ansys advantage. Русская редакция №12 – Электроника, МЭМС и...

ЭЛЕКТРОНИКА, МЭМСЭЛЕКТРОНИКА, МЭМСИ НАНОТЕХНОЛОГИИИ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Ðàçðàáîòêà ñèñòåìû Ðàçðàáîòêà ñèñòåìû êàòàïóëüòèðîâàíèÿ êàòàïóëüòèðîâàíèÿ â ANSYSâ ANSYS

Èíòåãðàöèÿ ANSOFT Èíòåãðàöèÿ ANSOFT â ëèíåéêó ïðîäóêòîâ â ëèíåéêó ïðîäóêòîâ ANSYSANSYS

CFD-ìîäåëèðîâàíèå CFD-ìîäåëèðîâàíèå ñèñòåìû âåíòèëÿöèè ñèñòåìû âåíòèëÿöèè ñòàäèîíàñòàäèîíà

Содержание

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании

ANSYS, Inc. «От идей к решениям» и «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками компании

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками

или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

«ANSYS Advantage.

Русская редакция»

Инженерно/технический

журнал

Выходит 4 раза в год

12'2009

Учредитель:

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Генеральный директор:

Локтев Валерий

Руководитель проекта:

Хитрых Денис

Над номером работали:

Кабанов Юрий

Чернов Александр

Юрченко Денис

Переводчик:

Юрченко Анна

Интернет�группа:

Николаев Александр

Адрес редакции

111672 Россия, Москва,

ул. Суздальская, 46,

Тел.: (495) 644-0608

Факс: (495) 644-0609

Тираж 1500 экз.

Цена свободная

Новости и события

Обращение Президента

и Генерального директора ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» Локтева Валерия ........ 2

Технологии

ANSYS Multiphysics

ANSOFT: история компании и опыт применения в различных отраслях

промышленности .................................................................................................... 3

Интеграция решений Ansoft в линейку продуктов ANSYS, Inc. .......................... 6

Использование ANSYS Icepak

для регулирования температурного режима электронных устройств ............... 9

Анализ температурного состояния электронных узлов в ANSYS .................... 11

Использование ANSYS при разработке

альтернативных технологий получения энергии ............................................... 14

Разработка новой концепции катапультирования с применением ANSYS ..... 16

Решение задач усталостной долговечности

в модуле ANSYS nCode Design Life 5.1. .............................................................. 20

ANSYS Explicit

Исследование напряженно-деформированного состояния элементов

конструкции сваебойного трубчатого дизель-молота ....................................... 22

ANSYS CFD

Численное моделирование процесса обледенения в ANSYS CFX .................. 28

Опыт проектирования систем распыла для различных приложений

в ANSYS FLUENT.................................................................................................. 31

Расчет системы вентиляции стадиона «Арена «Ходынка» .............................. 33

Обеспечение температурного режима товарного склада

в зимний и летний периоды с помощью ANSYS CFD ....................................... 35

Мастер класс

Сравнительный анализ возможностей ANSYS ICEM CFD

и TGrid для генерации призматических слоев ................................................... 39

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009www.ansyssolutions.ru

12'2009

A D V A N T A G E

Перепечатка опубликованных

материалов только с письмен-

ного разрешения редакции, за

исключением кратких цитат в

материалах информационного

характера. Мнение редакции

может не совпадать с мнением

авторов

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

Новости и события

Обращение Президента

и Генерального директора

Локтева Валерия

Уважаемые пользователи ANSYS!

Бурное развитие технологий ANSYS, нашедших

свою реализацию в новом эволюционном поколении

программных продуктов для инженерных расчетов, а

также ясная корпоративная стратегия и видение стали

ключевыми факторами успеха и роста компании, при-

знании ее мировым лидером. Программный комплекс

ANSYS является единой программной платформой

для реализации полного цикла разработки нового из-

делия от технического задания на этапе проектирова-

ния до проверки правильности принятых решений. За

последние годы значительно увеличилась клиентская

база во всем мире, включая Россию. Решения ANSYS

с успехом используются в инженерной и научной сре-

де, помогая предприятиям внедрять инновации в раз-

личных отраслях промышленности.

В России компания ANSYS добилась существен-

ного роста благодаря успешной деятельности своих

ведущих авторизованных партнеров. Российская ком-

пания ЗАО «ЕМТ Р» на сегодняшний день является

ведущим партнером ANSYS, Inc. не только в странах

СНГ, но и во всей Восточной Европе. Финская компа-

ния Process Flow через свой офис в Санкт-Петербурге

также добилась неплохих результатов, в основном,

благодаря своему опыту и компетенции в области

гидрогазодинамики. Немецкая компания CADFEM

GmbH давно и хорошо известна Европейским инже-

нерным кругам как ведущий партнер и центр компе-

тенции ANSYS в Западной Европе. Начало ее де-

ятельности в России с 1998 г. через Московское пред-

ставительство во многом способствовало проникно-

вению и началу успешного применения наукоемких

программных продуктов ANSYS многочисленными

отечественными промышленными и научными орга-

низациями, ВУЗами.

4 сентября 2009г. ЗАО «ЕМТ Р» , Process Flow Oy

Ltd. и СADFEM GmbH объявили о регистрации новой

совместной инженерно-консалтинговой компании

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», специализирующейся на

оказании качественных профессиональных услуг в об-

ласти масштабных проектов создания и управления

технологиями компьютерного моделирования (CAE) в

промышленности, науке и образовании, внедрении и

технической поддержке наукоемкого программного

обеспечения компании ANSYS, Inc., выполнении слож-

ных и уникальных инженерных расчетов в локальных и

глобальных проектах. Основными учредителями

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» являются учредители ком-

пании ЗАО «ЕМТ Р». Решение создать новую совмес-

тную компанию было продиктовано желанием объеди-

нить все лучшее, имеющееся в наших компаниях, и в

первую очередь, команды высококлассных специа-

листов, обладающих профессиональными знаниями и

колоссальным инженерным и внедренческим опытом,

свои разработки и направить общие усилия на благо

наших клиентов, способствовать эффективному внед-

рению CAE-технологий и их технической поддержке на

высочайшем профессиональном уровне. Решение о

создании новой компании было одобрено и приветс-

твуется руководством ANSYS, Inc.

Новая компания получила название —

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» (на англ. яз. CADFEM CIS).

CIS сокращение от Commonwealth of Independent

States — Содружество Независимых Государств,

СНГ). Из этого видно, что деятельность компании бу-

дет вестись на всей территории стран СНГ. Следует

отметить, что ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» никак не

связано с бывшим Московским представительством

CADFEM GmbH. Это представительство закрыто, од-

нако хотел бы обратить внимание, что техническую

поддержку и сопровождение бывшим клиентам пред-

ставительства CADFEM GmbH теперь оказывает

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс».

Головной офис компании ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

находится в г. Москве. Открыты также филиалы в Се-

веро-западном федеральном округе — г. Санкт-Петер-

бург, в Приволжском федеральном округе — г. Сама-

ра, в Сибирском федеральном округе — г. Иркутске.

Компания намерена в ближайшее время открыть фи-

лиалы в Уральском федеральном округе в г. Екатерин-

бург, в Сибирском федеральном округе в г. Новоси-

бирске и Южном федеральном округе в г. Ростов на

Дону. В планы компании входит открытии филиалов и

в других странах СНГ и, в частности, в Украине, Бело-

руссии, Казахстане.

Сегодня Европейская группа компаний CADFEM

— это крупнейший инженерный холдинг с филиала-

ми и центрами компетенции в Западной и в Восточ-

ной Европе, странах СНГ, тесно и успешно сотрудни-

чающий с компанией ANSYS, Inc. В объединенной

компании CADFEM работает более ста пятидесяти

высококвалифицированных инженеров, предостав-

ляющих качественный и наиболее полный набор кон-

салтинговых услуг в области компьютерного модели-

рования, обучения и внедрения решений ANSYS. Мы

убеждены, что сотрудничество с нашей новой объ-

единённой, ориентированной на клиентов компанией

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» даст целый ряд ощутимых

преимуществ нашим клиентам.

С искренним уважением,

Валерий Локтев

Президент и Генеральный директор

ANSOFT:

история компании

и опыт применения

в различных отраслях

промышленности

Компания Ansoft была создана сотрудниками

Carnegie Mellon University — Zoltan J. Cendes и

его коллегами. В начале карьеры Dr. Cendes за-

нимался расчетами низкочастотных и электро-

статических полей. Для генерации расчетной

сетки в созданном его командой программном

комплексе Maxwell использовался один из алго-

ритмов построения триангуляции Делоне1

(Delaunay). В 1984 г. Dr. Cendes основал компа-

нию Ansoft, специализирующуюся на решениях

в области электромагнетизма.

В начале 1980-х гг. специалисты Ansoft

проводили исследования высокочастотных мик-

роволновых полей. В результате было введено

понятие «граничный элемент», позволяющее ус-

транить проблему паразитных колебаний при

конечноэлементном моделировании электро-

магнитных приборов. Это позволило использо-

вать метод конечных элементов (FEM) в элект-

ротехнических приложениях. В 1990 г. компания

Ansoft выпустила первую версию HFSS (High-

Frequency Structure Simulator) — специализиро-

ванного программного обеспечения для расчета

электромагнитных характеристик произвольных

трехмерных компонентов и структур. После вы-

хода HFSS и других инструментов для анализа

целостности сигнала и моделирования электро-

механических схем, доходы компании Ansoft вы-

росли на 25%.

В 1990—2000-х гг. компания Ansoft стала

ведущим разработчиком программных комплек-

сов для автоматизации проектирования элект-

роники (EDA). Программные продукты Ansoft

1 Задача построения триангуляции Делоне является одной из базовых в вычислительной геометрии. Она широко использу-ется в машинной графике и в других родственных приложени-ях. Задача построения триангуляции Делоне впервые была поставлена в 1934 г. известным советским математиком Бо-рисом Николаевичем Делоне.

стали широко применяться для создания элект-

ронных моделей устройств мобильной и интер-

нет-связи, компонентов широкополосных сетей,

интегральных схем, печатных плата и электро-

механических устройств. В 2008 г. Dr. Cendes

получил награду от Institute of Electrical and

Electronics Engineers (IEEE) за вклад в развитие

и внедрение ориентированного на пользователя

программного обеспечения для анализа элект-

ромагнитных полей.

Специалисты компании Ansoft являются

экспертами в области схемотехники и системно-

го моделирования. Сегодня продукты Ansoft

применяются для комплексного моделирования

и визуализации электромагнитных полей. Это

позволяет инженерам избежать создания физи-

ческих прототипов, улучшить эксплуатационные

характеристики изделий и существенно сокра-

тить время их выхода на рынок.

Благодаря покупке Ansoft компания ANSYS,

Inc. сможет увеличить эффективность эксплуа-

тации своего программного обеспечения, сни-

зить расходы на проектирование и инженерно-

техническое обеспечение, а также ускорит про-

цесс разработки и появления инновационных

продуктов на рынке.

Продукты Ansoft ориентированы на два

сегмента рынка: электронное оборудование и

электромеханические устройства.

Расчет электронного оборудованияВысокочастотные приложения

Высокочастотные и сверхвысокочастотные при-

ложения доминируют на рынке электроники. В

их число входят высокочастотные компоненты и

схемы, находящиеся в трансмиттерах и прием-

ных частях систем связи, радиолокационных

систем, спутников и мобильных телефонов. В

Mark Ravenstahl, Ansoft Corporation

связи с необходимостью сокращения производс-

твенных затрат на изделие, его размеров, веса и

потребления энергии, разработчики электричес-

ких компонентов и систем должны учитывать

электромагнитные явления при проектировании

изделий. Особенное внимание уделяется слож-

ности конструкции, напряженности электромаг-

нитного поля, паразитным явлениям и взаимо-

действию электронных компонентов. С помощью

программных комплексов Ansoft проводится ве-

рификация всей системы, моделирование элек-

тромагнитных полей «многочиповых» систем и

выделение паразитных явлений.

Анализ целостности сигнала и цепей

питания печатных плат

При разработке серверов, устройств хранения

данных, мультимедийных компьютеров, телеком-

муникационных систем возникает необходимость

перехода на высокоскоростные последователь-

ные шины. Использование таких стандартов, как

XAUI, XFI, Serial ATA, PCI Express, HDMI, и FB-

DIMM, требует увеличения пропускной способ-

ности канала от 3 до 10 Гб в секунду. Это позво-

ляет значительно сократить число проводников и

линий, принадлежащих одной цепи, однако при

этом создаются внутренние радиопомехи между

блоками объединения, линиями передачи и

сквозными межсоединениями в печатных платах.

Большое число выводов микросхемы и высокая

скорость обработки данных приводят к значи-

тельным теплопотерям. Одновременно происхо-

дит уменьшение размеров печатной платы, уве-

личение плотности рассеиваемой мощности и

ужесточение условий к энергопотреблению. В

связи с этим, проводятся расчеты полного волно-

вого электромагнитного поля с построением гео-

метрических моделей. Использование програм-

мных комплексов Ansoft позволяет инженерам

решать подобные задачи, связанные с нарушени-

ем целостности сигнала и цепей питания.

Программные продукты

HFSS (High-Frequency Structure Simulator) — про-

граммный комплекс, основанный на методе ко-

нечных элементов и предназначенный для моде-

лирования высокочастотных структур. Он позво-

ляет выделять паразитные параметры (S, Y, Z),

Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ HFSS ïðè ðàçðàáîòêå ðàäàðîâ äëÿ áåñïèëîòíûõ ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ

Ïðèìåð ìîäåëèðîâàíèÿ ðàçúåìà RJ45

Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ HFSS ïðè ðàçðàáîòêå óñòðîéñòâà äëÿ ïðîâåäåíèÿ ãèïåðòåðìèè

www.ansyssolutions.ru ANSYS Advantage. Русская редакция | 12'2009

визуализировать трехмерные электромагнитные

поля (ближние и дальние), моделировать SPICE-

модели.

Программный комплекс Nexxim, применя-

ется для проектирования интегральных схем и

анализа целостности.

Программный комплекс Ansoft Designer

используется для сквозного проектирования и

моделирования сверхвысокочастотных струк-

тур и имеет динамическую связь с Nexxim,

HFSS и др.

Продукт SIwave применяется при анализе

комплексных печатных плат и корпусов ИС.

Программный комплекс Q3D Extractor обес-

печивает интеграцию всех моделей электромаг-

нитного поля для извлечения трехмерных RLC-

параметров и автоматически генерирует соот-

ветствующие схемы замещения.

Turbo Package Analyzer (TPA) используется

для 2.5D-моделирования электромагнитных яв-

лений в RLC-цепях.

Моделирование электромеханических устройствЭлектромеханические устройства представляют

еще один важный сегмент рынка для програм-

мных продуктов Ansoft. Они используются в ав-

томобильной, аэрокосмической отраслях, в сфе-

ре автоматизации промышленного производс-

тва. Появление программных комплексов для

моделирования электромеханических устройств

было вызвано неэффективностью расчетов, пос-

вященных этим явлениям по отдельности. В сов-

ременных электромеханических программных

комплексах уже на ранних этапах моделирова-

ния учитывается взаимодействие между схема-

ми и компонентами. При внедрении програм-

мных продуктов Ansoft учитывается взаимодейс-

твие между электромеханическими компонента-

ми, электронными цепями и управляющими ло-

гическими схемами. Комплексный подход позво-

ляет учитывать основные физические аспекты

при моделировании компонентов, цепей и логи-

ческих схем.

Программные продукты

Программный комплекс Maxwell предназначен

для электродинамического анализа трехмерных

и двухмерных структур. В пакете присутствуют

функции, позволяющие моделировать движу-

щиеся и вращающиеся элементы электромаг-

нитных систем, двигатели и актуаторы.

Simplorer используется для моделирования

разветвлённых магнитных цепей.

RMxprt представляет собой универсальное

программное обеспечение для проектирования

вращающихся электромашин.

Программный комплекс PExprt применяет-

ся для ускорения процесса проектирования и

оптимизации в технике сильных токов.

Êîíñòðóêöèÿ àïïëèêàòîðà ñ ìàññèâîì ÐÔ-àíòåíí

Òåìïåðàòóðà îïóõîëè ÷åðåç 6 ìèí ïîñëå íà÷àëà ïðîöåäóðû (47°Ñ)

Èíòåðôåéñ ïðîãðàììíîãî êîìïëåêñà RMxprt

Ïðèìåð ìîäåëèðîâàíèÿ ýëåêðîìîòîðà

Сегодня инженеры, работающие в электрон-

ной промышленности, должны постоянно улуч-

шать функциональные характеристики продук-

ции, сокращая при этом размер, вес и потреб-

ление энергии батареей. При этом время про-

ектирования также должно сокращаться, в

связи с усиливающейся глобальной конкурен-

цией.

