver
• Поддерживает OpenMP параллельные вычисления, включая multithreading
• Работает быстрее и требует меньше памяти при такой же точности результатов (6 знаков)
• Работает с AQWA как под Windows, так и под Linux

Для решения модели одного судна с 22000 элементами дифракции и 41 направления волн удалось потратить в 10 раз меньше времени и в 5,5 раз меньше памяти.

Рисунок 51. Сравнение эффективности «старого» и «нового» решателей

Кроме того, инструментарий для связи AQWA и Mechanical пополнился возможностью передачи силовых факторов от тросов, шарниров и привязей во временной области. В прошлых релизах возможность передачи гидродинамического давления была ограничена только свободно плавающими конструкциями. В новой 2022R1 версии, теперь можно прикладывать мгновенные силы на места крепления тросов, силы/моменты на места крепления шарниров и привязей и, конечно, все также давления на поверхности.

Рисунок 52. Передача силовых факторов из AQWA в Mechanical

ANSYS nCode DesignLife.

В финальной части этой статьи рассмотрим нововведения в области расчетов усталостной долговечности при помощи nCode Designlife.

В новой версии продолжается яростная интеграция возможностей DesignLife в Embedded версию на интерфейсе Mechanical – не иначе разработчики стремятся реализовать там все, что доступно на 7 традиционных шаблонах. На сей раз речь идет расчетах усталостной долговечности в частотной области - от PSD нагрузок. Решение и в новом интерфейсе сохраняет все свои особенности:

• Поддержка 4х типов расчета: Stress, Strain, Solid и Shell Seam Weld
• Возможность задать одно или несколько событий
• Выбор среды Harmonic Response в качестве основы
• Все основные методы частотной усталости DesignLife: Lalanne, Dirlik, Narrow Band или Strainberg
• Задание нагрузки в формате табличной зависимости от частоты.

Рисунок 53. Выбор расчета в частотной области в интерфейсе Embedded DesignLife

Рисунок 54. Сравнение результатов расчета в частотной области в Embedded и Standalone интерфейсах при подходе Stress Life.

Рисунок 55. Сравнение результатов расчета в частотной области в Embedded и Standalone интерфейсах при подходе Strain Life.

Рисунок 56. Сравнение результатов расчета в частотной области в Embedded и Standalone интерфейсах при подходе Shell Seam Weld.

Рисунок 57. Сравнение результатов расчета в частотной области в Embedded и Standalone интерфейсах при подходе Solid Seam Weld.

Также, в Embedded интерфейс была добавлена опция Elastic - Plastic Correction. Таким образом, в случае Strain Life расчета теперь есть возможность выбора между использованием пластических деформаций Mechanical напрямую (None) и использованием коррекции квазиупругих напряжений (Neuber или Hoffmann-Seeger), как и в standalone версии DesignLife. Вариант None доступен только с лицензией Mechanical уровня Premium или Enterprise.

Важно отметить, что программа также умеет генерировать соответствующие предупреждения о нюансах наличия пластической деформации а RST файле. В частности, в случае Stress Life решения наличие пластических деформаций и соответствующих им напряжений считается неуместным (кривая Веллера на упругих напряжениях строится) и интерфейс даст вам такое предупреждение:

“FE contain plastic stress/strain results, which are invalid for SN fatigue.  Please check results carefully.”

Если же все корректно и с набором пластических деформаций используется Strain Life, то программа лишний раз напомнит, что правильным выбором в новой настройке при таком раскладе является None, а также, что весь этот праздник не поддерживается лицензией Mechanical Pro:

“FE contain plastic stress/strain results. Set the Elastic-Plastic correction to None for accurate results. This option is not available with PRO license.  Please check results carefully.”

Рисунок 58. Опция учета пластических деформаций в расчете усталости

В новой 2022R1 версии, в Embedded DesignLife расширена гибкость создания историй нагружения по шагам расчета в Mechanical (оператор Time Step). Теперь при постановке задачи можно создавать события как в отдельные моменты времени (при режиме Time), так и в отдельные шаги или даже подшаги вышестоящего расчета (режим Step). Во втором случае в настройках события указывается номер шага и номер подшага, а также существует возможность автоматического создания отдельного события на каждый подшаг расчета в Mechanical. Общее множество объектов интерфейса, получающееся при автоматической генерации затем можно редактировать, удаляя/подавляя лишнее.

Рисунок 59. Настройки гибкого формирования истории нагружения оператором Time Step.

Кроме того, интерфейс Embedded DesignLife теперь поддерживает схемы проектов с несовместимыми шаблонами – главное не выбирать их в качестве нагрузки в событии (все-таки они по-прежнему несовместимые).

Рисунок 60. Возможная схема проекта c участием Embedded DesignLife.

На этом мой обзор закончен. Где-то рядышком в блоге вы можете найти обзоры от моих коллег, посвященные обновлениям остальных направлений расчетов и ANSYS Mechanical в частности.

Удачи и успехов в работе!