Lecture-1 | ANSYS base / Workbench / Materials / Geometry

LECTURE-1 | Базові поняття та приклади| 1 – Знайомство з ПЗ ANSYS 2 – Основні поняття МКЕ 3 – Основи роботи в ANSYS Workbench 4 – Управління матеріалами та їх властивостями 5 – Геометричне моделювання |Design Modeler | SolidWorks

Denis Ruban

1 – Знайомство з ПЗ ANSYS| Історичні відомості

2/31

Те, що колись було створено руками однієї людини, перетворилось в компанію, яка являється лідером в області числового моделювання широкого спектру задач інженерного аналізу. Джон Свенсон, який заснував компанію ANSYS Inc. в 1970 р. із ціллю комерціалізації методів комп'ютерного моделювання, став одним із піонерів впровадження кінцево-елементного аналізу (FEA). Його діяльність сприяла становленню як такої індустрії комп'ютерного проектування (CAE). *FEA - finite element analysis | Числовий метод для аналітичного вирішення крайових задач у формі диференціальних рівнянь в часткових похідних, який завдяки варіаційним методам для кінцевої системи алгебраїчних рівнянь дає приблизні значення невідомих у дискретному числі вузлах елементів чисельного домену. *CAE - computer-aided engineering | Загальна назва програмних пакетів, призначених для аналізу та симуляції фізичних процесів, тобто оцінки того, як поводить себе математична модель об'єкту в реальних умовах експлуатації.

В кінці 70-х в ПЗ ANSYS з'явився інтерактивний режим роботи, що значно спростило побудову розрахункової сітки та процедуру постпроцесорної обробки даних (використання batch-режиму, ти не менше, можливе і до сьогодні). Проблема ефективної інтеграції окремих програмних кодів того чи іншого інженерного аналізу в єдине розрахункове середовище для розкриття всіх можливостей мульти-дисциплінарного зв'язаного аналізу являється ключовою для всіх CAE-пакетів. Враховуючи такі тенденції, компанія ANSYS Inc., починаючи з 10-ї версії продукту (2007 р.), представляє нову платформу «Workbench», яка реалізує сучасний графічний інтерфейс і дозволяє ефективно управляти окремими модулями та продуктами ANSYS. На сьогодні (18-та версія ANSYS) із платформи Workbench не можливе виконання лише вузького спектру задач, пов'язаних із автоматизацією алгоритму структурного аналізу. Такі задачі доводиться і на сьогодні виконувати за допомогою класичного ANSYS Mechanical APDL.

1 – Знайомство з ПЗ ANSYS| Структура ANSYS – ієрархія ліцензій ANSYS Professional

ANSYS Mechanical

ANSYS Multiphysics ANSYS Thermal

ANSYS Emag

ANSYS CivilFEM

ANSYS Structural

ANSYS ED ANSYS CFX ANSYS LS-DYNA

ANSYS PrepPost

ANSYS University ANSYS FLUENT

ICEM CFD

3/31

1 – Знайомство з ПЗ ANSYS| Структура ANSYS – ієрархія ліцензій

4/31

*ANSYS/Multiphysics | Найпотужніший багатоцільовий продукт компанії, який дозволяє виконувати розрахунковий аналіз не лише в окремих областях фізики, таких як міцність твердих тіл, теплопровідність тіл, механіка рідин та газів або ж електромагнетизм, але й вирішувати зв'язані задачі. Така ліцензія забезпечує оптимізацію проектних розробок на рівні, який охоплює найповнішу поставку інженерної проблеми. *ANSYS/Mechanical | Має широкі можливості для виконання складних задач міцності конструкцій, теплопровідності та акустики. Ліцензія забезпечує перевірку коректності проектної роботи, являється, загалом, потужним інструментом для визначення переміщень, напружень, сил, полів температури і тиску. *ANSYS/Structural | Призначений для виконання складного міцнісного аналізу конструкцій з урахуванням геометричної та фізичної нелінійності, нелінійності поведінки кінцевих елементів і втрати стійкості. *ANSYS/Professional | Обмежена версія ліцензії «Structural». Можлива комбінація лінійного структурного аналізу та нелінійного теплового аналізу або ж навпаки. *ANSYS/LS-DYNA | Пакет з явним вирішувачем для аналізу динамічних міцнісних задач при суттєвій нелінійності (н-ад, контактна взаємодія великої кількості тіл, формування матеріалів, аварійні деформації при ударі). Така ліцензія може бути добавлена в якості опції до іншої ліцензії, н-ад, «Structural», або ж використовуватись в standalone-режимі. *ANSYS/PrepPost | Ліцензія надає можливість твердотільного моделювання, побудови сітки, задання навантажень та граничних умов, візуалізації поверхонь, ліній і результатів, анімації результатів, але при відсутності вирішувача. *ANSYS/Thermal | Обмежена версія ліцензії «Mechanical». Можливе лише вирішення задач твердотільної теплопередачі у стаціонарній та нестаціонарній постановці в standalone-режимі.

1 – Знайомство з ПЗ ANSYS| Структура ANSYS – ієрархія ліцензій

5/31

*ANSYS/University | Відкрита (безплатна) ліцензія практично на всі продукти пакету ANSYS для некомерційного використання. Не має обмеження функціоналу продуктів, але наявне значне обмеження розмірності будь-якої задачі (розмірність розрахункової сітки), при якому неможливо, інколи, виконати навіть тривіальні задачі (н-ад, сітка з розмірністю до 50000 кінцевих елементів для задач механіки рідин). *ANSYS/ED | Відкрита (безплатна) версія ліцензії «Multiphysics» з обмеженнями по розмірності розрахункової задачі. *ANSYS/Emag | Пакет для числового моделювання електромагнітних полів та вирішення задач, пов'язаних з явищами електрики і магнетизму. Може використовуватися у формі напівнеявного міждисциплінарного аналізу з іншими продуктами.