Многие компании пытаются освоить сра-

зу несколько сегментов рынка электронных из-

делий, в том числе сферу бытовой электрони-

ки, радиоэлектронных средств связи и компью-

терной техники. Кроме того, электронные сис-

темы и электромеханические устройства ак-

тивно применяются в аэрокосмической, авто-

мобильной, энергетической и других отраслях

промышленности. В процессе разработки ин-

новационных изделий многие компании все

чаще обращаются к программным комплексам

ANSYS при проведении прочностных и гидро-

динамических расчетов. Благодаря внедрению

программных продуктов Ansoft портфолио

ANSYS существенно расширилось, в частнос-

ти, это относится к продуктам ANSYS

Multiphysics.

В свою очередь, инженеры-электронщики

смогут по достоинству оценить широкие воз-

можности программных комплексов ANSYS

при проведении расчетов в различных облас-

тях физики. С помощью ANSYS Mechanical мо-

жет проводиться расчет термо-механических

напряжений в полупроводниках, электронных

модулях, печатных платах и замкнутых систе-

мах. Кроме того, инженеры при проведении

модального анализа, изучении ударных нагру-

зок и вибраций могут учитывать нелинейные

явления в конструкции изделия — включая ус-

талость паяных соединений, расслоение и пол-

Интеграция решений

Ansoft в линейку

продуктов ANSYS, Inc.

Fadi Ben Achour, ANSYS, Inc.

Ìîäåëèðîâàíèå óäàðíîãî èñïûòàíèÿ ãðàôè÷åñêîé êàðòû â ANSYS AUTODYN

зучесть. Программный комплекс ANSYS

AUTODYN может использоваться для модели-

рования ударных испытаний с целью оптимиза-

ции рабочих характеристик и надежности из-

делия.

В линейку продуктов ANSYS входят как

специализированные, так и универсальные

CFD-комплексы, используемые для уменьше-

ния размеров изделий и выполнения техничес-

ких требований к продукции. Программный

продукт ANSYS Icepak используется для оцен-

ки температурного состояния электронных уст-

ройств в целом и отдельных узлов в частности.

Он позволяет моделировать все виды теплооб-

мена: естественную и вынужденную конвек-

цию, лучистый теплообмен и теплопровод-

ность. В системах охлаждения CFD-комплексы

используются для акустического анализа, изу-

чения микроканалов, многофазных потоков,

фазовых переходов и др. Кроме того, они при-

меняются в процессе производства полупро-

водников, в частности, при моделировании

процессов травления, фотолитографии, хими-

ческого осаждения из газовой фазы и др.

Технологии Ansoft существенно расширя-

ют спектр возможностей продуктов ANSYS в

области электромагнетизма. Один из популяр-

ных продуктов Ansoft, HFSS, применяется для

трехмерного электродинамического моделиро-

вания СВЧ-устройств, широко используемых в

радарных системах, антеннах, медицинских ус-

тройствах и других беспроводных приборах.

Кроме того, программный комплекс HFSS with

Ansoft 2.5-D (с использованием модулей SIwave

и Turbo Package Analyzer) широко использует-

ся при устранении проблем целостности сигна-

ла. Проведение подобного анализа необходи-

мо при проектировании компонентов и систем

быстродействующих интегральных схем в по-

лупроводниковых приборах, средствах комму-

никации, персональных компьютерах и порта-

тивных приборах. В программном продукте

Ansoft Nexxim интегрированы возможности мо-

делирования СВЧ-устройств и проектирования

интегральных схем.

Использование инструментов Ansoft для

комплексного моделирования электромехани-

ческих систем обеспечивают системный под-

ход к анализу и проведение оптимизации про-

ектируемых устройств. Ansoft Maxwell 3-D —

это программное обеспечение для моделиро-

вания электромагнитных полей, используемое

для проектирования и исследования двумер-

ных и трехмерных моделей электродвигателей,

датчиков, трансформаторов и других электри-

ческих и электромеханических устройств.

Специализированный комплекс Ansoft

Pexprt используется для расчета трансформа-

торов и дросселей, Ansoft RMxprt — для враща-

ющихся электромашин. Продукт Ansoft

Simplorer предназначен для моделирования

высокотехнологичных электромеханических

систем. Таким образом, технологии Ansoft до-

полнят возможности многодисциплинарных,

прочностных и гидродинамических расчетов в

программных комплексах ANSYS.

В результате объединения технологий

ANSYS и Ansoft пользователи получили доступ

к усовершенствованному решателю, сеточно-

му генератору, пре- и постпроцессору, а также

возможностям моделирования на системном и

схемотехническом уровне.

В программных комплексах ANSYS для

прочностных расчетов присутствует возмож-

Òåðìîìåõàíè÷åñêèé àíàëèç BGA-êîðïóñà â ANSYS Mechanical

Ðàñ÷åò ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ ñåòåâîãî ñåðâåðà â ANSYS Icepak

Ìîäåëèðîâàíèå öåëîñòíîñòè ñèãíàëà è öåïåé ïèòàíèÿ â Ansoft Nexxim è Ansoft SIwave

ность автоматического определения типа кон-

такта, они содержат обширные библиотеки мо-

делей материалов и типов элементов (в том

числе и «многодисциплинарные» элементы).

Они позволяют решать как стандартные зада-

чи механики деформируемого твердого тела,

так и задачи неявной динамики.

В CFD-приложениях ANSYS существует

возможность использовать динамические, под-

вижные и деформируемые сетки, моделиро-

вать реагирующие потоки, перемешивание

различных химических компонентов. Кроме

того, в них включены специализированные мо-

дели для вращающихся машин и обширная

библиотека моделей турбулентности. Исполь-

зуя передовые технологии создания расчетных

сеток, в ANSYS можно создавать сетки с ис-

пользованием гексаэдральных, тетраэдраль-

ных, призматических, пирамидальных и других

элементов.

Для автоматического обмена данными

между решателями в ANSYS существуют раз-

личные системы управления данными. При ис-

пользовании ANSYS Workbench появляются

широкие возможности по обмену данными, в

частности, двусторонняя интеграция с MCAD-

пакетами и инструментами для решения задач

оптимизации.

Управление расчетными данными осу-

ществляется с помощью программного продук-

та ANSYS Engineering Knowledge Manager

(EKM), предназначенного для полноценного

решения следующего круга задач: хранения и

управления расчетными данными, учета и ау-

дита данных, поиска и восстановления данных,

генерации отчетов и проведения сравнения

данных, создания базы знаний для типовых ви-

дов расчета и создания системы экспертного

анализа проектных решений.

Использование технологий Ansoft сущест-

венно расширяет сферу применения многодис-

циплинарных решений ANSYS. В частности,

применение программных продуктов Ansoft об-

легчает процесс проектирования гибридных

автомобилей, приобретающих в последние

годы все большую популярность и имеющих

многочисленные электрические системы и

компоненты. В связи с этим, проектировщики

должны учитывать аэродинамические характе-

ристики, работу двигателя, системы охлажде-

ния автомобиля, удобство пассажиров и ре-

зультаты аварийных испытаний. В будущем в

автомобильной промышленности планируется

еще более активное использование электрон-

ных компонентов в системах предотвращения

столкновений, помощи при парковке, навига-

ционных приборах и т. п.

При проектировании автомобильной элек-

троники совместное использование технологий

ANSYS и Ansoft обеспечит проведение разно-

образных многодисциплинарных расчетов в об-

ласти прочности, гидродинамики и электромаг-

нетизма. Использование этих программных

комплексов позволит подробно изучить влия-

ние различных дорожных и погодных условий

на работу автомобиля. В итоге, применение

многодисциплинарного системного подхода по-

может достичь оптимального соотношения

между рабочими характеристиками автомоби-

ля, потреблением горючего, влиянием на окру-

жающую среду и требованиями к безопасно-

сти.

Аналогичный подход применяется к про-

ектированию мобильных телефонов, МР3-пле-

еров и других портативных устройств. При

многодисциплинарном расчете проводится оп-

тимизация тепловых и прочностных парамет-

ров изделия, а также комплексный анализ

электромагнитного излучения антенных сис-

тем. Таким образом, специалисты, работаю-

щие в различных отраслях промышленности,

получат единый подход к процессу моделиро-

вания, обеспечивающий успешную разработку

проекта целиком.

Ñ ïîìîùüþ Ansoft Maxwell ïðîâîäèòñÿ òðåõìåðíûé ýëåêòðîìàãíèòíûé àíàëèç ýëåêòðè÷åñêîãî ìîòîðà

Ïðèìåð ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèå ñèñòåìíîãî óðîâíÿ â Ansoft Simplorer

Технологии ANSYS Icepak позволяют решать

одну из главных проблем электронной промыш-

ленности — обеспечение надежной защиты от-

ветственных узлов от влияния высоких темпера-

турных нагрузок.

ANSYS Icepak позволяет получить распре-

деление тепловых потоков в конструкции, а так-

же рассчитать локальные значения коэффици-

ентов теплоотдачи, скорости и температуры.

Список приложений ANSYS Icepak достаточно

широк. Данный продукт можно использовать как

для моделирования воздушных потоков внутри

корпуса, так и для оценки температурного со-

стояния одиночного процессора или материнс-

кой платы в целом.

Расчетные технологии ANSYS Icepak поз-

воляют на определенных этапах проектирования

отказаться от создания физического прототипа

устройства и заменить натурный эксперимент

численным моделированием.

Интерфейс ANSYS Icepak максимально

ориентирован на инженеров-электронщиков,

имеющих практический опыт использования

ECAD-/MCAD-систем. Для построения расчетной

модели в ANSYS Icepak достаточно выбрать в

меню необходимый компонент (корпус, вентиля-

тор, печатную плату, вентиляционное отверстие,

воздуховод, источник тепла, сопротивление и

пр.) и перетащить его в рабочее окно. В эти ти-

повые объекты заложена информации о геомет-

рических размерах, свойствах материалов и

граничных условиях. Кроме того, данные объек-

ты являются параметрическими, что позволяет

выполнять многовариантные расчеты и оцени-

вать температурное состояние объекта при раз-

личных условиях (нагрузках).

В ANSYS Icepak по умолчанию встроена

расширенная библиотека электронных компо-

нентов различного типа.

Другим достоинством данного пакета явля-

ется возможность работы как с «отраслевыми»

ECAD-/MCAD системами, так и с традиционными

CAD комплексами через промежуточные геомет-

рические форматы IGES и DXF. Импортированная

из ECAD геометрия легко связывается с типовы-

ми объектами ANSYS Icepak, что существенно уп-

рощает процесс создания расчетной модели для

сложных электронных узлов и систем.

В дополнение к этому, ANSYS Icepak содер-

жит специальные макросы (подпрограммы) для

выполнения типовых процедур (например, серти-

фикации/тестирования), что значительно повы-

шает уровень автоматизации данного пакета.

Еще одним достоинством пакета является

возможность генерировать в автоматическом

режиме высококачественные сетки любого типа

(многоблочные и неструктурированные сетки,

декартовые сетки или сетки типа Hexa-Dominant).

Использование

ANSYS Icepak для

регулирования

температурного режима

электронных устройств

Stephen Scampoli, ANSYS, Inc.

Òåìïåðàòóðíîå ñîñòîÿíèå ãðàôè÷åñêîé êàðòû. Ðàñ÷åò âûïîëíåí â ANSYS Icepak

Кроме того, в ANSYS Icepak можно разбить мо-

дель и на тетраэдрические элементы.

При моделировании температурного со-

стояния электронных устройств очень важно

правильно рассчитывать коэффициенты тепло-

отдачи на ограничивающих поверхностях. Для

этого необходимо корректно «разрешать» при-

стеночные области. Алгоритмы ANSYS Icepak

позволяют успешно решать и эту задачу. Кроме

того, пользователь может вручную определять

размеры элементов в определенных областях, а

также группировать отдельные компоненты сис-

темы в сборку и разбивать созданные сборки

независимо друг от друга.

Расчетные возможности ANSYS Icepak ба-

зируются на решателе ANSYS Fluent. Расчеты

могут быть выполнены как в стационарной, так и

в нестационарной постановке. Учитываются все

виды теплообмена: кондуктивный (теплопровод-

ность), конвективный (естественная и вынуж-

денная конвекция).

Не существует никаких ограничений на тип

расчетной сетки (структурированная или

неструктурированная) и на размерность задачи.

Таким образом, можно моделировать не только

отдельные компоненты электронного устройс-

тва, но и большие сборки.

ANSYS Icepak содержит расширенный на-

бор математических моделей для описания са-

мых разнообразных физических процессов, ко-

торые позволяют проводить так называемое

многодисциплинарное моделирование.

ANSYS Icepak обладает разнообразными

средствами для визуализации и количественно-

го анализа результатов расчета: векторы скоро-

стей, контурная заливка, траектории частиц,

подвижные плоскости, изоповерхности. Можно

визуализировать электрический потенциал, за-

вихренность, а также получить осредненные

(или локальные) характеристики для скорости,

температуры, коэффициента теплоотдачи и пр.

Кроме того, результаты расчета можно

оформить в виде отчета и сохранить в формате

HTML. Поддерживается экспорт результатов в

Autotherm, NASTRAN®, PATRAN® и I-DEAS®.

ANSYS Icepak прекрасно взаимодействует

с отдельными продуктами ANSYS, например,

SIwave и ANSYS Mechanical. Это позволяет ис-

пользовать данный комплекс не только для ре-

шения узкоспециализированных задач, ограни-

ченных, в основном, расчетом температурного

состояния электронных устройств, но и для вы-

полнения связанных расчетов, которые включа-

ют расчет температурных деформаций, расчет

электрических характеристик (статических и ди-

намических) и пр. Например, пользователь мо-

жет импортировать в ANSYS Icepak распределе-

ние токов питания из SIwave. Программный ком-

плекс SIwave позволяет получить частотно-зави-

симые модели схем распределения питания

электронного устройства, например, микросхе-

мы, и использовать эти данные для последую-

щей оценки температурного состояния микро-

схемы.

Кроме того, полученное температурное

поле можно передать из ANSYS Icepak в ANSYS

Mechanical для расчета термонапряженного со-

стояния конструкции.

В заключение отметим, что любое совре-

менное электронное устройство или электрон-

ный компонент, имеют очень сложную структу-

ру, в них часто применяются нетрадиционные

материалы, для которых характерен большой

разброс механических и тепловых свойств. Кро-

ме того, электронное устройство всегда подвер-

гается значительным температурным нагрузкам

как на стадии производства, так и в период экс-

плуатации. Эти свойства и воздействие темпе-

ратуры могут привести к появлению нежела-

тельных температурных напряжений, которые в

результате длительной эксплуатации могут при-

вести к отказу оборудования. Программный

комплекс ANSYS Icepak совместно c ANSYS

Mechanical позволяет оценить влияние всех ти-

пов нагрузок на эксплуатационные характерис-

тики электронного устройства и вовремя внести

исправления в его конструкцию.

Îöåíêà òåìïåðàòóðíîãî ñîñòîÿíèÿ ñåòåâîãî ñåðâåðà â ANSYS Icepak

Ðàñïðåäåëåíèå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà ïî òîêîâûì äîðîæêàì ïå÷àòíîé ïëàòû

В быстро меняющемся мире электронной про-

мышленности разработчики стараются закла-

дывать все больше возможностей во все более

миниатюрные изделия, такие как сотовые теле-

фоны, карманные и портативные компьютеры.

Кроме того, электроника все больше вторгается

в сферу чисто механических приложений. Это

накладывает ограничения на системы воздуш-

ного охлаждения, которые призваны защищать

чувствительные элементы от значительных тем-

пературных нагрузок. В электронной индустрии

всегда существовал лимит времени на выполне-

ние разного рода моделирования механических,

тепловых и электрических процессов в элект-

ронных устройствах. С другой стороны, требует-

ся выпускать качественные электронные изде-

лия за короткие сроки, соответственно, ошибки

абсолютно недопустимы.

ANSYS предлагает пользователям эффек-

тивные инструменты для проектирования сис-

тем охлаждения электронных устройств и для

анализа их температурного состояния.

Анализ температурного состоянияЭлектронную промышленность условно можно

разделить на четыре направления: производс-

тво микросхем, компонентов, печатных плат и

систем. В микросхеме содержатся активные

цепи, которые и выделяют большую часть тепла.

