Технология «рождения и смерти» элементов

Определенные моделируемые процессы включают этапы удаления или добавления материала в систему, т.е. определенные элементы вашей модели могут появляться или исчезать. В таких случаях вы можете использовать технологию «рождения и смерти» («Birth and Death») для активации или деактивации выбранных элементов, соответственно.

Функция «рождения и смерти» элементов может быть полезна для анализа земляных работ (как при добыче полезных ископаемых или прокладывании туннелей), поэтапного строительства (как при возведении моста), последовательной сборки (как при изготовлении многослойных микросхем), моделировании сварки и 3D печати (решение Ansys Additive Workbench также использует эту технологию), и многих других применений, в которых вы можете легко идентифицировать активированные или деактивированные элементы по их известным местоположениям.

Технология «рождения и смерти» элемента позволяет активировать и деактивировать состояние элемента на определённом шаге решения. Когда элемент деактивируется, решатель не удаляет его из модели, а умножает его жёсткость (или теплопроводность, или другую аналогичную величину) на коэффициент понижения (команда «ESTIF»), достаточно значительный для исключения их влияния на результаты расчета. Этот коэффициент по умолчанию равен 1.0E-6, но ему может быть присвоено любое другое значение. Элементы деактивируются (или активируются) на первом подшаге решения и поддерживают это состояние до конца шага.  Начиная с версии Ansys 19.0, данная технология интегрирована в интерфейс Mechanical, но в достаточно ограниченном виде, поэтому, для ряда задач, потребуется использование командных вставок.

В результате деактивации элемента происходит следующее:

• Обнуляются вектора нагрузок, включая массу, демпфирование, удельную теплоемкость и другие подобные атрибуты.
• Масса и энергия деактивированных элементов не учитываются в характеристиках модели.

Деактивация также приводит к сбросу деформации элемента.

Аналогично, при активации элементов, не происходит добавления их в модель, они просто реактивируются. Все элементы должны быть созданы до запуска решения, и соответственно, необходимо предварительно деактивировать элемент, чтобы в дальнейшем активировать его в определённом шаге. При активации элементов, жесткость, масса, нагрузки и т. д., возвращаются к их исходным значениям. Активация происходит без записи истории деформации (аккумулирования теплоты и т. д.). Тем не менее, тепловые деформации рассчитываются для вновь активированных элементов на основе текущей температуры шага и начальной температуры, следовательно, новорожденные элементы с тепловыми нагрузками могут иметь начальное преднапряжённое состояние.

В некоторых обстоятельствах статус «рождения и смерти» элемента может зависеть от определённого расчетного параметра, такого как температура, напряжения или деформация. Вы можете использовать такие команды, как «ETABLE» и «ESEL», чтобы определить значение интересующих величин в выбранных элементах и ​​соответственно изменить их статус (к примеру, для расплавленных, отвердевших, разрушенных элементов и т. д.). Эта возможность полезна для моделирования эффектов, связанных с фазовыми изменениями (как в сварочных процессах, когда неактивный расплавленный материал затвердевает и становится активным), распространением поверхности разрушения и других зависимых от решения изменений элемента.

Альтернативным вариантом активации и деактивации элемента, является команда изменения свойств материала «MPCHG», но ее следует использовать с осторожностью. Защитные меры и ограничения, применяемые к «убитым» элементам, не применяются к элементам, свойства материалов которых были изменены на этапе решения (не будут автоматически обнуляться силы элементов, деформации, масса, удельная теплоемкость и т. д.) В результате неосторожного использования команды «MPCHG» могут возникнуть некоторые сложности. Например, если вы уменьшаете жесткость элемента почти до нуля, но сохраняете его массу, это может привести к сингулярности при действии инерции или ускорения.

Одно из применений команды «MPCHG» состоит в моделировании последовательных строительных работ, в которых учитывается история деформации «рожденного» элемента. Использование «MPCHG» в таких случаях позволит вам захватить начальное напряженное состояние, испытываемое элементами, когда они вписываются в смещенную узловую конфигурацию.

Множество типов элементов поддерживают технологию «рождения и смерти», соответствующая информация указана в разделе «Special Features» документации для каждого элемента.

Пример использования «рождения и смерти» элементов

В качестве демонстрации технологии «рождения и смерти» элементов, ниже приведен пример моделирования процесса сварки двух стальных листов. Пример выполнен в Ansys 2019R3, одним из нововведений которого стало добавление модулей для междисциплинарных термо-прочностных задач. Новые модули существенно упрощают моделирование сварки и многих других процессов, и не требует использования командных вставок для задания типа элемента и граничных условий.

Подход в этом примере состоит в том, чтобы деактивировать элементы сварного шва на первом этапе, и затем последовательно добавлять их в модель с одновременным приложением температуры.

Для моделирования процесса сварки не требуются результаты расчета, что упрощает решение такой задачи, но в некоторых других случаях может потребоваться использование результатов для оценки модели. В таком случае желательно оставаться в решателе ANSYS («/SOLU»), в котором, к примеру, доступны узловые результаты с использованием команды «*GET». Если проверка результатов выполняется в постпроцессоре «/POST1», тогда необходимо выполнить перезапуск, чтобы продолжить решение, что вносит дополнительные сложности, требует записи файлов на жесткий диск и увеличивает время расчета.

Первое что нужно сделать для использования опции «рождения и смерти» элементов - идентифицировать соответствующие тела, с помощью создания именованных наборов, в данном случае это тело сварного шва «weld».

На рисунке ниже приведен пример командной вставки, в котором элементы сварного шва «weld» используются с командами «EKILL» и «EALIVE» для деактивации и активации соответственно. Обратите внимание на опцию «Step Selection Mode» в настройках командной вставки APDL, которая позволяет выполнять команды на каждом шаге, без необходимости прописывать цикл и настройки шагов, которые удобнее задавать через интерфейс Mechanical.

Далее приведен набор команд, используемых в данном примере:

*get,nstep,active,,solu,ncmls              !текущий номер шага
*if,nstep,eq,0,then                  !условие для 1 шага
    ekill,weld                      !"смерть" элементов сварки на 1 шаге 
*else    
    ddele,all,temp                  !удаление температурных нагрузок от предыдущих шагов
    cmsel,s,weld,elem                  !выбор всех элементов сварочного шва
    esel,r,cent,z,nstep*4-2,nstep*4-2            !выбор элементов для нагрева
    ealive,all                      !"оживление" элементов
    nsle                       !выбор узлов, принадлежавших выбранным элементам
    d,all,temp,100                   !задание температуры на узлах
    alls                       !выбор всех объектов
*endif

Также, при использовании «рождения и смерти» элементов, в настройках анализа необходимо указать использование полной процедуры Ньютона-Рафсона (Analysis Settings>Nonlinear Controls>Newton-Raphson Option>Full) и рекомендуется включить эффекты больших перемещений (Analysis Settings>Solver Controls> Large Deflection>On).

В результате этих несложных действий можно смоделировать процесс сварки, определить поле температур и НДС конструкции. На анимации снизу показаны результаты моделирования – показано распределение температур в процессе сварки.

Заключение

Технология «рождения и смерти» элементов позволяет моделировать различного рода процессы, включающие этапы удаления или добавления материала. При этом инструменты данной технологии, реализованные в интерфейсе Mechanical, достаточно ограничены, и позволяют только указать шаги для удаления/активации элементов. Поэтому, для расширения функционала технологии, зачастую применяются командные вставки, один из вариантов использования которых приведен в данной статье.

В статье использованы материалы из документации Ansys.