*ANSYS/CivilFem | Потужна мультимодульна ліцензія, яка забезпечує можливість всеосяжного структурного аналізу масштабних конструкцій (н-ад, будівель, мостів, тунелів, гідротехнічних систем і т.д.).

*ANSYS/ICEM CFD | Найпотужніший існуючий генератор сіток найширшого формату для всіх фізичних дисциплін. Може використовуватися для створення власної геометрії та зміни сторонньої геометрії, також в якості усестороннього редактора зовнішніх файлів сітки. Для цього продукту існують власні внутрішні ліцензії, які надають різний функціонал. *ANSYS/CFX | Незалежний потужний продукт для аналізу задач динаміки рідин та газів. Характеризується інтуїтивністю, швидкодією, оптимізацією стосовно вирішення прикладних задач інженерії, високою автоматизованістю, надійністю і стійкістю вирішувача. У порівнянні з іншими пакетами CFD-аналізу особливо зарекомендував себе в області турбомашинобудування (у прив'язці з такими продуктами ANSYS Inc., як TurboGrid та CFD Post). *ANSYS/FLUENT | Незалежний потужний продукт для аналізу задач динаміки рідин та газів. Характеризується найширшим спектром дисциплінарного аналізу, максимальною гнучкістю стосовного індивідуального налаштування вирішувача та моделей турбулентності. Знайшов широке використання в області наукових досліджень. Істотна проблема продукту полягає в архаїчності інструментарію автоматизації моделювання, що не дозволяє ефективно виконувати прикладні задачі.

1 – Знайомство з ПЗ ANSYS| Продукти пакету ANSYS Inc. Fluids ANSYS BladeModeler ANSYS CFD Enterprise ANSYS CFD Premium ANSYS CFX ANSYS Chemkin-Pro ANSYS FENSAP-ICE ANSYS Fluent ANSYS Forte ANSYS Model Fuel Library ANSYS Polyflow ANSYS TurboGrid ANSYS VistaTF

Systems ANSYS medini analyze ANSYS Simplorer

Structures ANSYS ACT ANSYS Aqwa ANSYS Autodyn ANSYS DesignSpace ANSYS LS-DYNA ANSYS Mechanical Enterprise ANSYS Mechanical Premium ANSYS Mechanical Pro ANSYS nCode DesignLife

3-D Design ANSYS AIM ANSYS Discovery Live ANSYS SpaceClaim ANSYS DesignModeler

Electromagnetics ANSYS Electronics Desktop ANSYS HFSS ANSYS Icepak ANSYS Maxwell ANSYS Q3D Extractor ANSYS SIwave

Semiconductors ANSYS Path FX ANSYS PathFinder ANSYS PowerArtist ANSYS RedHawk ANSYS RedHawk-SC ANSYS Totem ANSYS Variance FX

6/31

Platform ANSYS DesignXplorer ANSYS Engineering Knowledge Manager ANSYS EnSight ANSYS Enterprise Cloud ANSYS High-Performance Computing ANSYS Meshing ANSYS optiSLang Multiphysics Simulation

Embedded Soft ANSYS SCADE Architect ANSYS SCADE Display ANSYS SCADE LifeCycle ANSYS SCADE Suite ANSYS SCADE Test

2 – Основні поняття МКЕ| Історія виникнення

7/31

*1950-ті | Виникнення МКЕ як чисельної процедури вирішення задач будівельної механіки (на основі методів сил та переміщень, які використовувались в XIX ст. при проектуванні мостів). Основі ідеї та процедури МКЕ вперше були використані Курантом 1943 р. при вирішення задачі кручення стержня.

*1960-ті | Зв’язок МКЕ із процедурою мінімізація дозволив широко використовувати метод в інших прикладних галузях інженерії. 1960 р. Клаф ввів термін «кінцеві елементи» як такий. Метод починає швидко розвиватись за рахунок вдосконалення цифрових електронно-розрахункових машин. *1970-ті | МКЕ із чисельної процедури вирішення задач будівельної механіки перетворюється в загальноприйнятний метод чисельного вирішення диференціальних рівнянь та їх систем. Цьому сприяє використання в цілях обґрунтування МКЕ методів зважених нев'язок Гальоркіна та найменших квадратів. *1980-ті | Розробляється графічний інтерфейс для пре- та постпроцесорів на основі методу кінцевих елементів. Розробляються вирішувачі для нелінійних задач на основі МКЕ. *1990-ті | Інструментарій програмних середовищ на основі методу кінцевих елементів інтегрується в програмне забезпечення систем автоматизованого проектування.

2 – Основні поняття МКЕ| Ідея методу

8/31

y Вихідним об'єктом для використання МКЕ являється матеріальне тіло (загалом, область, яка зайнята суцільним середовищем або полем), яке розбивається на частини – кінцеві елементи. В результаті розбивки створюється сітка із границь елементів. Точки перетину цих границь формують вузли. На границях та всередині елементів можуть бути створені додаткові вузли.