Обычно микросхемы изготовляют из кремния,

арсенида (GaAs) или нитрида галлия. Активные

элементы микросхемы могут быть менее микро-

на. Многие компании используют возможности

программного обеспечения ANSYS TAS1 для мо-

делирования тепловых процессов в усилителях

мощности на базе арсенида галлия. Вся микро-

схема создается автоматически, а детали про-

1 В 2005 году компания ANSYS, Inc. получила доступ к специ-ализированным решениям компании Harvard Thermal Inc., предназначенным для анализа температурного состояния электронных устройств. После поглощения компании, все ее продукты были переименованы и получили следующие назва-ния: ANSYS TASPCB, ANSYS PTD и т. д. Процесс интеграции новых продуктов в в линейку «Electronics» ANSYS продолжал-ся 4 года. На данный момент в 12-м релизе все возможности продуктов Harvard Thermal Inc. реализованы в программном комплексе ANSYS Icepak. Кроме того, в 12-м релизе произош-ло объединение программных продуктов ANSYS Icepak, ANSYS Iceboard и ANSYS Icechip. В настоящей статье сохра-нены оригинальные названия продуктов.

рабатываются на субмикронном уровне. Обычно

расчет занимает менее одной минуты.

Моделирование электронных компонентовДля теплового моделирования электронных

компонентов ANSYS предлагает ANSYS PTD —

специализированный пакет для анализа темпе-

ратурного состояния электронных изделий. При

работе с элементами, имеющими контактную

группу в виде матрицы шариков (BGA-корпус),

программа ANSYS PTD напрямую взаимодейс-

твует с комплексами Cadence® APD и Sigrity®

UPD — специализированными ECAD-пакетами,

которые традиционно используются при работе

с подобными электронными компонентами.

Все детали конструкции импортируются

напрямую из ECAD-пакетов, поэтому пользова-

телю необходимо задавать минимум данных.

Как правило, трехмерную модель можно авто-

матически создать и моделировать за несколько

минут.

ANSYS PTD позволяет моделировать лю-

бые конструкции корпусов, включая BGA, мно-

гокристальные интегральные схемы, корпусы с

проволочными выводами и безвыводные. Мож-

но также работать с устройствами, смонтиро-

ванными по схеме «корпус-на-корпусе» (PoP)

или «корпус-в-корпусе» (PiP).

Кроме того, отдельные объекты, например,

рамки с выводами, можно импортировать пос-

редством промежуточных форматов DXF и DWG.

Òåìïåðàòóðíîå ñîñòîÿíèå ÷åòûðåõ ýëåìåíòîâ â êîðïóñå BGA (ñìîíòèðîâàííûõ îäèí ïîâåðõ äðóãîãî), ïîëó÷åííîå ñ ïîìîùüþ ANSYS PTD.

Анализ температурного

состояния электронных

узлов в ANSYS

Благодаря простоте в использовании, пря-

мым интерфейсам с ECAD-/MCAD-пакетами,

быстрой обработке геометрических данных и эф-

фективным решателям, то, что раньше занимало

дни, теперь может быть выполнено за минуты.

Исследования печатных платНа уровне печатных плат предлагается техноло-

гия ANSYS TASPCB. Как и ANSYS PTD, ANSYS

TASPCB обладает интерфейсами с ECAD-/MCAD-

системами, которые применяются при проекти-

ровании этих устройств. В программную среду

ANSYS TASPCB импортируется каждый слой,

дорожка, плоскость и отверстие платы.

Размеры электронных компонентов посто-

янно уменьшаются, количество элементов, на-

оборот, растет. В современной печатной плате

может быть от 20 до 40 слоев, а также десятки

тысяч дорожек и отверстий. Поэтому на первый

план выходит расчет локальных характеристик

потока, а не осредненных величин.

ANSYS TASPCB выполняет расчет для каж-

дого компонента, используя автоматически сге-

нерированную трехмерную модель платы. По

мере роста рассеиваемой мощности на плате и

уменьшения рабочих напряжений, возрастают

токи, которые проходят через плоскости и дорож-

ки. Это приводит к потерям напряжения на до-

рожках и плоскостях, а также увеличению тепло-

выделения. ANSYS TASPCB позволяет рассчи-

тать это падение напряжения и автоматически

учитывает дополнительные тепловыделения.

Кром того, ANSYS TASPCB учитывает рост со-

противления меди при увеличении температуры.

Трехмерные модели, созданные в програм-

мных комплексах ANSYS TAS, ANSYS TASPCB и

ANSYS PTD, могут быть экспортированы в среду

ANSYS Workbench или ANSYS Mechanical. Кро-

ме геометрической информации передаются

данные о распределении температуры в уст-

ройстве, что позволяет проводить анализ термо-

напряженного состояния конструкции.

Упрощенная модель платы, созданная в

ANSYS TASPCB, так же может быть передана в

расчетный комплекс Icepak — специализирован-

ный пакет для расчета систем охлаждения элек-

тронных устройств. Данный комплекс был раз-

работан компанией Fluent, Inc. В 2005 году

ANSYS, Inc. приобрела компанию Fluent, Inc.,

программный комплекс Icepak был переимено-

ван в ANSYS Icepak и включен в линейку специ-

ализированных решений ANSYS.

Проектирование на системном уровне и оптимизацияПрограммный комплекс ANSYS Icepak является

интерактивной, объектно-ориентированной сре-

дой для проведения теплового анализа и оптими-

зации объектов на системном уровне. Комплекс

содержит расширенную библиотеку электронных

компонентов, которые являются параметризо-

ванными. Схема размещения этих компонентов

также является параметрическим объектом. Воз-

можна работа с объектами, имеющими сложную

геометрию. При необходимости можно осущест-

влять непосредственный импорт геометрии из

таких CAD-пакетов, как ProEngineer®, или из

ECAD-систем, например Cadence, Mentor®.

Ïðèìåð âçàèìîäåéñòâèÿ ANSYS Icepak è SIwave: à — ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè ìîùíîñòè â ïå÷àòíîé ïëàòå, ïîëó÷åííîå ñ ïîìîùüþ SIwave; á — èìïîðò äàííûõ â Icepak; c — òåìïåðàòóðíîå ïîëå, ïîëó÷åííîå â Icepak

Используя стандартные модели объектов,

таких как радиаторы, корпуса интегральных

микросхем, печатные платы, вентиляторы и на-

гнетатели, пользователь может быстро постро-

ить виртуальный прототип системы. Иногда это

удается сделать даже раньше, чем проект будет

передан в CAD-пакет.

Наличие в ANSYS Icepak множества физи-

ческих моделей, например, турбулентности, кон-

тактного сопротивления, излучения и др., выво-

дят данный комплекс на передовые рубежи мо-

делирования температурного состояния слож-

ных электронных устройств.

Кроме того, ANSYS Icepak позволяет заме-

нять сложные модели интегральных схем экви-

валентными моделями RC-цепей.

Построение сеток на уровне сборочных еди-

ниц позволяет включать подробные характерис-

тики на уровне систем, с сохранением компакт-

ности моделей и сокращением времени расчета.

Решатель ANSYS Icepak использует все преиму-

щества расчетных технологий ANSYS Fluent.

Оценка конструкций корпусов ИСПрограммный комплекс ANSYS Icemax предна-

значен для выделения паразитных элементов

при анализе корпусов сложных интегральных

схем (ИС).

Рост плотности цепей и транзисторов при-

водит к перекрестным помехам и нарушению

целостности сигнала, что затрудняет анализ

корпусов ИС традиционными методами.

Пользовательский интерфейс ANSYS

Icemax достаточно прост. Он позволяет устранить

главную проблему, возникающую в процессе

построения модели, благодаря совместимости со

всеми специализированными ECAD-системами.

Полная трехмерная модель создается за считан-

ные минуты на основе топологических данных,

соответствующих отраслевым стандартам. Для

этого применяются сверхбыстрые алгоритмы об-

работки геометрических данных. Таким образом,

процесс расчета включает такие этапы, как им-

порт геометрии, содержащей всю необходимую

информацию о слоях, задание свойств материа-

лов и определение дополнительной информации,

относящееся к контактам и соединениям. Вся

последовательность действий реализована в

виде специального интерфейса, выполненного в

стиле программы-мастера. С его помощью поль-

зователь проходит все этапы определения трех-

мерной геометрии корпуса. От пользователя тре-

буется всего лишь указать рабочую частоту, цепь

(или весь блок) и число соседних элементов, ко-

торые должны быть включены в модель.

Изучение электромагнитной совместимостиПрограммный комплекс ANSYS Icewave исполь-

зуется для анализа помех и электромагнитной

совместимости электронных изделий. В ANSYS

Icewave используется надежный и устойчивый

нестационарный решатель, основанный на мето-

де конечных разностей. Он позволяет решать

сложные проблемы, связанные с излучением и

распространением электромагнитных волн. Зада-

чи, связанные с этими вопросами, становятся все

более актуальными в связи с ужесточением норм,

регулирующих электромагнитное излучение.

Явления, относящиеся к перекрестным по-

мехам, наблюдаются в том случае, когда элект-

ромагнитное излучение одного устройства взаи-

модействует с другим. Кроме того, охлаждаю-

щие устройства, например, радиаторы, решаю-

щие тепловые проблемы на уровне блоков, мо-

гут выступать в роли антенн и, соответственно,

усложнять решение проблемы минимизации

вредного электромагнитного излучения.

ANSYS Icewave обладает теми же возмож-

ностями по работе с CAD-системами, что и

ANSYS Icepak. Комплекс содержит готовый на-

бор геометрических примитивов и встроенный

сеточный генератор. Можно также моделиро-

вать сложные свойства материалов, такие как

рассеивание в диэлектриках и частотно-зависи-

мые поверхностные эффекты у проводников.

Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ Icemax äëÿ ïîëó÷åíèÿ ÷àñòîòíîçàâèñèìîé SPICE-ìîäåëè ÈÑ

В последние годы, в связи с увеличением стои-

мости топлива и усилением экологических про-

блем, все больше стран показывают заинтере-

сованность в разработке альтернативных техно-

логий получения энергии. Одним из наиболее

перспективных направлений является развитие

энергетических установок, использующих ре-

сурсы волновой энергии.

Эта идея занимала умы ученых в течение

многих столетий, но только теперь существую-

щая материально-техническая база позволила

воплотить проекты в жизнь. Для массового про-

изводства и внедрения эффективных, надежных

и экономичных энергоустановок, использующих

ресурсы волновой энергии, необходимо преодо-

леть серьезные технические проблемы. Компа-

ния Green Ocean Energy успешно решает зада-

чи, связанные с работой подобных энергоуста-

новок, с помощью программных комплексов

ANSYS. Для гидродинамического анализа рабо-

ты волн используется ANSYS AQWA, для расче-

та напряженно-деформированного состояния

конструкций — ANSYS DesignSpace.

Инженеры компании используют техноло-

гии компьютерного моделирования при разра-

ботке плавучей энергетической установки Ocean

Treader, которую планируется поставить на

якорь в открытом море, в пяти километрах от бе-

рега, где активность волн достаточно высока.

Установка имеет 20-метровые стальные поплав-

ковые рычаги, расположенные на поплавках

(компонентах, обеспечивающих плавучесть

средства), изготовленных из армированного

композиционного пластика. Вследствие воз-

действия волн на поплавковые рычаги, гидрав-

лические цилиндры вращают генераторы, выра-

батывающие электрический ток, который посту-

пает на берег по подводным кабелям. Мощность

подобной установки — 500 кВт — является до-

статочной для электрификации 125 домов; соот-

ветственно, мощность 30 установок составляет

15 МВт.

Основная задача для инженеров — обес-

печить прочность конструкции с учетом ограни-

чений по ее весу. При расчетном сроке эксплуа-

тации 25 лет, энергетические установки должны

размещаться в северных водах Атлантического

океана, где высота волн при штормовом ветре

может достигать 9 метров. Вместе с тем, эле-

менты конструкции должны быть достаточно

легковесными для обеспечения плавучести.

Использование программного обеспечения

ANSYS стало ключевым звеном в решении дан-

ных задач. С помощью программного комплекса

ANSYS AQWA специалисты Green Ocean Energy

определяли отклик конструкции на воздействие

волн. Сначала на основе геометрии компонен-

тов была создана гидродинамическая модель

погруженной части конструкции; при построении

модели учитывались плотность и инерционные

свойства конструкции. Кроме того, принимались

во внимание характеристики волн — высота и

частота волн, полученные в ходе измерений,

проведенных в выбранной акватории.

На основании входных данных, с помощью

ANSYS AQWA были получены следующие гид-

родинамические параметры:

Использование ANSYS при

разработке альтернативных

технологий получения

энергии

George Smith,Tamas Bodai, Green Ocean Energy Ltd, Абердин, Шотландия

Ïëàâó÷àÿ ýíåðãåòè÷åñêàÿ óñòàíîâêà Ocean Treader

• Диффракционная сила, учитывающая де-

формацию волн при взаимодействии с

объектами.

• Сила Фруда — Крылова, полученная из

поля давлений волн на конструкцию.

• Гидродинамическое демпфирование

вследствие излучения волн, вызванного

движением конструкции и диссипацией

энергии.

• Присоединенная масса конструкции

вследствие движения окружающей воды

вместе с колеблющимся телом.

• Гидростатическая жесткость и плавучесть.

Гидродинамические параметры были вклю-

чены в собственный код, разработанный специ-

алистами Green Ocean Energy для определения

кинематического отклика и мощности установки

на выходе. Используя данные мощности на вы-

ходе для различных размеров компонентов

(длина поплавкового рычага, форма поплавков),

инженеры смогли получить оптимальные харак-

теристики для основных элементов конструк-

ции.

Модель для расчета распределения напря-

жений и деформации компонентов была быстро

создана благодаря интеграции с Autodesk®

Inventor®: геометрия автоматически экспортиру-

ется из CAD в ANSYS с помощью прямого интер-

фейса Geometry Interface for Inventor/MDT. Со-

здание расчетных сеток значительно упрости-

лось благодаря использованию контактных эле-

ментов «поверхность-в-поверхность», которые

автоматически определяют области контакта

соприкасающихся деталей. В связи с наличием

деталей, изготовленных из нескольких материа-

лов, задавались различные свойства материа-

лов, включая анизотропные свойства деталей,

изготовленных из армированного композицион-

ного пластика.

После завершения первого цикла расчетов

в ANSYS DesignSpace, благодаря прямому ин-

терфейсу с CAD-системами, инженеры легко

внесли изменения в проект и смогли сразу же

провести новый цикл расчетов с учетом изме-

ненной геометрии, без повторного задания на-

грузок и граничных условий. Инженеры Green

Ocean Energy провели ряд расчетов с целью

уменьшения концентрации напряжения за счет

увеличения или уменьшения количества мате-

риала в соответствующих местах.

Программный комплекс ANSYS

DesignSpace инженеры использовали, чтобы

уменьшить вес всей конструкции, а также убе-

диться, что каждая деталь может выдержать

весь спектр ожидаемых волновых нагрузок в

течение длительного времени. Использование

технологий ANSYS сыграло ключевую роль при

определении оптимального соотношения мас-

сы, момента инерции и центра тяжести конс-

трукции, таким образом, поплавковые рычаги

будут оптимально реагировать на волновое

воздействие.

В настоящее время специалисты Green

Ocean Energy разрабатывают точную модель

прототипа установки Ocean Treader, проводят-

ся эксперименты в испытательном бассейне.

Поскольку уже сейчас поступают многочислен-

ные запросы от различных энергетических

компаний, в будущем планируется создавать

модели для серийного производства — с ис-

пользованием хорошо зарекомендовавших

себя программных комплексов ANSYS. Кроме

того, планируется проведение полного анализа

окончательного варианта проекта с использо-

ванием программного обеспечения ANSYS

Mechanical.

В процессе разработки сложных изделий,

когда необходимо учитывать множество пере-

менных, проведение стандартных гидродинами-

ческих расчетов может оказаться неэффектив-

ным. Процесс может затянуться, и детальность

результатов не будет достаточной для глубокого

понимания процессов, происходящих в объек-

тах, подверженных суровым климатическим ус-

ловиям. Кроме того, создание одного прототипа

подобной установки может стоить более $3 млн.

и требовать многих месяцев для доработки. Для

соответствия жестким техническим нормам, вы-

полнения сроков изготовления и поставленных

бизнес-целей, инженеры Green Ocean Energy ис-

пользуют возможности создания виртуальных

прототипов с помощью технологий ANSYS, что

позволит сократить затраты на производство

энергетических установок.

Ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ ANSYS DesignSpace èñïîëüçîâàëñÿ äëÿ ðàñ÷åòà ïîëÿ íàïðÿæåíèé â ïîïëàâêîâîì ðû÷àãå óñòàíîâêè Ocean Treader (ââåðõó) è ïîëÿ äåôîðìàöèè êîíñòðóêöèè ðàñïðåäåëèòåëüíîé áàëêè (âíèçó)

Модернизированные катапультируемые кресла

ACES II считаются наиболее эффектными ава-

рийно-спасательными устройствами в ВВС

США. С 1976 года, момента появления, благода-

ря их использованию было спасено более 450

жизней. В данный момент более 8000 кресел

ACES II используется в самолетах F-15, F-16, B-

1B, B-2, A-10, F-117 и F-22. Взяв за основу конс-

трукцию ACES II, специалисты компаний Goodrich

Aircraft Interiors и Concurrent Technologies

Corporation (CTC), решили совместно разрабо-

тать модель нового поколения кресел ACES 5

для F-35 Joint Strike Fighter (JSF). По их мнению,

новое катапультируемое кресло должно быть

более безопасным, легким и интегрированным в

кабину пилота. Однако главной задачей было

разработать и изготовить новую модель за срок

менее 14 месяцев.