зв'язки

x Pky

z

k

Pkx

uiy

Ансамбль із всіх кінцевих елементів і вузлів являється самою кінцевоелементною моделлю тіла. При цьому, така дискретна модель повинна максимально щільно покривати досліджуваний об'єкт.

i

Загалом, ідея МКЕ полягає в тому, щоб будь-яку неперервну величину (переміщення, температура, тиск і т.д.) можна було апроксимувати математичною моделлю, яка складається з кінцевого числа елементів (ділянок). На кожному із цих елементів досліджувана неперервна величина апроксимується кусочно-неперервною функцією, яка будується на значеннях цієї величини в кінцевому числі точок елемента.

uiz

вузлові сили

Pkz uix

кінцеві елементи

вузли

Стан тіла характеризується кінцевим числом незалежних параметрів, визначених в вузлах кінцево-елементної сітки. Такі параметри називаються степенями свободи. В структурних задачах в якості степенів свободи використовуються переміщення вузлів, серед компонентів яких можуть бути і кутові переміщення. В задачах теплопровідності степенями свободи виступає виключно температура вузлів. В алгоритмі МКЕ використовується як глобальна система координат, прив'язана до всієї КЕ-моделі, так і локальні, що прив'язані до конкретного кінцевого елементу. Перехід від однієї систем координат до іншої реалізується за допомогою матриць перетворень.

2 – Основні поняття МКЕ| Реалізація методу

9/31

Область визначення неперервної величини розбивається на кінцеве число під областей, які називаються елементами. Ці елементи мають спільні вузлові точки і в своїй сукупності апроксимують форму розрахункової області. В розрахунковій області фіксуються параметри вузлових точок – координати та степені свободи (останні залежать від типу виконуваного дисциплінарного аналізу). З точки зору ітераційних процедур спочатку значення неперервної функції відомі у кожній вузловій точці на основі початкових умов. Але необхідно пам'ятати, що, насправді, ці значення ще необхідно віднайти шляхом коректного накладення на них додаткових обмежень в залежності від сутті задачі (граничні умови, тип закріплення, н-ад). Використовуючи значення досліджуваної неперервної величини у вузлових точках, на які накладено обмеження, і ту чи іншу апроксимуючу функцію, визначають ітераційно значення величини всередині розрахункової області (перевірка ітераційної процедури виконується за допомогою методів чисельних нев'язок). Апроксимуючі функції найчастіше вибирають у формі лінійних, квадратичних чи кубічних поліномів. Для кожного елементу може вибиратися свій поліном, але таким чином, щоб збереглись неперервність величини вздовж границь елементу. Такий поліном, що зв'язаний з даним елементом, називають «функцією елементу».

Кінцеві елементи наділяються різними властивостями, які задаються за допомогою констант та опцій (н-ад, для стержневого КЕ вказується площа поперечного перерізу, для плоских незгинаючих КЕ може вказуватися товщина та вид напруженого стану – плоско-напружений, плоско-деформований або ж осесиметричний). Всі елементи та вузли нумеруються як на глобальному, так і локальному рівні з урахуванням алгоритмів оптимізації щодо швидкодії опрацювання задачі. Визначаються масиви зв'язків між номерами елементів і загальними номерами вузлів, а також між місцевими і загальними номерами вузлів.

2 – Основні поняття МКЕ| Приклад - вирішення задачі теплопровідності Z В якості прикладу розглянемо тетраедральний кінцевий елемент з 4-ма вузлами. На грані JKP наявний тепловий потік густиною Q, на грані IJP – конвективна тепловіддача густиною QH (на інших гранях задані адіабатні ГУ), всередині задане джерело теплової енергії потужністю W. Степенями свободи елементу являються вузлові температури, які утворюють вектор 𝑇 𝑇𝑒 = 𝑇𝐼 , 𝑇𝐽 , 𝑇𝐾 , 𝑇𝑃 𝑒 . Вузлові теплові навантаження елементу утворюють вектор 𝑄 𝑇𝑒 =

Y

QH

I T I

Загальна система диференціальних рівнянь крайової задачі нестаціонарної теплопровідності має наступний вигляд:

𝜕 𝑇 + 𝐾 𝑇 = 𝑄 𝜕𝜏

𝑄

+ 𝑄

𝑊

+ 𝑄

𝐻

загальний вектор вузлових теплових загальний вектор вузлових теплових загальний вектор вузлових теплових навантажень, еквівалентних заданим навантажень, еквівалентних заданій навантажень, еквівалентних конвективним генерації внутрішніх теплових джерел тепловим навантаженням поверхневим тепловим потокам

𝑄

𝑄

= − න 𝑞 𝑁 𝑇𝑒 𝑑𝑆 𝑆2𝑒

глобальна матриця теплоємності демпферу елемента

С = න 𝜌𝑐 𝑁 𝑉𝑒

𝑇 𝑒

𝑁 𝑒 𝑑𝑉

𝑄

𝑊

= න 𝑊 𝑁 𝑇𝑒 𝑑𝑉

𝑄

𝐻

= න 𝐻𝑇𝑏 𝑁 𝑇𝑒 𝑑𝑆 𝑆3𝑒

𝑉𝑒

глобальна матриця теплопровідності («жорсткості» елементу)

𝐾 =න 𝑉𝑒

𝐵

𝑇 𝑒

𝐷

𝑒

𝐵 𝑒 𝑑𝑉 + න 𝐻 𝑁 𝑆3𝑒

𝑇 𝑒

𝑁 𝑒 𝑑𝑆

P Q

X

𝑄𝐼 , 𝑄𝐽 , 𝑄𝐾 , 𝑄𝑃 𝑒 . Температура всередині елементу апроксимується поліномом T 𝑋, 𝑌, 𝑍 = 𝛼1 + 𝛼2 𝑋 + 𝛼3 𝑌 + 𝛼4 𝑍.