Наличие параметрической связи между

ANSYS Workbench и Pro/ENGINEER стало ре-

шающим фактором успешной разработки про-

екта, соответствующего всем техническим тре-

бованиям и нормам при работе в сжатые сроки.

Инженеры CTC могли быстро вносить измене-

ния для проведения многовариантных расче-

тов. Таким образом, использование компью-

терного моделирования помогло оптимизиро-

вать конструкцию кресла на ранних этапах раз-

работки.

Разработка новой

концепции

катапультирования

с применением ANSYS

Автор Park O. Cover, Jr., ведущий инженер-механик,

Concurrent Technologies Corporation, Пенсильвания, США

Êàòàïóëüòèðóåìûå êðåñëà èñïîëüçóþòñÿ â âîåííûõ ñàìîëåòàõ â ÷ðåçâû÷àéíîé ñèòóàöèè. Âçðûâíîé çàðÿä èëè ðàêåòíûé äâèãàòåëü âûòàëêèâàåò ñèäåíèå èç ñàìîëåòà âìåñòå ñ ïèëîòîì. Âïîñëåäñòâèè â âîçäóõå ðàñêðûâàåòñÿ ïàðàøþò

ACES 5 — óëó÷øåííàÿ ìîäåëü êàòàïóëüòèðóåìîãî êðåñëà äëÿ F-35 JSF

Расчет проводился в три этапа. На пер-

вом этапе инженеры были заняты разработкой

концепции нового изделия. Задача состояла в

создании конструкции, соответствующей всем

эксплутационным требованиям. Компьютерное

моделирование использовалось для проверки

и устранения ошибок, а также для определения

оптимального веса конструкции. Функциональ-

ные характеристики и нормы техники безопас-

ности использовались согласно спецификации

Ìîäåëü ACES 5 êðåñëà Pro/ENGINEER è ñîîòâåòñòâóþùàÿ ìîäåëü ANSYS Workbench ñ ïðèëîæåííûìè íàãðóçêàìè

Ïîëÿ íàïðÿæåíèé äëÿ ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ ÷àøåê êðåñëà ACES 5.Ðàñ÷åò 1: ×àøêà 0.95 êã Ðàñ÷åò 2: ×àøêà 1.36 êã Ðàñ÷åò 6: ×àøêà 1.24 êã Ðàñ÷åò 2: ×àøêà 1.27 êã

катапультируемого кресла JSF (производитель

Lockheed Martin). Для сокращения времени

простоя транспортного средства при техобслу-

живании и ремонте, конструкция нового кресла

позволяла легко его извлекать из самолета.

Катапультируемое кресло состоит из спинки,

чашки, парашюта, аварийного комплекта и мо-

дуля закрепления. При сборке благодаря ис-

пользованию обработанных деталей вместо

компонентов, изготовленных из листового же-

леза, сократилась стоимость монтажа и коли-

чество используемых деталей. Производилась

проверка конструкции на выдерживаемые на-

грузки, например, при катапультировании из са-

молета, движущегося со скоростью 1200 км/ч,

учитывались нагрузки на парашют и нагрузки,

возникающие при авиационной катастрофе.

Также на первом этапе в процессе моде-

лирования производилась оценка прочности

отдельных деталей предварительного проекта

кресла. Поля напряжений для чашек кресел

различной конструкции показывают, как порыв

ветра воздействует на ноги пилота, находяще-

гося в кресле во время катапультирования. Не-

обходимо максимально уменьшить воздейс-

твие ветра, иначе человек может получить се-

рьезные травмы. Команда инженеров с помо-

щью среды ANSYS Workbench исследовала

поведение конструкции при катапультировании

и авиакатастрофе. Проведение вариантных

расчетов в среде ANSYS Workbench реализо-

вано очень удобно: достаточно один раз на-

строить все этапы расчета, после чего любые

изменения в CAD-геометрии будут автомати-

чески обновлять все этапы расчета.

На втором этапе расчетов специалисты

CTC создали общую модель катапультируемо-

го кресла. Анализ конструкции в целом наибо-

лее реалистично показал, как будет вести себя

конструкция при нагружении. Для подготовки

модели, CAD-геометрия экспортировалась в

ANSYS DesignModeler, где существует возмож-

ность упрощения геометрии (defeaturing), на-

пример, удаление заклепочных отверстий.

Кроме того, некоторые трехмерные компонен-

ты были преобразованы в оболочечные эле-

менты с помощью автоматической технологии

построения серединных поверхностей. Благо-

даря быстроте всей процедуры, специалисты

смогли оценить несколько вариантов конструк-

ции кресла.

В общей модели были заданы свойства

материалов, граничные условия и прилагаемые

нагрузки. Для каждой поверхности заклепки

Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà âñåé êîíñòðóêöèè

Íàãðóçêè íà ñèäåíèå ïðè êàòàïóëüòèðîâàíèè èç ñàìîëåòà, äâèãàþùåãîñÿ ñî ñêîðîñòüþ 1200 êì/÷

Íàãðóçêè, ïîëó÷åííûå â ðåçóëüòàòå ñòàòè÷åñêîãî àíàëèçà êîíñòðóêöèè ñèäåíèÿ ïðè êàòàïóëüòèðîâàíèè èç ñàìîëåòà, äâèãàþùåãîñÿ ñî ñêîðîñòüþ 1200 êì/÷

были описаны области контакта. Таким образом,

можно было определить необходимое количест-

во заклепок для каждого соединения. С помо-

щью точечных масс описывались такие компо-

ненты, как парашют и аварийный комплект.

При построении сетки использовалась

технология hex-dominant, размер элементов —

0.125. Один линейный статический анализ НДС

занимал менее 30 минут с использованием

прямого решателя, доступного в ANSYS

Workbench. Благодаря малому времени расче-

тов, инженеры смогли быстро рассчитать и

оценить несколько вариантов проекта.

Нагрузки, действующие на кресло, по

своей природе, очень динамичны, причем си-

дение во время использования подвергается

таким нагрузкам только один раз. Поскольку

для основной модели использовались стати-

ческие расчеты без учета нелинейных свойств

материалов, были обнаружены области, в ко-

торых предельное напряжение материала пре-

вышало норму. Эти участки с повышенной кон-

центрацией напряжений стали предметом изу-

чения на третьем этапе расчетов.

Для создания подмоделей использовался

программный комплекс ANSYS DesignModeler.

Инженеры CTC использовали стандартные ко-

манды и процедуры в среде ANSYS Workbench,

с помощью которых перемещения основной мо-

дели интерполировались на внешние границы

субмодели. В результате были выявлены об-

ласти с постоянной деформацией, но при этом

предельного напряжения материала не наблю-

далось. Кроме того, благодаря использованию

более мелкой сетки, были получены более точ-

ные результаты напряжений. Чтобы удостове-

риться в нормальном функционировании конс-

трукции в экстремальных условиях, была про-

ведена проверка 30 областей повышенного

риска с использованием данной методики.

Спустя 10 месяцев после начала процес-

са разработки, были созданы 5 прототипов для

испытаний. Первое испытание кресла ACES 5

F-35 JSF было произведено через 14 месяцев

после начала разработки — и с первой же по-

пытки прошло удачно. Подобный успех стал

возможен благодаря совместной работе спе-

циалистов Goodrich и CTC, которые использо-

вали программные средства для компьютерно-

го моделирования.

Îáëàñòü áîëüøîãî íàãðóæåíèÿ (óâåëè÷åíî)

Ïîäìîäåëü îáëàñòåé áîëüøîãî íàïðÿæåíèÿ â ANSYS DesignModeler. Âíåøíèå ãðàíèöû ïîêàçàíû êðàñíûì

Èñïîëüçîâàíèå ïîäìîäåëåé îáåñïå÷èëî áîëåå òî÷íûå ïîëÿ íàïðÿæåíèé ïî ñðàâíåíèþ ñ îáùåé ñòàòè÷åñêîé ìîäåëüþ

Cтатья носит обзорный характер и

знакомит читателей с возможностями

ANSYS для решения широкого класса

задач усталостной долговечности конс-

трукций в новом модуле ANSYS nCode

DesignLife 5.1 в составе расчетного ком-

плекса ANSYS Workbench.

Решение ANSYS nCode DesignLife пред-

ставляет собой профессиональный инструмент

для расчета усталостной долговечности, интег-

рированный в ANSYS Workbench 11.0 SP1. Ре-

зультаты и база данных по материалам, со-

зданные расчетными средствами ANSYS

Workbench, теперь напрямую передаются в мо-

дуль ANSYS DesignLife. Это обеспечивает про-

стую в применении и мощную комбинацию рас-

четных средств для анализа усталостной дол-

говечности в ANSYS.

ANSYS DesignLife объединяет профессио-

нальный CAE-расчет и инструмент обработки

усталостных характеристик конструкции в пре-

делах простого в использовании графического

интерфейса ANSYS Workbench. Кроме того,

возможности ANSYS DesignLife по расчету ус-

талостной долговечности в зависимости от

уровня напряжений (stress-life) и деформаций

(strain-life), расширяют применение этого про-

дукта для решения таких задач, как точечная и

шовная сварка, анализ работы вибростендов и

другого оборудования.

ANSYS DesignLife эффективно работает с

конечно-элементными моделями больших раз-

мерностей. Это очень гибкий в конфигурирова-

нии продукт для экспертных задач с поддержкой

скриптов Python для создания новых или совер-

шенствования существующих методик оценки

усталостной долговечности конструкций.

Семейство продуктов ANSYS nCode DesignLife 5.1.ANSYS nCode DesignLife Standard — основ-

ной продукт для решения задач усталостной

долговечности. Включает методы оценки в за-

висимости от уровня напряжений (stress-life),

деформаций и метод Dang Van.

ANSYS nCode DesignLife Vibration — до-

полнительные возможности комплекса для

анализа усталостной долговечности при виб-

рационном нагружении конструкции. Модели-

рует синусоидальные и случайные (PSD) на-

грузки.

ANSYS nCode DesignLife Accelerated

Testing — пакет обработки сигналов в допол-

нение к возможностям анализа вибрационного

нагружения конструкции. Возможность обра-

ботки виртуальных и физических вибрацион-

ных экспериментов.

ANSYS nCode DesignLife Welds — ана-

лиз усталостной долговечности конструкций,

содержащих шовные или точечные сварные

элементы.

ANSYS nCode DesignLife Parallelization —

модуль для поддержки распределенных вычис-

лений. В ANSYS DesignLife лицензируется каж-

дое отдельное ядро. Лицензия на одно ядро

(процесс) включена в базовый модуль.

Решение задач усталостной

долговечности в модуле

ANSYS nCode Design Life 5.1.

Кабанов Юрий, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Èíòåðôåéñ ìîäóëÿ ANSYS DesignLife Vibration

Возможности стандартного пакета ANSYS DesignLife Анализ усталостной долговечности

в зависимости от уровня напряжений

(Stress Life)

Анализ усталостной долговечности конструкции в

зависимости от уровня напряжений. Имеется воз-

можность интерполяции между кривыми свойств

материала в зависимости от температуры. Можно

применять скрипты Python для создания новых

или усовершенствования имеющихся методов

оценки усталостной долговечности. Предвари-

тельное решение кривых многоцикловой усталос-

ти с контролем номинальных напряжений.

Модели материалов:

• Standard SN;

• SN Mean multi-curve;

• SN R-ratio multi-curve;

• SN Haigh multi-curve;

• SN Temperature multi-curve;

• Bastenaire SN;

• Типовые модели SN на основе скриптов

Python.

Коррекция средних напряжений цикла:

• FKM Guidelines;

• Goodman;

• Gerber.

Коррекция градиента напряжений:

• FKM Guidelines;

• Пользовательская модель.

Анализ усталостной долговечности в зависимости от уровня деформаций (Strain Life)Возможность предсказания усталостной долго-

вечности на основе анализа локальных дефор-

маций в конструкции. Возможность интерполя-

ции между кривыми свойств материала в зави-

симости от температуры. Применяется для ши-

рокого круга задач, включая малоцикловую ус-

талость с контролем упруго-пластических де-

формаций.

Модели материалов:

• Standard EN;

• EN Mean multi-curve;

• EN R-ratio multi-curve;

• EN Temperature multi-curve.

Коррекция средних напряжений в цикле:

• Morrow;

• Smith Watson Topper.

Коррекция пластичности:

• Neuber;

• Hoffman-Seeger.

Оценка многоосевого нагружения:

• Biaxial;

• 3D Multiaxial;

• Auto-correction.

Решатель Dang Van

Возможность нахождения запасов прочности по

Dang Van. Критерий Dang Van — метод предска-

зания предельного срока службы конструкции,

испытывающей сложное разноплановое нагру-

жение. Результаты расчета всегда выводятся в

виде запасов прочности, но не в виде усталост-

ной долговечности. Параметры материала вы-

числяются на основе испытаний образцов на

растяжение и кручение. Данный решатель под-

ходит для задач, таких как анализ усталостной

долговечности двигателей, железнодорожного

подвижного состава, где присутствует очень

большое число циклов нагружения.

Поддерживаемые платформы

Ïëàòôîðìà Ïðîöåññîð ÎÑ

Windows (64-bit) x64 Windows XP 64, Vista 64

Windows (32-bit) x86 Windows XP, Vista

Ïðèìåð çàäàíèÿ ñâîéñòâ ìàòåðèàëîâ â ANSYS Workbench

В статье приводятся результаты иссле-

дования напряженно-деформированного

состояния элементов конструкции сва-

ебойного трубчатого дизель-молота в

процессе забивания сваи в грунт. Иссле-

дование выполнено методом компьютер-

ного моделирования с использованием

программно-вычислительного комплекса

ANSYS LS-DYNA.

ВведениеНеобходимость повышения производитель ности

и эффективности всех видов строительных ра-

бот отра жается и на требованиях к сваебойным

молотам. Дизель-молоты предназначены для за-

бивки в грунт свай массой 1.2–10 т при темпера-

туре окружающей среды от –40 °С до +40 °С.

Однако возможности дальнейшего повышения

эффективности молота путем увеличения энер-

гии удара для молота с регламентиро ванной

массой ударной части практически исчерпаны.

Даль нейшее повышение энергии удара возмож-

но путем увеличения скорости ударной части в

момент удара (что ограничивается прочностью

забиваемой сваи) или путем увеличения высоты

подскока ударной части (что приводит к сниже-

нию частоты ударов). Эти ограничения и предо-

пределяют основное направление повышения

эффективности сваебойных работ — повыше-

ние единичной мощности сваебойного молота.

Единич ная мощность дизель-молота может быть

повышена двумя способами — увеличением

массы ударной части и повышением частоты

ударов.

Трубчатые дизель-молоты с ударным рас-

пыливанием топ лива и со свободным падением

ударной части широко при меняются во всем

мире. Молоты этого типа обеспечивают со-

вокупное воздействие на сваю удара и силы от

взрыва топ лива в камере сгорания, что сущест-

венно увеличивает эффек тивность сваебойных

работ.

Целью данной работы является проведе-

ние анализа прочностной надежности элемен-

тов конструкции трубчатого дизель-молота при

динамическом нагружении.

Описание объекта моделированияВ трубчатом молоте основной рабочей частью

является поршень, который движется в трубе-

цилиндре и ударяет по шаботу, закрывающему

цилиндр снизу. Шабот передает удар поршня на

сваю и является наиболее нагруженной дета-

лью, работающей при значительной температу-

ре. При ударе поршня о шабот топливо распыля-

ется в камере сгорания, а затем воспламеняется

от высокого давления смеси. Образующаяся при

взрыве энергия отбрасывает поршень вновь

вверх.

Благодаря распылению топлива ударом

дизель-молоты обладают большой ударной си-

лой, за счет чего на вбиваемый материал дей-

ствуют три вида энергии: компрессия, удар и

взрыв, которые соединяются в эффективную

общую энергию.

Исследование напряженно-

деформированного состояния

элементов конструкции

сваебойного трубчатого

дизель-молота

Будилов И.Н., Лукащук Ю.В., УГАТУ

Белов Г. В, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ðèñ. 1. Ñâàåáîéíûé äèçåëü-ìîëîò

Благодаря энергии компрессии ударная

часть и наголовник прижимаются к верхней час-

ти сваи. Следующий за этим удар направлен на

вбиваемый материал, а ударная энергия и вслед

за этим действующая энергия взрыва вгоняют

сваю.

На рис.1 представлен внешний вид трубча-

того дизель-молота, а на рис. 2 — составляющие

его части: верхний поршень, шабот, наголовник

и свая.

Общая характеристика расчетной моделиОсновные уравнения расчетной модели, пред-

назначенной для описания процесса ударного

взаимодействия деформируемых тел, базиру-

ются на математическом аппарате механики

сплошной среды (МСС). Полная система диф-

ференциальных уравнений МСС, описывающих

нестационарный процесс нагружения, примени-

тельно к рассматриваемой задаче имеет вид:

где t — текущее время, ρ — плотность среды,

vi — компоненты вектора массовых скоростей,

Fi — компоненты вектора массовых сил, σji —

компоненты тензора напряжений, εij, εij — компо-

ненты тензоров деформаций и скоростей де-

формаций, qi — вектор тепловых потоков, ui —

перемещения, T — температура.

Система исходных уравнений в обязатель-

ном порядке включает основные общие для всех

сплошных сред дифференциальные уравнения

механики, выражающие фундаментальные за-

коны сохранения массы (1), импульса (2), энер-

гии (3), а также общие для всех сред кинемати-

ческие соотношения (4) и (5) и геометрические

соотношения (6), связывающие деформацион-

ные перемещения с относительными деформа-

циями. Индивидуальные особенности рассмат-

риваемой среды в отношении оказания сопро-

тивления деформированию учитываются физи-

ческими соотношениями (7), включаемыми в

систему исходных уравнений согласно выбран-

ной модели сплошной среды. Система должна

также быть дополнена начальными и граничны-

ми условиями, соответствующими постановке

конкретной задачи.

В общем виде, применительно к условиям

поставленной задачи, решение системы уравне-

ний аналитическими методами не представляет-

ся возможным. Решение задачи в данной поста-

новке возможно только численными методами

С этой целью применен вычислительный

комплекс ANSYS LS-DYNA.

Модель среды конкретизирует общую

формулировку физических соотношений

σij=σij(εij,ε.

ij,E), замыкающих систему уравнений

МСС. Используемые в конечно-элементной вы-

числительной методике модели деформирова-

ния различных сред основаны на выделении из

тензоров деформаций и напряжений отдельных

компонентов — шарового тензора и тензора де-

виатора, отвечающих, соответственно, за изме-

нение объема и формы: σij=–p+Dσij. В итоге оп-

ределяющими соотношениями модели будут

две независимых составляющих: уравнение со-

стояния (УРС) — зависимость, связывающая

три величины — давление, плотность и удель-

ную внутреннюю энергию (или температуру),

p=p(ρ,E) как мера объемной сжимаемости и тер-

мических эффектов, и зависимость девиатор-

ных компонентов тензора напряжений от девиа-

торных компонентов тензоров деформаций и

скоростей деформаций Dσ=Dσ(Dε,Dε.) как мера

формоизменения.

Соотношения для компонентов девиатора

тензора напряжений определяются композици-

ей закона пластического течения Прандтля-

Рейсса при пластическом деформировании и

закона Гука для нагрузок, не превышающих

предел пластического течения. Уравнения

Ðèñ. 2. Ýëåìåíòû òðóá÷àòîãî ìîëîòà: 1 — ïîðøåíü; 2 — øàáîò; 3 — íàãîëîâíèê; 4 — ñâàÿ

Прандля-Рейсса формируются следующим об-

разом:

где G — модуль сдвига, λ — скалярный множи-

тель, определяемый удельной мощностью плас-

тических деформаций, σт — предел текучести,

— компоненты тензора скоростей пласти-

ческих деформаций. В данной численной реали-

зации скалярный множитель явным образом не

вычисляется, а применяется эквивалентная про-

цедура приведения вектора полных напряжений

в пространстве напряжений в «круг текучести».

Отдельную задачу представляет модели-

рование грунта [2].

Грунт представляет собой дисперсную сре-

ду — смесь минеральных частиц, воды и возду-

ха. Минеральные частицы образуют пористый

скелет, поры которого заполнены водой и возду-

хом. Основными механическими свойствами

грунтовых сред, которые необходимо учитывать

при математическом моделировании компрес-

сионного воздействия на грунтовые массивы,

являются наличие внутреннего трения, необра-

тимость объемных и сдвиговых деформаций,

пластическое течение и разрушение скелета

грунта. В работе используется модель упруго-

пластической сжимаемой среды, учитывающая

нелинейные процессы сдвигового и объемного

деформирования.

Критерий пластичности Мизеса в самом

общем случае для грунтов при наличие внутрен-

него трения имеет вид:

где Y — динамический предел текучести. Среда,

подчиненная такому закону может находиться в

двух состояниях — упругом и пластическом. На-

личие внутреннего трения у грунтов обуславли-

вает то, что предел кучести Y не постоянен и

зависит от давления. Эффекты дилатансии —

появление объемных деформаций в условиях

чистого сдвига — в модели не учитываются.

В основе большинства критериев сдвиго-

вой прочности грунтов лежит комбинация зако-

на сухого трения Кулона, т.е. зависимости мак-

симальных сдвиговых напряжений от давления,

а также классических теорий прочности Мизе-

са и Треска. Критерии пластичности, при кото-

ром упруго-пластическая среда переходит из

упругого состояния в пластическое, выбирает-

ся критерий, предложенный в работах [3], [4],

[6]. Предел сдвиговой прочности для грунтов

является функцией давления и определяется

зависимостью:

, (10)

где Y0 — сцепление грунта, т.е. прочность при

нулевом давлении, Ypl — предельное значение

сдвиговой прочности, μ — коэффициент трения.

Параметры Y0 , μ могут быть пересчитаны

по методикам, изложенным в [3], на основании

нормативных значений прочностных характе-

ристик грунтов — сцепления Сn и угла внутрен-

него трения φn, входящими в линейное уравне-

ние закона Кулона-Мора:

, (11)

где τn — касательное напряжение, σn — нормаль-

ное напряжение. Механические характеристики

Сn и φn определяются по результатам лаборатор-

ных испытаний грунтов на приборах одно- и мно-

гоплоскостного среза или в стабилометрах [3].

Поверхность текучести, построенная по

уравнению (10) и поверхность, построенная по

линейному уравнению Кулона-Мора (11), раз-

личны по форме и представляют собой в первом

случае гладкую поверхность плавного сопряже-

ния конуса и цилиндра, а во втором — шести-

гранную призму. Поэтому пересчет констант мо-

жет быть выполнен лишь приближенно, так как

между этими двумя поверхностями существует

бесконечное множество аппроксимаций. Для уп-

рощения принимая, что предел сдвиговой про-

чности Ypl в уравнении (10) бесконечно большой,

тогда оно принимает вид закона Мизеса-Шлех-

тера:

Предлагается вариант аппроксимации, по-

казанный на рис. 4 пунктирной линией. В этом

случае формулы для пересчета коэффициентов

уравнения (10) по нормативным коэффициентам

имеют вид:

Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü ïðåäåëà ñäâèãîâîé ïðî÷íîñòè îò äàâëåíèÿ

Для ориентировочного получения значе-

ний предельной сдвиговой прочности может

быть использована эмпирическая зависимость

где W — весовая влажность в долях единицы.

Модуль сдвига G для грунтов в общем слу-

чае меняется в процессе деформирования. Од-

нако отсутствие достоверных эксперименталь-

ных данных для выбранных типов грунтов за-

трудняет использование сложных моделей. В

расчетах модуль сдвига принимался постоян-

ным и вычислялся по рекомендуемым норматив-

ным значениям [2] модуля деформации E и ко-

эффициенту Пуассона ν. При отсутствии прямых

данных, для большинства песчаных грунтов и

суглинков коэффициент Пуассона может быть

вычислен через коэффициент пористости e0 по

эмпирической зависимости [3]:

На рис. 5. приведены схема расчетной мо-

дели испытаний и профиль прилагаемой нагруз-

На рис. 6. показаны поля эквивалентных

напряжений в грунте при расчетном моделиро-

вании штамповых испытаний.

Результаты расчетовВ данной задаче геометрия взаимодействующих

деталей (см. рис. 2) приближена к конструкции

трубчатого молота. Главной особенностью явля-

ется наличие грунта.

Модель была подготавлена в ANSYS Design

Modeler — удалялись лишние фаски и мелкие

поверхности, по возможности объемы разбива-

лись на простые шестигранники. Далее модель

по частям передавалась в Prep 7, где создава-

лась сетка и записывались к-файлы для ANSYS

LS-DYNA. Полная модель собиралась и коррек-

тировалась в препроцессоре LS-PREPOST 2.1.

На рис. 7 показана твердотельная модель

трубчатого молота.

При моделировании используется свойс-

тво симметрии. Грунт по границам закреплен

жестко.

В расчете для всех частей использовался

автоконтакт по типу поверхность — поверх-

ность.

В качестве начальных условий было приня-

то свободное падение поршня в поле тяжести с

высоты два метра.

В данной модели материал сваи моделиро-

вался более адекватно: железобетон — бетон

марки 350+стальная арматура диаметром 14 мм.

Арматура и бетон сшиты общими узлами.

В качестве материала грунта был выбран

плотный суглинок (модель с необратимой сжима-

емостью, поверхность текучести совпадает с ма-

териалом 16 из базы данных ANSYS LS DYNA).

Из-за сложной геометрии используемых

деталей и, как следствие, различных размеров

конечных элементов, применяется масштабиро-

вание масс для исключения влияния сильно вы-

рожденных элементов при минимальном шаге

по времени 0,14 мкс, что приводит к значитель-

ному увеличению времени счета.

Ðèñ. 4. Ñå÷åíèå ïðåäåëüíûõ ïîâåðõíîñòåé Êóëîíà-Ìîðà è åå ðàçëè÷íûõ àïïðîêñèìàöèé

Ðèñ. 5. Ñõåìà ðàñ÷åòíîé ìîäåëè èñïûòàíèé (à); ïðîôèëü ïðèëàãàåìîé íàãðóçêè (á)

Ðèñ. 6. Ïîëå ýêâèâàëåíòíûõ íàïðÿæåíèé â ãðóíòå ïðè ðàñ÷åòíîì ìîäåëèðîâàíèè øòàìïîâûõ èñïûòàíèé

На рис. 8. показано деформированное со-

стояние при внедрении сваи в грунт за один

удар. Также получено распределение интенсив-

ности напряжений в металлических частях мо-

дели (рис. 9).

Ниже приведены результаты анализа дина-

мических напряжений в элементах конструкции

трубчатого дизель-молота в условиях динами-

ческого нагружения. При анализе динамических

напряжений трубчатого дизель-молота модели-

ровался удар поршня по шаботу.

На рис. 10 показана общая картина рас-

пределения интенсивности напряжений в конс-

трукции при ударе без смещения. Видно, что

общий уровень напряжений не превышает

136 МПа.

Кроме того, получено распределение ин-

тенсивности напряжений в шаботе (рис. 11).

Четко видна зона концентрации напряжений в

месте контакта.

В реальных условиях эксплуатации удар

происходит со смещением. Поэтому также рас-

сматривался в качестве основного случая нагру-

жения удар шабота по наголовнику со смещени-

ем от оси на 10 мм. На рис. 12 показано распре-

деление интенсивности напряжений в случае

удара со смещением.

Установлено, что смещение цилиндра от-

носительно оси приводит к изменению места

расположения максимума напряжения и увели-

чивает его абсолютное значение.

Одним из наиболее нагруженных элемен-

тов конструкции является наголовник.

На рис. 13 показано распределение интен-

сивности напряжений наголовника в разные мо-

менты времени. Максимальные напряжения со-

ставляют 200 МПа. Положение максимума на-

пряжений меняется во времени.

Во всех наголовниках наличие ребер, ко-

робчатой формы приводит к концентрации на-

пряжений в углах и на ребрах с большим перепа-

дом напряжений, что способствует образованию

трещин в условиях повторного ударного нагру-

жения. Результаты показывают, что с увеличе-

нием размера наголовника отмечается увеличе-

ние максимального уровня интенсивности на-

пряжений.

Заключение Разработан алгоритм и опробована методика

расчета ударного взаимодействия деформируе-

мых твердых тел на примере трубчатого дизель-

молота с использованием программного комп-

лекса ANSYS LS-DYNA.

Показана принципиальная возможность

моделирования процессов динамического на-

гружения, связанных с ударным характером

приложения нагрузки, что характерно для рабо-

ты трубчатых дизель-молотов.

Разработана конечно-элементная модель,

позволяющая анализировать изменение пара-

метров напряженно-деформированного состоя-

ния всех элементов конструкции по времени с

учетом волнового характера нагружения и осо-

бенностей свойств материалов сваи и грунта.

Смоделировано проникновение сваи в

грунт в зависимости от его свойств.

Определены уровни максимальных напря-

жений в элементах конструкции трубчатого ди-

Ðèñ. 7. Òâåðäîòåëüíàÿ ìîäåëü òðóá÷àòîãî ìîëîòà

Ðèñ. 8. Äåôîðìèðîâàííîå ñîñòîÿíèå ïðè âíåäðåíèè ñâàè â ãðóíò

Ðèñ. 9. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé â ìåòàëëè÷åñêèõ ÷àñòÿõ ìîäåëè, Ïà

зель-молота. При этом отмечается высокая не-

однородность поля напряжений в основании

поршня и в наголовниках. Выявлены зоны кон-

центрации напряжений (при прохождении вол-

ны), в которых возникает повышенный уровень

напряжений. Результаты проведенных расчетов

позволили выработать практические рекомен-

дации по модернизации конструкции с целью

увеличения ее прочностной надежности.

Ëèòåðàòóðà1. ×èñëåííûå ìåòîäû â çàäà÷àõ ôèçèêè âçðûâà è

óäàðà: Ó÷åáíèê äëÿ âòóçîâ. / À.Â. Áàáêèí, Â.È. Êîëïàêîâ, Â.Í. Îõèòèí, Â.Â. Ñåëèâàíîâ. — Ì.: Èçä-âî ÌÃÒÓ èì. Í.Ý. Áàóìàíà, 2000. — 516 ñ. (Ïðèêëàäíàÿ ìåõàíèêà ñïëîøíûõ ñðåä Ò. 3).

2. ÃÎÑÒ 12248-96. Ãðóíòû. Ìåòîäû ëàáîðàòîðíîãî îïðåäåëåíèÿ ïðî÷íîñòè è äåôîðìèðóåìîñòè. 1996.

3. Äðîãîâåéêî È.Ç. Ðàçðóøåíèå ìåðçëûõ ãðóíòîâ âçðûâîì. Ì., Íåäðà, 1981. — 243ñ.

4. ÃÎÑÒ 20276-99. Ãðóíòû. Ìåòîäû ïîëåâîãî îïðåäåëåíèÿ õàðàêòåðèñòèê ïðî÷íîñòè è äåôîðìèðóåìîñòè. 1999.

5. ÃÎÑÒ 19912–2001. Ãðóíòû. Ìåòîäû ïîëåâûõ èñïûòàíèé ñòàòè÷åñêèì è äèíàìè÷åñêèì çîíäèðîâàíèåì. 2001.

6. Óèëêèíñ Ì.Ë. Ðàñ÷åò óïðóãîïëàñòè÷åñêèõ òå÷åíèé. Â ñá. Íîâîå â çàðóáåæíîé ìåõàíèêå. 1967.

7. LS-DYNA Keyword user’s manual. July 2006. Version 971. — Livermore Software Technology Corporation, 2006.

8. LS-DYNA Theoretical manual. November 2005. Compiled by John O. Hallquist, Livermore Software Technology Corporation, 2005.

9. Áàæåíîâ Â.Ã., Êîòîâ Â.Ë., Êðûëîâ Ñ.Â. è äð. Ýêñïåðèìåíòàëüíî-òåîðåòè÷åñêèé àíàëèç íåñòàöèîíàðíûõ ïðîöåññîâ âçàèìîäåéñòâèÿ äåôîðìèðóåìûõ óäàðíèêîâ ñ ãðóíòîâîé ñðåäîé. // ÏÌÒÔ. 2001. Ò. 42, ¹6. Ñ. 190 — 197.

10. Ñåäîâ Ë.È. Ìåõàíèêà ñïëîøíîé ñðåäû: Â 2 ò. Ì.: Íàóêà, 1973. Ò.1. 536 ñ.

11. Áàáêèí À.Â., Ñåëèâàíîâ Â.Â. Ïðèêëàäíàÿ ìåõàíèêà ñïëîøíûõ ñðåä: Â 3 ò. Ò. 1. Îñíîâû ìåõàíèêè ñïëîøíûõ ñðåä/ Ïîä ðåä. Â.Â. Ñåëèâàíîâà. — Ì.: Èçä-âî ÌÃÒÓ èì. Í.Ý. Áàóìàíà, 1998. — 368 ñ.