С

10/31

K QK J

2 – Основні поняття МКЕ| Приклад - вирішення задачі теплопровідності

11/31

Всі складові, які входять в диференційне рівняння теплопровідності, в кінцевому результаті визначаються коефіцієнтами матриці функції форми, які лінійно залежать від координат та об'єму елемента Ve у наступному вигляді: матриця функції форми

𝑁(𝑋, 𝑌, 𝑍)

𝑒

= 𝑁𝐼 , 𝑁𝐽 , 𝑁𝐾 , 𝑁𝑃

𝑋𝐽 𝐴𝐼 = 𝑑𝑒𝑡 𝑋𝐾 𝑋𝑃

𝑌𝐽 𝑌𝐾 𝑌𝑃

𝑍𝐽 𝑍𝐾 𝑍𝑃

одна із функції форми 𝑒

1 𝑁𝐼 = 𝐴 + 𝐵𝐼 𝑋 + 𝐶𝐼 𝑌 + 𝐷𝐼 𝑍 6𝑉𝑒 𝐼

1 𝑌𝐽 𝐵𝐼 = −𝑑𝑒𝑡 1 𝑌𝐾 1 𝑌𝑃

𝑍𝐽 𝑍𝐾 𝑍𝑃

𝑋𝐽 𝐶𝐼 = −𝑑𝑒𝑡 𝑋𝐾 𝑋𝑃

1 𝑍𝐽 1 𝑍𝐾 1 𝑍𝑃

𝑋𝐽 𝐷𝐼 = −𝑑𝑒𝑡 𝑋𝐾 𝑋𝑃

𝑌𝐽 𝑌𝐾 𝑌𝑃

1 1 1

*Інші функції форми NJ, NK та NP мають аналогічну структуру, а формулювання для їх коефіцієнтів можна отримати шляхом циклічного переставлення індексів I, J, K, P. Для математичної системи із більш ніж одним кінцевим елементом матричне диференційне рівняння теплопровідності при використанні центрально-різницевої схеми МКЕ зводиться до вигляду системи арифметичних рекурентних формул. У випадку залежності теплофізичних властивостей тіла від температури рекурентні форми стають нелінійними, а у випадку залежності прикладених теплових навантажень від температури – постановка вирішення задачі стає неявною. В обох випадках вирішення нестаціонарної задачі теплопровідності набуває ітераційного характеру.

2 – Основні поняття МКЕ| Інші методи вирішення ДР в часткових похідних Метод кінцевих елементів | FEM  Область, в якій реалізується пошук вирішення ДР, розбивається на кінцеве число підобластей (елементів).  В кожному із елементів довільно вибирається вигляд апроксимуючої функції.  Поза «своїм» елементом значення апроксимуючої функції рівне нулю.  Значення функції на границях елементів (у вузлах) являється вирішенням задачі і заздалегідь невідомим.  Використовується в пакетах для вирішення задач теплопровідності в твердих тілах та задач на міцність, таких як ANSYS Structural, ANSYS Thermal, Abaqus, Nastran. *FEM | finite elements method

Метод контрольних об'ємів | FVM  Розрахункова область за допомогою сітки розбивається на сукупність кінцевих об'ємів.  Вузли, в яких знаходять вирішення, розміщені в центрі контрольного об'єму.  Для кожного кінцевого об'єму повинні виконуватися закони збереження маси, енергії і кількості руху.  Використовується в багатьох CFDпакетах, н-ад, ANSYS CFX, ANSYS Fluent, Star CD, Star CCM+, FlowVision.  Являє собою історичний розвиток МКЕ в області динаміки рідин та газів (показує кращу стійкість числового вирішення ніж МКЕ).

*FVM | finite volumes method

12/31

Метод кінцевих різниць | FDM  Пряма заміна похідних, що входять у вихідні рівняння, їх дискретними (різницевими) аналогами.  Вирішення реалізується у вузлах розрахункової сітки.  Зазвичай, метод кінцевих різниць використовується для перевірки збіжності МКЕ або ж МКО шляхом оцінки чисельних нев'язок.

*FDM | finite difference method

3 – Основи роботи в ANSYS Workbench| Середовище Workbench *Analysis Systems: o Готові шаблони усіх дисциплінарних аналізів, які можуть бути переміщенні на схему (далі – відредаговані). *Component Systems: o Незалежні додатки, які можуть бути використані для створення /розширення аналізу системи (включать всі стадії розробки моделі). *Custom Systems: o Стандартні інтерфейси для зв'язаних задач (н-ад, FSI). Можуть бути добавлені власні опціональні інтерфейси. *Design Exploration: o Інструменти параметричного управління та оптимізації всіх стадій моделювання (доступний виключно з платформи Workbench).

*External ConnectionSystems: o Інструментарій створення інтерфейсу з виконанням коду стороннього програмного забезпечення, так званий «external-coupling». *Toolbox Customization: o Розширення для перегляду усіх можливих типів розрахункового аналізу (C – «Physics») та доступних вирішувачів (D – «Solver») згідно ліцензії на пакет програмних продуктів ANSYS Inc. (для одного і того ж аналізу можуть бути доступні декілька різних вирішувачів).