12. Ä. Äðóêêåð, Â.Ïðàãåð. Ìåõàíèêà ãðóíòîâ è ïëàñòè÷åñêèé àíàëèç èëè ïðåäåëüíîå ïðîåêòèðîâàíèå. Â ñá. Îïðåäåëÿþùèå çàêîíû ìåõàíèêè ãðóíòîâ. — Ïîä ðåä. Â.Í. Íèêîëàåâñêîãî. Ì.: «Ìèð», 1975.

13. Ðàõìàòóëèí Õ.À., Ñàãîìîíÿí À.ß., Àëåêñååâ Í.À. Âîïðîñû äèíàìèêè ãðóíòîâ. — Ì.: Èç-âî ÌÃÓ, 1964. — 239 ñ.

Ðèñ. 10. Îáùàÿ êàðòèíà ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé â êîíñòðóêöèè òðóá÷àòîãî äèçåëü-ìîëîòà, Ïà.

Ðèñ. 11. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé â øàáîòå, Ïà

Ðèñó. 12. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé â øàáîòå â ñëó÷àå óäàðà ñî ñìåùåíèåì

Ðèñ. 13. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé íàãîëîâíèêà â ðàçëè÷íûå ìîìåíòû âðåìåíè

Обледенение основных несущих поверхностей

летательного аппарата (ЛА) напрямую влияет

на безопасность полета и часто приводит к ка-

тастрофическим последствиям. Во всем мире

только в авиации общего назначения ежегодно

происходят десятки тяжелых летных происшес-

твий из-за обледенения. Поэтому исследование

влияния обледенения на аэродинамические ха-

рактеристики ЛА является важной и актуальной

задачей. Для каждого разрабатываемого ЛА

необходимо проанализировать все возможные

последствия обледенения и спроектировать

эффективную противообледенительную систе-

му. С точки зрения аэродинамики, накопление

льда на крыле и оперении вызывает прирост

сопротивления, понижает максимальную подъ-

емную силу и угол сваливания, и увеличение

угла атаки.

Физическому и численному моделирова-

нию различных аспектов обледенения и мето-

дам борьбы с ним посвящены многочисленные

исследования. Существует несколько серьезных

CFD-пакетов, разработанных специально для

исследования этого явления: LEWICE 3D (США),

ONERA (Франция), DRA (Великобритания),

FENSAP-ICE (Канада), CIRAMIL (Италия),

MULTIVIS (ЦАГИ, Россия) и др.

Обледенение бывает нескольких видов.

Первый — отложение чистого льда (самый опас-

ный вид обледенения) — наблюдается при тем-

пературах от 0° до –10° С и ниже. При этом от-

вердевание переохлажденной жидкости проис-

ходит не только в точке соударения капель жид-

кости с твердой поверхностью, но и вверх по

потоку. Другой вид обледенения — изморозь —

наблюдается при температурах до –15-20° С.

Отложение льда происходит более равномерно

на поверхности ЛА и не достигает опасных раз-

меров.

Сложный процесс обледенения ЛА можно

разбить на два этапа: 1) образование «поверх-

ности смачивания» в результате всех физичес-

ких процессов, предшествующих попаданию ка-

пель на обтекаемую поверхность (крыла, сопла

и т. п.) и 2) движение и отвердевание жидкости

на самой поверхности. В данной статье мы рас-

смотрим пример расчета в ANSYS CFX эффек-

тивности захвата капель, с помощью которой

можно оценить скорость нарастания льда на по-

верхностях ЛА.

Предполагается, что пользователь в общих

чертах знаком с интерфейсом CFX версии 12.0,

поэтому описание отдельных шагов будет непол-

ным. Расчет был выполнен для трансзвукового

профиля NACA 0012 при угле атаке равным 5°;

использовалась модель многофазной негомоген-

ной среды и граничное условие «degassing

boundary condition» на соответствующих грани-

цах расчетной области.

Описание задачиДлина хорды профиля NACA 0012 составляет

1 м, угол атаки α = 5°, число Маха M = 0.4. Тем-

пература окружающей среды T = 300 K, давле-

ние P = 1 атм. Объемная концентрация воды в

потоке была принята равной 1.3 г/м3, диаметр

капель — 16 мкм.

Численное

моделирование

процесса обледенения

в ANSYS CFX

Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ðèñ. 1. Ôðàãìåíòû ðàñ÷åòíîé 3D ñåòêè

Внешний вид расчетной сетки показан на

рис. 1. Толщина ячейки в направлении оси Z

равна 0.1 м.

Настройки в препроцессоре CFX-Pre1. Загрузите CFX-Pre и откройте файл

«naca0012.def»: File→Open Case File.

2. Выберите тип анализа Steady в меню Out-

line→Analysis Type.

3. Определите новую расчетную область: In-

sert → Domain.

В закладке Basic Settings настройте сле-

дующие опции:

– Location: fluid;

– Domain Type: Fluid Domain;

– Fluid List: Air Ideal Gas (Morphology: Continuous

Fluid) и Liquid water (Morphology: Dispersed

Fluid with Mean Diameter: 16e-6 m);

– Reference Pressure = 1 atm.

Далее перейдите в закладку Fluid Models

и оставьте настройки всех опций по умолча-

нию. В большинстве случаев многофазные по-

токи являются негомогенными (опция

Homogeneous Model), т. е. каждая фаза (фрак-

ция) имеет собственное поле скоростей, турбу-

лентности и пр.

Затем откройте следующую закладку Fluid

Specific Models и для фазы Air Ideal Gas в опци-

ях Turbulence выберите модель турбулентности

SST, для фазы Water — Dispersed Phase Zero

Equation.

Настройте опции закладки Fluid Pair

Models как показано на рис. 3.

4. Создайте следующие выражения (Insert→Expression) для начальных концентраций

воздуха и жидкости:

– airvol = 0.9999987 [];

– watervol = 1.3e-6 [];

– mout = massFlow()@outlet.

5. Теперь следует определить граничные ус-

ловия на соответствующих поверхностях

(Insert→Boundary Condition):

5.1. На поверхностях Boundary 1, Boundary 2,

Boundary 3, sym bottom, sym top мы зада-

дим граничное условие Inlet. Поскольку по-

ток воздуха набегает на крыло под углом

5°, зададим компоненты скорости u =

138.1057 м/с, v = 12.0826 м/с и w = 0 м/с.

После этого с помощью опции Volume

Fraction следует задать начальные концент-

рации двух фаз. Для этого используйте со-

зданные ранее выражения airvol и watervol.

5.2. На поверхностях airfoil bottom и airfoil top

мы зададим граничное условие типа Outlet

c опцией Degassing Condition. Следует пом-

нить, что опцию Degassing Condition можно

использовать только в случае, когда одна

«фаза» является сплошной средой, а дру-

гая — дискретной (жидкость или твердое

тело). В этом случае для «сплошной» фазы

граничное условие «выход» интерпретиру-

ется как стенка с проскальзыванием, а

Ðèñ. 2. Çàêëàäêà Fluid Models

Ðèñ. 3. Çàêëàäêà Fluid Pair Models

Ðèñ. 4. Âûáîð îïöèè Degassing Condition

«дискретная» фаза может спокойно поки-

дать расчетную область.

5.3. На поверхностях sym 1 и sym 2 необходимо

задать граничное условие Symmetry.

6. Далее следует перейти в раздел Solver

Control. В закладке Solver Control опреде-

лите все необходимые опции в соответс-

твии с рис. 5.

7. В закладке Output Control создадим новую

точку для мониторинга процесса сходимос-

ти. В качестве переменной выберем массо-

вый расход на выходе из расчетной облас-

ти. Соответствующее выражение будет

выглядеть следующим образом: mout =

mass flow@outlet.

8. Сохраните файл-определения multiphase.

def: Tools→Solve→Write Solver Input File.

9. Загрузите CFX-Solver Manager.

Предварительно мы выполнили расчет для

однофазного потока. Теперь результаты этого

расчета будут использованы в качестве началь-

ных данных для моделирования течения много-

фазного потока. Для этого в разделе Initial Values

File необходимо указать директорию, где хра-

нится файл с результатами первого расчета. За-

пустите задачу на решение.

10. Загрузите постпроцессор CFD-Post. Отоб-

разите на экране распределение числа

Маха, давления и объемной концентрации

воды в плоскости симметрии.

11. Создадим выражение для расчета эффек-

тивности захвата в постпроцессоре CFX-

Post. Формула для расчета эффективнос-

ти захвата имеет вид:

На языке CEL это выражение примет вид,

показанный на рис. 8.

Распределение эффективности захвата по

обводу профиля крыла показано на рис. 9.

Данный пример разработан для текущей

12-й версии программного комплекса ANSYS

CFX. Все необходимые файлы Вы можете по-

лучить, отправив запрос по адресу

denisk@emt.ru.

Ðèñ. 5. Íàñòðîéêà ïàðàìåòðîâ ðåøàòåëÿ ANSYS CFX

Ðèñ. 6. Ñîçäàíèå íîâîé òî÷êè äëÿ ìîíèòîðèíãà

Ðèñ. 7. Ðàñïðåäåëåíèå îáúåìíîé êîíöåíòðàöèè âîäû â ïëîñêîñòè ñèììåòðèè

Ðèñ. 8. Âûðàæåíèå äëÿ ðàñ÷åòà ýôôåêòèâíîñòè çàõâàòà

Ðèñ. 9. Ðàñïðåäåëåíèå ýôôåêòèâíîñòè çàõâàòà.

Компания Spraying Systems Co., основан-

ная в 1937 году, является мировым ли-

дером по производству промышленных

форсунок, сопел, распылителей и струй-

ных систем. Продукция компании успешно

используется в металлургической, хими-

ческой, автомобильной, целлюлозно-бу-

мажной и пищевой промышленности, ма-

шиностроении и других отраслях. С целью

повышения эффективности работы про-

изводимого оборудования, специалисты

Spraying Systems Co. уже несколько лет ис-

пользуют программный комплекс ANSYS

FLUENT. Использование программного

обеспечения для инженерных расчетов

существенно облегчило процесс проекти-

рования систем газоочистки по индивиду-

альным требованиям заказчиков.

Системы газоочистки, установленные в промыш-

ленных печах, камерах сгорания, плавильных

цехах, на перерабатывающих установках, элект-

ростанциях, удаляют токсичные вещества, такие

как оксиды азота (NOx) и диоксид серы (SO2), из

отработанных газов до момента выброса в ат-

мосферу. Компания Spraying Systems Co. произ-

водит форсунки и системы для эффективного

испарения, охлаждения, удаления пыли и про-

мышленных газов до их поступления в очистное

оборудование. Например, впрыскивание воды в

струю отработанных газов охлаждает газ с 777

°С до 327 °С, что обеспечивает оптимальную ра-

боту очистного оборудования. Если струя воды

попадает в поток отработанных газов под нера-

бочим углом, или впрыскивается слишком много

воды, капли испаряются не полностью. В итоге

кислотные пары могут оседать на стенках, узлах

и компонентах оборудования, что приводит к

эрозии, разрушениям и поломкам.

Определить размеры и расположение

форсунок, при которых возможно избежать

оседания кислотных паров и других проблем с

распылом, достаточно проблематично. Инже-

неры должны учитывать многочисленные пара-

метры, такие как температура потока, скорость

газа и содержание токсичных промышленных

газов. Кроме того, необходимо найти оптималь-

ную форму распыла для сложной системы ка-

налов, что особенно актуально для случаев мо-

дернизации старых систем выпуска отработан-

ных газов. Поскольку для решения данной про-

блемы нет универсального численного метода,

многие компании вынуждены нести огромные

Опыт проектирования

систем распыла для

различных приложений

в ANSYS FLUENT

Rudolf Schick, Spraying Systems Co., Иллинойс, США

Ôîðñóíêè Spraying Systems Co

финансовые и временные затраты на проведе-

ние полномасштабных экспериментов и устра-

нение неисправностей. В случае введения в

эксплуатацию неправильно спроектированных

систем, компании могут столкнуться со штраф-

ными санкциями за нарушение правил контро-

ля промышленных газов, а также убытками

вследствие простоя системы (в случае вынуж-

денного изменения конструкции).

В подобных случаях при проектировании

систем газоочистки использование методов вы-

числительной гидродинамики (CFD) имеет неос-

поримое преимущество. В одном случае перед

инженерами Spraying Systems Co. стояла задача

модернизации системы газоочистки дымовой

трубы очистительного завода. В силу ограниче-

ний конструкции, система охлаждения могла

быть установлена только на неподвижной одно-

сторонней панели дымовой трубы. Было приня-

то решение установить три форсунки для очист-

ки и кондиционирования промышленных газов.

В результате проведенных CFD-расчетов были

получены значения давления в форсунке, расхо-

да, характеристики распыла и размера капель.

Вначале, с использованием исходных дан-

ных клиента, была создана трехмерная CAD-

модель дымовой трубы. Затем геометрию им-

портировали в препроцессор ANSYS, создав

достаточно мелкую сетку, необходимую для

проведения корректных расчетов. В результате

моделирования определялись скорости и тра-

ектории капель, давление на выходе, распреде-

ление температур и общая концентрация рас-

пыла в дымовой трубе.

Результаты CFD-расчетов выявили серь-

езные проблемы в существующей системе га-

зоочистки, в частности, наличие сильно закру-

ченных потоков, нескольких областей низкого

давления, неравномерные профили скоростей

температур и застойные зоны. В такой ситуа-

ции высока вероятность оседания капель на

стенках, ответственных узлах и компонентах

оборудования. Проведя серию расчетов, специ-

алисты определили глубину размещения фор-

сунки, угол вращения и угол размещения. С

учетом характеристик потока газа в дымовой

трубе определялись оптимальные параметры

форсунки.

По результатам проведенных расчетов,

инженеры внесли изменения в существующий

проект дымовой трубы, что позволило оптими-

зировать характеристики потока газа и сделать

поля скоростей более равномерными. Благода-

ря однородности потока наблюдается равно-

мерное распределение температур и капли ис-

паряются лучше. После внесения изменений в

проект испарение жидкости повысилось на 10%,

а оседание капель на стенках и других деталях

конструкции практически прекратилось. Кроме

того, были получены профили температур на

выходе трубы с отклонением не более 7.7 % от

требуемых номинальных значений (было до-

стигнуто значительное улучшение, более чем на

42% относительно базового проекта).

Основываясь на успешном опыте приме-

нения CFD-технологий, специалисты Spraying

Systems Co. проводят многочисленные инже-

нерные расчеты при модернизации существую-

щих и создании новых проектов систем газоо-

чистки. Использование компьютерного модели-

рования помогает эффективно взаимодейство-

вать с клиентами и повышает доходы компании

от выполнения проектов. Благодаря высокой

степени автоматизации рабочих процессов, ин-

женеры получили возможность вести несколь-

ко проектов одновременно.

Ëèíèè òîêà îêðàøåíû â ìîäóëü ñêîðîñòè (ñëåâà) è ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ (ñïðàâà)

В современных условиях проектирование любого

серьезного спортивного сооружения (стадиона,

ледовой арены и пр.) всегда сопровождается мо-

делированием воздушных потоков внутри конс-

трукции. Это необходимо для выбора наилучших

систем отопления и кондиционирования, а также

анализа процесса дымоудаления в случае пожа-

ра и обеспечения теплового комфорта для посе-

тителей в течение всего мероприятия.

В России недавно было спроектировано не-

сколько крытых хоккейных площадок. CFD-моде-

ли систем отопления, вентиляции и кондициони-

рования воздуха были разработаны компанией

Olof Granlund Oy, ведущей финской фирмой, спе-

циализирующейся на консалтинге в сфере стро-

ительства. Спортивная арена в Москве на Хо-

дынке стала в апреле 2007 года главной площад-

кой чемпионата, который был организован Меж-

дународной хоккейной ассоциацией (IIHF). Кры-

тый стадион площадью 62000 м2 вмещает около

12000 зрителей. Процессы воздухообмена внут-

ри арены обеспечивает система вытеснительной

вентиляции, которая отлично приспособлена для

больших, полностью заполненных трибун.

С другой стороны, в крытом стадионе в Че-

реповце, рассчитанном на 6000 зрителей, конди-

ционирование воздуха в помещении обеспечива-

ется системой смесительной вентиляции. Обе

арены могут использоваться для проведения дру-

гих мероприятий, например, концертов. Поэтому

методы вычислительной гидродинамики приме-

нялись, чтобы лучше представить внутренние ус-

ловия и циркуляцию воздуха при различных сце-

нариях использования залов. Моделирование

позволило определить, насколько планируемые

вентиляционные системы приспособлены для

обеспечения желаемых условий в помещении.

Фирма Granlund применяет методы вычис-

лительной гидродинамики в исследовании усло-

вий для кондиционирования воздуха в помеще-

ниях, к проекту которых выдвигаются чрезвы-

чайно высокие требования. В связи с этим под-

робная информация о поле течения обретает

особую важность. Обычно происходит сравне-

ние нескольких систем отопления, вентиляции и

кондиционирования воздуха, отдушин, методов

строительства и других аспектов, которые ока-

зывают влияние на качество кондиционирова-

ния воздуха внутри завершенного сооружения.

Для создания расчетной модели крытой

хоккейной арены использовался сеточный пре-

процессор ANSYS ICEM CFD. CFD-моделирова-

ние было выполнено в пакете ANSYS CFX.

Первый этап моделирования является ти-

пичным для крупномасштабных строительных

проектов. При этом рассматривались отдельные

устройства нагнетания воздуха, что позволило

проверить и сравнить условия их работы. Полу-

Расчет системы

вентиляции стадиона

«Арена «Ходынка»Методы вычислительной гидродинамики применяются для

проектирования систем вентиляции спортивных арен.

Sami Lestinen, Tuomas Laine,Tom L Sundman, Olof Granlund Oy, Финляндия

Êðûòûé ñòàäèîí íà Õîäûíêå â Ìîñêâå. Ìåòîäû âû÷èñëèòåëüíîé ãèäðîäèíàìèêè èñïîëüçîâàëèñü äëÿ ðàçðàáîòêè ñèñòåìû êîíäèöèîíèðîâàíèÿ âîçäóõà â ïîìåùåíèè

ченные результаты предоставили группе проек-

тировщиков возможность подобрать устройства

применительно к каждому конкретному месту.

Результаты моделирования сравниваются с

данными струйной теории для воздуха, характе-

ристиками, предоставляемыми изготовителями и

замерами. Этот этап важен, если в модели необ-

ходимо получить реалистичную оценку поля тече-

ний воздуха внутри здания, которое рассматрива-

ется как единое целое. В этом случае в качестве

граничных условий можно использовать профили

приточных струй воздуха, полученные по резуль-

татам CFD-моделирования.

Подобная технология требует меньшего

количества расчетных узлов для крупной моде-

ли, что значительно экономит время. Результа-

ты, полученные для моделей отдельных объек-

тов и всего расчета в целом хранятся в библио-

теке объектных модулей, что позволит восполь-

зоваться ими в будущих проектах.

Цель моделирования ледовой арены — ус-

тановить параметры, которые в наибольшей

степени влияют на поле течения. Это гарантиру-

ет, что в местах наибольшего скопления зрите-

лей в любой момент времени будут преобладать

заданные тепловые условия.

Необходимо было распределить подачу воз-

духа таким образом, чтобы струи свежего возду-

ха были направлены в наиболее заполненные

зоны, а также улучшить тепловой режим внутри

зала в целом. Рассматривались тяга, влажность и

температурные уровни во время мероприятий

различного типа, проводимых зимой и летом.

Приточные струи, подаваемые принудительно и

возникающие в результате естественной конвек-

ции, и источники потребителей тепла создают

очень сложные трехмерные поля течений, требу-

ющие тщательного моделирования. Ситуацию ус-

ложняли недостаточная точность исходных дан-

ных, применявшиеся допущения, сходимость и

временные ограничения при проведении расчета.

Преимуществом CFD-моделирования является

то, что появляется возможность опробовать раз-

личные дутьевые устройства и системы вентиля-

ции (смесительную, вытеснительную или их ком-

бинацию). Прежде чем будет реализована пос-

тавленная цель, приходится не раз корректиро-

вать исходные допущения. Однако правильно ис-

пользуемые CFD-модели являются единственным

вычислительным методом, который может отоб-

разить поле воздушных течений внутри помеще-

ния с точностью, необходимой для целей проекти-

рования.

Ïðîôèëè òåìïåðàòóðû âíóòðè ïîìåùåíèÿ ëåäîâîé àðåíû íà Õîäûíêå

Ñòðàòèôèêàöèÿ òåìïåðàòóðíîãî ïîëÿ âî âðåìÿ êîíöåðòà ïðè ðàáîòå âûòåñíèòåëüíîé âåíòèëÿöèè. Ñòðåëêàìè óêàçàíû òî÷êè íà ïîëå, êóäà ïîñòóïàåò íàãíåòàåìûé õîëîäíûé âîçäóõ

Ïðîôèëü ñêîðîñòè ëåäîâîé àðåíû â ×åðåïîâöå âî âðåìÿ õîêêåéíîãî ìàò÷à. Èñïîëüçóþåòñÿ ñìåñèòåëüíàÿ âåíòèëÿöèÿ, ïîäàþùàÿ âîçäóõ èç-ïîä êóïîëà. Ñòðåëêè óêàçûâàþò íà îáëàñòè, ãäå ïðèòî÷íûå ñòðóè ïîñòóïàþò íà çàïîëíåííóþ ÷àñòü òðèáóí

В условиях экономического кризиса строительс-

тво быстровозводимых сооружений (см. рис. 1)

стало особенно актуальным, поскольку благода-

ря этому возможно в короткие сроки возводить

ангары, временные жилые комплексы, товарные

склады, при этом экономятся значительные средс-

тва по сравнению с сооружением зданий с мас-

сивным фундаментом и кирпичными стенами. В

качестве ограждающих конструкций в быстровоз-

водимых сооружениях используются так называ-

емые «сэндвич-панели». Существует большой

ассортимент подобных панелей, предназначен-

ных для кровель и стен. Все конструкции при мон-

таже скрепляются болтовыми соединениями.

При проектировании товарного склада од-

ной из важнейших задач является обеспечение

надлежащего температурного режима в течение

всего года. Для сооружений подобного объема

(размеры рассматриваемого склада: длина

200 м, ширина 60 м, высота 13,4 м) наиболее пер-

спективными являются системы кондициониро-

вания на основе фанкойлов, позволяющих как

нагревать, так и охлаждать циркулирующий че-

рез них воздух, при этом они в состоянии обеспе-

чить довольно большой расход воздуха. Фанкойл,

с помощью встроенного вентилятора, обеспечи-

вает местную рециркуляцию, а в случае наличия

фильтра — еще и очистку воздуха. Теплообмен-

ник позволяет производить нагрев или охлажде-

ние воздуха. Фанкойлы устанавливаются в поме-

щении под окном, на стене, под потолком — в

зависимости от модификации и типа. К фанкой-

лам по системе трубопроводов подводится хо-

лодная (в теплый период года) или горячая вода

(в переходный или холодный период). Мощность

подобных устройств может достигать сотен кило-

ватт. Обычно применяется несколько фанкойлов,

симметрично расположенных вдоль ограждаю-

щих конструкций, а также имеющих разветвлен-

ную систему вентиляционных каналов у кровли.

В рассматриваемой схеме (см. рис. 2) каждая из

4-систем вентиляционных каналов (5) заканчива-

ется на 8-автоматических диффузорах (4), кото-

рые меняют угол поворота лопаток для коррек-

Обеспечение

температурного режима

товарного склада в зимний

и летний периоды

с помощью ANSYS CFD

Денис Юрченко, Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ðèñ. 1. Êîìïëåêñ òîâàðíûõ ñêëàäîâ è èíôðàñòðóêòóðà.

Ðèñ. 2. Ñõåìà ïîìåùåíèÿ è ñèñòåìû âåíòèëÿöèè: à — âèä ñâåðõó, á — âèä ñáîêó

ции направления потока приточного воздуха, в

зависимости от режима работы общей системы

вентиляции и кондиционирования.

В режиме охлаждения, когда температура

приточного воздуха не превышает 22 °С, лопат-

ки сориентированы таким образом, чтобы обес-

печить горизонтальный выпуск струи, при этом

холодный воздух распределяется параллельно

потолку и естественным образом опускается

вниз, что позволяет достигнуть равномерного ох-

лаждения по всему объему помещения. В слу-

чае, когда система работает в режиме отопления

и температура воздуха выше 25 °С, лопатки ори-

ентируются так, что струя становится вертикаль-

ной, и ее дальнобойность увеличивается. Теплый

воздух забрасывается вниз, откуда, как более

нагретый, поднимается вверх. На рис. 2 показа-

на схема товарного склада с 16-фанкойлами, ко-

торые работают на весь объем помещения (1), а

также 4-фанкойлами, которые работают на раз-

ветвленную систему вентиляции у кровли (2). У

кровли расположено 12 вентиляционных отверс-

тий (3). На складе находится 32 ряда стеллажей

для хранения товара (6), температурный режим

которых необходимо поддерживать в строго за-

данном диапазоне температур. В расчетной мо-

дели рассматривалась симметричная половина

товарного склада, что позволило существенно

уменьшить требуемые вычислительные ресурсы

без потери точности расчета (рис. 3).

Система разветвленных вентиляционных

каналов заменялась группой диффузоров. Дан-

ное допущение предполагает довольно равно-

мерное распределение расходов по всем диф-

фузорам, что и было подтверждено с помощью

отдельной модели вентиляционного канала, на-

ходящегося в помещении. Фанкойлы рассматри-

ваемой модификации имеют входное отверстие

на поверхности нижнего торца, а выпускное от-

верстие находится со стороны, направленной к

рядам с товарами. Воздух выпускался по норма-

ли к поверхности (существует возможность ме-

нять направление потока в диапазоне ±45°С).

Между фанкойлами и ограждающими конструк-

циями существует зазор.

Расчетная блочно-структурированная сет-

ка CFD-модели строилась при помощи сеточно-

го препроцессора ANSYS ICEM CFD и содержа-

ла около 2 миллионов гексаэральных ячеек (рис.

4). Для моделируемого воздуха изменение плот-

ности от температуры подчинялось закону иде-

ального газа, вязкость и теплопроводность при-

нимались постоянными. Влияние турбулентнос-

ти моделировалось с помощью Indoor Zero-

Equation Turbulence Model [1]. Лучистый теплооб-

мен моделировался с использованием модели

дискретных ординат DO [2].

При моделировании для условий зимнего и

летнего периода на поверхности ограждающих

конструкций задавались граничные условия тре-

тьего рода, температура окружающей среды со-

ответственно –20°С и +35°С, а также коэффици-

ент теплоотдачи, учитывающий как теплообмен

с внешним воздухом, так и термическое сопро-

тивление ограждающих сэндвич-панелей.

Коэффициент теплоотдачи внутри поме-

щения рассчитывается автоматически из реше-

ния системы уравнений газодинамики и уравне-

ния энергии. Нагрев или охлаждение воздуха

вследствие его прохождения через фанкойл, мо-

делировались с помощью задания на входе и

выходе фанкойла равного расхода, а также со-

ответствующего значения температуры на его

выходе. Такие параметры, как мощность нагре-

ва/охлаждения и величина расхода, обеспечива-

емые фанкойлом, контролировались с исполь-

зованием спецификации, предоставленной про-

изводителем.

Ввиду значительных размеров сооруже-

ния, а также большого перепада температур,

число Рэлея получается закритическим, что сви-

Ðèñ. 3. Ãåîìåòðè÷åñêàÿ ìîäåëü ñêëàäñêîãî ïîìåùåíèÿ ñ ñèñòåìîé âåíòèëÿöèè

Ðèñ. 4 Ïîâåðõíîñòíàÿ ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà îáëàñòè ðåøåíèÿ: (a) — îáùèé âèä, (á) — óâåëè÷åííûé âèä âíóòðè ñêëàäà

детельствует о том, что задача по своей приро-

де является турбулентной и нестационарной. В

связи с этим, рассматриваемая задача реша-

лась в нестационарной постановке.

Критерием окончания счета и получения

квазиустановившегося решения являлось пре-

небрежимо малое изменение среднеобъемной

температуры на каждом шаге, а также глобаль-

ное выполнение законов сохранения массы и

энергии во всей области решения. Расчет дан-

ной задачи занял около 16 часов на одноядер-

ном персональном компьютере с частотой про-

цессора 3.0 ГГц и объемом памяти 4 Гб.

В результате решения системы уравнений

гидрогазодинамики, турбулентности, энергии

были получены подробные поля скоростей, тем-

ператур, давлений во всей области решения.

На рис. 5 показано поле температур в зим-

нее время в изометрии, вертикальном и попе-

речном сечениях области решения. Видна стра-

Ðèñ. 5. Ïîëå òåìïåðàòóð â îáëàñòè ðåøåíèÿ â çèìíåå âðåìÿ: à — èçîìåòðèÿ, á — ïðîäîëüíîå ñå÷åíèå, â –ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå, ã — íà ïîâåðõíîñòè «áîêñîâ»

Ðèñ. 7. Ïîëå òåìïåðàòóð â îáëàñòè ðåøåíèÿ â ëåòíåå âðåìÿ: à — èçîìåòðèÿ, á — ïðîäîëüíîå ñå÷åíèå, â –ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå, ã — íà ïîâåðõíîñòè «áîêñîâ»

Ðèñ. 6. Ïîëå ñêîðîñòåé â îáëàñòè ðåøåíèÿ â çèìíåå âðåìÿ: à — ïðîäîëüíîå ñå÷åíèå, á — ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå

тификация температур по высоте помещения: в

среднем температура в области товара на стел-

лажах колеблется от 19 °С у основания до 25 °С

в верхних слоях, что укладывается в диапазон

допустимых значений. Вдоль склада температу-

ра остается практически неизменной, а поперек

помещения перепад температур также уклады-

вается в требуемый диапазон. Однако, при дан-

ной схеме расположения фанкойлов и диффу-

зоров, можно рекомендовать сместить их таким

образом, чтобы поток воздуха был направлен в

пространство между рядами, что позволит уст-

ранить локальные зоны повышенной темпера-

туры до значения 27°С (рис. 5г), возникающие

вследствие прямого воздействия потока горя-

чего воздуха на «боксы», находящихся на стел-

лажах. На рис. 6 представлено поле скоростей в

продольном сечении (а), где максимальная ско-

рость достигает 0.5 м/с, и в поперечном сечении

(б), где скорость не превышает 2 м/с. Таким об-

разом, в рабочей зоне в зимнее время года ско-

рости потока воздуха не превышают значений,

регулируемых санитарными нормами.

На рис. 7. изображено поле температур в

летнее время в изометрии, вертикальном и по-

перечном сечениях области решения. Видна

стратификация температур по высоте помеще-

ния, максимальная разница температур не пре-

вышает 3-градусов: от 18 °С в основании до

21 °С в верхней части, что соответствует требо-

ваниям норм. Вдоль и поперек помещения пе-

репад температур также укладывается в требу-

емый диапазон. В рассматриваемом сценарии,

при той же схеме расположения фанкойлов, мы

также наблюдаем непосредственное влияние

потока охлажденного воздуха на стеллажи с то-

варом (рис. 7г). При этом видны зоны относи-

тельного переохлаждения до значения 17 °С.

На рис. 8 представлено поле скоростей в

продольном сечении (а), где максимальная ско-

рость достигает 0.7 м/с, и в поперечном сече-

нии (б), где скорость не превышает 2 м/с. Сле-

довательно, в рабочей зоне в летнее время

года скорости потока воздуха не превышают

значений, установленных санитарными норма-

Таким образом, проделав подобный рас-

чет, можно утверждать, что выбранная схема и

мощность вентиляционной системы являются

достаточными для обеспечения требований

хранения товара, а также они способны подде-

рживать неизменность и равномерность темпе-

ратурного режима во всем объеме складского

помещения. Численное моделирование позво-

ляет отобразить линии тока, а также такие ло-

кальные характеристики как температура, ско-

рость, давление и влажность в произвольной

точке или сечении области решения.

Благодаря использованию CFD-техноло-

гий инженеры-проектировщики могут более ос-

новательно рассматривать вопрос компоновки

системы вентиляции, обосновывать мощность

и тип выбираемого оборудования, а также де-

монстрировать руководству и заказчикам рабо-

ту и эффективность различных вариантов сис-

тем отопления, вентиляции и кондиционирова-

ния.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. Q. Y. Chen and W. R. Xu “A zero-equation

turbulence model for indoor airflow simulation”, Energy and Buildings, Vol. 28, 137-144, 1998.

2. E. H. Chui and G. D. Raithby. Computation of Radiant Heat Transfer on a Non-Orthogonal Mesh Using the Finite-Volume Method. Numerical Heat Transfer, Part B, 23:269-288, 1993.

Ðèñ. 8. Ïîëå ñêîðîñòåé â îáëàñòè ðåøåíèÿ â ëåòíåå âðåìÿ: à — ïðîäîëüíîå ñå÷åíèå, á — ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå

В данной статье мы рассмотрим различ-

ные алгоритмы генерации призматичес-

ких слоев, реализованные в сеточных

препроцессорах ANSYS ICEM CFD и TGrid.