13/31

3 – Основи роботи в ANSYS Workbench| Середовище Workbench *Project Schematic: o Головне вікно проекту, в якому містяться структурні компоненти проекту (блоки) і зв'язки між ними. o Блоки «Analysis Systems» запускаються виключно після перетягування в «Project Schematic» платформи Workbench. o Деякі блоки додатків «Component Systems» (н-ад, CFX, Fluent, ICEM CFD, Mechanical APDL, Results, TurboGrid) можуть працювати незалежно від середовища Workbench (запуск з меню ОС). *Properties of Schematic: o Властивості вибраного в «Project Schematic» об'єкта у формі атрибутів та опису параметрів. Для останніх версій ANSYS, починаючи з 14-ої, практично не використовується для зміни атрибутів. o Для 2D-моделювання будь-якого дисциплінарного аналізу для об'єкту «Geometry» необхідно відповідно змінити атрибут «Analysis Type» 3D→2D. *Messages: o Службові повідомлення щодо помилок та недоліків моделювання в цілому, online-повідомлення наявних оновлень, конфігурацій, конференцій стосовно продуктів компанії ANSYS Inc. *Progress: o Індикатор поточного стану виконання будь-якого процесу в середовищі Workbench (н-ад, завантаження, з'єднання, оновлення даних). До моменту досягнення 100%-го статусу індикатора «Progress» будь-які дії в середовищі Workbench небажані.

14/31

3 – Основи роботи в ANSYS Workbench| Проект в Project Schematic / Приклад 1 Перетягування блоку «Geometry» із «Component Systems»

2 Створення геометричної моделі в блоці

«Geometry» і перетягування блоку «Mesh»

15/31

3 Перетягування геометричної моделі в блок «Mesh»

4 Створюється міжблоковий зв’язок

Передача даних сітки блоку «B3» в блок «ICEM Створення зв'язку «B3→C2». Update 5 6 «A2→B2». Робота з сіткою в блоці «Mesh» CFD» для подальшого редагування сітки блок «B3» для копіювання і

трансформування формату файлу сітки

3 – Основи роботи в ANSYS Workbench| Проект в Project Schematic / Приклад

16/31

7 Добавлення витягуванням блоку «FEM». 8 Добавлення витягуванням блоку «Steady- 9 Передача результатів розрахунку блоку «E5» Завантаження в блок «D2» кінцевого файлу сітки, створеного в «ICEM CFD»

State Thermal» (аналіз поля температури). Створення зв'язку «D2→E3».

10

в блок «Static Structural» для подальшого аналізу термо-напруженого стану

Виконані блоки «A - F» всього проекту на основі платформи Workbench, які послідовно розміщені у вікні Project Schematic

3 – Основи роботи в ANSYS Workbench| Стани блоків в Project Schematic

17/31

Unfulfilled

Відсутні дані верхнього рівня.

Attention required

Недоліки в даному блоці або ж блоці верхнього рівня.

Refresh required

Дані верхнього рівня змінились – необхідно оновити відповідний блок. Оновлення охоплює всі нижчі рівні від джерела вихідного файлу (н-ад, файл геометрії чи сітки).

Update required

Дані змінились і відповідний блок повинен бути оновленим.

All right

Повне виконання процесу відповідного блоку (відсутні помилки алгоритмів Workbench).

Input changes pending

Локальна прив'язка блоків, яка змінюється при наступному оновлені одного із зв'язаних блоків локальної системи даних.

Interrupted

Ручна зупинка процесу на шляху його виконання. Процес може бути відновленим / продовженим при відповідному переході до дій «Update / Resume»

Pending

Блок в ході пакетної обробки даних (інші дії в платформі Workbench не бажані до моменту досягнення атрибуту виконання процесу).

3 – Основи роботи в ANSYS Workbench| Workbench File Management *Особливості файлової структури платформи Workbench: o Workbench створює файл керування проекту розширенням «example.wbpj» (кореневий каталог) та файл керуванням взаємозв'язків між блока – «designPoint.wbdp» (внутрішній каталог «dp0»). o Не потрібно / не можна змінювати назви файлів і каталогів проекту Workbench. Лише файлу «example.wbpj» надається назва проекту (таку ж назву отримує кореневий каталог). *Структура директорій: o dp0 | Каталог проекту. По суті залежить від стану всіх параметрів для визначеного типу аналізу. У випадку єдиного блоку в аналізі створиться лише єдиний каталог «dp0». o global | Містить підкаталоги для даних, які являються спільними для різних блоків проекту. Характерний для проектів з використанням додатків, які працюють виключно із середовища Workbench (н-ад, база даних сітки для додатків Mechanical). o SYS | Містить підкаталоги для даних будь-яких додатків, включаючи блоки незалежних продуктів (н-ад, CFX, Fluent, Mechanical). В директорії розміщені не лише результуючі файли додатку блоку, а й допоміжні файли, які, н-ад, описують виконання процесу (н-ад, error-files, solver-output-files). Основні директорії проекту, які хронологічно нумеруються в ході створення нових блоків проекту. o user_files | Містить вхідні файли, файли макросів користувачів і т.д., які можуть бути зв'язані з проектом (зазвичай, директорія пуста). o Geom | Директорія характерна виключно для файлів геометричного моделювання, виконаного за допомогою окремого блоку додатку «Design Modeler». o ICM | Директорія характерна виключно для файлів моделювання сітки, виконаного за допомогою блоку додатку «ICEM CFD».

18/31

3 – Основи роботи в ANSYS Workbench| Workbench File Management Із меню «View» платформи Workbench можлива активація опції «Files», яка відкриває вікно розширеного опису всіх файлів проекту з можливістю безпосереднього відкриття директорії їх розміщення

19/31

3 – Основи роботи в ANSYS Workbench| Workbench Units Systems *Units Systems в меню Workbench: o Дозволяє доступ до перед установлених систем одиниць вимірювання. o Наявна можливість створення власних систем вимірювання. o Workbench «Units Systems» доступні лише для додатків, інтегрованих повністю в середовище Workbench (тобто, н-ад, для ICEM CFD, CFX і Fluent наявні власні системи вимірювання). *Робота з Units Systems в меню Workbench: o Можливе створення власних систем одиниць вимірювання: Units → Units Systems… → Duplicate (н-ад, «Metric») → дати назву власній системі → змінити одиниці вимірювання багажних фізичних величин. o Після створення нової системи вимірювання вона стає доступною з меню Workbench.

*Робота з Units Systems в меню Workbench: o Можливе керуванням окремим додатком вибору доступної з платформи Workbench системи одиниць вимірювання – опція «Display Values as Defined» (більш гнучке і практичне рішення). o Також можлива жорстка прив'язка всіх інтегрованих додатків в платформу Workbench до однієї вибраної для всього проекту системи одиниць вимірювання – опція «Display Values in Project Units».

20/31

4 – Управління матеріалами| Підхід до управління матеріалами в Workbench *Задання / управління матеріалами в середовищі Workbench: o Платформа Workbench володіє спеціальним модулем «Engineering Data», який має широкі й надзвичайно гнучкі можливості щодо створення власної бібліотеки матеріалів та їх властивостей, а також в якості перед установленої бази даних матеріалів, яку можна інтуїтивно просто редагувати по відношенню до задачі поточного проекту. o На жаль, для таких незалежних додатків, як Fluent та Mechanical APDL недоступна можливість роботи з блоком «Engineering Data» - і до сьогодні ці продукти володіють жахливим архаїчним інтерфейсом задачі властивостей матеріалів, який просто унеможливлює виконання широкого кола складних прикладних задач (додаток CFX також не має доступу до база даних Workbench, але володіє власним надзвичайно гнучким середовищем для задачі матеріалів).

B E

C A F

D

21/31

4 – Управління матеріалами| Підхід до управління матеріалами в Workbench

22/31

Структура діалогового вікна «Engineering Data»

A

*Toolbox | Містить перелік властивостей, які можуть бути задані при виконанні аналізу. Враховує категоризацію щодо дисципліни аналізу – відображає активними лише ті властивості, які необхідні виключно для реалізації поточної задачі.

B

*Engineering Data Sources | Відображає доступні джерела даних матеріалів, їх місцезнаходження та опис. В цьому вікні (блок «С») можна добавляти xml-файл власної бібліотеки властивостей (н-ад, для попередньої версії пакету ANSYS). Перелік матеріалів вибраної бібліотеки відображається в наступному блоці «Outline».

C

*Outline Pane | Відображає структуру даних вибраної бібліотеки – перелік матеріалів. Саме у цьому вікні необхідно додавати всі матеріали, які будуть використовуватися в даному аналізі – блок «B» / «Add to Engineering Data» (в блоці «С» має з'явитися символіка присвоєння ). При переключенні в режим «Filter Engineering Data» вікно «Engineering Data Sources» закривається а вікно «Outline Pane» набуває атрибуту «Outline of Schematic» - у ньому відображаються лише раніше вибрані матеріали. Тільки в такому режимі можливе редагування властивостей матеріалів із бібліотек (на саму бібліотеку це не впливає), а також додавання власного незалежного матеріалу (у цьому вікні присвоюється лише ім'я цього матеріалу).

D

*Properties Pane | Безпосереднє представлення властивостей вибраного в «Outline Pane» матеріалу. Введення констант можливе у цьому вікні. Для власних матеріалів необхідно з «Toolbox» перетягнути всі властивості, які необхідні для моделювання фізичної проблеми (всі властивості у такому випадку набувають активний атрибут).

E

*Table Pane | Табличне представлення властивостей матеріалів. При заповненні завжди вільної строки з атрибутом «*» виникає нова чарунка запису і т.д. Помилки вводу даних відображаються у форматі «жовтого» кольору чарунки.

F

*Chart Pane | Графічне представлення зміни вибраної фізичної властивості матеріалу (володіє online-оновленням даних).

4 – Управління матеріалами| Пластичні матеріали Пластичні матеріали

23/31

σel.

σ

*Пластичність: o Здатність матеріалу отримувати залишкові деформації без руйнування і зберігати їх після зняття навантаження. o Коли пластичний матеріал перебуває під дією напруження «σ» вище межі пружності «σel.», він потрапляє в зону текучості матеріалу, що відповідає проявленню значних залишкових деформацій «ε».

пружність

*Напружений стан в ANSYS розділяється на дві складові: o Гідростатичне напруження → продукує зміну об'єму тіла. o Девіатор напружень → створює зміну форми.

пластичність

σ

σ3

α

*Критерій текучості в ANSYS | Критерій «фон Мізеса»: o За цим критерієм текучість виникає у тому випадку, коли енергія зміни форми тіла в одиниці його об'єму рівна енергії зміни форми в тому ж об'ємі при досягненні межі текучості у випадку одноосьового напруженого стану. o Скалярний інваріант «σe.» (еквівалентне напруження фон Мізеса) визначається наступним виразом (σ1, σ2 , σ3 – головні напруження):

𝜎𝑒 =

1 𝜎 − 𝜎2 2 1

2

+ 𝜎2 − 𝜎3

2

+ 𝜎3 − 𝜎1

2

σy

σ1

ε

σ2

початкова поверхня текучості

σ' α

наступна поверхня текучості

2σy

ε

4 – Управління матеріалами| Пластичні матеріали

24/31

Пластичні матеріали *Критерій текучості в ANSYS | Критерій «фон Мізеса»: o В просторі головних напружень поверхня текучості фон Мізеса являється циліндром. o Якщо напружений стан знаходиться всередині цього циліндру, то текучість не спостерігається, тобто під дією гідростатичного тиску (σ1= σ2= σ3) не виникає текучості. o Пластичні деформації з'являються на границі циліндру; при «ідеальній» пружно-пластичній моделі матеріалу ніякого напруженого стану не може існувати за межами циліндру. o В реальних матеріалах при їх деформуванні за межами текучості поверхня текучості змінюється, тобто матеріали «зміцнюються». *Закони «зміцнення» в ANSYS | Закони зміни поверхні текучості: o Кінематичне зміцнення → поверхня текучості не змінює розміру і переміщується в напрямку пластичної деформації (схема на попередньому слайді). o Ізотропне зміцнення → поверхня текучості рівномірно розширюється у напрямку пластичної деформації (схема на поточному слайді). *Особливості законів «зміцнення»: o Поведінка більшості металів відповідає кінематичному «зміцненню» при відносно незначних деформаціях і при циклічних навантаженнях. o Всі матеріали початково ізотропні, але перестають бути такими в процесі кінематичного «зміцнення». o При моделюванні істотних деформацій модель кінетичного «зміцнення» (за замовчуванням в ANSYS) некоректна щодо опису властивостей матеріалів. o Ізотропне «зміцнення» полягає в тому, що поверхня текучості рівномірно розширюється у всіх напрямках внаслідок пластичної деформації.

σ1

σ' σy

σ 2σ'

σ2

ε

σ3 наступна поверхня текучості

початкова поверхня текучості

4 – Управління матеріалами| Пластичні матеріали

25/31

Пластичні матеріали | Задання пластичних властивостей в Workbench *Особливості законів «зміцнення»: o При пружних деформаціях зміна знаку зовнішньої сили викликає зміну лише знаку деформації, а не її абсолютної величини. o При пластичних деформаціях властивості матеріалу змінюються; якщо матеріал піддати пластичній деформації одного знаку, то при зміні знаку деформації виявляється зниження межі текучості. o Різниця між межами текучості при розтягненні і стисненні, що рівна «2σy», залишається постійною. Ця властивість відома як «ефект Баушингера». *Задання напружено-деформованого стану в «ANSYS» | Діаграми напруженодеформованого стану: o Білінійна діаграма → задається модулем пружності (Юнга), межею текучості, модулем зсуву і коефіцієнтом Пуассона, тобто окремо враховує всі типи напруженодеформованого стану. o Полілінійна діаграма → задається у вигляді таблиці значень деформації в залежності від «істинних» напружень; модуль Юнга і коефіцієнт Пуассона задаються окремо у вигляді констант (при цьому, перша ненульова точка діаграми має з високою точністю відповідати модулю пружності).

σ

σ

*Задання пластичної моделі в Workbench: o В меню панелі «Toolbox» вибираємо область «Plasticity» і за рахунок виклику дії «Include Property» добавляємо до панелі «Outline Properties» обрану модель пластичності. o Найчастіше використовуються наступні моделі пластичності: білінійне ізотропне зміцнення «Bilinear Isotropic Hardening», полілінійна ізотропна модель «Multilinear Isotropic Hardening», полілінійне кінематичне зміцнення «Multilinear Kinematic Hardening».

білінійна діаграма

ε

полілінійна діаграма

ε

4 – Управління матеріалами| Гіперпружні матеріали

26/31

Гіперпружні матеріали *Гіперпружні матеріали | Визначення: o Нелінійні матеріали, н-ад, гума, які в умовах значних деформацій демонструють короткочасну пружну реакцію. o В ANSYS моделі гіперпружних матеріалів також використовуються для опису поведінки усіх інших матеріалів при істотних деформаціях. *Гіперпружні матеріали в Workbench: o Меню «Hyperelastic» і «Hyperelastic Experimental Data» панелі «Toolbox» являється інструментом переведення експериментальних даних в коефіцієнти функцій щільності енергії деформації для всіх доступних гіперпружних моделей. o Експериментальні дані для побудови кривих вибираються на основі 1-го або більше випробувань із 6-ти можливих типів: одноосьове розтягнення, одноосьове стиснення, двохосьове розтягнення, плоского зсуву, чистого зсуву, об'ємного експерименту. *Сутність гіперпружних властивостей в Workbench: o Експериментальні дані збираються у вигляді умовних напружень і деформацій, які використовуються для апроксимаційних кривих. o Виключенням являються дані об'ємного експерименту, в якому використовуються істинні напруження. o Експериментальні дані можуть вимагати корегування з урахуванням ефекту гістерезису і втрати міцності матеріалу, н-ад, ефекту «Мулліна» («Mullin»). o Для абсолютно нестисливих тіл вважається, що коефіцієнт Пуассона рівний «0.5»; тобто, об'ємна деформація відсутня і не використовується.

5 – Геометричне моделювання| Принципи геометричного моделювання Передісторія геометричного моделювання Вибір степені деталізації геометричної моделі, яка визначає детальність всієї розрахункової моделі. Визначається не лише особливостями реальної фізичної системи, а й наявними розрахунковими ресурсами. Виявлення не лише геометричної, а й фізичної симетричності по відношенню до поставленої задачі. Виявлення фізичної симетричності завжди позитивно впливає на пришвидшення всього циклу моделювання. Вже на етапі геометричного моделювання необхідно чітко розуміти, які найоптимальніші прийоми щодо генерації розрахункової сітки можна використати. Саме на цьому етапі можна розбити геометрію на області таким чином, щоб можна було використати всі необхідні прийоми генерації сітки, незважаючи на те, що кінцева сітка може бути лише одним цілим розрахунковим доменом. Якщо мислити глобально, то по відношенню до всіх типів фізичних аналізів, доступних в пакеті ANSYS, найкоректніше найменування поверхонь (3D-model) або ж границь (2D-model) виконувати на етапі геометричного моделювання за допомогою середовища Design Modeler.

27/31

Підходи геометричного моделювання Низхідний: o Побудова вищих топологічно ієрархічних структур виконується напередодні моделювання нижчих (залежних) геометричних елементів. o При такому підході необхідно наперед чітко розуміти структуру хоча б однієї вищої топологічної структури – будь-які зміни в ній водночас видозмінюють всі нижчі внутрішні геометричні елементи. o Вища топологічна структура надає доступ до простіших геометричних структур, на яких орієнтуються у просторі метадані нижчих ієрархічних структур – додаткові поверхні, лінії, точки та самі ескізи, які не являються елементами кінцевої розрахункової геометричної моделі. Висхідний: o Моделювання реалізується виключно шляхом поступового створення нижчих ієрархічних структур, які з кожною новою дією створюють області з більш високою топологічною ієрархією. o Такий підхід завжди зручний з точки зору просторового розуміння, але не завжди виправдовує зусилля, які необхідно докласти при роботі з CAD-системою.

5 – Геометричне моделювання| Класифікація CAD-систем CAD

28/31

*Computer-aided design | Технологія автоматизованого проектування, що реалізується за допомогою пакету спеціального програмного забезпечення, призначеного для створення креслеників, 3D-моделей, конструкторської та технологічної документації.

Синтез

Процес розробки в CAD-системі

Необхідність розробки

Технічні вимоги до розробки

Аналіз здійсненності і збір відомостей щодо розробки

Аналіз Проектна документація

Оцінка проекту

CAD+CAE Системи нижчого рівня - Слугують для виконання майже всіх видів 2D-моделювання і мають обмежений функціонал просторового моделювання.

- Область їх використання – створення ескізів або ж нескладних деталей чи збірок. *Приклад таких CAD-систем | AutoCad, MasterCAM, CADdy, КОМПАС-3D.

Аналіз і оптимізація проекту

Розробка

Аналітична модель

Системи середнього рівня - Повністю охоплюють можливості систем нижчого рівня.

- Щодо специфічного інструментарію поступаються системам вищого рівня, але мають зручніший інтерфейс.

- Являють собою програмні системи. *Приклад таких CAD-систем | SolidWorks, SolidEdge, Autodesk Inventor, DesignSpace, Mechanical Desktop.

Концептуалізація проекту

Системи вищого рівня - Використовуються для вирішення складних задач не лише щодо специфіки просторової конфігурації, а й складності системної взаємодії деталей збірки.

- Зазвичай, являються пакетом не лише графічного ПЗ, доволі громіздкі, складні й ресурсозатратні. *Приклад таких CAD-систем | CATIA, Pro/ENGINEER, UniGraphics, EUCLID3.

5 – Геометричне моделювання| Робоча область SolidWorks

29/31

Панель 3D проектування

Панель створення 2D ескізів

Дерево моделі із усіма послідовними елементарними операціями

Панель керування просторовою орієнтацією, розрізами та рендерінгом

Підсвічено результат однієї операції  вирізання по профілю ескізу при обертанні на 60°

5 – Геометричне моделювання| Робоча область Design Modeler Завантаження «зовнішнього» файлу геометрії

Панель інструментів

Присвоювання «імен» поверхням/їх групам відповідно до задання ГУ

Формування однієї розрахункової області із кількох об'ємів

Панель розрізів

30/31

5 – Геометричне моделювання| Фундамент мовою CAD-систем Топологія об'єктів CAD-системи Точки | Points o 2D sketch points o 3D vertices o PF points (point features):  spot-welds  point loads  construction points

Лінії | Edges (Lines, Curves) o 3D-sketch, 2D-sketch

Поверхні | Areas, surfaces Об'єми | Volumes Група об'ємів bodies

|

Multiple

31/31

Режими геометричного моделювання *Режим створення ескізу | Sketch mode: o Інструментарій для створення 2D геометричних форм в межах однієї поверхні, як передумови/бази для створення нових просторових форм. *Режим створення моделі | 3D geometry: o Виконання базових булевих операцій, які на основі ескізу створюють просторову картину: над, витягування ескізу (extrusion), його обертання (revolve), конвертація об'єму з замкнутих поверхонь. *Імпорт сторонньої геометрії | Geometry import: o Імпорт як ескізів так і 3D геометрії для подальшого доопрацювання в обраній CADсистемі, не лише геометричного, а й топологічного по відношенню до ГУ задачі. *Концептуальне моделювання | Concept modelling: o Інструментарій трансформування та модифікації тіл ліній і поверхонь для подальшого топологічного присвоєння їм атрибутів балкових і оболонкових поверхневих кінцевих елементів (прерогатива задач механіки).