Каждый из указанных пакетов содержит

набор расширенных опций, которые поз-

воляют генерировать более качественные

призматические слои, по сравнению с ва-

риантами, когда используются настройки

по умолчанию. Все описываемые воз-

можности пакетов относятся к послед-

нему 12-му релизу ANSYS. Отметим, что

ни один из пакетов не имеет явного пре-

имущества перед другим при генерации

призм. Однако в обоих пакетах существу-

ет много различий как на уровне интер-

фейса, так и с точки зрения наличия тех

или иных опций.

Прежде чем перейти к описанию возмож-

ностей пакетов, рассмотрим основные

ограничения и проблемные моменты в

12-й версии ANSYS ICEM CFD и TGrid.

Ограничения модуля Tetra/Prism• В закладке Advanced Prism Meshing

Parameters отключение опции Stair Step

(которая контролирует появление пирами-

дальных элементов) не оказывает никако-

го влияния на процесс генерации призм.

Вместо этого для уменьшения вероятности

появления пирамид следует использовать

опцию Auto Reduction, а также задавать бо-

лее маленькие значения параметра Min

Prism Quality и более большие значения па-

раметра Max Prism Angle.

• Некоторые опции и инструменты для рабо-

ты с призмами (например, «Select parts for

Prism» или «Split Prism») не функциониру-

ют при загрузке ICEM CFD в режиме

«aienv». Для решения этой проблемы сле-

дует загрузить ICEM CFD в режиме «FEA +

CFD Utilities» (раздел основного меню

Setting→Products).

Призматические слои в ICEM CFD и TGridICEM CFD и TGrid имеют большой набор опций

для генерации призматических слоев. Призма-

тические слои могут быть сгенерированы даже

для поверхностных сеток большой размерности.

Каждый из пакетов имеет свои характерные

особенности при генерации внутренних призма-

тических слоев: TGrid сначала создает призма-

тические слои, а затем генерирует сетку на ос-

нове тетраэдров, а ICEM CFD разбивает модель

на тетраэдры и только потом создает призмати-

ческие слои.

Пользователь может генерировать значи-

тельное количество слоев даже в таких про-

блемных местах, как узкие зазоры или при пере-

сечении поверхностей под очень острым углом.

Для этого в TGrid существует опция Proximity

Detection, которая автоматически сжимает при-

зматические слои в соответствии с топологией

геометрии. Аналогичную функцию в ICEM CFD

Сравнительный анализ

возможностей

ANSYS ICEM CFD и TGrid

для генерации

призматических слоев

Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ðèñ. 1. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Auto Reduction â ICEM CFD

выполняет опция Auto Reduction. Для контроля

качества элементов в подобных случаях лучше

использовать критерий Skewness, значения ко-

торого не должны превышать порядка 0.2–0.3.

Опишем стандартную последовательность

действий при генерации призм в TGrid:

1) Подготовка поверхностной сетки.

– Проверка на отсутствие разрывов между

поверхностями и улучшение качества ба-

зовой поверхностной сетки.

– Проверка ориентации граней элементов,

используемых для генерации призм.

– Изменение ориентации граней «некоррект-

ных» элементов.

2) Определение опций препроцессора для гене-

рации призматических слоев: Mesh→Prisms.

– Задание закона роста призматических сло-

– Определение дополнительных настроек

для управления процессом генерации

призм.

3) Определение опций, отвечающих за улучше-

ние качества призм.

4) Генерация призматических слоев.

5) Проецирование граней призм на соответству-

ющие поверхности.

6) Заключительное разбиение модели на эле-

менты типа «тетраэдр».

В ICEM CFD последовательность действий

выглядит по-другому:

1) Подготовка поверхностной/объемной сетки.

– Для генерации призматических слоев тре-

буется высококачественная сетка, либо

объемная на основе тетраэдров, либо по-

верхностная сетка на основе треугольных

элементов.

– Обязательно следует оценить качество ис-

ходной сетки и локализовать проблемные

места и объекты: одиночные («висячие»)

Ðèñ. 2. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Proximity Detection â TGrid

Ðèñ. 3. Ïðîáëåìíûå ìåñòà: a — îñòðûå êðîìêè, á — îñòðûå óãëû, ñ — ïðÿìîóãîëüíûå êðîìêè, ä — áëèçêîðàñïîëîæåííûå ïîâåðõíîñòè

ребра, «висячие» узлы, совпадающие эле-

менты и пр.

2) Как вариант, можно начать с импорта качест-

венной поверхностной сетки из внешнего сеточ-

ного препроцессора, например, GAMBIT.

– Восстановление геометрии из поверхност-

ной сетки: Edit→Mesh→Facets.

– Используйте методы «снизу-вверх», такие

как Delaunay (или Advancing Front и TGrid).

– Проверка ассоциативных связей между

геометрией и элементами поверхностной

сетки.

3) Определение опций, отвечающих за генера-

цию призматических слоев: Mesh→Global Mesh

Setup→Global Prism Settings.

4) Задание глобальных параметров, закона рос-

та, размера первого элемента у стенки, направ-

ления роста.

5) Выбор поверхностей (Part) на которых будут

выращиваться слои призм.

6) Определение опций для сглаживания сетки

(качество и направление).

7) Генерация призматических слоев.

ПроблемыМожно выделить следующие моменты, на кото-

рые следует обращать особое внимание при ге-

нерации призм:

• Определение закона роста элементов.

• Острые углы и острые кромки.

• Близкорасположенные поверхности (конт-

роль расстояния).

• Переход от призм к тетраэдрам.

• Улучшение качества элементов.

На рис. 3 показаны проблемные места, ха-

рактерные для сложных геометрических объек-

тов.

Далее мы последовательно рассмотрим

как решаются данные проблемы в пакетах TGrid

и ICEM CFD.

Закон роста элементов

В TGrid изменения толщины призматических сло-

ев (по высоте) можно контролировать тремя спо-

собами: Uniform Method, Last-Ratio Method, Aspect-

Ratio Method. В Uniform Method высота первого

элемента является величиной постоянной. Высо-

та последующих элементов определяется в соот-

ветствии с заданным законом роста. В методе

Last-Ratio высота первого элемента также являет-

ся величиной постоянной. Высота последнего

элемента задаются в процентах от размера тетра-

эдра (например, First Height = 0.1), контактирую-

щего с призмой. В методе Aspect-Ratio задается

постоянный Aspect-Ratio для первого слоя призм

(например, First Aspect Ratio = 10) и указывается

значение коэффициента роста. Примеры задания

закона роста призм в TGrid показаны на рис. 4.

В ICEM CFD можно использовать два зако-

на роста: экспоненциальный и линейный. Опция

Initial Height контролирует высоту первого эле-

мента, лежащего у стенки. Опция Height Ratio

задает скорость роста элементов (отношение

высоты призм). Для контроля высоты призм ре-

комендуется использовать опцию Prism Height

Limit Factor.

Кроме того, в обоих пакетах можно для раз-

ных областей определять разные законы роста.

В TGrid для этого есть опция Zone Specific

Growth (см. рис. 5). В ICEM CFD данная пробле-

ма решается иным способом. Для этого необхо-

димо определять закон роста призм для отде-

льных Part (группы объектов).

Следующим важным моментом при гене-

рации призм является управление направлени-

ем роста призм. В TGrid есть две опции для кон-

троля направления роста призм: Normal и

Uniform. Параметр Max Angle Change обеспечи-

вает менее жесткий контроль над направлением

роста. Этот параметр очень полезен при генера-

ции призм в районе острых кромок.

Ðèñ. 4. Ïðèìåðû èñïîëüçîâàíèÿ ðàçëè÷íûõ ìåòîäîâ çàäàíèÿ çàêîíà ðîñòà ïðèçì â TGrid: à — Uniform Method, á — Aspect-Ratio Method, â — Last-Ratio Method.

Ðèñ. 5. Çàäàíèå îòäåëüíûõ çàêîíîâ ðîñòà ïðèçì äëÿ ðàçíûõ îáëàñòåé â TGrid

В ANSYS ICEM CFD для контроля направ-

ления роста призм используется опция Fix

Marching Direction, которая самостоятельно вы-

бирает места, в которых призмы должны быть

«выращены» по нормали к соответствующему

треугольному элементу. При этом качество

призм контролируется с помощью переменной

Min Prism Quality. Когда опция Fix Marching

Direction отключена, направление роста конт-

ролируется с помощью переменной Ortho

weight (на рис. 6а показаны призматические

слои, сгенерированные при значении Ortho

weight = 0.1, на рис. 6б — при Ortho weight =

0.9). Если опция Fix Marching Direction включе-

на, то призмы «выращиваются» по нормали к

соответствующей грани тетраэдра, однако воз-

можно незначительное отклонение от заданно-

го направления, если качество призм является

неудовлетворительным.

При низких значениях переменной Ortho

weight во время выполнения операции сглажи-

вания ICEM CFD старается улучшить значения

Aspect Ratio общих для призм и тетраэдров гра-

ней, что способствует повышению качества этих

тетраэдров.

Кроме того, в ICEM CFD есть опция

Directional Smoothing, которая используется

только при включенной (активной) опции Fix

Marching Direction. Именно эта переменная конт-

ролирует направление «выращивания» призм

(по нормали к грани тетраэдра в пределах пер-

вого слоя призм). На последующие слои влия-

ние этой переменной не распространяется.

В TGrid есть опции Orthogonal Layers, кото-

рая выполняет можно задать число ортогональ-

ных слоев. При этом генерация каждого после-

дующего слоя будет сопровождаться проверкой

ориентации слоев относительно друг друга

(normal direction smoothing).

Генерация призм в проблемных местах

геометрии

В местах, где две поверхности пересекаются

под острым углом всегда очень трудно сгенери-

ровать призмы высокого качества. При генера-

ции призматических слоев в подобных случаях

всегда следует использовать специальные оп-

ции: в TGrid это Allow Shrinkage, а в ICEM CFD

— Auto Reduction (панель Advanced Prism Meshing

Parameters). При выборе этих опций генератор

автоматически будет отслеживать проблемные

места и локально сжимать в них призматичес-

кие слои.

Переход от призм к тетраэдральным

элементам

При генерации призматических слоев всегда

важно обеспечить плавный переход от призма-

тического слоя к основному, состоящему из тет-

раэдральных элементов. Для этого в TGrid есть

специальный алгоритм, называемый Last-Ratio.

В этом методе основным параметром является

отношение высоты призмы последнего слоя к

характерному размеру тетраэдрального элемен-

та, задаваемое в процентах — параметр Last

Percent (см. рис. 7).

Далее мы рассмотрим как эта проблема

решается в сеточном препроцессоре ICEM CFD.

Установите в ICEM CFD значение Initial Height

равным 0 (см. панель Global Prism Settings). В

этом случае ICEM CFD самостоятельно подбе-

Ðèñ. 6. Ïðè îòêëþ÷åííîé îïöèè Fix Marching Direction íàïðàâëåíèå ðîñòà êîíòðîëèðóåòñÿ ïàðàìåòðîì Ortho weight: à — ïðèçìàòè÷åñêèå ñëîè, ñãåíåðèðîâàííûå ïðè çíà÷åíèè Ortho weight = 0.1, á — ïðè Ortho weight = 0.9.

Ðèñ. 7. Îïöèè ìåòîäà Last-Ratio (TGrid)

рет такое значение Initial Height (высота первой

призмы у стенки), чтобы не было резкого пере-

хода от призмы к тетраэдру (рис. 8).

Если значение Initial Height сильно колеб-

лется, то рекомендуется измельчить сетку. Это

ограничит колебания высоты первой призмы и

позволит избежать появления пирамидальных

элементов в местах перехода от призм к тетра-

эдрам (или на границе пересечения двух при-

зматических слоев).

Кроме того, в ANSYS ICEM CFD есть спе-

циальный параметр Prism Height Limit Factor, ко-

торый контролирует Aspect Ratio элементов пос-

леднего призматического слоя. Полная высота

слоя, составленного из призм, в этом случае оп-

ределяется на основе заданного числа слоев и

значения Prism Height Limit Factor: если Prism

Height Limit Factor = 1, то высота призмы подби-

рается соразмерной базовому размеру треу-

гольного элемента, если Prism Height Limit Factor

= 0.5, то высота призмы ограничена значением,

равным 50% от базового размера треугольного

элемента.

Область распространения призм

В TGrid за контроль области распространения

призматического слоя отвечает специальная оп-

ция Max Adjacent Zone Angle. Параметр Adjacent

Zone Angle — это угол между направлением роста

призм (Growth Direction) и прилегающей (сосед-

ней) поверхностью. На рис. 9 показаны результа-

ты генерации призматических слоев при разных

значениях параметра Max Adjacent Zone Angle.

В ICEM CFD есть параметр Max Prism Angle,

который контролирует угол между 2-мя соседни-

ми пересекающимися поверхностями (рис. 10).

Этот параметр выполняет в ICEM CFD аналогич-

ные функции, что и параметр Max Adjacent Zone

Angle в TGrid.

Качество элементов

В TGrid в панели Prisms есть специальные пара-

метры для сглаживания/перемещения ребер

элементов и узлов для улучшения качества эле-

ментов (например, скошенности) при генерации

призм. С помощью опции Check Quality можно

Ðèñ. 8. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Initial Height äëÿ ñîãëàñîâàíèÿ ïðèçìàòè÷åñêèõ ñëîåâ âîêðóã äâóõ îáúåêòîâ

Ðèñ. 9. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Adjacent Zone Angle: à — Max Adjacent Zone Angle = 45°, á — Max Adjacent Zone Angle = 85°

Ðèñ. 10. Êîíòðîëü îáëàñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïðèçì â ICEM CFD c ïîìîùüþ ïàðàìåòðà Max Prism Angle: à — Max Prism Angle = 140°, á — Max Prism Angle = 180°

контролировать качество элементов по крите-

рию скошенности: в случае превышения значе-

ния, заданного в Max Allowable Skewness, про-

грамма автоматически остановит процесс гене-

рации призм.

Опция Warp отвечает за исправление ис-

кривленных (скрученных элементов). Это отно-

сится, в первую очередь, к четырехугольным

элементам.

Кроме того, для повышения качества эле-

ментов вы можете использовать следующие ко-

манды через TUI (Text User Interface): /mesh/

prism/improve с ключами «improve-prism-cells» и

«smooth-prism-cells».

В ANSYS ICEM CFD при генерации призм

можно использовать опции сглаживания поверх-

ностной треугольной сетки. Кроме того, после

генерации призм, можно выполнить операцию

сглаживания объемной сетки из тетраэдров.

Дополнительные возможностиВ ICEM CFD после генерации призм можно из-

менить высоту первого призматического эле-

мента у стенки (см. рис. 11). Это полезная опция

для выбора высоты первого элемента в соот-

ветствии с критерием Y+. На рис. 12 показаны

примеры использования данной опции.

Кроме того, используя команду Split Mesh

можно изменить число призматических слоев

после их генерации. Доступны два метода (при

фиксированном числе слоев):

• Fix Ratio: задание коэффициента роста (от-

ношение высоты N-го элемента к N-1).

• Fix Initial Height: задание высоты первого

элемента.

Во второй части статьи мы покажем приме-

ры использования расширенного функционала

TGrid и ICEM CFD при разбиении сложных моде-

лей. Все примеры будут ориентированы на зада-

чи внешней аэродинамики (см. рис. 13-14).

Автор выражает благодарность Samir Kadam

(ANSYS, Inc.) за помощь, оказанную при подго-

товке данной статьи.

Ðèñ. 11. Îïöèÿ ICEM CFD äëÿ èçìåíåíèÿ âûñîòû «ïåðâîé» ïðèçìû

Ðèñ. 12. Ïðèìåðû èñïîëüçîâàíèÿ îïöèè Redistribute Prism Edge â ICEM CFD

Ðèñ. 13. Êîíñòðóêöèÿ ñ ïëàâíûì ïåðåõîäîì îò êðûëà ê ôþçåëÿæó

Ðèñ. 14. Êîíñòðóêöèÿ êðûëà, îáúåäèíåííàÿ ñî ñòàáèëèçàòîðîì

ansys advantage. Русская редакция №12 – Электроника, МЭМС и...

Documents

электрооборудование...

Музыка и электроника

Аналоговая электроника 2013

нанотехнологии в производстве...

Твердотельная электроника (1)

«РОССИЙСКИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ»

электроника 13 н

Российские нанотехнологии # 1-2 2011

Электроника және импульсті...

Российские нанотехнологии №11-12...

псц электроника...

ООО ¾Прикладная Электроника¿

Электроника › _ld › 1 ›...

ЭЛЕКТРОНИКА ЭФ-017С

· h h.1 Электроника, клеммы с...

К. Богданов. Что могут...

НАНОТЕХНОЛОГИИ В БИОЛОГИИ И...

электроника 16 н

НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ...