cadfem review №01

www.cadfem-cis.ru Выпуск 01 | 2014

REVIEWЧисленное моделирование дает возможность:

Научно-технический журнал от компании КАДФЕМ

Внедрять инновации Устанавливать новые стандарты качества продукции Снижать издержки и сроки проектирования

Инженерный анализ — это больше, чем программное обеспечение®

Актуальная информация о применении численного моделирования в инженерной отрасли

Консультационные услуги

• Обучение и сертификация• Техническая поддержка

• Инженерный консалтинг• Автоматизация и развертывание ЦОД

• Адаптация и интеграция инструментов• Создание вертикальных приложений

• Разработка методик и подходов• Инженерный аудит

Специалисты компании КАДФЕМ обладают высокой компетенцией в сфере численного моделирования и многолетним опытом оказания консультационных услуг:

Компания КАДФЕМ является соучредителем и членом международной организации TechNet Alliance, объединяющей ведущих экспертов и специализированные инженерные компании, оказывающие консалтинговые услуги клиентам во всем мире.

CADFEM REVIEW 01 | 2014 01

ОТ РЕДАКТОРА

Уважаемые читатели! Мы рады представить Ваше-му вниманию новый проект компании КАДФЕМ — научно-технический журнал «CADFEM REVIEW». Прежде всего, он будет посвящен опыту использо-вания систем автоматизации инженерных расче-тов и инженерного анализа в России и странах СНГ, в частности программных продуктов ANSYS. Жур-нал может быть интересен инженерам-конструк-торам, руководителям отделов, научным сотруд-никам, студентам, аспирантам, преподавателям технических ВУЗов и всем тем, кому интересны инженерные расчеты и опыт их применения. В по-следние годы в этой сфере наблюдается стреми-тельный рост уровня компетенции специалистов и неподдельный интерес к технологиям численного моделирования. В связи с этим приглашаем всех пользователей программных продуктов ANSYS к публикации статей!

Как недавно отметил в своем выступлении пер-вый замминистра промышленности Глеб Никитин: «Мы находимся на таком этапе развития совре-менной промышленности, который всё чаще в мире оценивается как очередная индустриальная революция». Мы считаем, что системы инженер-ного анализа послужат важной составляющей это-го процесса. Однако одно наукоемкое программ-ное обеспечение для численного моделирования ещё не гарантирует успех проведения инженер-ного анализа. Не менее важным также является правильная постановка задачи, системный под-ход к моделированию и принятие верных реше-ний на основании полученных результатов, поэто-му КАДФЕМ сегодня развивается в направлении технически многогранной компании — поставщи-ка инженерных, учебных и информационных ус-луг как единого целого.

В первом номере мы подготовили для Вас боль-шое количество как информационных, так и обу-чающих материалов. Последним посвящен раздел под названием «Основы и технологии», в зарубеж-ных источниках зачастую именуемый «Tips & Tricks». В этом разделе Вы найдете статью об опыте моделирования тепловых процессов в ANSYS Mechanical от сотрудника ОАО «ГРЦ Макеева» (страница 42), подробное описание применения метода подконструкций или так называемых «су-перэлементов» (страница 48), а также заметку об

Инженерный анализ — это больше, чем просто программное обеспечение

Дмитрий Фролов, Директор по маркетингу, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

[email protected]

определении режима течения при моделирова-нии охлаждения электроники в продукте ANSYS Icepak (страница 56).

В последних версиях своего программного обе-спечения компания ANSYS стремится не просто к выпуску набора взаимосвязанных программных продуктов и приложений, а к полноценной про-граммной платформе, предоставляющей пользова-телям также широкие возможности для интеграции сторонних приложений и собственных разработок. Наиболее удобным инструментом для этого являет-ся приложение Application Customization Tool (ACT). Мы планируем уделять ACT-разработкам большое внимание в будущем, а в этом номере анонсируем первое авторское ACT-приложение от наших спе-циалистов «CADFEM Aero Suite» (страница 40).

Искренне надеемся, что наш журнал станет для Вас источником не только актуальной информа-ции из мира численного моделирования, но и важ-ных практических знаний о программных продук-тах ANSYS. Выпуск журнала «ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция» также продолжится, но фокус еще больше сместится в сторону международного опыта применения технологий ANSYS. Желаем приятного чтения и успехов!

02 CADFEM REVIEW 01 | 2014

СОДЕРЖАНИЕ

CADFEM

01 От редактора

04 Численное моделирование как неотъемлемый этап разработки изделий ОПК

Тема номера: Численное моделирование открывает широкие возможности

06 Численное моделирование интенсивности звукового удара, индуцированного сверхзвуковым летательным аппаратом

10 Оптимизация головки цилиндра

13 Алгоритм анализа усталостной долговечности УЭМ бортовой РЭА космического назначения с повышенной вычислительной эффективностью

17 Исследование режимов работы вентильного электропривода с помощью приложений ANSYS

22 Разработка приборов для поквартирного учёта тепла и поверочных установок с помощью цифрового прототипирования и КЭ анализа

Оптимизация головки цилиндра Специалисты Уральского дизель-моторного завода использовали многодисциплинарные расчеты, чтобы избежать образования трещин при перегреве головки цилиндра.

Страница 10

Алгоритм анализа усталостной долговечности УЭМ бортовой РЭА Специалисты ТУСУР применяют метод подмоделирования при разработке космических систем

Страница 22


ANSYS и CADFEM

24 Оптимизация лопаточного венца компрессора газотурбинной установки

31 Стратегия оптимизации синхронных машин с явновыраженными полюсами на постоянных магнитах

35 Численный метод моделирования рабочего процесса струйного бистабильного элемента

40 Пакет расширений CADFEM Aero Suite

Основы и технологии

42 Опыт моделирования тепловых процессов в ANSYS Mechanical

48 Применение методов подконструкций в ANSYS Mechanical

56 Как определить режим течения в ANSYS Icepak

Новости

30 Новый канал КАДФЕМ на YouTube

39 Интернет-портал и блог ГИДРОГАЗОДИНАМИКА.РФ

41 Моделирование футбольного стадиона имени Мане Гарринчи в Бразилии

Применение методов подконструкций в ANSYS Mechanical Применение метода подконструкций или так называемых «суперэлементов» позволяет сокращать размерность задач, а также эффективно переходить от моделирования на системном уровне к анализу отдельных компонентов.

Страница 48

CADFEM REVIEWНаучно-технический журнал

Учредитель:ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»111672 Россия, Москва, ул. Суздальская, д. 46Тел.: (495) 644-06-08Факс: (495) [email protected]

Генеральный директор:Локтев Валерий Дмитриевич

Редактор:Фролов Дмитрий Аркадьевич

Верстка:СОЛОН-Пресс

По вопросам публикации статей и размещению рекламы обращаться в отдел маркетинга: [email protected]

Тираж 1500 экз.

Иллюстрация на обложке журнала публикуется с разрешения компании ОАО «Уральский дизель-моторный завод»

© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2014

Перепечатка опубликованных материалов только с письменного разрешения редакции, за исключением кратких цитат в материалах информационного характера. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов

ANSYS — это зарегистрированная торговая марка компании ANSYS, Inc.Все названные продукты являются зарегистрированными марками их правообладателей.


CADFEM

5-18 апреля в г. Саров на базе Российского федерального ядер-ного центра «Всероссийский научно-исследовательский ин-ститут экспериментальной физики» (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») прошла третья по счету конференция «Информационные техно-логии на службе оборонно-промышленного комплекса России» (ИТОПК), на которой представители органов государственной власти, российских и зарубежных ИТ-компаний, специалисты и эксперты в области информационных технологий обсуждали ак-туальные проблемы развития предприятий оборонно-промыш-ленного комплекса.

Партнерами конференции, организованной при поддержке Военно-промышленной комиссии при Правительстве Российской

Интервью с генеральным директором ЗАО «КАДФЕМ Си‑Ай‑Эс»

Федерации, Минобороны, Рособоронзаказа, Минпромторга, Минкомсвязи, Счетной палаты Российской Федерации, ФСО Рос-сийской Федерации, ФСБ Российской Федерации, ФСТЭК России, ФСВТС, Рособоронэкспорта, выступили более трех десятков ве-дущих российских и зарубежных ИТ-компаний, в том числе и КАДФЕМ Си-Ай-Эс.

Мы представляем вашему вниманию расширенную версию ин-тервью с генеральным директором КАДФЕМ Си-Ай-Эс Локтевым Валерием Дмитриевичем, подготовленного специально для кон-ференции ИТОПК. В интервью затронуты наиболее актуальные темы, связанные с перспективными направлениями развития технологий численного моделирования и их применением на предприятиях российского ОПК.

— Насколько заинтересованы сегодня предприятия ОПК в применении технологий численного моделирования? На какие преимущества может рассчитывать предприя-тие, использующее такие технологии для проектирова-ния систем, а не отдельных деталей или узлов?

— Высокая конкуренция на рынке вооружений, с одной сторо-ны, и обеспечение выполнения государственной программы вооружений и государственного оборонного заказа, с дру-гой стороны, вынуждает российские компании все активнее внедрять инновационные технологии и предоставлять на-дежные решения. В таких случаях нет места для ошибки. Ко-манда разработчиков должна с первого раза выбирать луч-шее решение, при этом затраты на проектирование должны постоянно снижаться. В связи с этим ведущие компании ак-тивно используют численное моделирование для проекти-рования, оптимизации, изготовления и проверки характери-стик новых изделий с помощью виртуальных инструментов еще до запуска в производство. Численное моделирование позволяет создавать «виртуальные прототипы», тестировать изделия и проверять их на соответствие различным стандар-там. Активное использование данных технологий позволяет быстрее внедрять инновации без ущерба качеству и надеж-ности изделий, а также минимизировать всевозможные ри-ски и сократить затраты на НИОКР.

— Что сдерживает внедрение технологий численного мо-делирования на российских предприятиях, предпочита-ющих тестирование прототипов? Какие ошибки допу-

Численное моделирование как неотъемлемый этап разработки изделий ОПК


ничество вашей компании развивается наиболее пло-дотворно?

— КАДФЕМ в России — это ведущий авторизованный дистри-бьютор и центр компетенции ANSYS. КАДФЕМ помогает кли-ентам внедрять передовые технологии и решения компании ANSYS и ее партнеров для автоматизации инженерных расче-тов. Как сказал основатель компании ANSYS, Inc. Джон Свон-сон, «мы не продаем программное обеспечение, мы лицензи-руем технологии». Это в полной мере относится и к нашей компании, передающей свои «ноу-хау» для устранения пре-пятствий на пути принятия решений по модернизации и вне-дрению систем автоматизации инженерных расчетов.

За последние несколько лет нами выполнены более сотни успешных проектов по внедрению технологий численного моделирования, развертыванию суперкомпьютеров и оказа-нию услуг клиентам, относящимся к ОПК. Среди них предпри-ятия и НИИ, входящие в Ростехнологии, РОСКОСМОС, ОАК, ОСК и др. Все они предъявляют высокие требования, кото-рым мы в полной мере соответствуем. Отмечу несколько мас-штабных проектов в ОАО «Объединенная Авиастроительная Компания» (ОАО «Корпорация «ИРКУТ», ОАО «ТУПОЛЕВ»). Как показал опыт, внедрение нами технологий и решений ANSYS в сочетании с консалтинговыми услугами позволило полу-чить надежные, эффективные и точные результаты расчетов аэродинамических, тепловых и прочностных характеристик разрабатываемых летательных аппаратов (проект самолета МС-21 и, соответственно, ПАК ДА — перспективный авиаци-онный комплекс дальней авиации). Хочется также отметить опыт тесного сотрудничества с ОАО «РКК Энергия им. С.П.Королева». За последние пять лет компания вышла на ка-чественно новый уровень разработки новых образцов ракет-но-космических комплексов на базе PLM и численного моде-лирования как его ключевой и составной части. «РКК Энергия им. С.П.Королева» ежегодно инвестирует в развитие и расши-рение использования средств многодисциплинарного чис-ленного моделирования и управления инженерными знани-ями для повышения своей конкурентоспособности, а тесное сотрудничество с КАДФЕМ и ANSYS способствует качеству и ускоренному внедрению инноваций.

— Какие направления развития технологий численного моделирования Вы относите к числу наиболее перспек-тивных?

— Дальнейшее развитие и применение, на наш взгляд, полу-чат технологии многодисциплинарного инженерного ана-лиза в сочетании с робастным проектированием (Robust Design Optimization, RDO, многокритериальная и многодис-циплинарная оптимизация) на базе высокопроизводитель-ных вычислительных систем, включая «облачные» HPC-вычисления и сервисы. Параллельно и в дополнение к тех-нологиям многодисциплинарного инженерного анализа продолжат развитие системы управления инженерными знаниями (Engineering Knowledge Management, EKM) и управления процессами компьютерного моделирования (Simulation Process Management, SPM), а также системы ор-ганизации глобального сотрудничества между рассредото-ченными и взаимодействующими проектными группами на основе компьютерных технологий визуализации и вирту-альной реальности.

Локтев В. Д. Генеральный директор ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

скают предприятия при внедрении систем автоматиза-ции инженерных расчетов?

— На наш взгляд, ключевыми сдерживающими факторами вне-дрения технологий численного моделирования на россий-ских предприятиях являются:

z Отсутствие осознания менеджментом большинства рос-сийских компаний необходимости инвестирования в си-стемы автоматизации инженерных расчетов, которые бо-лее не являются конкурентным преимуществом, а являют-ся конкурентной необходимостью.

z Представители компаний, как правило, не являющихся лидерами рынка, зачастую ссылаются на высокую стои-мость покупки лицензий программного обеспечения для численного моделирования, необходимость их регуляр-ной технической поддержки и обновления, отсутствие компетентных специалистов и т.п. Однако инвестирова-ние в системы автоматизации инженерных расчетов и об-учение персонала обосновано и оправдано. Передовые компании применяют стратегию «Сделать правильно с первого раза» и поэтому применяют численное модели-рование для анализа конструкций на ранних стадиях про-ектирования.

— Применение численного моделирования на какой ста-дии проектирования приносит наибольший экономиче-ский эффект? Каков срок окупаемости инвестиций в эти технологии?

— Наибольший экономический эффект приносит использова-ние моделирования на ранних стадиях проектирования. Ли-деры отрасли систематически применяют технологии чис-ленного моделирования, решают и оптимизируют модели, используя многокритериальный и многодисциплинарный параметрический анализ, создают команды инженеров-рас-четчиков, базы знаний и архивы результатов для их последу-ющего использования, разрабатывают сложные сбалансиро-ванные компьютерные модели. Для задач ВПК доказана оправданность инвестиций в численное моделирование и инженерный анализ (на примере «Программы модерниза-ции высокопроизводительных вычислений и применения компьютерного моделирования Министерства обороны США»). По данным документа ROI (Возврат инвестиций) со-ставляет от 700% до 1300%. Как правило, срок окупаемости составляет от одного года до нескольких лет.

— Какие услуги предлагает ваша компания на российском рынке и в чем их преимущества? Какие проекты, реали-зованные в последнее время, Вы могли бы выделить и почему? С какими предприятиями в сфере ОПК сотруд-

«Инвестирование в системы автоматизации инженерных расчётов более не является конкурентным преимуществом, а является конкурентной необходимостью»



Расчет звукового удара в ANSYS CFX специалистами ЦАГИ

Численное моделирование интенсивности звукового удара, индуцированного сверхзвуковым летательным аппаратом

Одна из основных задач, которую приходится решать проектиров-щикам самолетов сверхзвуко-вой пассажирской авиации, —

это минимизация интенсивности волны звукового удара, неизбежно сопровожда-ющей сверхзвуковой полет. Основой для проектирования сверхзвукового лета-тельного аппарата с пониженной интен-сивностью звукового удара является пря-мой расчет эпюры звуковой волны на местности при заданном режиме полета (высота, скорость, вес аппарата) и геоме-трических параметрах самолета.

Методика расчета звукового удара [1] состоит из решения двух задач: задачи определения ближнего поля около ком-поновки самолета и задачи распростра-нения звуковой волны в атмосфере до поверхности Земли. Представляет инте-рес для решения задачи обтекания рас-

смотрение возможности использования наиболее точных уравнений, которые снимают какие-либо ограничения на форму обтекаемого тела, режимы тече-ния (отрывные или дозвуковые зоны) и позволяют моделировать работу реаль-ного двигателя. Основной целью данной работы является разработка методики расчета звукового удара на основе реше-ния осредненных по Рейнольдсу уравне-ний Навье-Стокса. В качестве системы, реализующей решение осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, ис-пользован промышленный код ANSYS CFX [2] (лицензионное соглашение ЦАГИ №501024), который был адаптирован к расчету звукового удара и апробирован на тестовых примерах [3].

При расчете звукового удара, т.е. при определении возмущений на поверхно-сти Земли, создаваемых пролетающим со

сверхзвуковой скоростью летательным аппаратом, трехмерное поле течения мо-жет быть разделено на две зоны: зона 1 с характерным размером r по-

рядка длины тела L (r~L); зона 2 с характерным размером поряд-

ка R высоты полета H (R~Н).Обычно Н>>L (например, если высота

равна 15000 м, а длина самолета 50 м, то отношение Н/L=300).

В описанной постановке надо решить две задачи — одна из них формирует на-чальные данные в трехмерном течении, а вторая рассчитывает распространение возмущения от тела до поверхности Земли.

На первом этапе необходимо рассчи-тать обтекание компоновки самолета и найти параметры потока вокруг нее (ри-сунок 1). Поверхность S1 (рис. 5) является границей возмущенного и невозмущен-

В работе исследуется методика расчета звукового удара на местности, индуцированного сверхзвуковым пассажирским самолетом. Выполнено сравнение результатов, полученных с использованием программного комплекса ANSYS CFX с экспериментальными данными. Для оперативного использования промышленного кода ANSYS CFX был разработан макрос, органично включенный в программный интерфейс, что позволило значительно упростить процедуру расчета звукового удара.


ного потока (конус Маха), плоскость S2,

параллельная скорости набегающего по-тока, находится под телом, но не касается тела. Плоскости S3 и S4 определяются оги-бающими обратных конусов Маха, исхо-дящих из отрезка АB.

Специально для программного ком-плекса ANSYS CFX был разработан макрос (рисунок 2), который на основе методики [3] позволяет рассчитать эпюру звукового удара на местности, по данным расчета ближнего поля. Макрос был интегриро-ван в постпроцессор CFX-Post.

После того как решена задача обтека-ния компоновки, для расчета интенсивно-сти звукового удара, прежде всего, необ-ходимо в постпроцессоре CFX создать плоскость, параллельную набегающему потоку, которая будет располагаться под летательным аппаратом в непосредствен-ной близости от него, но не касаться его (рисунок 3). Эта плоскость соответствует плоскости S2 на рисунке 1. Применение данного метода определения звукового удара на местности требует точного рас-чета распределения давления в плоско-сти S2. Это предъявляет высокие требова-ния к качеству расчетной сетки. При ее подготовке необходимо применять ло-кальное измельчение в области между ЛА и плоскостью S2.

Для работы макроса необходимо за-дать следующие параметры:

1. Inlet Region — граничная поверх-ность, через которую входит поток в рас-четную область.

2. Zhilin Plane — плоскость S2.

Рисунок 1 – Контрольный объем при сверхзвуковом обтекании компоновки

Рисунок 2 – Интерфейс макроса для расчета звукового удара в среде ANSYS CFX

Рисунок 3 – Результаты расчета характеристик обтекания компоновки в CFX-Post

3. Symmetry — параметр, определяю-щий, используется ли полная модель (full) или ее симметричная половина (half ).

4. Flight altitude — высота полета ЛА.5. Body length — характерная длина ЛА.6. X steps number — число шагов вдоль

продольной оси.7. Altitude steps number — число шагов

во высоте.Два последних параметра определяют

степень дискретизации пространства.

Установленные по умолчанию значения (500 и 2000 соответственно) позволяют получить решение с достаточно высокой степенью точности. Увеличение числа ша-гов вдоль продольной оси требует боль-ших затрат оперативной памяти и может привести к сбоям в работе программы.

Результат работы макроса представля-ется в файле формата html в виде двух таблиц (рисунок 4). Первая таблица опи-сывает эпюру давления на поверхности

V

∞

S1

S1

S2

S3

S4

S2

S4

B

A

yz

x



Рисунок 4 – Результаты работы макроса

Рисунок 5 – Самолет Ту-144

Рисунок 6 – Самолет с силовой установкой: а — схема истечения струи; б — сопло

Земли в виде пар значений «время» в се-кундах, «избыточное давление» в Паска-лях. Вторая таблица содержит вспомога-тельную информацию.

Был выполнен комплекс тестовых рас-четов для самолета Ty-144 (рисунок 5). Расчеты были произведены с помощью программного комплекса CFX и разрабо-танного макроса. При моделировании си-ловой установки Ту-144 необходимо учи-тывать также влияние струй двигателей на поле возмущения плоскости S2 и эпюру звукового удара. На рисунке 6 а показана форма и положение силовой установки,

а) б)


Авторы:Вождаев В. В., ведущий научный сотрудник ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского, кандидат технических наукТеперин Леонид Леонидович, начальник отдела ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского, кандидат технических наук

Список литературы:1. Жилин Ю. Л., Коваленко В. В. О связывании ближнего и дальнего полей в задаче о звуковом ударе // Ученые записки ЦАГИ, т. ХХIX, №.3-4, 1998. C111-122.2. Menter F. R., Galpin P. F., Esch T., Kuntz M., Berner C. CFD Simulations of Aerodynamic Flows with a Pressure-Based Method // Paper ICAS 2004-2.4.1. Japan, Yokohama, 2004. 11 p.3. Вождаев В. В., Коваленко В. В., Теперин Л. Л., Чернышев С. Л. Методика определения интенсивности звукового удара на местности при исследовании компоновки сверхзвукового пассажирского самолета // Полет № 10, 2013. C. 17-274. Завершнев Ю. А., Роднов А. В. Летные испытания сверхзвуковых пассажирских самолетов первого поколения по звуковому удару // Международная научно-чехническая конференция «Новые рубежи авиационной науки» ASTEC’07, Москва, 19-22 августа 2007 г.

использованные в данной работе. На-правление и угол раствора сопла показа-ны на рисунке 6 б. Направление струи θcd изменяется с углом атаки, а угол сопла предполагается равным оптимальному значению θc = 10°.

Результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными [4] пока-заны на рисунке 7. Учет струй двигателя создает второй пик в эпюре избыточно-го давления (рисунок 7 а). В эксперимен-те эпюра избыточного давления звуко-вой волны самолета Ту-144 также имеет второй пик, но более интенсивный, по-казанный на рисунке 7 б, что может быть результатом влияния струй сопла, рабо-тающих при углах истечения потока из него, которые не были зафиксированы при проведении эксперимента. Рису-нок 8 иллюстрирует характер обтекания самолета Ту-144 с работающими двига-телями при расчетных параметрах исте-чения струи.

Созданный макрос, применимый для любой версии ANSYS CFX, органично включенный в алгоритм этого промыш-ленного кода, который был взят в каче-стве инструмента определения ближнего поля по уравнениям Навье-Стокса, позво-лил разработать эффективную процедуру расчета звукового удара на местности.

а)

б)

Рисунок 7 – Влияние струи двигателя на эпюру звукового удара самолета Ту-144: а — эпюра избыточного давления в N-образной волне, б — второй пик в эксперименте

Рисунок 8 – Линии тока на поверхности компоновки и форма струй сопла



Создание надежных и качественных изделий требует от инженеров учета целого спектра физических условий, в которых они будут находиться на протяжении всего периода эксплуатации. Многодисциплинарное моделирование, включающее гидродинамические, тепловые и механические воздействия для расчета усталостной долговечности, является наиболее точным способом, позволяющим исследовать весь спектр условий работы и убедиться в надежности изделия.

Специалисты Уральского дизель‑моторного завода использовали многодисциплинарные расчеты, чтобы избежать образования трещин при перегреве головки цилиндра

Оптимизация головки цилиндра

В двигателе, созданном на УДМЗ не-сколько десятилетий назад без при-менения численного моделирова-ния, периодически возникали про-

блемы в алюминиевых головках цилиндров. Возле топливной форсунки появлялись трещины, вследствие чего вода просачивалась из охлаждающего контура в пространство между головкой и форсункой. В наихудших случаях вода сме-шивалась с топливом, что приводило к полной остановке двигателя. Рассматрива-емый двигатель используется в локомоти-вах и дизель-генераторных установках (изображена на рисунке 1).

Моделирование охлаждающего контура

Для воссоздания внутреннего простран-ства головки цилиндра и моделирования течения в охлаждающем контуре CAD-модель исходной головки цилиндра была импортирована в модуль ANSYS DesignModeler. Второстепенные детали геометрии были удалены, после чего для области охлаждающего контура была создана тетраэдрическая расчетная КЭ-сетка с призматическими пристеночны-ми слоями для правильного описания пристеночных течений.

Расчетная сетка была использована в мо-дуле ANSYS CFX, где были заданы соответ-ствующие граничные условия и свойства жидкости. Целью численного моделиро-вания охлаждающего контура был поиск областей с низкими скоростями течения. Они ограничивают теплопередачу от го-ловки цилиндра к охлаждающей жидко-сти и приводят к чрезмерно высоким тем-пературам, которые могут со временем снизить надежность изделия.

Далее в различных точках внутреннего пространства головки в качестве гранич-ных условий были приложены темпера-турные поля, полученные ранее из натур-


модели. На последнем этапе на внутрен-ние поверхности камеры сгорания были приложены рабочие давления, возникаю-щие в процессе цикла работы двигателя.

В ANSYS Mechanical были рассчитаны амплитуда напряжений и средние напря-жения цикла при полной нагрузке на го-ловку цилиндра. Рассчитанные напряже-ния локально оказались выше предела текучести алюминия. Таким образом,

ных экспериментов. Эти температурные поля использовались в CFD модели для повторного расчета и получения полей температур на всех внутренних стенках головки цилиндра.

Расчет тепловых напряжений

Исходная CAD-модель была также исполь-зована для создания КЭ-модели для проч-ностного расчета в ANSYS Mechanical. Для поиска и задания параметров контактного взаимодействия в модели была использо-вана функция автоматического определе-ния контактов. Вначале было создано не-сколько сценариев нагружения, основан-ных на различных фазах цикла работы двигателя, но впоследствии было принято решение об использовании только наи-худшего случая в целях экономии расчет-ного времени.

На первом этапе расчета к модели при-кладывались сборочные нагрузки, пре-жде всего на компоненты, устанавливае-мые с натягом, такие как седла и направ-ляющие клапанов, также прикладывалась нагрузка от предварительной затяжки

Рисунок 1 – Дизель-генераторная установка с двигателем 8ДМ-21

болтов, используемых для крепления го-ловки к блоку цилиндров. На втором эта-пе использовалась технология связанных расчетов в ANSYS Workbench для переда-чи полей температур из CFD расчета в ANSYS Mechanical для расчета тепловых напряжений. При этом были выбраны внутренние поверхности модели, а в ка-честве температурной нагрузки были ис-пользованы температурные поля из CFD

Рисунок 2 – Геометрия исходной алюминиевой головки цилиндра



была обнаружена причина образования трещин. В связи с этим было принято ре-шение изменить материал головки на чу-гун, который имеет значительно более высокий предел текучести по сравнению с алюминием. Также была откорректиро-вана система охлаждения с целью устра-нения зон с низкими скоростями течения, обнаруженными ранее в CFD расчете. По-сле этого был проведен повторный цикл расчетов.

Оптимизация формы головки цилиндра

Поскольку чугун тяжелее алюминия, не-обходимо было также изменить геоме-

трию головки с целью максимального уменьшения ее веса, но при этом сохра-нить необходимые прочностные харак-теристики. Для этих целей использовал-ся встроенный модуль оптимизации формы ANSYS (Shape Optimization в сре-де Workbench). Результатом подобной оптимизации являются контурные ли-нии, показывающие, где материал можно убрать при наименьшем влиянии на об-щую жесткость изделия. Возможности изменения формы были ограничены, по-скольку крайне важно было обеспечить неизменность поверхностей, соприкаса-ющихся с соседними типовыми деталя-ми. Несмотря на это, зоны с избыточным материалом с легкостью удалось обнару-жить. Вес детали после оптимизации ока-

зался больше исходной детали из алюми-ния, однако находился на приемлемом уровне.

Расчет усталостной долговечности

Для расчета усталостной долговечности при многоцикловом нагружении был ис-пользован функционал программного па-кета ANSYS nCode DesignLife. Для этого был проведен повторный расчет тепловых на-пряжений для оптимизированной геоме-трии детали, напряжения затем передава-лись в nCode DesignLife, где были заданы соответствующие усталостные характери-стики материала и параметры многократ-ного нагружения, которое испытывает го-ловка цилиндра во время эксплуатации.

Результаты расчетов показали, что но-вая геометрия характеризуется длитель-ным сроком эксплуатации и высоким ка-чеством, а главное не имеет проблемы с образованием трещин в районе форсун-ки, что полностью отвечает потребно-стям клиентов предприятия. Это только один из примеров, который показывает, как использование численного модели-рования позволило улучшить качество и надежность изделий УДМЗ.

Авторы: Фролов Д. А., ведущий инженер-конструктор, Уральский дизель-моторный завод (УДМЗ) Абрамов Ю. В., ведущий инженер-конструктор, Уральский дизель-моторный завод (УДМЗ)

Рисунок 3 – CFD моделирование охлаждающего контура головки цилиндра

Рисунок 4 – Напряжения по Мизесу в чугунной головке цилиндра, вызванные температурой и давлением

Рисунок 5 – Оптимизированная геометрия головки цилиндра из чугуна


При работе унифицированных электронных модулей (УЭМ) (ри-сунок 1) бортовой радиоэлек-тронной аппаратуры (бРЭА) (ри-

сунок 2) космического аппарата (КА) в широком температурном диапазоне с циклическими воздействиями (солнеч-ная и теневая стороны) вследствие раз-ности температурных коэффициентов линейного и несвободного расширения конструктивных элементов из различных материалов возникают циклические на-пряженно-деформируемые состояния, приводящие к усталостным изменениям

в таких элементах конструкции, как про-водники, металлизация переходных от-верстий, паяные и клеевые соединения, полупроводниковые кристаллы, выводы электрорадиоизделий (ЭРИ) и др. Именно они приводят к механическим разруше-ниям и электрическим отказам после определенного времени работы.

С одной стороны, для количественной оценки долговечности УЭМ бРЭА КА сред-ствами компьютерного моделирования необходима высокая детализация числен-ной модели (ЧМ) [1-3], которая включает: базовую несущую конструкцию (БНК);

Специалисты ТУСУР применяют метод подмоделирования при разработке космических систем

Алгоритм анализа усталостной долговечности УЭМ бортовой РЭА космического назначения с повышенной вычислительной эффективностью

печатную плату (ПП), в том числе пая-ные соединения; топологию печатного рисунка; переходные отверстия и их металлизацию; тип и структуру матери-алов и другое;

подробные модели ЭРИ.В свою очередь, это приводит к услож-

нению расчётной задачи и, как следствие, увеличению времени проведения расчё-та и вычислительных ресурсов.

С другой стороны, тепловые режимы отдельно стоящего УЭМ отличны от те-пловых режимов УЭМ в составе бРЭА КА (переизлучение с соседних УЭМ, кон-

Рисунок 1 – Внешний вид УЭМ Рисунок 2 – Внешний вид бРЭА



дуктивный теплообмен) [4]. Это приво-дит к необходимости решать задачу те-плообмена УЭМ в составе бРЭА КА (с учётом реальных режимов работы). В конечном счёте вычислительные за-траты умножаются на количество УЭМ в составе бРЭА.

При высокой степени детализации ЧМ проведение комплексного анализа, ко-торым является анализ долговечности, становится проблематичным либо вовсе невозможным. Использование же не-скольких моделей для каждого типа про-водимого анализа (тепловой, деформа-ционный, прочностной) создаёт значи-тельные трудности при формализации краевой задачи и передачи результатов с одной расчётной сетки на другую в свя-зи с тем, что имеется большое расхожде-ние в количестве узлов и элементов.

В этой связи актуальна задача разра-ботки алгоритма формализации краевой задачи для обеспечения единства прове-дения анализа усталостной долговечно-сти УЭМ бРЭА КА на основе компьютер-ного моделирования термопрочностных процессов в конструкциях бортовой РЭА КА различных уровней иерархии на эта-пе активного существования.

Разработка алгоритма

Одним из методов, которым можно поль-зоваться при упрощении ЧМ УЭМ бРЭА КА, является «подмоделирование» [5-6]. Данный метод позволяет добиться более точных результатов в конкретной обла-

сти (элементе), при этом расчётная сетка в остальных областях (элементах) моде-ли может быть довольно «грубой». При-менение этого метода позволяет повы-сить эффективность моделирования, так как сначала производится расчёт на гру-бой сетки, а затем для интересующей об-ласти — подмодели — измельчается сет-ка и уточняется расчёт.

Использование «подмоделирования» особенно оправдано для исследования надёжности (усталостной долговечности) проводников и контактных площадок, паек, металлизаций переходных отвер-стий, выводов ЭРИ, поскольку требуемое для данных элементов модели УЭМ значи-тельное улучшение качества сетки может быть слишком затратным как по времени, так и по ресурсам. Вместо этого можно ис-пользовать «подмоделирование» для по-строения независимой, более мелкой расчётной сетки.

Согласно разработанному на основе метода «подмоделирования» алгоритму (рисунок 3) анализ усталостной долговеч-ности предлагается проводить в четыре этапа, при этом использовать: численные модели, оптимизированные

под конкретный анализ; интерполяцию результатов анализов

для облегчения формализации краевой задачи и повышения точности переда-чи результатов с одной численной мо-дели на другую.Перечень этапов и выполняемых работ

разработанного алгоритма (рисунок 3) включает в себя:

Этап 0. Подготовительный. Проводит-ся создание (процессы №1, 4, 8) тепловых, деформационных и прочностных моде-лей УЭМ, оптимизированных для прове-дения последующих этапов анализа дол-говечности. При реализации тепловых ЧМ УЭМ игнорируется детализация моде-лей БНК (скругления, отверстия), печатно-го узла (ЭРИ, паяное соединение, печат-ные проводники, переходные отверстия и их металлизация). Деформационная ЧМ УЭМ детализирует интересующие ЭРИ, БНК (металлическая рамка, печатный узел), а также прочие конструктивные элементы УЭМ (разъёмы, заглушки и пр.), оказывающие влияние на жёсткость кон-струкции в недопустимых пределах. В ка-честве прочностной ЧМ УЭМ использует-ся подробная (детализированная) ЧМ ло-кальных элементов УЭМ: учитываются пайка, печатные проводники, металлиза-ция переходных отверстий.

Этап 1. Глобальный (тепловой) ана-лиз. Проводится расчёт температурного поля (процесс №3) бРЭА КА. Используются тепловые ЧМ УЭМ, на основании которых проводится создание (процесс №2) тепло-вых ЧМ бРЭА КА. Учитываются переизуче-ния с соседних поверхностей УЭМ, тепло-передача теплопроводностью (кондук-ция) с соседних УЭМ.

Этап 2. Промежуточный (деформаци-онный) анализ. Расчёт деформаций (пе-ремещений) (процесс №7) в УЭМ по ре-зультатам теплового расчёта бортовой РЭА КА этапа 1. Проводится выбор интере-сующего УЭМ с последующей передачей

Под

робн

ая (д

етал

изир

ован

ная)

ЧМ Тепловая ЧМ УЭМ

Деформационная ЧМ УЭМ

Прочностная ЧМэлементов УЭМ

Тепловая ЧМбРЭА КА

Температурноеполе УЭМ

Деформация(перемещения) УЭМ

Температурноеполе бРЭА КА

Деформация(перемещения) УЭМ

НДС элементовУЭМ

Долговечностьэлементов УЭМ

1 2 3 5

Этап 0 Этап 1

Этап 2

Этап 3

4 6 7 9

8 10 11

12

Рисунок 3 – Алгоритм проведения анализа усталостной долговечности бРЭА КА


температур (процесс №6) посредством линейной интерполяции (процесс №5). Ис-пользуются деформационные ЧМ УЭМ.

Этап 3. Локальный анализ (долго-вечности). Анализ долговечности УЭМ. Проводится расчёт НДС (процесс №11) элементов УЭМ (ЭРИ, пайка, печатные проводники, переходные отверстия) по-средством линейной интерполяции (процесс №9) результатов расчёта де-формаций (перемещений) ПП УЭМ (про-цесс №10) этапа 2. По окончании расчёта НДС проводится анализ долговечности (процесс №12) элементов УЭМ. Использу-ются прочностные ЧМ ЭМ.

Создание упрощённых моделей УЭМ предлагается проводить на основании общепризнанных методов и подходов, оказывающих влияние на результаты расчетов в допустимых пределах, таких как физическое, геометрическое и мате-матическое (сеточное) упрощения.

Физическое упрощение заключается в исключении из рассмотрения зависи-мостей некоторых физических процес-сов, характеристик материалов модели УЭМ от температуры, времени, простран-ственных координат; интеграция (груп-пировка) нескольких идентичных (схо-жих) по физическим характеристикам элементов конструкции УЭМ в одно це-лое; исключение из рассмотрения неко-торых начальных и граничных условий. Физическое упрощение может сопрово-ждаться геометрическим и математиче-ским упрощениями.

Геометрическое упрощение сводится к игнорированию мелких элементов (де-талей), отверстий, скруглений и др.; све-

дению сложносоставных геометрий тел к совокупности примитивов для последую-щего применения математического (се-точного) упрощения.

Математическое (сеточное) упроще-ние основывается на использовании опе-раций булевой алгебры; замене твердо-тельных (трёхмерных) тел к их двухмер-ному представлению; переходу к поверхностным (оболочечным) и/или ли-нейным телам (элементам); вводу условий симметрии; замене твердотельных тел их тепловыми сопротивлениями; использо-ванию кросс-секций и прочего.

На рисунке 4 представлены модели УЭМ, используемые в расчётах на основе метода «подмоделирования».

Так процесс интерполяции результатов глобального (теплового) анализа бРЭА КА с тепловой ЧМ УЭМ, насчитывающей 139 тыс. узлов и 50 тыс. элементов, осу-ществлялся на деформационную ЧМ УЭМ со 735 тыс. узлами и 262 тыс. элементами (превышение размерности последней бо-лее чем в 5 раз). В свою очередь, процесс интерполяции результатов промежуточ-ного (деформационного) анализа с де-формационной ЧМ УЭМ размерностью 125 тыс. узлов/72 тыс. элементов на проч-ностную ЧМ УЭМ — 520 тыс. узлов/117 тыс. элементов, что более чем в 4 раза. Соот-ветствующая подробная (детализиро-ванная) ЧМ УЭМ (рисунок 1) насчитывает более чем 6 000 тыс. узлов и 3 500 тыс. элементов. Размерность ЧМ бРЭА КА определяется размерностью входящих в её состав ЧМ УЭМ.

Впоследствии на основании разрабо-танного алгоритма (рисунок 3) проведе-

ны анализы деформационного и проч-ностного процессов поведения конструк-ции УЭМ в результате теплового режима эксплуатации бРЭА КА. Результаты работы алгоритма схематично изображены на ри-сунке 5.

Реализация алгоритма (рисунок 3) в среде ANSYS Workbench представлена на рисунке 6.

Заключение

В работе представлен алгоритм анализа усталостной долговечности УЭМ борто-вой РЭА космического назначения на ос-нове нисходящего компьютерного моде-лирования термопрочностных процес-сов средствами ANSYS Workbench с повышенной вычислительной эффектив-ностью.

Практическая реализация алгоритма расширяет границы применимости ANSYS Workbench к задачам обеспечения единого информационного пространства предприятия при комплексном модели-ровании физических процессов борто-вой РЭА специального назначения.

Компьютерное моделирование термо-прочностных процессов и анализ уста-лостной долговечности бРЭА КА должны обеспечивать устранение различного рода недостатков и дефектов, выявляе-мых в настоящее время на стадиях маке-тирования, производства и испытаний, что в свою очередь должно значительно сократить сроки создания, конечную сто-имость, а также положительно сказаться на качестве вновь разрабатываемых из-делий.

Рисунок 4 – Численные модели УЭМ, используемые на этапах: а — глобального (теплового) анализа; б — промежуточного (деформационного) анализа; в — локального анализа (долговечности)

а) б) в)



Рисунок 5 – Схема проведения анализа усталостной долговечности бРЭА КА

Рисунок 6 – Практическая реализация алгоритма в среде ANSYS Workbench

Авторы:Карабан В. М., к.ф.-м.н., зав. лаб. НИИ космических технологий ТУСУР; Сунцовv С.Б., к.т.н., зав. каф. Космические радиоэлектронные устройства ТУСУР, нач. отдела конструирования бортовой РЭА ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва»;

Морозов Е. А., аспирант ТУСУР, начальник сектора унификации и конструирования РЭА ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва».

Список литературы:1. Прогнозирование надёжности узлов и блоков радиотехнических устройств

космического назначения на основе моделирования напряженно-деформируемых состояний / Сунцов С.Б., Алексеев В.П., Карабан В.М., Пономарев С.В. // ТУСУР — монография, 2012. — 114 с.2. Создание упрощённой тепловой модели унифицированного электронного модуля / Сунцов С.Б., Карабан В.М., Сухоруков М.П., Морозов Е.А. // Известия вузов. Физика. — 2012. — Т.55. №9/3. — С.114-120.3. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния унифицированного электронного модуля / Сунцов С.Б., Карабан В.М., Сухоруков М.П., Морозов Е.А. // Известия вузов. Физика. — 2012. — Т.55. №9/3. — С.120-126.4. Параметризация размещения унифицированных электронных модулей в составе бортовой РЭА КА с позиций управления температурными режимами / Сунцов С.Б., Карабан В.М., Сухоруков М.П., Морозов Е.А. // Известия вузов. Физика. — 2012. — Т.55. №7/2. — С.129-134.5. Жидков А.В. Применение системы ANSYS к решению задач геометрического и конечно-элементного моделирования. — Н. Новгород, 2006. — 115 с.6. Looman D. Submodeling in ANSYS Workbench // ANSYS Advantage. Volume I, Issue 2, 2007. рр. 34-36.


В настоящее время электрические машины с возбуждением от посто-янных магнитов находят широкое применение в различных областях

техники. Широкому распространению этих машин способствует значительный прогресс в области производства сплавов и соединений для высококоэрцитивных магнитов, среди которых можно отметить следующие: неодим-железо-бор (Ne-Fe-B), самарий-кобальт (Sm-Co) и другие. При-менение данных сплавов при изготовле-нии магнитоэлектрических машин позво-ляет существенно повысить ее массогаба-ритные показатели. Данные показатели имеют принципиальное значение в таких областях применения магнитоэлектриче-ских машин, как медицина, авиа- и автомо-бильная техника, робототехника и ряде других. Другими немаловажными досто-инствами магнитоэлектрических машин являются:относительная простота конструкции

(отсутствие обмоток возбуждения и скользящих контактов);

высокий КПД за счет меньших электри-ческих и механических потерь на воз-буждение и в скользящем контакте;

высокая надежность.Однако стоит отметить, что примене-

ние электрических машин с возбуждени-ем от постоянных магнитов без вспомога-тельных устройств встречается редко. Как правило, магнитоэлектрические машины работают в составе вентильного привода. Под вентильным приводом стоит пони-мать электропривод, в котором регулиро-

вание режима работы электродвигателя производится с помощью управляемых полупроводниковых преобразователей электрической энергии: выпрямителя, импульсного регулятора постоянного тока, преобразователя частоты. Вентиль-ный двигатель (ВД) представляет собой электромеханотронную систему, в кото-рой объединены: синхронная электриче-ская машина, как правило, с возбуждени-ем от постоянных магнитов (СДПМ), элек-тронный коммутатор (инвертор), посредством которого осуществляется питание обмоток якоря машины, и систе-ма автоматического управления инверто-ром, оснащенная необходимыми измери-тельными устройствами (датчиками) [1].

Учитывая особенности системы, в кото-рой работают магнитоэлектрические ма-шины, а также область их применения, при проектировании необходимо соблю-дать следующие требования:Малые габариты и масса системыВысокая мощность и КПДСпециальные требования (герметичное

исполнение, стойкость к агрессивной среде и т.д.)

Согласованная работа всех элементов системы (СДПМ, выпрямитель, инвер-тор).Одной из главных задач при проекти-

ровании магнитоэлектрических машин является изучение характера распреде-ления магнитного поля по объему актив-ной зоны машины, так как данный харак-тер определяет массо-энергетические показатели разрабатываемой машины.

Специалисты НИ ТПУ применяют в работе инструменты ANSYS Maxwell и Simplorer

Исследование режимов работы вентильного электропривода с помощью приложений ANSYS

Поэтому расчет магнитного поля, созда-ваемого постоянным магнитом и обмот-кой якоря, является основой математиче-ской модели, описывающей электромаг-нитные процессы в электрических машинах[2].

Для расчета магнитного поля могут быть использованы графоаналитические, аналитические и численные методы рас-чета [3].

Проведем краткий обзор этих методов. Графоаналитический метод решения уравнений магнитного поля нашел широ-кое применение на ранних этапах разви-тия электромеханики. Для расчета маг-нитного поля строится картина распреде-ления вектора магнитной индукции в виде силовых трубок. Затем каждая сило-вая трубка описывается аналитическими уравнениями. Достоинством графоанали-тического метода является простота рас-чета магнитного поля при сложных кон-фигурациях границ. Однако этот метод практически не позволяет учитывать вли-яние насыщения магнитной цепи на ха-рактер распределения магнитного поля и не обеспечивает достаточной точности. Низкая точность обусловлена как апри-орным построением картины магнитного поля, так и заменой реальных дифферен-циальных уравнений Максвелла эквива-лентными интегральными уравнениями, предполагающими постоянство значения вектора магнитной индукции в силовой трубке [2].

Аналитическое исследование синхрон-ных машин с постоянными магнитами эф-



фективно осуществляется с помощью схем замещения, в которых используется известная аналогия между магнитодви-жущей силой (МДС) и электродвижущей силой (ЭДС), магнитным потоком и током, магнитной и омическими проводимостя-ми [4]. Однако использование аналитиче-ских методов расчета магнитного поля машины предполагает ряд допущений, в результате упрощается геометрическая форма магнитных трубок, предполагается постоянство потенциала поверхностей, на которые опираются трубки. При со-ставлении схем замещения магнитной цепи априори предполагается постоян-ство индукции на ее участках и, в частно-сти, в теле магнита; линейный закон рас-пределения потенциалов вдоль поверх-ности магнита считается обязательным.

Более совершенными являются совре-менные методы математического модели-рования, основанные на решении уравне-ний электромагнитного поля электриче-ской машины. При таком подходе область существования этих полей рассматрива-ется как сплошная среда, обладающая определёнными магнитными и электри-ческими свойствами. Если в каждой точке исследуемой области задано значение физической величины, то говорят, что за-дано поле этой физической величины. Следовательно, исследование магнитных и электрических полей связано с опреде-лением значений этих величин в каждой точке исследуемой области [5].

Численные методы расчета магнитных полей, получившие в последние годы ши-

рокое распространение, в значительной мере обязаны прогрессу вычислитель-ных машин, которые позволили исследо-вателям решать с высокой степенью точ-ности задачи по определению различных физических полей [6]. Среди численных методов расчета наибольшее распро-странение получил метод конечных эле-ментов (МКЭ). Указанный метод расчета реализован во многих программных па-кетах, таких как CATIA, Solid Works, ELCUT, COMSOL Multiphysics и в рассматривае-мом в данной статье программном ком-плексе ANSYS.

Задачей данной работы является де-тальное исследование электромагнитных и электрических процессов, происходя-щих в вентильном электроприводе во время его работы.

В рассматриваемом электроприводе, применяемом в легковом автомобиле-строении, реализована классическая схема управления со следующей компо-новкой: источник питания, электронный коммутатор (инвертор), магнитоэлектри-ческий двигатель и нагрузка. Питание схемы осуществляется источником по-стоянного тока. В инверторе применены IGBT транзисторы с изолированным за-твором. Управление ключами выполня-ется при помощи широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Реализация ШИМ вы-полнена на аналоговых компараторах.

Магнитоэлектрический двигатель пред-ставляет собой синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов, расположенных на роторе. Магниты на-

магничены тангенциально. Питание маг-нитоэлектрического двигателя от инвер-тора с ШИМ носит нестационарный ха-рактер. Поэтому необходимо определить оптимальное значение частоты коммута-ции ключей инвертора. Оптимальное зна-чение частоты коммутации позволит по-лучить требуемое качество питания.

На первоначальным этапе исследования рассматриваемого электропривода был произведен расчет магнитного поля вен-тильного двигателя методом конечных элементов. Расчет магнитного поля двига-теля выполнен в среде Maxwell 2D с ис-пользованием типа решения для нестаци-онарных режимов (Transient). Данный тип решения позволяет производить расчет переходных процессов, а также пересчет магнитного поля электродвигателя в про-цессе вращения, при изменении нагрузки или питающего напряжения и т.д. Одна из картин распределения магнитного поля, полученная в результате решения про-граммой Maxwell 2D, представлена на ри-сунке 1.

Полученные локальные превышения значений индукции в области зубцов ро-тора являются особенностью данного двигателя и не несут принципиальный ха-рактер.

Особо стоит отметить, что для соблю-дения требований надежности вентиль-ной машины при ее проектировании важно учитывать работу всей электроме-ханотронной системы в целом. Учитывая сложность системы, количество изменя-ющихся внешних и внутренних параме-тров, исследование только вентильной машины и ее электромагнитных процес-сов во времени методом конечных эле-ментов является недостаточным. Для бо-лее детального и достоверного исследо-вания системы необходимо выполнить электромагнитный расчет в совокупно-сти с расчетом процессов, происходящих во всей электрической цепи, включая на-грузку и ее характер [2].

До недавнего времени выполнение та-ких расчетов было невозможным. Одна-ко, благодаря совмещению в одной моде-ли величин из разных разделов физики, проведение таких расчетов в настоящее время стало реальным. Возможность од-новременного расчета электромагнитных процессов, происходящих в электриче-ской машине, и электрических процессов в электронной схеме управления, реали-зована в программной среде ANSYS, бла-годаря симбиозу сред моделирования Maxwell 2D и Simplorer.

Для выполнения параллельного рас-чета электромагнитных процессов, про-

Рисунок 1 – Картина распределения магнитного поля в поперечном разрезе вентильного двигателя


исходящих в электрической машине и электрических процессов в электронной схеме управления, в среде Simplorer была создана схема инвертора. Нагруз-кой инвертора являлся магнитоэлектри-ческий двигатель, модель которого была импортирования в Simplorer из среды Maxwell.

Функциональная схема исследуемого вентильного привода в среде Simplorer представлена на рисунке 2.

Моделирование данной схемы позво-ляет получить следующие результаты в динамике:Напряжения и токи фазных обмотокЭлектромагнитный моментЭлектрические и магнитные потериТекущую позицию вращающихся эле-

ментов системы

В работе были исследованы выходные напряжения и токи инвертора при трех различных вариантах частот управления ключами инвертора: 1, 5 и 10 кГц. На рисун-ках 3, 4 представлены значения фазных то-ков и напряжений при частоте управления ШИМ 1 кГц соответственно.

На рисунках 5, 6 представлены значения фазных токов и напряжений при частоте управления ШИМ 5 кГц соответственно.

На рисунках 7, 8 представлены значе-ния фазных токов и напряжений при ча-стоте управления ШИМ 10 кГц соответ-ственно.

Заключение В работе показаны возможности пакета ANSYS по одновременному моделирова-нию электромагнитных процессов, проис-

ходящих в электрической машине, и элек-трических процессов в электронной схе-ме управления для получения более адекватной информации о работе систе-мы в нестационарных режимах. Получен-ные результаты моделирования позволя-ют выработать рекомендации по совер-шенствованию электрической машины, выбрать систему управления или эле-ментную базу для ее создания, а также на-ходить оптимальные значения параме-тров систем управления при проектиро-вании вентильных электроприводов.

Авторы:Качин О.С., Доцент [email protected], Киселев А.В., Серов А.Б., Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Рисунок 2 – Схема вентильного привода в среде Simplorer

Рисунок 3 – Фазные токи при частоте ШИМ 1 кГц



Рисунок 4 – Фазные напряжения при частоте ШИМ 1 кГц




Список литературы:1. Киселев А. В., Цукублин А. Б. Применение программы ELCUT для проектирования магнитоэлектрических машин.Электромеханические преобразователи энергии: материалы V Юбилейной международной научно-технической конференции, посвященной памяти Г. А. Сипайлова; Томский политехнический университет. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. — стр. 76-79.2. Ледовский А. Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами / А. Н. Ледовский. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 168 с.; ил.

3. Волченсков В. И. Использование электрического моделирования для анализа состояния магнитной цепи электрических машин с постоянными магнитами. / В. И. Волченсков// Электронный научно-технический журнал Инженерный вестник. — 2012. — №9. — С. 1-11.4. . Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины: Учеб.пособие для электромех. и электроэнерг. спец. вузов / Д. А. Бут. — М. :Высш. шк., 1990. — 416 с.: ил.5. Беляев Е. Ф. Дискретно-полевые модели электрических машин : учеб.пособие. Ч. I,II / Е. Ф. Беляев, Н. В. Шулаков. — Пермь : Изд-во Перм. гос. Тех ун-та, 2009. — 457 с.

6. Фисенко В. Г. Численные расчеты электромагнитных полей в электрических машинах на основе метода конечных элементов : учебное пособие по курсу «Электромагнитные расчеты», по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / В. Г. Фисенко. — Моск. энерг. ин-т (МЭИ ТУ). — М. : Изд-во МЭИ, 2002. — 44 с.7. Бровков В. Г., Тышковский М. А. Моделирование электромехани-ческих систем с электронным управлением в среде VHDL-AMS / В. Г. Бровков, М. А. Тышковский// Электромашиностроение и электрооборудование. — 2009. — № 72.– С. 134-138.





В современном мире чрезвычайно актуальными являются вопросы экологической безопасности и не-хватки энергоресурсов, вместе с

тем возрастают и тарифы на них. Эффек-тивным решением этих проблем являет-ся повышение энергоэффективности и энергосбережения, а действенным мето-дом для их решения является энергоучёт и, в частности, теплоучёт.

В области теплоучёта очень важно, что-бы конечный потребитель видел эконо-мический результат использования энер-госберегающих мероприятий. Соответ-ственно, очень важен переход от домового к поквартирному учёту тепла. При таком переходе уменьшаются значе-ния измеряемых величин и, соответ-ственно, возрастают требования к точно-сти используемого измерительного обо-рудования. Вместе с этим одновременно возрастают требования к стоимости и компактности таких устройств, а рост требований стимулирует нахождение но-вых методов и решений. При создании таких приборов требуется разработка стендового оборудования и устройств для имитации реальных условий эксплуа-тации, соответствующих высоким требо-ваниям по стабильности, чувствительно-сти, точности.

Для решений столь сложных задач на этапе проведения НИОКР могут приме-няться различные виды инженерного анализа, но лишь некоторые из них по-зволяют избежать значительного количе-

ства ошибок, а также соответствуют со-временным требованиям эффективности и точности.

Традиционно решение производится итерационно, путём создания физиче-ских прототипов, проведения испытаний и анализа полученных результатов, что является дорогой и растянутой во вре-мени процедурой. Куда более гибкое ре-шение можно получить с помощью тех-нологии цифрового прототипирования и численного анализа.

Цифровое прототипирование позволя-ет проверять работоспособность идеи не воплощая её в реальном исполнении, вносить изменения, оценивать альтерна-

Численное моделирование как новый этап разработки бытовых приборов

Разработка приборов для поквартирного учёта тепла и поверочных установок с помощью цифрового прототипирования и КЭ анализа

тивы. Одним из подходов для проведения инженерных расчётов над цифровой мо-делью является решение задач методом конечных элементов (МКЭ) и методом ко-нечных объёмов (МКО). Этот метод силь-но упрощает процесс тестирования про-дукции и обработки полученных резуль-татов с помощью ПК, позволяя производить визуализацию искомых не-прерывных величин (температур, пере-мещений и др.) путём аппроксимации дискретной модели, способствует бы-строму выводу инновационных изделий на рынок при малых затратах ресурсов.

Для нужд учёта тепловой энергии и температуры теплоносителя в рамках

КЭ модель датчика температурыРаспределение температур в расчётной модели


настоящего исследования спроектиро-ван датчик температуры, габариты эле-ментов которого подбирались параме-трически, на основе результатов числен-ного моделирования, также проверялась актуальность концепции в целом для поставленных задач. Так как некоторые из функций температуры термочувстви-тельного элемента в датчике от габари-тов элементов модели являлись унимо-дальными, то найти экстремум таких функций другими методами было бы не-возможно. По результатам численных и натурных экспериментов была дополне-на запатентованная концепция и ском-понованы первые рабочие образцы.

При описании течения теплоносителя, например, в системах водоснабжения, встаёт вопрос в решении задач гидрогазо-динамики и конвективного теплоперено-са. Для решения данной задачи целесоо-бразно обратить внимание на один метод дискретизации уравнений гидродинами-ки – метод конечных объёмов, реализо-ванный в решателях Ansys CFX и Fluent.

Для определения коэффициентов те-плоотдачи с внутренних поверхностей ка-налов в системах отопления, водоснабже-ния или других систем, где происходит протекание теплоносителей, зачастую до-статочно использования аналитических расчётов, но если форма этих каналов сложна, а шероховатость вносит большое влияние на формирование профиля тече-ния, то такой расчёт выполнить аналити-чески может оказаться невозможно. Ино-гда целесообразнее путём нескольких экспериментов определить некоторые опорные точки и, подогнав их под создан-ную модель, отработать модель для даль-нейших модернизаций и экспериментов уже в виртуальном пространстве.

В результате проведенных расчетов на этапе проведения НИОКР получены ре-зультаты для модели вышеописанного

датчика на каналах разной формы и раз-меров, сформированы требования к ра-боте такого датчика. Пример распределе-ние температур в канале круглого сече-ния приведён ниже.

Вторым этапом работ было проектиро-вание установки, производящей поверку таких и подобных им датчиков. При проек-тировании установки было проведено чис-ленное моделирование происходящих в ней физических процессов и определены ожидаемые метрологические характери-стики, а также возможные пути оптимиза-ции её работы. Были произведены расчёты и получены результаты, позволяющие оце-нить максимально воспроизводимую точ-ность измерений, определены возможно-сти по поверке различных типов датчиков на разных диапазонах температур.

Таким образом, применение конечно-элементного моделирования при проек-тировании различных видов приборов и устройств теплоучета позволяет получить как оценочные данные для метрологиче-ских характеристик, так и данные по рас-

пределению той или иной непрерывной величины в конструкциях как простых, так и сложных форм. Этот подход к проек-тированию способствует быстрому вы-полнению НИОКР и, как следствие, позво-ляет снизить время на выпуск продукции, при этом увеличивая её качество.

Автор:Ярошенко В. И., НИУ ИТМО

Список литературы:1. Ярошенко В. И. Диссертация магистра на тему: «Повышение точности измерения температуры в системе учёта тепловой энергии», НИУ ИТМО, 20132. Алямовский А. А. Инженерный анализ методом конечных элементов / А. А. Алямовский. – М. : Проектирование, 2004. — 432 с.3. Смирнов Е. М., Зайцев Д. К. Публикация на тему: «Метод конечных объёмов в приложении к задачам гидрогазодинамики и теплообмена в областях сложной геометрии». Научно технические ведомости 2, 2004. 22с.

Расчёт расслоения температуры в протекающем теплоносителе Прототип датчика

Lц

l2

l2

dx

x

x

l1


ANSYS и CADFEM

Газотурбинные энергетические уста-новки (ГТУ) находят широкое при-менение в качестве источников энергии в военной и гражданской

сферах, включая двигательные установ-ки авиационного, наземного, надводного и подводного применения, электростан-ции, газоперекачивающие станции. Газо-турбинные энергетические установки в сравнении с поршневыми обладают большей объемно-весовой мощностью, более благоприятной тяговой характе-ристикой и большим ресурсом. Они не имеют системы охлаждения и связанных с ней проблем, неприхотливы в эксплуа-тации: легко запускаются при низких тем-пературах, не требуют тонкой очистки воздуха, обладают более высокой эколо-гичностью, т.к. имеют меньшую токсич-ность выхлопных газов и в десятки раз меньший расход масла.

Вместе с тем, такие недостатки газотур-бинной техники, как сложность проекти-рования и изготовления и большое вре-мя на доводку, отражаются на высокой стоимости полного жизненного цикла данного изделия. Сложности проектиро-вания и доводки обусловлены напряжен-ными рабочими процессами, протекаю-щими в ГТУ. Одновременность протека-ния большого количества процессов приводит к взаимному влиянию их друг на друга. В этой связи для снижения стои-мости жизненного цикла уже на этапе проектирования необходимо проводить согласование всех элементов двигателя путём решения связанных задач с поис-ком оптимальных проектных решений.

В данной работе была проведена опти-мизация пера лопатки вновь проектируе-мой газотурбинной установки по крите-рию газодинамической эффективности с учётом прочностных ограничений. Газо-динамическая эффективность оценива-лась двумя показателями — степенью по-вышения давления πк и изоэнтропиче-ским КПД. Для оценки прочности использовался критерий Мизеса.

Схема расчётного проекта

Работа проводилась в среде ANSYS Workbench с использованием следующих инструментов (рисунок1):для формирования геометрической мо-

дели лопатки — ANSYS Design Modeler (Geometry);

для формирования качественной гекса-гональной сетки межлопаточного кана-ла — ANSYS TurboGrid;

для газодинамических расчётов — ANSYS CFX;

для прочностных расчётов — ANSYS Static Structural;

для формирования входных параме-тров для геометрической модели и сбо-ра выходных параметров из газодина-мического и прочностного расчётов — модуль параметризации Parameter Set;

для оптимизационных исследований — инструменты Parameters Correlation и Response Surface Optimization.Поскольку результат газодинамиче-

ского расчёта — поле давлений газа на перо лопатки — является одним из гра-ничных условий для расчета прочности,

Оптимизация лопаточного венца компрессора газотурбинной установки

задача является связанной и решается в однонаправленной постановке (т.н. «1-way FSI»). Согласно логике взаимодей-ствия расчетных модулей в среде ANSYS Workbench, при работе расчётной схе-мы, показанной на рисунке 1, для любого нового сочетания «входных» параметров автоматически строится соответствую-щая им геометрическая модель. Далее с использованием этой модели произво-дится построение сетки и газодинамиче-ский расчёт, результаты которого, во-первых, становятся конечными выход-ными параметрами (πк и КПД), а, во-вторых, используются в качестве ус-ловий для прочностного моделирова-ния, результатом чего является оценка прочности по критерию Мизеса. Данная процедура выполняется автоматически для каждого сочетания входных параме-тров. Учитывая большое количество за-действованных проектных переменных, перебор всех возможных их сочетаний с целью выбора наилучшего является не-рациональным (и невозможным) с точки зрения затрат машинного времени. Поэ-тому для решения поставленной задачи требуется применене методов оптимиза-ции. Ниже описаны основные этапы ее решения.

Геометрическая модель

Параметрическая геометрическая мо-дель исследуемой лопатки построена в ANSYS Design Modeler и состоит из пера и хвостовика. Перо выполнено заметанием поверхностей (операция Skin/Loft) по

В статье описан пример оптимизации лопаточного венца с использованием инструментов ANSYS DesignXplorer®. Моделирование выполнялось в связанной постановке (газовая динамика и прочность) с использованием технологий FSI


трём сечениям — профилям лопатки на втулочном, среднем и периферийном ди-аметре (рисунок 2). Каждый профиль по-строен по методике дуг окружностей и отрезков прямых (рисунок 3) и имеет сле-дующие варьируемые параметры:лопаточные углы на входе (β1л) и выхо-

де (β2л);величина хорды профиля (b);радиусы входной (rвх) и выходной (rвых)

кромок.Параметризация профиля осуществляет-

ся за счёт задания в каждом эскизе геоме-трических и размерных ограничений, при-чём размерные ограничения могут быть заданы в виде формул, описывающих зави-симости от других параметров (рисунок 4). Так, например, углы между касательными к спинке и корытцу и горизонтальной осью A12 и A13 могут быть найдены как лопаточ-ный угол на входе плюс/минус заданный угол заострения лопатки на входе w1:

Plane4.A12=@beta1 – @w1/2Plane4.A13=@beta1 + @w1/2

Поскольку каждый эскиз профиля вы-полнен в отдельной плоскости, имею-щей систему координат, ассоциативно связанную с глобальной, то каждый про-

филь получает ещё две степени свобо-ды, а именно плоские смещения в окружной плоскости вдоль и поперёк ось вращения лопаточного венца. Это позволяет параметризовать широко из-вестные методы «выноса» или «навала» сечений лопатки, например, для раз-грузки пера от газовых сил.

Таким образом, перо лопатки, являясь самым сложным её элементом, может за-висеть от большого числа параметров. В данном случае, иллюстрирующем один из самых простых способов профилирова-ния, в каждом сечении имеется 7 незави-симых параметров, а поскольку использу-ется схема построения пера по трём сече-ниям, то общее количество параметров оказывается больше двадцати. Для сокра-щения числа варьируемых параметров в ходе выполнения данной задачи было предложено изменять только следующие параметры: углы на входе в каждом сечении (β1_0,

β1_1, β1_2); «вынос» среднего и периферийного се-

чений (ΔX1, ΔX2); радиус галтели в месте соединения

пера и хвостовика (R).Для передачи геометрической модели

межлопаточного канала в сеткогенератор

Рисунок 1 – Схема проекта Workbench для оптимизации связанной FSI-задачи

Рисунок 2 – Схема построения пера лопатки

TurboGrid был использован инструмент ExportPoints модуля BladeEditor, а для ука-зания меридиональных обводов исполь-зовались эскизы и операция FlowPath (ри-сунок 5). Для правильной передачи гео-метрии галтели, необходимо, чтобы втулочная часть пера была разрешена достаточным количеством сечений-слоёв (Layer), причём чем ближе к втулке, тем чаще должны идти сечения. Положение (Span) каждого сечения также может быть параметризовано с помощью алгебраи-ческих выражений в функциональной за-висимости от радиуса галтели R так, что


ANSYS и CADFEM

при любом значении R слои будут распо-лагаться так, чтобы максимально разре-шить радиус галтель (рисунок 5)

Газодинамическая модель

Как было сказано ранее, для создания сеточной модели проточной части был использован сеткогенератор TurboGrid (рисунок 1), который при применении автоматического управления топологи-ей (алгоритм ATM Optimized) позволяет автоматически создавать качественные гексагональные сетки, что важно при многократном решении задачи. Для по-исковых задач обычно требуется не столько высокая точность расчёта, сколько высокая скорость перебора ва-

риантов. Поэтому в данном расчёте была использована опция построения грубой сетки (Coarse), в результате чего была сформирована модель из 60 тыс. эле-ментов.

Газодинамическая модель была созда-на в препроцессоре CFX-Pre с использо-ванием Turbo-режима (Tool à Turbo Mode). В качестве рабочего тела был за-дан воздух, расчётной зоне придано вра-щение с постоянной частотой. Граничные условия были также заданы постоянны-ми: на входе — абсолютная скорость на-бегания воздушного потока, на выходе — статическое давление (рисунок 6).

Для быстрого получения результата были заданы грубые критерии сходимо-сти: невязки RMS=0,001 при максималь-

ном числе итераций 150. При этом точ-ность результатов достаточна для пра-вильной оценки тенденций влияния параметров.

Результаты, полученные при пробном расчёте (рисунок 7), позволяют оценить очевидную зависимость параметров по-тока от формы лопатки.

Конечноэлементная модель

Общий вид построенной конечноэле-ментной модели, а также результаты ста-тического расчета прочности лопатки представлены на рисунке 8, где видно что, в области перехода пера лопатки в хво-стовик существует зона концентрации на-пряжений.

Рисунок 3 – Эскиз профиля пера с наложенными размерными ограничениями

Рисунок 4 – Окно Design Modeler для ввода выражений зависимых параметров

Рисунок 5 – Параметризация элемента Span операций FlowPath

Большой радиус галтели, редкие слои

Малый радиус галтели, частые слои

В каждом случае правильный результат


Основными нагрузками, действующи-ми на лопатку, являются аэродинамиче-ская и центробежная силы. Аэродинами-ческая нагрузка передаётся на лопатку в виде поля давлений из газодинамическо-го расчёта. При данной схеме нагружения и форме лопатки очевидной является вза-имосвязь ее напряженно-деформирован-ного состояния со следующими параме-трами:

1. радиус галтели (R), определяющий величину напряжений в зоне концентра-ции;

2. взаимное положение центрального и периферийного сечений, определяю-щее положение центра тяжести лопатки относительно центра вращения и, как следствие, величину центробежной силы.

Выбор проектных переменных Очевидно, что решаемая задача, с точки зрения оптимизации, относится к числу NP-полных задач. Таким образом, размерность пространства поиска в степени зависит от числа проектных параметров. На этапе под-готовки модели оптимизации важно выя-вить только наиболее значимые параме-тры, исключив из рассмотрения те, которые в меньшей степени влияют на оптимизиру-емые характеристики изделия. Это позво-лит существенно сократить трудоемкость решения задачи оптимизации, выражен-ную в затратах машинного времени.

Для определения степени влияния того или иного параметра на показатели газо-динамической эффективности и прочно-

сти лопатки была проведена оценка гло-бальной чувствительности КПД, πk*, σmax и максимальных перемещений от лопаточ-ных углов на входе в среднем и перифе-рийном сечениях, взаимного положения этих сечений и радиуса галтели. Расчет был выполнен с использованием модуля «Parameters Correlation», входящего в со-став ANSYS DesignXplorer®.

По результатам расчета, представлен-ных в виде диаграммы на рисунке 9, мож-но сделать следующие выводы:на величину КПД и πk* основное влия-

ние оказывают лопаточные углы на вхо-де, в среднем и дальнем сечениях, а так-же (в меньшей степени) радиус галтели;

на НДС лопатки в большей степени вли-яют горизонтальные смещения средне-го и дальнего сечений, а также — ради-ус и лопаточные углы на входе.Опираясь на данную информацию,

было принято решение о включении всех названных выше параметров лопатки в число проектных переменных при реше-нии задачи оптимизации.

Формулировка и процедура решения задачи оптимизации

Выводы, сделанные в предыдущем пара-графе, позволяют сформулировать задачу оптимизации следующим образом:Максимизировать КПД = f (α1_0 , α1_1 , α1_2 , Δx 0 , Δx 1 , Δx 2 , R) и максимизировать πk* =

f (α1_0, α1_1, α1_2, Δx0, Δx1, Δx2, R) при ограничении σmax экв. ≤ [σ],

где α1_0, α1_1, α1_2 — лопаточные углы на входе для сечений 0…2; Δx0, Δx1, Δx2 — смещение («навал») сечений в гориз. пло-скости; R — радиус галтели в месте пере-хода пера лопатки в хвостовик.

Рисунок 6 – Газодинамическая расчётная модель

Рисунок 7 – Зависимость КПД от лопаточного угла на входе в среднем сечении

Сеточная модель Модель в препроцессореРезультаты: картина

течений и поле давлений

КПД

β1_1


ANSYS и CADFEM

Первым этапом при решении оптими-зационных задач с использованием ANSYS DesignXplorer является построе-ние поверхностей отклика, апроксими-рующих зависимости целевой функции и ограничений от проектных переменных в указанном диапазоне их изменения. В данном случае уравнения поверхностей отклика представляют собой полиномы второго порядка. Вид некоторых из них показан на рисунке 10. В качестве метода планирования эксперимента при их соз-

дании использовался центральный ком-позиционный план (Central Composite Design).

На следующем этапе назначается метод оптимизации и задаются диапазоны из-менения проектных параметров. Из мето-дов, имеющихся в арсенале DesignXplorer, для решения двух- и многокритериаль-ных задач наиболее подходящим являет-ся так называемый генетический алго-ритм — метод оптимизации, основанный на математической модели эволюцион-

ного процесса. Данный метод использо-вался при решении поставленной задачи. Диапазоны изменения проектных пара-метров были следующими: ±5 мм для смещений среднего и периферийного се-чений относительно исходного положе-ния; 30…70° для всех лопаточных углов; 2…5 мм для радиуса галтели. Максималь-но допустимое эквивалентное напряже-ние для титановой лопатки было принято равным 800 МПа. При решении задачи была установлена «равнозначность» обо-

Рисунок 8 – Конечноэлементная модель лопатки: а – наложение аэродинамических нагрузок, б – эквивалентные напряжения

Рисунок 10 – Зависимость критериев предстоящей оптимизации от варьируемых параметров

а) б)


Рисунок 10 – Построенные поверхности отклика оптимизируемых параметров (в осях α1_1 , α1_2): а — максимального эквивалентного напряжения, б — КПД, в — πk

а) б)

в)

Рисунок 11 – Множество Парето

их критериев газодинамической эффек-тивности — КПД и πk* — путем задания одинаковых весовых коэффициентов.

Результаты оптимизации

В наиболее общем случае, когда значи-мость критериев оптимизации не являет-ся равной, все возможные оптимальные решения принадлежат так называемому множеству Парето (рисунок 11).

Рациональные значения проектных па-раметров, полученных в результате опти-мизации для случая равнозначных кри-териев, представлены в таблице 1.

Сравнение формы лопатки при значе-ниях проектных переменных из таблицы 1 с ее исходной формой показано на ри-сунке 12.


ANSYS и CADFEM

Наша компания рада представить Вам новый офици-альный канал на YouTube. Теперь все обучающие видео КАДФЕМ на русском языке собраны на одном канале и распределены в тематические плейлисты. Здесь будут выкладываться видеоуроки по программ-ным продуктам ANSYS, nCode, optiSLang и других разработчиков. Для удобства навигации видеоуроки имеют 4-значные номера. Например, VL1401 — озна-чает, что этот видеоурок был записан в 2014 году первым по счету. В этом году мы также готовим серию новых обучаю-щих видео. В них будут рассмотрены следующие темы: Построение расчетных сеток в ANSYS Fluent

Meshing Приложения ACT для ANSYS Mechanical: метод

подконструкций, акустические расчеты, работа с большими сборками и другие

Механика разрушения и определение остаточного ресурса

Высокочастотное моделирование в ANSYS HFSS Многодисциплинарное моделирование индукци-

онного нагрева Охлаждение электроники в ANSYS Icepak И другие актуальные темы Вы легко сможете найти наши обучающие видео в поиске YouTube по ключевым словам «Видеоурок CADFEM». Ссылка на канал: www.youtube.com/CADFEMCIS

Авторы:Шаблий Л. С., к.т.н., инженер по технической поддержке решений CFD-Turbo ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» в ПФО, ассистент Самарского государственного аэрокосмического университетаЧерняев А. В., к.т.н., инженер по прочностным расчетам конструкций из

композиционных материалов ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс, научный сотрудник Самарского государственного аэрокосмического университета

Список литературы:1. Design Exploration User Guide. Release 14.0. ANSYS Inc.2. Workbench User Guide. Release 14.0. ANSYS Inc.

Выводы

Полученная в результате оптимизации конфигурация проектных параметров по-зволила увеличить КПД и степень повы-шения давления в компрессоре на 23 и 7%, соответственно.

Таблица 1 — Значения проектных параметров лопатки, полученные

в ходе оптимизации

Параметр Рациональное значение

α1_0, градусы 42.52



Δx 0 , мм 4.92

Δx 1 , мм -0.83

R, мм 2.75

Новый канал КАДФЕМ на YouTube

Рисунок 12 – Сравнение исходной и «рациональной» формы лопатки


В последнее время во всем мире на-блюдается активная тенденция за-мены традиционных асинхронных двигателей на синхронные маши-

ны с постоянными магнитами для низко-оборотных приводов, скорость которых не превышает 500 об/мин. Это связано с тем, что цена на постоянные магниты стала значительно ниже, и, кроме того, синхронные машины с постоянными магнитами не имеют обмотки на роторе и, соответственно, порождаемых в ней медных потерь, следствием чего являет-ся более высокий КПД, по сравнению с асинхронными машинами. Г.Р. Слемоном в 1993 году было показано, что потери в синхронных машинах с постоянными магнитами могут быть снижены до 60% по сравнению с асинхронными двигате-лями тех же габаритов и номинальной скорости вращения[1].

Расчет и оптимизация каждого типа ма-шин имеет свою специфику, но структура

подхода при этом остается неизменной. В основе проектирования всегда заложена аналитическая методика, разработанная на базе накопленных знаний и опыта. Как правило, в любую аналитическую методи-ку заложена большая доля эмпирики, что не всегда позволяет разработать макси-мально эффективное изделие. Для даль-нейшей доработки и оптимизации кон-струкции, как правило, применяются пе-редовые численные методы, такие как метод конечных элементов (МКЭ). Но сто-ит также отметить, что МКЭ является не средством проектирования, а инструмен-том анализа.

В данной статье представлен алгоритм проектирования, включающий оптимиза-цию под определенные технические тре-бования одной из наиболее распростра-ненных конфигураций машин с постоян-ными магнитами, при расположении радиально намагниченных магнитов на поверхности ротора.

Стратегия оптимизации синхронных машин с явновыраженными полюсами на постоянных магнитах

Синхронные машины с постоянными магнитами на поверхности ротора

В качестве примера для представления предлагаемого подхода и оценки эффек-тивности результатов был выбран аналог, синхронный двигатель с постоянными магнитами и распределенной обмоткой статора, идущий в комплекте электропри-вода для морских судов. В соответствии с техническими условиями на выбранный аналог было решено спроектировать со-ответствующий двигатель с номинальной мощностью , номинальным напряжением и номинальной скоростью вращения в заданные габариты (размер внутреннего диаметра ротора, внешний диаметр ста-тора, величина воздушного зазора и дли-на машины строго оговорены в конструк-торской документации). Основным кри-терием для данного двигателя было

В данной статье представлен подход к робастному проектированию синхронных электрических машин на примере расчета и оптимизации синхронного двигателя с постоянными магнитами на поверхности ротора. Предложена стратегия оптимизации основных размеров геометрии ротора и статора в соответствии с заданными техническими требованиями. Выполнен динамический поверочный расчет оптимизированной модели.


ANSYS и CADFEM

магнитами» [3], была выбрана и рассчи-тана новая конструкция двигателя с кон-центрической обмоткой. Трехфазная распределенная обмотка катушечного типа была заменена на концентриче-скую, соответственно изменилась форма и число пазов. Основные размеры (раз-мер внутреннего диаметра ротора, внешний диаметр статора, величина воз-душного зазора и длина машины) были сохранены.

Для данной конструкции было выбрано число полюсов равное 64, а число пазов статора — 72, с соответствующим числом пазов на полюс и фазу, равным 3/8. Такое соотношение было выбрано на базе мето-дики [3]. Таблица обмоточных коэффици-ентов для различных комбинаций числа полюсов и пазов двухслойных обмоток представлена на рисунке 1.

снижение пульсации момента, т.к. вы-бранный нами аналог в этой части не от-вечал предъявленным требованиям, что также было подтверждено результатами численного моделирования.

В синхронных машинах с постоянными магнитами существует несколько причин пульсации момента[2]:Зубцовая пульсация момента — пульса-

ция, порождаемая изменением магнит-ной проницаемости поля, создаваемо-го магнитами, обусловленная наличием зубцов на поверхности статора. Данная пульсация наблюдается во всех режи-мах работы двигателя, в том числе и в режиме холостого хода.

Изменение магнитной проницаемости поля, создаваемого магнитами, обу-словленное насыщением.

Пространственные гармоники — взаи-модействие между пространственными гармониками поля, создаваемыми маг-нитами и пространственными гармони-ками поля, создаваемыми обмоткой. Обусловливаются конструктивными особенностями и нелинейностями па-раметров электрической машины.

Временные гармоники — инвертор по-рождает временные гармоники в поле, создаваемом обмоткой. При взаимо-действии высших временных гармоник с полем постоянных магнитов появля-ется пульсирующий крутящий момент.

Дефекты производства, такие как воз-можность наличия эксцентриситета ро-тора или неравномерная намагничен-ность магнитов.На базе аналитической методики и ре-

комендаций, представленных в книге шведского профессора Флоренса Либер-та «Проектирование, оптимизация и сравнение двигателей с постоянными

Сегмент сечения активного ядра маши-ны с распределением фаз по пазам пред-ставлен на рисунке 2.

Особенностью расчета стала доработка геометрии с помощью МКЭ. Была разра-ботана методика, ориентированная под определенный класс задач, базирующая-ся на методе прямой оптимизации и реа-лизованная в конечно элементном про-граммном пакете Ansys Maxwell. Данная методика направлена на снижение произ-водственной себестоимости и снижение пульсаций электромагнитного момента, вызванных гармониками высокого поряд-ка, формируемыми в воздушном зазоре двигателя.

Методика разбита на два этапа. На первом этапе произведена оптимизация геометрии ротора. На рисунке 3 пред-ставлена оптимизационная модель, в ко-

Рисунок 1 – Таблица обмоточных коэффициентов

Рисунок 2 – Сегмент сечения активного ядра машины с постоянными магнитами

Рисунок 3 – Оптимизационная модель ротора


ни, когда ротор находится в симметрич-ном положении относительно статора, т.е. положению, отображающему статиче-скую постановку задачи оптимизации). Данный момент времени отмечен на гра-фике пунктирной линией. Такая постанов-

торой параметры Lm, Hm, Hr и Hs2 изме-няются таким образом, чтобы воздуш-ный зазор оставался постоянным. Вычисляем параметрическое распреде-ление модуля индукции вдоль воздуш-ного зазора. Оптимизация произведена по четырем критериям с разными прио-ритетами (максимальная амплитуда ин-дукции, максимальная глубина паза, ми-нимальная масса магнитов и минималь-ное рассеяние между магнитами).

Выполненные численные эксперимен-ты показали характер изменения ампли-туды и качества распределения поля в зазоре при изменении размеров постоян-ных магнитов. С увеличением ширины магнита возрастает магнитное рассеяние, в то время как амплитуда индукции воз-растает незначительно. Однако чрезмер-ное уменьшение ширины магнита может привести к отрицательным значениям пульсаций крутящего момента. С увеличе-нием высоты магнита до определенного значения амплитуда магнитной индукции в зазоре значительно возрастает. Соот-ветственно, оптимальные параметры вы-бираются по заданным критериям, кото-рые формируются на базе предъявлен-ных требований.

Определившись с возбуждением син-хронной машины, была решена задача моделирования работы двигателя под нагрузкой в динамической постановке с целью определения входных условий для задачи оптимизации основных раз-меров статора. В модели использованы посчитанная геометрия ротора и при-ближенная геометрия статора. Скорость вращения ротора принимается постоян-ной. Двухслойная концентрическая об-мотка подключена к источникам пере-менного напряжения. Решение проме-жуточной динамической задачи также позволяет убедиться в правильности выбора параметров источника возбуж-дения и что пульсации крутящего мо-мента не превышают допустимых значе-ний. В результате решения определены временные зависимости токов в фазах для установившегося режима работы при номинальной мощности.

Данная задача посчитана в двухмерной постановке, так как геометрия является симметричной, а вылет лобовых частей незначителен. Лобовое рассеяние учиты-вается с помощью индуктивных сопро-тивлений лобовых частей фаз.

На рисунке 4 представлено изменение тока от времени для трех фаз, распреде-ление плотности тока и распределение векторного магнитного потенциала в за-данный момент времени (момент време-

ка позволяет определить распределение токов в фазах с учетом угла нагрузки.

На втором этапе была решена задача оптимизации размеров статора. Оптими-зационная модель представлена на ри-сунке 5. Эта задача оптимизации была так-

Рисунок 4 – Распределение токов в концентрической обмотке

Рисунок 5 – Оптимизационная модель статора


ANSYS и CADFEM

же решена в программе ANSYS Maxwell с помощью модуля Optimetrics и представ-ляет из себя параметрическую задачу, па-раметрами в которой являются размеры вырубки паза, а критериями — масса и максимальное значение индукции в зазо-ре. В задаче заданы токи в фазах с учетом угла нагрузки. Решив задачу, мы получили распределение эквивалентной массы, ко-торая определяется как площадь сегмен-та сердечника статора, в зависимости от площади индукции в зазоре. Эта зависи-мость представлена на рисунке 6. Пун-ктирным кружком выделен выбранный оптимум.


В данной статье была представлена стра-тегия оптимизации активного ядра син-хронного двигателя с постоянными маг-нитами. Результаты оптимизации были апробированы численным моделирова-нием двигателей в динамической поста-новке в программе ANSYS Maxwell. Про-изведено сравнение оптимизированной конструкции с аналогом. На рисунках 7 и 8 представлены временные зависимости момента выбранного аналога и новой оп-тимизированной конструкции, соответ-ственно.

Благодаря применению концентриче-ской обмотки и оптимизации геометрии, удалось почти в три раза уменьшить вы-лет лобовых частей, сократить пульсацию момента в 12 раз, а также сократить про-изводственную себестоимость.

Автор:Шиманский С. А., ведущий инженер по технической поддержке ANSYS Electronics Solutions/EM, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» — филиал в Северо-Западном Федеральном Округе

Список литературы:[1] Slemon, G.R. (1993). High-Efficiency drives using permanent-magnet motors. In Industrial Electronics, Control and Instrumentation. Proceedings of the IECON’93, International Conference on 1993. Volume 2. p.725-730.[2] F. Meier, “Permanent-Magnet Synchronous Machines with Non-Overlapping Concentrated Windings for Low-Speed Direct-Drive Applications”, Stockholm, Sweden: Royal Institute of Technology, 2008, p. 177.[3] F. Libert, “Design, Optimization and Comparison of Permanent Magnet Motors for a Low-Speed Direct-Driven Mixer”, Stockholm, Sweden: Royal Institute of Technology, 2004, p. 132.

Рисунок 6 – Зависимость параметров модели оптимизации статора

Рисунок 7 – График пульсаций момента от времени двигателя с катушечной обмоткой

Рисунок 8 – График пульсаций момента от времени двигателя с концентрической обмоткой после оптимизации


Одной из существенных причин, влияющих на живучесть электронных систем управления (СУ), являются внеш-ние воздействия электромагнитной природы. Среди них естественные дестабилизирующие факторы (ДФ)

(грозовые разряды, радиационные потоки космического про-странства, электромагнитные поля и др.) и специально разрабо-танные целенаправленные (ионизирующие, сверхвысокочастот-ные и лазерные излучения, пучки нейтральных частиц и другие формы направленной электромагнитной энергии).

В последнее время повысился интерес к построению резерв-ных СУ на струйных элементах [1,2], которые работоспособны в условиях, характеризуемых низкими и высокими давлениями и температурами, электромагнитными излучениями, интенсивной радиацией, ударными нагрузками [3,4]. Однако существенно низ-кое быстродействие, по сравнению с электронной аппаратурой, ограничивает использование струйной техники в построении СУ, в первую очередь критическими объектами. В [5] было показано, что главными факторами повышения быстродействия струйных элементов являются их миниатюризация, использование легких газов и повышения отношения давления питания и давления окружающей среды. Наряду с этим, важным является качество функциональных характеристик, которые определяются аэроги-дродинамическими процессами переключения струй, распро-странения сигналов давлений и расходов в коммуникационных каналах и т.п. Особо остро это проявляется с уменьшением ли-нейных размеров проходных сечений струйных элементов. В ра-боте на примере струйного генератора рассматриваются влия-ние рабочих параметров по оптимизации его функциональных характеристик.

Для анализа и оценки работы струйного генератора в рамках одной системы специалисты ИПУ РАН, НИИ Механики МГУ и ЗАО

«КАДФЕМ Си-Ай-Эс» использовали программный пакет ANSYS Fluent 15.0 для расчета переходных процессов, происходящих в его рабочей камере. Расчет проводился в двумерной постановке. Течение рабочей жидкости — сжимаемого газа описывалось с помощью системы нестационарных осредненных уравнений На-вье-Стокса (URANS) и энергии, которые записываются в следую-щем виде (1):

(1)

(2)

(3)

Здесь r — плотность газа; m — вязкость газа; xi, xj — простран-ственные координаты; t — время; δij — символ Кронекера, - век-тор скорости газа; ui, uj — компоненты скорости газа; keff — эф-

фективный коэффициент теплопроводности; ;

Cp — теплоемкость при постоянном давлении; T — температура

газа; — тензор рейнольдсовых напряжений, которые со-гласно гипотезе Буссинеска записываются в виде:

(4)

Использование ANSYS Fluent позволило разработать эффективные мероприятия для повышения частоты переключений струйного генератора

Численный метод моделирования рабочего процесса струйного бистабильного элемента


ANSYS и CADFEM

среды от силовой струи в правый канал управления и распро-странение волны давления по нему навстречу формирующему-ся в правом выходном канале потоку рабочей среды. Такое не-стабильное поведение силовой струи объясняется еще не уста-новившимся процессом течения рабочей среды в камере элемента.

На рисунке 3 видно, что уже почти отклонившаяся вправо струя сбрасывается в левое атмосферное окно и пока не может преодолеть вихрь отраженного потока, формируемый справа от нее дефлектором. В правый выходной канал начинается выброс пульсаций давления и расхода, которые формируют потоки пуль-сирующей рабочей среды отраженного потока и могут являться источником ложных срабатываний генератора. Этот процесс в развитии хорошо виден на рисунке 4.

Выбросы в правый выходной канал начинают взаимодейство-вать со встречной волной давления, возникающей в обратной связи генератора при подходе силовой струи к правой стенке (см. рисунок 2) в обратной связи генератора. Эта волна давления определяется поступлением расхода силовой струи в правый ка-нал управления. Встречная волна давления гасится более мощ-ными выбросами в правый выходной канал. В обратной связи генератора начинаются переходные процессы, которые суще-ственно мешают работе генератора. В конечном итоге, давление управления в левом управляющем канале достигает величин пе-реключения силовой струи, и струя отклоняется вправо.

На рисунке 5 видно, как струя опять устанавливается в «сред-нее» положение, отклонившись от левой стенки. Возникает мо-мент изменения схемы обтекания дефлектора на противополож-ную. Основной поток сбрасывается в левый атмосферный канал. По обе стороны струи формируются отраженные потоки. В обоих выходных каналах формируются пульсации давления. Пока в ле-вом выходном канале они больше, что и определяет поступле-ние управляющего давления и расхода в левый канал управле-

Здесь mt — турбулентная вязкость, для вычисления которой ис-пользуются полуэмпирические модели турбулентности. В дан-ной работе используется двухпараметрическая модель SST, по-скольку она лучше описывает пристеночные и отрывные тече-ния[2]. Выражения для вычисления турбулентной вязкости в модели SST имеют следующий вид [3]:

(5)

(6)

(7)

Здесь k — кинетическая энергия турбулентных пульсаций; ω — скорость диссипации кинетической энергии; Gk, Gω — источники генерации k и ω; Гk и Гω — коэффициенты диффузии для k и ω со-ответственно; Yk и Yω — диссипативные источники для k и ω. α*, a1, F2 — константы модели турбулентности [2].

Для замыкания системы уравнения (1)-(7) используются следу-ющие граничные условия:

На входе в расчетную область

Давление P=4000 ПаТемпература T=300 КИнтенсивность турбулентности 5%Масштаб турбулентности 1м

На контуре канала Условие прилипания

На выходе Давление P=0 Па«мягкие» граничные условия для температуры и параметров турбулентности

Построение сеточной модели осуществлялось в препроцес-соре ANSYS ICEM CFD. Для разбиения расчетной области на контрольные объемы использовалась неструктурированная расчетная сетка типа «тэтра», размерность которой составила 1 млн. элементов. У поверхности твердых стенок строился при-зматический слой ячеек с тем учетом, чтобы безразмерный па-раметр y+<2. Это условие необходимо для правильной работы выбранной модели турбулентности. Шаг по времени составил t=10–6 сек; длительность расчета 1100 шагов.

Исходя из полученной при численном моделировании карти-ны переключения, были выделены основные этапы переключе-ния силовой струи и распространения волн давления. Они пред-ставлены на следующих рисунках:

На рисунке 1 представлен процесс установления струи в рабо-чей камере элемента, после подачи питания в сопло элемента. По обе стороны струи идет процесс формирования вихрей, исходя из условий эжекции, которые формируются случайным образом. Рабочая среда эжектируется и из каналов управления. Первона-чальный поток струи питания сбрасывается в атмосферные окна и частично поступает в выходной канал. Случайным образом, ис-ходя из мгновенных сопротивлений выходных и атмосферных каналов, струя питания устанавливается вдоль левой стенки ра-бочей камеры. Согласно цветовой диаграмме, можно видеть ядро струи и ее основное направление.

На рисунке 2 показано, как происходит набор давления в ле-вом выходном канале, что приводит к появлению давления управления в левом управляющем канале. Струя начинает от-клоняться вправо. При этом происходит поступление рабочей

Рисунок 1 – Процесс установления струи в рабочей камере после подачи питания


струи. Этот мгновенный поток, отразившись от левой стенки ра-бочей камеры, направляется сначала против силовой струи, прижимает ее к правой стенке и потом разрывает ее. Только по-следующее перемещение силовой струи к правой стенке рабо-чей камеры ослабляет этот отраженный поток, и он начинает эжектироваться силовой струей. Силовая струя восстанавливает свою целостность. Пульсации давления в левом выходном кана-ле приводят к пульсациям давления в левом управляющем кана-ле, что также вызывают нестабильность положения силовой струи, что дает начальные пульсации давления в правый выход-ной канал. Под влиянием давления в левом управляющем кана-ле струя окончательно переходит к правой стенке элемента, что видно на рисунке 6. Слева от силовой струи начинает формиро-ваться новый отраженный поток.

На рисунке 7 показано, как поток рабочей среды в правом вы-ходном канале начинает переключать силовую струю снова к левой стенке рабочего элемента. Происходит формирование правого отраженного потока. В процессе его формирования ви-ден разрыв силовой струи, отклонившейся от правой стенки. Таким образом, возникают пульсации давления в правом выход-ном канале, что также является источником ложных срабатыва-ний. Одновременно начинает поступать расход в левый канал управления, а ядро струи пока отклоняется влево. Процесс пе-реключения начинает повторяться.

Анализируя полученный численный расчет, можно отметить, что: картина переключения силовой струи получена впервые чис-

ленным методом расчета. Она отличается от общепринятой кар-тины переключения [6,7], которая существовала до настоящего исследования. Полученные численные данные полей скоростей дают наглядную картину процесса переключения струйного элемента, согласующуюся с экспериментальными данными. Во всех предыдущих исследованиях [7] была принята модель

ния по обратной связи генератора и дальнейшее переключение силовой струи к правой стенке.

При этом мощность нового отраженного потока, формирую-щегося слева от силовой струи, сравнима с мощностью силовой

Рисунок 3 – Отклонение силовой струи влево и сброс в атмосферное окно

Рисунок 4 – «Паразитные» выбросы пульсаций давления и расхода в правый канал — одна из возможных причин ложных срабатываний генератора

Рисунок 2 – Взаимодействие выбросов в правый выходной канал со встречной волной из канала обратной связи


ANSYS и CADFEM

генератора. С увеличением частоты генератора, частота это-го акустического шума также увеличивается. Влияние аку-стических волн на работу струйного элемента необходимо исследовать. В работах [8,9] были приведены эксперимен-тальные результаты влияние акустических волн на работу струйных элементов. Особенно интересен вопрос возникно-вения резонансных частот при переключении струи в рабо-чей камере.Полученная картина течения показывает, что требуется опти-

мизация размеров струйного генератора. Это позволит значи-тельно увеличить его быстродействие. Наиболее очевидным па-раметром, который необходимо оптимизировать, является дли-на рабочей камеры. На всех представленных картинках видно, что силовая струя успевает развиться по исследуемой рабочей камере, и это является паразитным эффектом в работе генерато-ра. С точки зрения увеличения быстродействия необходимо пе-реключать только ядро струи, а не развитую струю, имеющую эжекционные турбулентные составляющие.

Робастную оптимизацию размеров рабочей камеры струйного генератора возможно провести, используя программный модуль ANSYS DesignExplorer.

Авторы:Дудников Д. А., ИПУ РАН, Чулюнин А. Ю., НИИ Механики МГУПашков О. А., Хитрых Д. П., ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Список литературы:1. Касимов А. М., Мамедли Э. М. Обеспечение безопасности перспективных летательных аппаратов при агрессивных внешних воздействиях на систему управления. // Труды XI Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем». М.: Изд. Центр РГГУ. — 2003.

переключения, основанная на косвенных результатах экспе-риментальных исследований, что давало не полную картину процесса переключения и характер возникновения пульса-ций давления, вызывающих ложные срабатывания последую-щих струйных элементов;

на высокочастотных режимах работы переключение сило-вой струи происходит не под влиянием установившегося расхода в выходных каналах, как это обычно было принято считать [6,7], а под влиянием выбросов расхода и давления, получающихся в выходных каналах элемента в процессе пе-реключения струи;

в каналах обратной связи волны давления распространяются как по направлению течения рабочей среды, так и против него. При увеличении частоты работы генератора этот пере-ходный процесс начинает принимать постоянный характер с небольшой переменной составляющей. При этом с увеличе-нием частоты генератора постоянная составляющая увеличи-вается, а переменная уменьшается. В конечном итоге, в обеих обратных связях генератора появляется постоянный расход, поступающий в оба канала управления. Процесс переключе-ния генератора останавливается. Этот момент и достигнутая в этот момент частота работы генератора и являются предель-ными для данной конструкции генератора. Таким образом, обратные связи генератора постоянно находятся под влияни-ем различных паразитных аэрогидродинамических эффектов, что значительно снижает максимально достижимую частоту работы генератора;

процесс переключения силовой струи в рабочей камере эле-мента может также иметь и акустическую природу. Переме-щение силовой струи по кромкам дефлектора, атмосферным и выходным каналам с высокой скоростью вызывает появле-ние акустических волн, что слышно при работе струйного

Рисунок 6 – Момент переключения силовой струи к правой стенке

Рисунок 5 – Возврат силовой струи в «среднее» положение


2. Касимов А. М., Мамедли Э. М., Коротков А. В., Пустовалов Е. В., Харитонов П. А. Схемно-технические решения построения аппаратуры резервного канала комплекса командных приборов системы управления летательным аппаратом. // Датчики и Системы, 2005. — № 12 — С.2 — 7.3. Касимов А. М., Мамедли Э. М., Мельников Л. И., Чернявский Л. Т. Вопросы реализации резервной системы управления. // Труды XIII Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем». М.: Изд. Центр РГГУ. — 2005. — С. 507 — 509. 4. Касимов А. М., Мамедли Э. М., Попов А. И. Метод обеспечения работоспособности СУ летательных аппаратов в условиях агрессивного внешнего воздействия. // Тез. докл. III Межд. конференции по проблемам управления (20-22 июня, 2006). — М.: ИПУ РАН, 2006. Т. 2. — С. 94. 5. Касимов А. М., Мамедли Э. М., Попов А. И., Чернявский Л. Т. Радикальное повышение быстродействия элементной базы резервных систем управления летательными аппаратами. // Датчики и Системы, 2005. — № 4.- С. 29 — 33.6. Лебедев И. В., Трескунов С. Л., Яковенко В. С., Элементы струйной автоматики. М. Машиностроение, 1973, 360с.7. Дудников Д. А., Исследование аэрогидромеханических методов построения струйных логических схем и разработка многотактных устройств. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Волгоград, 1995.8. Власов Е. В., Гиневский А. С., Акустическое воздействие на аэродинамические характеристики турбулентной струи. Механика жидкости и газа. Изв. АН СССР, 1967, n4, с 133-138. 9. Иванов Н. Н. Акустическое воздействие на корневую часть турбулентной струи. Механика жидкости и газа. Изв. АН СССР, 1970, n4, с 182-186.

Рисунок 7 – Разрыв силовой струи и «паразитные» пульсации давления — еще один источник ложных срабатываний

Компания КАДФЕМ Си-Ай-Эс рада представить Вам свой новый интернет-проект — ГИДРОГАЗОДИНАМИКА.РФ.

ГИДРОГАЗОДИНАМИКА.РФ — это открытый бесплатный ресурс в формате блога и новостного портала для всех пользователей ANSYS, занимающихся решением задач вычислительной гидродинамики (в ANSYS Fluent и ANSYS CFX), созданием расчетных сеток (в ANSYS Meshing, ANSYS ICEM CFD и ANSYS Turbogrid) и постпроцессингом.

Вы всегда будете в курсе всех самых последних новостей о линейке продуктов ANSYS для задач гидрогазодина-мики; сможете ознакомиться с рекомендациями и советами по использованию той или иной модели в ANSYS CFD.

Мы будем регулярно выкладывать наши мастер-классы, веб-семинары и наиболее актуальные решения от нашей Службы Технической Поддержки.

Портал полностью интегрирован с другими информационными ресурсами компании КАДФЕМ — электронными новостями «ANSYS eNews» и каналами YouTube. Cледите за обновлениями!

Вы можете найти блог по адресу гидрогазодинамика.рф или cfd-blog.ru

Интернет-портал и блог ГИДРОГАЗОДИНАМИКА.РФ


ANSYS и CADFEM

Hexa-сетки в ANSYS Meshing; генерировать специфические Named Selections. На данный момент ACT-расширение Advanced Enclosure прошло успешное тестирование в текущей версии ANSYS 15.0.7 и в версии ANSYS 16.0.

ACT-расширение Airfoil Tools предназначено для автоматиза-ции процесса расчета аэродинамических характеристик профи-лей — от генерации геометрии профиля до формирования от-чета с результатами численного моделирования аэродинамики профиля в ANSYS Fluent или ANSYS CFX. Airfoil Tools включает в себя библиотеку стандартных профилей NACA, RAE, AGARD и др. Доступна опция генерации геометрии профиля на основе не-стандартных форматов данных. Декомпозиция расчетной обла-сти выполняется по двум различным схемам.

Бесплатные бета-версии ACT-расширений будут доступны для тестирования всем официальным пользователям КАДФЕМ, име-ющим подписку на TECS. Полноценная коммерческая версия па-кета расширений CADFEM Aero Suite появится в первом кварта-ле 2015 г.

Авторы:Реймерс М. С., Инженер по технической поддержке ANSYS Mechanical SolutionsХитрых Д.П., Руководитель группы гидрогазодинамики ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Контакты:[email protected]

Специалисты компании ЗАО « КАДФЕМ Си-Ай-Эс» разраба-тывают серию специализированных ACT-расширений для ANSYS Workbench под общим названием CADFEM Aero Suite.

Пакет расширений CADFEM Aero Suite на данный момент вклю-чает в себя два расширения: Advanced Enclosure и Airfoil Tools.

ACT-расширение Advanced Enclosure автоматизирует процес-сы построения расчетной области и генерации расчетной сетки для задач внешней аэродинамики (планеров, автомобилей) и морской гидродинамики (катеров, судов, подводных лодок и т. п.). Оно позволяет в автоматическом режиме декомпозировать расчетную область (сферу или куб) на sweepable-объемы; уста-навливать необходимые предустановки и опции для генерации

Пакет расширений CADFEM Aero Suite

ACT‑приложение от компании КАДФЕМ


Десятки тысяч любителей футбола могли сосредоточиться на событиях на поле во время Чемпионата Мира по футбо-лу, не беспокоясь об устойчивости и надежности стадио-на, благодаря технологиям инженерного анализа от

ANSYS. Многодисциплинарное моделирование подтвердило, что ожесточенные бразильские ветра не повлияют на безопасность зрителей и команд на стадионе имени Мане Гарринчи, построен-ном в Бразилии.

Стадион был возведен в 1974 году. После ремонта он получил новый фасад, металлическую крышу и опоры, шаг которых был снижен, что обеспечивает панорамный обзор с каждого места на стадионе. NOVACAP, бразильская государственная компания, занимающаяся строительством, работала вместе с Паулу де

«Кубок мира является одним из самых захватывающих спортивных событий, какое можно себе представить, и ANSYS очень рад быть частью его успеха. Как показывает пример стадиона, где проходил Кубок Мира, моделирова-ние революционизирует процесс проектирования за счет снижения потребности в дорогостоящих физических испытаниях. Это экономит пользователям время и деньги, а также способствует успеху самих проектов, как, напри-мер, стадион имени Мане Гарринчи».

Жиль Эггеншпилер, менеджер по продуктам ANSYS

для гидрогазодинамики

«Основываясь на результатах, полученных в ANSYS, я рекомендовал внесение нескольких изменений, таких как увеличение количества кабелей и их натяжения», — ска-зал Пимента. — «Это первый случай, когда мы использо-вали многодисциплинарное моделирование в качестве основного инструмента для испытания конструкции крупного стадиона на ветровую нагрузку».

Паулу де Маттос Пимента, профессор Университета Сан-Паулу

Моделирование футбольного стадиона имени Мане Гарринчи в Бразилии

Маттос Пимента, профессором Университета Сан-Паулу, над проверкой прочности несущих элементов стадиона с точки зре-ния ветровой нагрузки. Из-за сжатых сроков на испытания отво-дилось всего 15 дней, это на 90% меньше времени, чем нужно, чтобы создать масштабную модель и испытать её в аэродинами-ческой трубе.

Специалисты ESSS (партнер ANSYS) использовали вычисли-тельные возможности ANSYS в области гидрогазодинамики, что-бы спрогнозировать движение потоков воздуха вокруг стадиона и давление на крышу сооружения. Специалисты также использо-вали программное обеспечение ANSYS для изучения влияния со-вместной нагрузки от ветра, инфраструктуры стадиона и шумной толпы.

Предоставлено: Паулу де Маттос Пимента, профессор,Политехническая Школа Университета Сан-Паулу


ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИИ

Основная сфера применения ANSYS Mechanical лежит в обла-сти расчета механики деформи-руемого твердого тела. Вместе с

этим развитая экосистема подготовки и параметризации численных моделей ANSYS позволяет существенно сокращать затраты на создание моделей и числен-ный расчет. Поэтому представляет инте-рес возможность использования ANSYS Mechanical для решения задач теплопере-носа в комплексных конструкциях. В дан-ной работе проведен анализ такой воз-можности с акцентом на задачах, харак-терных для ракетно-космической отрасли:

расчет переизлучения между поверх-ностями в замкнутом или частично зам-кнутом объеме;

расчет теплового режима конструкции, находящейся под воздействием тепло-вого излучения солнца и планет;

учет фазовых переходов (плавления, сублимации) в отдельных областях кон-струкции.Основной целью данной работы явля-

ется анализ возможностей ANSYS Mechanical (в связке с инструментами ANSYS Workbench) для решения описан-ных выше задач трехмерного теплового расчета конструкций.

В целях удобства верификации решений, методика применения ANSYS Mechanical демонстрируется на серии простых моде-лей. Подразумевается, что перенос описан-ных методов на более сложные трехмер-ные конструкции является тривиальным.

Переизлучение между твердыми телами через неподвижную газовую прослойку

Рассматриваемая в данном разделе зада-ча относится к проблеме расчета тепло-

Опыт моделирования тепловых процессов в ANSYS Mechanical

Рисунок 1 – Тестовая задача для верификации модели теплопереноса за счет теплопередачи и излучения


вого режима космического аппарата. По-мимо теплопроводности в твердом теле, в такой задаче необходимо учитывать переизлучение между поверхностями и конвективный теплоперенос, который зачастую может быть принят равным те-плопередаче через неподвижную газо-вую среду.

Переизлучение между поверхностями в ANSYS Mechanical может быть задано в графическом интерфейсе при помощи нагружения Radiation. Здесь приведено решение канонической задачи, которая позволяет выполнить верификацию дан-ного инструмента.

Задача 1:Между двумя бесконечными пла-стинами с температурой T1=400 К и T2=300 К происходит теплообмен через воздушный зазор шириной 1 мм в условиях отсутствия грави-тации. Степень черноты пластин ε1=0.5 и ε2=0.1. Определить величи-ну теплового потока от пластины 1 к пластине 2.

На рисунке 1а приведена постановка задачи. На рисунке 1б приведена одна из возможных схем постановки задачи в ANSYS Mechanical. Величина теплового потока рассчитывается на поверхности материала М1.

На рисунке 2 приведено окно проекта с решением задачи 1. Идентификатор «M1_wall» именует ячейки правой границы тела М1. Идентификатор «M2_wall» име-нует ячейки левой границы тела М2. На «M1_wall» и «M2_wall» задается гранич-ное условие «Radiation» с параметрами «Correlation: Surface to Surface», «Enclosure

Type: Perfect», «Enclosure: 1». На боковых поверхностях расчетной области Air зада-ется условие симметрии.

Следует отметить, что расчетная об-ласть «Air» не может быть сгруппирована (в Part) с телами M1 и M2 в разделе Model → Geometry.

По результатам расчета в ANSYS Mechanical, суммарный тепловой поток от теплопередачи через тело М2 и пере-излучения между телами М1 и М2 q = 2690.7 Вт/м2, что хорошо согласуется с теорией (2700 Вт/м2).

Моделирование плавления с испарением

Ещё одной часто решаемой задачей явля-ется моделирование фазовых переходов.

Для учета фазового перехода в ANSYS Mechanical может быть использована воз-можность определения теплофизики ма-териала в форме объемной энтальпии

, Дж/м3. При этом значения параметров плотности и теплоемкости игнорируются. На графике 3 приведен ха-рактерный вид энтальпийной функции в задачах плавления с испарением.

Для обеспечения физичного и устойчи-вого решения необходимо соблюдать следующие правила:Скачок энтальпии на каждом фазовом

переходе должен быть сглажен проме-жуточными значениями энтальпии.

При температуре выше температуры испарения должны быть заданы искус-ственные значения теплопроводности и энтальпии: теплопроводность доста-точно большая, для поддержания тем-пературы «испаренной» области на

уровне температуры плавления; эн-тальпия достаточно мала, чтобы прене-бречь влиянием «испаренной» области на оставшуюся часть модели.

Поскольку значение температуры определяется в узлах расчетной сетки, а теплофизика рассчитывается для ячеек, то сетка в районе ожидаемого фазового перехода должна быть из-мельчена.Опция использования энтальпии вме-

сто параметров плотности теплоемкости активируется неявно при установке на-стройки решателя Analysis settings → Nonlinear Controls → Nonlinear Formulation в значение full.

Пример постановки и решения такой задачи представлен ниже.

Задача 2:Брусок материала толщиной 10 мм нагревается равномерно по всей торцевой поверхности тепловым потоком величиной 1 МДж/м2. Не-обходимо определить момент вре-мени, к которому весь брусок будет испарен.

Начальная температура T0=–273,15°.Площадь торца бруска — 1 мм2.Расчетное время полного испарения

t=147 c.Зависимость теплопроводности и эн-

тальпии от температуры приведена в та-блице 1

Здесь точки 2, 4 и 5 получены из спра-вочных данных. Точки 3 и 6 определяют начало областей, в которых начинается плавление и испарение соответственно. Разумное расширение переходных обла-стей между точками 3-4 и 6-7 позволяет

Рисунок 2 – Вид окна проекта решения задачи переноса тепла излучением и теплопередачей в графическом интерфейсе ANSYS Mechanical

Рисунок 3 – Характерное поведение энтальпии материала в задаче плавления и испарения



уменьшить требования к расчетному шагу по времени. Точка 7 определяет тем-пературную границу жидкой фазы. Для мгновенного переноса тепла от поверх-ности нагрева к телу теплопроводность материала в точке 8 изменяется на три по-рядка. Точка 8 определяет верхнюю гра-ницу возможных температур в расчетной области. Некоторые точки сглаживания энтальпийной функции в таблице не при-ведены. На рисунке 4 показан вид окна проекта для решения задачи испарения. ниже приведен APDL-код скрипта, задаю-щего функциональную зависимость эн-тальпии материала от температуры:

MPTEMP,,,,,,,MPTEMP, 1, -273.15, 26.85, 180.54, 180.85, 1226.85, 1306.85, 1316.85, 1319, 1330MPDATA, ENTH, matid, 1, 0, 4.11E+08, 9.22E+08, 9.23E+08, 3.27E+09, 3.45E+09, 1.47E+10, 1.48E+10, 1.485E+10

На графике 5 показано изменение тем-пературы внутренней поверхности бру-ска по времени. Температура кипения до-стигается за ≈35 с по всей толщине бру-ска. К моменту времени t=146.7 c вся расчетная область бруска достигла эн-тальпии испарения.

Моделирование сублимации

В некоторых задачах необходимо учиты-вать эффект сублимации материала, что подразумевает исключение из расчетной области массы и энергии ячеек, темпера-тура которых превышает некоторую за-данную температуру разрушения.

В ANSYS Mechanical отсутствуют встро-енные инструменты для решения постав-ленной задачи. Однако некоторое прибли-жение к решению задачи может быть полу-чено путем манипуляции с плотностью и теплоемкостью материала.

Ниже приведено решение характерной для ракетной техники 1D-задачи, в кото-рой был учтен эффект сублимации мате-риала.

Задача 3:Летательный аппарат при выходе из атмосферы Земли подвергается воздействию аэродинамического нагрева в течении 20 с величиной Qconv=0.5 МВт/м2. После выхода из атмосферы аппарат остывает за счёт излучения в космическое про-

странство со степенью черноты по-верхности ЛА ε=0.5 в течении 500 с. Выполнить расчет температурного режима корпуса ЛА в течении всего полёта в одномерной постановке.

На рисунке 7 приведена постановка данной задачи в графическом интерфейсе

ANSYS Mechanical. Здесь на алюминиевый корпус ЛА толщиной 3 мм нанесен субли-мирующий теплозащитный материал тол-щиной 5 мм. Энергия сублимации состав-ляет 1 МДж/кг.

Коэффициент теплопроводности со-ставляет λ=0.3 Вт/мК. В диапазоне темпе-ратур от 980°C до 1000°C коэффициент

Рисунок 4 – Вид окна проекта решения задачи плавления и испарения в графическом интерфейсе ANSYS Mechanical

Рисунок 5 – Изменение по времени температуры заднего торца бруска

Таблица 1Номер точки Состояние T, °С , Дж/м3 λ, Вт/м/°С

1 т -273.15 0 104.92 т 26.85 4.11E+08 86.73 т 180.54 9.22E+08 75.24 ж 180.85 9.23E+08 42.85 ж 1226.85 3.27E+09 696 ж 1306.85 3.45E+09 697 г 1316.85 1.47E+10 1000.8 г 1319 1.48E+10 1.0E69 г 1330 1.485E+10 1.0E6


теплопроводности линейно изменяется от 0.3 до 1.0E+08 Вт/мК.

В качестве второй теплофизической характеристики задаётся энтальпия ма-териала до температуры 980°C, соответ-ствующая плотности 1000 кг/м3 и тепло-емкости 1500 Дж/кгК. В переходном ре-жиме энтальпия возрастает, как показано на графике 6. За переходным режимом задается малая энтальпия материала, со-ответствующая плотности 10 кг/м3 и те-плоемкости 10 Дж/кгК. В целях обеспече-ния устойчивости решения, изменение энтальпии в переходном режиме при-шлось сглаживать.

Расчетная сетка по нормали к поверх-ности теплозащитного материала разби-вается при помощи инструмента Mesh → Edge Sizing на 80 ячеек. Шаг сетки нерав-номерный с коэффициентом, равным 5 (bias factor).

Расчет состоит из двух этапов. На пер-вом этапе (Transient thermal (A5) на рисун-

ке 7) на поверхность теплозащитного материала подается тепловой поток, и задается излучение с параметрами ε=0.5, Te=-269°C. Заданы следующие настройки решения:Non-linear formulation – fullLinear search – OnInitial timestep = 0.01сMimimum timestep = 0.0001с

На втором этапе (Transient thermal 2 (B5) на рисунке 7) перед началом расче-та выполняется APDL-скрипт «REMOVE NODES», заменяющий материал во всех узлах с температурой более 995°C на фиктивный материал с малой энергоём-костью. На поверхности теплозащитно-го материала остается излучение с теми же параметрами, что и на предыдущем этапе.

Далее приведен APDL-код команды (см. REMOVE NODES на рисунке 7), выполня-ющей замену материала в нагретых до тем-пературы разрушения ячейках.

! Создать фиктивный материалmat=84TOFFST, 273.15MP, DENS, mat, 10.,MP, C ,mat, 1.,MP, KXX, mat, 1E8,MP, EMIS, mat, 0.5! Выделить элементы, которые были сублимированыNSEL, R, TEMP, , 995., 10000.ESLN! Заменить материал выделенных элементов на фиктивный материалMPCHG, mat, ALLNSEL, ALLESEL, ALL

На рисунке 8 показаны результаты двух расчетов: с заменой материала перегретых ячеек на фиктивный материал и без такой за-мены. Полученные профили температур ка-чественно соответствуют физической карти-не процесса и демонстрируют работоспо-собность предложенной методики. Следует отметить эффективность сублимирующей тепловой защиты для данной модельной за-дачи, а также простоту постановки и малое время её решения в ANSYS Mechanical.

Данный подход может использоваться весьма ограниченно, поскольку исключе-ние энергии сублимировавших ячеек вы-полнено однократно за все время расче-та. Более точная методика может быть построена с применением подхода, опи-санного ниже в разделе 5.

Граничное условие как функция координаты

Одной из часто решаемых задач ракетной техники является расчет тепловых режи-мов в условиях несимметричных тепловых воздействий, зависящих от координаты и расчетного времени. К таким воздействиям можно отнести, например, тепловое излу-чение от солнца и земли.

В ANSYS Mechanical данное сложное граничное условие можно определить при помощи блока команд на языке APDL в разделе настроек решения графическо-го препроцессора. В данной работе при-ведена постановка граничного условия, позволяющего моделировать облучение бесконечного цилиндра перпендикуляр-но направленным тепловым потоком (см. рисунок 9).

Начало координат расположено в цен-тре цилиндра. Тепловой поток на каждом граничном элементе рассчитывается по правилу:

Рисунок 6 – Изменение энтальпии теплозащитного материала в переходном режиме

Рисунок 7 – Вид окна проекта решения задачи 3 в графическом интерфейсе ANSYS Mechanical



где R0 — внешний радиус цилиндра, x — координата граничного элемента облуча-емой поверхности.

Ниже приведен фрагмент APDL-кода, устанавливающий данное граничное ус-ловие на именованном элементе «WALL». Все необходимые пояснения приведены в коде программы.

ncount = ndinqr(0, 14) ! Получить общее количество узловCMSEL, S, WALL, NODE ! Выделить все узлы на ГУ «WALL»ESLN ! Выделить все элементы, связанные с выделенными узлами! Создать рабочие массивы*DIM, x, , ncount*DIM, y, , ncount*DIM, z, , ncount*DIM, NMask, , ncount*DIM, Loads, , ncount! Поместить в массивы x(), y() и z() координаты узлов. Координаты с узлов, не принадлежащих «WALL», заполняются нулями.*VGET, NMask(1), NODE, 1, NSEL*VMASK, NMask(1)*VGET, x(1), NODE, 1, LOC, X*VMASK, NMask(1)*VGET, y(1), NODE, 1, LOC, Y*VMASK, NMask(1)*VGET, z(1), NODE, 1, LOC, Z! Параметры граничного условия «WALL»R0 = 1.0Qs = 1250.0*VSCFUN, First, FIRST, x(1)*VSCFUN, Last, LAST, x(1)! Для каждого узла на поверхности вычислить тепловой поток*DO, j, First, Last *IF, NMask(j), GT, 0, THEN *IF, x(j), GE, 0, THEN Loads(j) = Qs*x(j)/R0 *ELSE Loads(j) = 0.0 *ENDIF *ENDIF*ENDDO! Установить тепловой поток на ГУ «WALL»SFFUN, HFLUX, Loads(1)SF, ALL, HFLUX, 0.0ESEL, allNSEL, all/solu

Приведенный фрагмент кода должен быть вставлен при помощи команды Insert → Commands в разделе настроек решения графического интерфейса ANSYS Mechanical.

Изменение свойств материалов и параметров граничных условий во времени

В ряде случаев необходимо выполнять пересчет граничных условий, теплофи-зику материалов, исключение сублими-рованных ячеек и другие параметры мо-дели непосредственно в процессе рас-чета.

Для решения данной задачи необходи-мо выполнить следующие действия:Создать полную расчетную модель в

графическом интерфейсеСгенерировать файл расчета командой

Tools → Input fileОтыскать в тексте файла команду solve

и заменить своим блоком команд

Рисунок 8 – Результаты расчета задачи 3: а) — изменение температуры внутренней поверхности корпуса ЛА; б) — изменение температуры внешней поверхности ЛА

Рисунок 9 – Схема задачи о направленном облучении цилиндра


файл со значением максимальной темпе-ратуры в некотором сегменте расчетной области.

CMSEL, S, Some_Named_Selection, NODE*VGET, NMask(1), NODE, 1, NSEL*VMASK, NMask(1)*VGET, TempField(1), NODE, 1, TEMP*VSCFUN, MaxTemp, MAX, TempField(1)*VWRITE, timer, MaxTemp(F6.1, F8.2)

Начальная температура как функция координаты

Ещё одной задачей при расчете ракет-ной техники является перенос результи-рующего поля температур на новую рас-четную область. Такая задача возникает, например, при траекторном расчете те-плового режима полезной нагрузки в ус-ловиях отделения обтекателя ракеты. Здесь зачастую является недопустимым предположение о постоянном поле тем-ператур полезной нагрузки сразу после съема обтекателя и необходим перенос результатов с предыдущего расчета.

В графическом интерфейсе ANSYS Mechanical начальная температура зада-ется постоянной для всей модели. Задать начальную температуру как табличную функцию координаты возможно при по-мощи компонента External Data в ANSYS Workbench, который позволяет интерпо-лировать нагрузки, заданные в табличной форме в произвольном текстовом файле на узлы расчётной области.

Ниже приведен фрагмент блока APDL-команд, формирующего такую табличную функцию в текстовом файле. Данный блок команд вставляется в раздел постобра-ботки графического интерфейса ANSYS Mechanical.

CMSEL, S, Named_Selection, NODE! Получить количество узлов в выделенной областиGET,SelectedNodesNum, NODE, , COUNT*DIM, x, , SelectedNodesNum*DIM, y, , SelectedNodesNum*DIM, z, , SelectedNodesNum*DIM, T, , SelectedNodesNum*VGET, NMask(1), NODE, 1, NSEL! Сохранить поле температур в массивы x1(), y1(), z1(), T1()*VMASK, NMask(1)

*VGET, T1(1), NODE, 1, TEMP*VGET, x1(1), NODE, 1, LOC, X*VMASK, NMask(1)*VGET, y1(1), NODE, 1, LOC, Y*VMASK, NMask(1)*VGET, z1(1), NODE, 1, LOC, Z! Поместить в x(), y(), z(), T() только те точки поля температур,! которые принадлежат области Named_Selection*VMASK, NMask(1)*VFUN, T(1), COMPRESS, T1(1)*VMASK, NMask(1)*VFUN, x(1), COMPRESS, x1(1)*VMASK, NMask(1)*VFUN, y(1), COMPRESS, y1(1)*VMASK, NMask(1)*VFUN, z(1), COMPRESS, z1(1)! Сформировать файл поля температур для следующего расчёта.*VWRITE, x(1), y(1), z(1), T(1)(3F14.8, F8.2)


Проведен анализ программных инстру-ментов ANSYS Workbench, Mechanical и языка программирования APDL с целью определения возможностей их использо-вания для тепловых расчетов твёрдотель-ных конструкций сложной компоновки применительно к задачам ракетно-кос-мической отрасли.

На простых примерах продемонстри-рована постановка нескольких типичных задач, таких как плавление, сублимация, нагрев направленным потоком теплового излучения.

ANSYS Mechanical показал себя про-стым в освоении и применении. Его се-рьёзным преимуществом оказалась авто-матизация и упрощение таких трудоемких процессов, как построение конформной сетки, определение контактов и гранич-ных условий, параметризация моделей. Большинство APDL-скриптов может быть добавлено в модель непосредственно в графическом интерфейсе, что существен-но упрощает работу с ними.

Среди недостатков отмечается требо-вательность к вычислительным ресурсам. Так, например, на рабочей станции с 12 ядрами Intel Xeon и 24 Гб ОЗУ разумным пределом для размера модели при нали-чии излучения оказалось ≈3 млн. узлов.

Автор:Лепихов А. В., ведущий научный сотрудник отдела гидрогазодинамики и теплообмена, ОАО «ГРЦ Макеева»

Создать в ANSYS Workbench компонент Mechanical APDL и импортировать в него получившийся расчетный файл

Выполнить расчетПример блока APDL-команд, выполня-

ющих пересчет сложного граничного ус-ловия с интервалом в одну расчетную секунду, показан ниже. Здесь предпола-гается, что массив Loads инициализиро-ван и несет в себе тот же смысл, что и в разделе 4.

*DO, timer, 1.0, end_time, 1.0! Выделить элементы ГУ «WALL» CMSEL, S, WALL, NODE ESLN! Обнулить нагрузки на ГУ «WALL» SF, ALL, HFLUX, 0.0! Выполнить операцию с нагрузками на граничные элементы *VOPER, Loads(1), Loads(1), MULT, 1.5! Задать тепловой поток на ГУ «WALL» SFFUN, HFLUX, Loads(1) ESEL, all NSEL, all! Выполнить расчет от текущего момента до момента времени,! заданного в переменной timer TIME, timer SOLVE*ENDDO

Аналогичным образом можно выпол-нять замену материала в сублимировав-ших ячейках (см. раздел 3), изменение те-плофизических свойств материалов. В частности, таким образом может быть ре-ализована функциональная зависимость степени черноты поверхности от её тем-пературы.

Следует отметить, что на каждой итера-ции расчета ANSYS Mechanical выполняет сохранение результатов на диск компью-тера. При этом, по умолчанию он сохраня-ет все промежуточные результаты расче-тов на диск. При малом шаге счета это может потребовать больших дисковых ресурсов. С целью уменьшения потреб-ных дисковых ресурсов номенклатура со-храняемых данных может контролиро-ваться APDL-командой OUTRES.

Анализ результатов расчета по данной методике может быть выполнен програм-мой CFDPost. Однако, если известен кон-кретный контролируемый параметр моде-ли, то для формирования результирующих графиков и таблиц удобно модифициро-вать блок команд, описанный выше. Далее показан фрагмент блока APDL-команд, за-полняющий в процессе расчета выходной



На протяжении многих лет ANSYS Mechanical активно при-меняется инженерами различных отраслей промышлен-ности как универсальный инструмент для проведения прочностных, тепловых и динамических расчетов кон-

струкций. Заложенные в его основу расчетные технологии и глу-бокая проработка инструментальных средств позволяют с легко-стью смоделировать сложные физические аспекты поведения конструктивных элементов. Для расчетов больших моделей раз-работчиками предусмотрена возможность распределения вычис-лений на мощных одиночных серверах и на кластерах. Начиная с версии ANSYS 14.5, реализована возможность применения не-скольких графических процессоров GPU как сопроцессоров для ускорения трудоемких вычислительных операций.

Ориентируясь на возможности доступных вычислительных ресурсов, инженеры чаще всего производят расчеты различных элементов конструкций в различных режимах эксплуатации, т.е. проводят компонентный анализ с высокой степенью детализа-ции. Надежность всей конструкции зависит от надежности каж-дого из элементов. Но насколько этот вывод обоснован? Для обоснования должен быть применен именно системный подход, однако он приводит к необходимости значительного увеличе-ния вычислительных мощностей. Несмотря на развитие техно-логий высокопроизводительных вычислений, существуют эф-фективные подходы, позволяющие снизить ресурсоемкость ре-шаемых задач.

Применение именно системного подхода необходимо также и для решения ряда задач, когда известные характеристики компо-нентов нельзя экстраполировать и определить на основе их ха-рактер поведения системы в целом — динамических задач. Даже зная состав собственных частот и характер форм колебаний каж-дого элемента конструкции, практически невозможно достовер-но предсказать динамические характеристики системы в целом.

Учитывая этот факт, разработчики ANSYS фокусируются на соз-дании мощных расчетных средств, позволяющих оценивать ха-рактеристики не только на уровне компонентов, но и на систем-ном уровне, чтобы каждое изделие, рассчитанное в ANSYS, га-рантированно имело необходимые показатели прочности, надежности и долговечности.

Подходы, о которых пойдет речь далее, были заложены в функ-ционал ANSYS достаточно давно, но активное применение этих

расчетных технологий сопряжено с рядом теоретических и прак-тических нюансов, которые мы постараемся рассмотреть в дан-ной статье.

Методы снижения размерности задач

Чаще всего при необходимости перехода на системный уровень инженеры прибегают к технике сосредоточения упругих и инер-ционных показателей в ключевых точках модели. Иными слова-ми, целые агрегаты заменяются эквивалентными массами, мо-ментами инерции, а упруго-демпфирующие связи этих агрегатов с окружением заменяются эквивалентными элементами с упро-щенными геометрическими характеристиками. Такой подход до-статочно просто реализуем на практике. Следует отметить, что любое упрощение, вводимое в модель, любое допущение долж-но быть оправдано и верифицировано. Основная проблема при таком подходе заключается в том, что каждый из элементов кон-струкции, замененных эквивалентной массой, более не имеет никаких собственных динамических характеристик. Сосредото-ченная масса может только перемещаться в пространстве, моде-лируя при этом перемещение агрегата как единого целого.

Для получения максимально достоверных результатов при пе-реходе на системный уровень должны быть применены более эффективные подходы, вносящие минимальные искажения в от-ражение как динамического, так и статического поведения кон-струкций и их элементов. Такими подходами на практике инже-нерных расчетов являются методы редуцирования размерности задач, называемые методами статических и динамических под-конструкций или, иными словами, методами суперэлементов. Суть этих методов состоит в рассмотрении части системы в виде подконструкции, чье локальное поведение под нагрузкой учиты-вается в глобальной сборке эквивалентными инерционно-жест-костными и демпфирующими характеристиками. В отличие от замены подконструкции эквивалентной сосредоточенной мас-сой, этот метод позволяет эффективно перейти с системного уровня на компонентный, а затем, определив нужные характери-стики на уровне каждого суперэлемента, вернуться обратно на системный уровень.

Проиллюстрируем каждый из этих подходов, затронув некото-рые теоретические аспекты.

Применение методов подконструкций в ANSYS Mechanical


ванное состояние подконструкции будет различным. Для выделенной подконструкции с назначенными мастер-узлами определяются инерционно-жесткостные характеристики — ма-трица масс и матрица жесткости (рисунок 1д). Поскольку мы го-ворим о статическом расчете, то диссипативные характеристи-ки в расчете не участвуют, однако функционал метода предусма-тривает возможность формирования матриц демпфирования для суперэлементов, помимо уже упомянутых матриц масс и жесткости. Полученный суперэлемент далее подставляется в исходную конструкцию, и производится расчет (рисунок 1е). В результате решения этой части задачи инженер получает на-пряженно-деформированное состояние во всех узлах, не во-шедших в подконструкцию, а также перемещения мастер-узлов суперэлемента. Обратим внимание читателя на размерность за-дачи. Из исходных 911 узлов конечно-элементной модели оста-лось 911 — 225 = 686 узлов, к которым должны быть добавлены назначенные 50 мастер-узлов суперэлемента. Итоговая размер-ность задачи, таким образом, составляет (686 + 50) × 3 = 2208 степеней свободы. На финальной стадии расчета полученные в мастер-узлах перемещения задаются как граничные условия за-дачи деформации суперэлемента, определяется напряженно-деформированное состояние в узлах модели, выделенной в подконструкцию. Для получения общей картины напряженно-деформированного состояния всей модели файлы результатов последних двух задач сливаются в один.

Метод статических подконструкций

Рассмотрим для иллюстрации простую конечно-элементную мо-дель (рисунок 1а). Пусть для определенности она составлена эле-ментами первого порядка, поэтому общее число узлов этой мо-дели равно 911. Каждый узел трехмерной твердотельной геоме-трии в пространстве при решении прочностной задачи имеет 3 степени свободы, поэтому общее число степеней свободы такой конечно-элементной модели равно 2733.

Выделим часть этой конструкции в суперэлемент и рассмо-трим ее отдельно (рисунок 1б). Эта подконструкция состоит из 225 узлов. Применение методов подконструкций сопряжено с необходимостью назначения так называемых мастер-узлов — основных узлов подконструкции, которые останутся в основной модели после замены подконструкции суперэлементом и по граничным условиям, на которых будет определяться равновес-ное или динамическое состояние самой подконструкции. Обыч-но мастер-узлы назначаются на контактных поверхностях (име-ется в виду любой тип элементов пары, участвующих в контакт-ном взаимодействии) или узлах крепления подконструкции, в местах приложения нагрузки или граничных условий. Их может быть произвольное количество. В нашем случае можно назна-чить 8 мастер-узлов в углах модели (рисунок 1в) или 50 мастер-узлов на всех узлах контактных поверхностей (рисунок 1г). Со-ответственно, размер задачи, а также напряженно-деформиро-

Рисунок 1 – Работа метода подконструкций

а)

в)

д)

б)

г)

е)



няющегося состояния материалов, статуса контактов и искажения конечно-элементной структуры. Таким образом, если говорить о применении суперэлементного расчета для нелинейных моделей, фазу генерации пришлось бы постоянно повторять в процессе расчета, что привело бы к потере всех преимуществ данного рас-четного подхода и неоднозначности процедуры развертывания результатов. Однако данный метод все же может быть применен для нелинейных моделей в тех случаях, когда в них удается физи-чески или после принятия определенных допущений выделить линейную часть. Тогда из нее можно сформировать суперэлемент и воспользоваться методом подконструкций в полной мере. Сформированные матрицы подконструкций могут быть свободно применены в нелинейной модели на фазе использования, а метод Ньютона-Рафсона без ограничений будет работать относительно нелинейной части, оставляя матрицы суперэлементов неизмен-ными. При этом также без ограничений пройдет фаза развертыва-ния результатов, т.к. используемая при этом матрица жесткости не изменялась в процессе расчета.

Рассмотрим простую задачу, в которой проиллюстрируем всю специфику применения метода подконструкций в ANSYS Mechanical.

Реализация метода статических подконструкций в ANSYS Mechanical

Задача состоит в поиске статического отклика пространственной рамы, зафиксированной по 8 отверстиям, на силовое воздей-ствие, приложенное к поперечине (см. рисунок 2).

Сначала получим опорные значения ресурсоемкости задачи и результаты расчета, которые сведены в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты и ресурсоемкость статической задачи в ANSYS Mechanical1

Показатель ВеличинаЧисло узлов 49 661Зафиксированных узлов 384Число степеней свободы DOF 147 831Занятый объем RAM 1 108 МБВремя расчета1 5 сМаксимальное значение прогиба 2,2507 мм

Для работы с методом подконструкций в ANSYS Mechanical в среде ANSYS Workbench следует предварительно выбрать нуж-ные конструктивные элементы и образовать из них компонент (Named Selection). Аналогично следует заранее подготовить

1 Здесь и далее расчет производился на 4 ядрах процессора Intel Core i7 4770K 3,5 ГГц. Показатели затраченного времени приведены для срав-нения

Итак, при расчетах методом подконструкций можно выделить 3 основных фазы анализа:1. Фаза генерации суперэлемента (ов) (Generation Pass)

– Выделение групп элементов в модели в подконструкции – Назначение мастер узлов для каждого суперэлемента

2. Фаза использования (Use Pass) – Подстановка полученных суперэлементов в исходную мо-

дель, из которой удалены элементы, уже сформировавшие подконструкции

– Расчет задачи с использованием суперэлементов3. Фаза развертывания (Expansion Pass)

– Подстановка полученных перемещений мастер-узлов в ис-ходную задачу формирования суперэлементов, состоящую только из тех конечных элементов, которые образовали под-конструкцию

– Расчет напряженно-деформированного состояния в неуч-тенных узлах подконструкций

– Слияние результатовБазируясь на требованиях к объему оперативной памяти, ис-

пользуемой ANSYS для расчета методом последовательного ис-ключения неизвестных с разреженной матрицей (Sparse), в 10 ГБ на каждый миллион степеней свобод, резюмируем размерности каждой фазы суперэлементного анализа и сведем все данные в одну таблицу для сравнения (таблица 1).

Таким образом, метод статических подконструкций позволяет разбить исходную задачу на несколько фаз, размерность каждой из которых меньше исходной задачи. При правильном задании мастер-узлов можно сократить размерность до минимума, что позволит рассчитывать очень большие модели с применением сравнительно небольших вычислительных ресурсах.

Как уже отмечалось выше, методы подконструкций на фазе ге-нерации формируют матрицы для выделенных компонентов и на-боров мастер-узлов, а затем используют их в виде подстановки на фазе использования. Метод Ньютона-Рафсона, применяемый в ANSYS Mechanical при решении нелинейных задач, подразумевает изменение матрицы жесткости в процессе расчета с учетом изме-

Таблица 1 – Ресурсоемкость исходной задачи и фаз суперэлементного анализа

Задачи и показатели Число узлов Число степеней свободы Ориентировочный объем RAMИсходная задача 911 2 733 30 МБ1. Фаза генерации 225 675 7 МБ2. Фаза использования 736 2 208 22,6 МБ (меньше на 25%)3. Фаза развертывания 225 675 7 МБ

Рисунок 2 – Постановка статической задачи в ANSYS Mechanical


сформировавшей суперэлемент, не нанесены контуры эпюры ре-зультатов (рисунок 4).

Для их получения необходимо провести заключительную ста-дию суперэлементного анализа — фазу развертывания. Для это-го необходимо добавить новый командный объект или допол-нить предыдущий кодом из следующего листинга.

Теперь в файле результатов будут храниться результаты не только для мастер-узлов суперэлемента, поэтому эпюра переме-щений будет отображаться в привычном виде (рисунок 5).

Статистику по проведенному суперэлементному анализу све-дем в таблицу и сравним результаты с таблицей 2. Обратите внимание на тот факт, что несмотря на уменьшение числа сте-

компонент из поверхностей или узлов, формирующих множе-ство мастер-узлов каждого суперэлемента. Пусть для опреде-ленности эти компоненты названы Superelement и Master соот-ветственно (рисунок 3). В набор мастер-узлов входят поверхно-сти контактных интерфейсов суперэлемента, приложения граничных условий, силовых воздействий и т.д.

В дальнейшей работе нам потребуется выделить также кон-тактные элементы, находящиеся на поверхности создаваемого суперэлемента. Идентифицировав в дереве проекта контактные пары, составляем список тех, которые соединяют создаваемый суперэлемент с окружением: в нашем случае они называются Contact Region 3, Contact Region 4, Contact Region 7 и Contact Region 8. Для выделения контактных элементов в расчете будем использовать APDL (ANSYS Parametric Design Language), ссылаясь на тип элемента. Для этого необходимо знать идентификацион-ные номера каждой контактной пары. Проще всего это сделать, создав глобальные переменные, которым присвоить значение идентификационных номеров (ID) нужных контактных интерфей-сов. Добавив командный объект (Command Object) к каждому из перечисленных контактных интерфейсов, добавляем единствен-ную строчку кода APDL:

mytid_<<N>> = tid,

заменив <<N>> в каждом командном объекте соответствующим порядковым номером контактного интерфейса: 1, 2 и т.д. Кроме того, для облегчения дальнейшей работы рекомендуется контакт-ные интерфейсы, которыми подконструкция соединена с окруже-нием, сделать асимметричными с расположением контактных элементов на поверхности суперэлемента.

Для работы метода подконструкций в тело расчетной среды, в нашем случае, Static Structural, встраиваются командные объек-ты — один или несколько. Все команды можно сгруппировать в один командный объект, но в данном случае мы их разделим для удобства пояснения. Первый командный объект будет касаться фаз генерации и использования, второй — фазы развертывания.

Рассмотрим листинг кода генерации и использования суперэ-лементов для данной задачи.

Поскольку узлы суперэлемента исключены из расчета, они от-сутствуют и в файле результатов, поэтому на подконструкции,

Рисунок 3 – Подготовка компонентов. Superelement слева и Master — справа

Рисунок 4 – Отображение результатов на узлах, оставшихся в модели на фазе использования

Рисунок 5 – Перемещения узлов модели после фазы развертывания



Подготовка компонентовallsel, allcmsel, s, Superelementnsle, sesln, sCM, SE_ALL, ELEMesel, none esel, s, real, , mytid_1-1esel, a, real, , mytid_2-1esel, a, real, , mytid_3-1 esel, a, real, , mytid_4-1CM, Interface_elems, ELEM cmsel, s, SE_ALL, ELEMcmsel, u, Interface_elemsCM, SE_ALL, ELEM

Выбор всех объектовВыбор компонента SuperelementВыбор всех узлов, принадлежащих выбранным элементамВыбор всех элементов, принадлежащих выбранным узламСоздание из выбранных элементов компонента SE_ALLСнятие выбора элементовВыбор контактных элементов интерфейса 1Дополнительный выбор контактных элементов интерфейса 2Дополнительный выбор контактных элементов интерфейса 3Дополнительный выбор контактных элементов интерфейса 4Создание из выбранных элементов компонента Interface_elemsВыбор компонента SE_ALLУдаление из него элементов компонента Interface_elemsПереопределение компонента SE_ALL

Фаза генерацииallsel, allsave, full, dbfinish/clearresume, full, db/filname, RAMA/prep7 allsel, all cmsel, u, SE_ALL, ELEM modmsh, detatch nsle, s cmsel, u, Master, NODE edele, all ndele, all finish/soluantype, substrseopt, RAMA, 2, , , BACKSUBcmsel, s, Master, NODE m, all, allallsel, all ddel, all, alloutres, all, all solvefinishsave, RAMA, db

Выбор всех объектовСохранение базы данных под именем full.dbЗавершение обработкиОчистка базы данныхПовторная загрузка full.dbЗадание имени будущего суперэлемента RAMAВход в препроцессорВыбор всех объектовУдаление из выбранных элементы компонента SE_ALLРазрыв связи твердотельной геометрии и сеткиВыбор всех узлов, принадлежащих выбранным элементамУдаление мастер-узлов из выбранныхУдаление всех элементовУдаление всех узловЗавершение обработкиВход в решательТип анализа — Substructuring — Метод подконструкцийНастройка опций суперэлемента — формирование матриц жесткости и масс. Выбор узлов компонента MasterНазначение узлов мастер-узламиВыбор всех объектовУдаление всех граничных условийТребование сохранять все результаты на всех подшагахРасчет — формирование суперэлементаЗавершение обработкиСохранение базы данных суперэлемента

Фаза использования/clearresume, full, db /filename, use /prep7se_type = etyiqr(0,16) et, se_type, 50 type, se_type mat, 1 se, RAMAcmsel, u, SE_ALLesel, a, ename, , 154 cmsel, a, Interface_elems, ELEM nsle, s /solusave, use, dbantype, 0outres, all, all solvesave, use, db finish/copy, use, rst, , file, rst

Очистка базы данныхЗагрузка базы данных fullПереименование проекта в USEВход в препроцессорse_type = следующий по номеру тип элементаСоздание нового типа элемента MATRIX50Выбор типа MATRIX50 для новых элементовМатериал по умолчаниюЗагрузка суперэлемента RAMAУдаление из выбранных элементов компонента SE_ALLДополнительный выбор элементов SURF154 (если есть)Дополнительный выбор контактных элементовВыбор всех узлов, принадлежащих выбранным элементамВход в решательСохранение базы данных под именем use.dbТип анализа — СтатическийТребование сохранять все результаты на всех подшагахРасчет — фаза использованияСохранение базы данных под именем use.dbЗавершение обработкиКопирование файла результатов в файл file.rst для постпроцессинга в ANSYS Mechanical Workbench


пеней свободы, объем памяти, занятой задачей, существенно увеличился. Кроме того, увеличилось время расчета (указано только время фазы использования). Также рабочей директории было записано 1,15 Гб «временных» файлов. Эти аспекты (осо-бенно это касается чрезмерного объема операций ввода/выво-да данных) обусловлены очень большим числом мастер-узлов. Проиллюстрируем влияние числа мастер-узлов на производи-тельность.

Фаза развертывания/filname, RAMAresume, RAMA, db/soluantype, substrexpass, onseexp, RAMA, use

outres, all, allnumexp, allsolvefinish/filename, mergeresume, full, db/post1file, use, rst*get, numresults, active, 0, set, nset*do, i, 1, numresults file, RAMA, rst set, , , , , , , i file, use, rst append, , , , , , , i reswrite, file1*enddo/copy, file1, rst, , file, rst

Переименование проекта в RAMA (как суперэлемент)Загрузка базы данных RAMA.dbВход в решательТип анализа — SubstructuringНачало фазы развертыванияРазвертывание результатов для суперэлемента RAMA на основе перемещений из базы данных USEТребование сохранять все результаты на всех подшагахРазвертывание всех результатовРасчет — фаза развертыванияЗавершение обработкиПереименование проекта в mergeЗагрузка базы данных full.dbВход в основной постпроцессорПодключение файла результатов use.rstЗапись числа наборов результатов в переменную numresults Цикл по всем наборам результатов Подключение файла результатов RAMA.rst Чтение набора результатов i Подключение файла результатов use.rst Добавление результатов к i-му набору Запись всех результатов в файл file1.rstКонец циклаКопирование файла результатов в файл file.rst для постпроцессинга в ANSYS Mechanical Workbench

Рисунок 6 – Компонент Master с сокращенным набором мастер-узлов

Таблица 3 – Результаты и ресурсоемкость суперэлементного анализа в ANSYS Mechanical

Показатель ВеличинаЧисло узлов, не принадлежащих подконструкции

31 645

Зафиксированных узлов 384Мастер-узлов 1 973Число степеней свободы DOF 99 702Занятый объем RAM (Total) 3 990 МБВремя расчета* (Use Pass) 6 сМаксимальное значение прогиба 2,2506 мм

Таблица 4 – Результаты и ресурсоемкость суперэлементного анализа с сокращенным числом мастер-узлов

Показатель ВеличинаЧисло узлов, не принадлежащих подконструкции

31 645

Зафиксированных узлов 384Мастер-узлов 479Число степеней свободы DOF 95 220Занятый объем RAM (Total) 885 МБВремя расчета* (Use Pass) 3 сМаксимальное значение прогиба 2,2506 мм

Внесем небольшие изменения в геометрию: спроецируем кромки рамы на подконструкцию, отсекая на поверхностях тру-бок небольшие части, непосредственно контактирующие с осно-ванием. Это позволит указать в качестве поверхности с мастер-узлами не всю поверхность (как было раньше), а только эти не-большие ее части, что сократит количество мастер-узлов (рисунок 6). Повторив суперэлементный расчет, можно убедить-ся в существенно увеличившейся скорости расчета, обусловлен-



свободы редуцированной модели, помимо мастер-узлов еще и конечный набор обобщенных координат в ортонормирован-ном базисе собственных векторов подконструкций. Другими словами, перемещение любого узла подконструкции в динами-ческом расчете определяется в виде вектора, содержащего не только интерфейсные степени свободы (для мастер-узлов), но и внутренние степени свободы, определяющиеся динамически-ми характеристиками суперэлемента:

.

Здесь um — перемещения мастер-узлов; us — перемещения остальных узлов; yδ — конечный набор собственных форм; T — матрица трансформации.

Ключевым вопросом при реализации метода покомпонентно-го модального синтеза является выбор граничных условий, при которых определяются собственные частоты и формы колеба-ний компонент системы (парциальные динамические характе-ристики).

Существующие методы модального синтеза можно классифи-цировать по этому признаку следующим образом: методы жестких границ, когда парциальные характеристики

подконструкций определяются при условии закрепления внешних степеней свободы (Fixed-Interface Method) — реали-зация метода Крейга-Бэмптона;

методы свободных границ, когда парциальные характеристи-ки подконструкций определяются при не закрепленных внеш-них степенях свободы (Free-Interface Method);

гибридные методы, если возможно частичное закрепление внешних степеней свободы подконструкции при определении ее парциальных характеристик (Residual Flexibility Free Interface Method).Для большинства расчетов предпочтительным является

применение методов жестких границ. Методы свободных гра-ниц, а также гибридные методы применяются только в тех слу-чаях, когда требуется высокая точность определения соб-ственных частот в средне- и высокочастотной области.

Реализация метода покомпонентного модального синтеза в ANSYS Mechanical

С точки зрения реализации, этот метод отличается от метода статических подконструкций лишь несколькими дополнитель-ными строчками кода APDL. Вновь рассмотрим ту же геометрию пространственной рамы, зафиксированной по всем отверсти-

ной сокращением объема операций ввода/вывода. Статистика представлена в таблице 4.

Сформируем для удобства сравнения сводную таблицу всех проведенных расчетов (Таблица 5).

Проанализировав полученные результаты, можно сделать вы-вод: при выборе избыточного числа мастер-узлов размерность и время расчета задачи увеличиваются, тогда как сокращение числа мастер-узлов приводит к желаемому результату.

Метод динамических подконструкций

Описанный метод статических подконструкций применяется ис-ключительно для проведения на фазе использования статиче-ских и нестационарных прочностных расчетов. Для модального, гармонического, спектрального расчетов, т.е. динамических за-дач, решаемых в частотной области, применяется схожий под-ход, также относящийся к методам подконструкций, — метод по-компонентного модального синтеза (Component Mode Synthesis, CMS). Редуцирование размерности динамической задачи при применении этого подхода также выполняется программой од-ним из методов, являющихся вариациями метода Релея-Ритца.

В основе метода Релея-Ритца применительно к задаче поиска собственных частот (собственных значений λ)

[K]f=λ[M]ϕ

лежит принцип поиска приближения ϕпр, которое может быть представлено в виде линейной комбинации базисных векторов Ритца ψi:

.

Если размерность базиса векторов Ритца N равна размерности исходной задачи, то полученное приближенное значение ϕпр со-ответствует точному значению. При меньшей размерности точ-ность найденного значения будет определяться выбранным ба-зисом. В динамическом анализе таким базисом является про-странство собственных векторов (форм) колебаний.

Простейшим способом применения такого метода сокраще-ния размерности задачи в ANSYS Mechanical является примене-ние Reduced-метода модального анализа, который реализует метод статической конденсации (редукции по Гайану — Guyan Reduction). Методы покомпонентного модального синтеза (CMS) более прогрессивны и точны для задач модального, гар-монического и нестационарного расчетов. По сути эти, методы являются симбиозом метода статических подконструкций и статической конденсации, рассматривая в качестве степеней

Таблица 5 – Сводная таблица результатов всех расчетов

Показатель Статический расчет

Суперэлементный расчет

Суперэлементный расчет с сокращенным числом мастер-узлов

Мастер-узлов — 1 973 479

Число степеней свободы DOF 147 831 99 702 95 220

Занятый объем RAM (Total) 1 108 МБ 3 990 МБ 885 МБ

Время расчета (Use Pass) 5 с 6 с 3 с

Общее время расчета 5 с 19 с 8 с

Максимальное значение прогиба 2,2507 мм 2,2506 мм 2,2506 мм



Таким образом, с помощью языка APDL в ANSYS Mechanical можно реализовать применение методов статических и дина-мических подконструкций. При использовании ACT-рас ши ре-ния1 функционала ANSYS Mechanical (CMS/Superelement Extension) для работы с суперэлементами применения APDL не потребуется. Работа расширения представлена в видеоматери-алах ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс».

С точки зрения эффективности, применение методов для ре-шения статических и динамических задач оправдано следующи-ми статистическими данными:Объем занятой памяти для статической задачи сократился:

с 1 108 МБ до 885 МБ (на 20%).Объем занятой памяти для динамической задачи сократился:

с 1 476 МБ до 1 152 МБ (на 22%).Для большего сокращения размерности следует выделять в су-

перэлемент бо́льшую часть конструкции при общей минимиза-ции числа мастер-узлов.

Автор: Староверов Н. Н., к.т.н., руководитель направления прочности, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Список литературы:1 .ANSYS Mechanical APDL Theory Reference. SAS IP, Inc., 20132. ANSYS Mechanical APDL Advanced Analysis Guide. SAS IP, Inc., 20133. Roy R. Craig. A brief tutorial on substructure analysis and testing.

1 Подробнее об ACT-расширениях Вы можете узнать у специалистов ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» или на сайте технической поддержки программ-ных продуктов ANSYS

ям. Проведем предварительно опорный модальный анализ для получения предварительных результатов. Статистика по тради-ционному расчету 10 собственных форм и частот колебаний, проведенному блочным методом Ланцоша, представлена в та-блице 6.

Таблица 6 – Результаты и ресурсоемкость динамической задачи в ANSYS Mechanical

Показатель ВеличинаЧисло узлов 49 661Зафиксированных узлов 384Число степеней свободы DOF 147 831Занятый объем RAM 1 476 МБВремя расчета* 10 сФормы и собственные частоты 1 31,293

2 39,8403 65,6354 68,9475 80,0736 111,3707 131,4408 133,3109 147,260

10 173,830

Фактические отличия в реализации командных вставок для ме-тодов статических и динамических подконструкций приведены ниже и выделены красным:

Номер изменения

Метод статических подконструкций

Метод динамических подконструкций

1 Фаза генерации antype, substr

seopt, RAMA, 2, , , BACKSUB

cmsel, s, Master, NODE

antype, substrseopt, RAMA, 2, , , BACKSUBcmsopt, fix, 10cmsel, s, Master, NODE

2 Фаза использования

antype, 0

outres, all, all

antype, 2modopt, lanb, 10outres, all, all

Команда cmsopt, fix, 10 указывает на необходимость приме-нения метода динамических подконструкций, в качестве рас-четного метода при определении динамических характеристик подконструкции применяется метод Крейга-Бэмптона (fix), а число собственных частот и форм колебаний подконструк-ции — 10.

antype, 2 указывает на проведение модального анализа. По-скольку выполняется новый расчет, то установки модального анализа на фазе использования необходимо продублировать командой modopt, lanb, 10, т.е. решаем задачу модального анализа блочным методом Ланцоша с определением 10 форм и частот колебаний. Фаза развертывания остается без измене-ний. Все данные сведены в единую таблицу для сравнения (та-блица 7).

Таблица 7 – Сводная таблица для сравнения методов расчета динамических задач

Показатель Традиционный расчет

CMS

Мастер-узлов — 479Число степеней свободы DOF

147 831 95 230 (95 220 + 10 собственных форм)

Занятый объем RAM (Total) 1 476 МБ 1 152 МБВремя расчета (Use Pass) 10 с 6 сОбщее время расчета 10 с 17 сФормы и собственные частоты

1 31,293 1 31,2962 39,840 2 39,8453 65,635 3 65,6464 68,947 4 68,9605 80,073 5 80,0966 111,370 6 111,4507 131,440 7 131,4608 133,310 8 133,3209 147,260 9 147,330

10 173,830 10 173,860



Современные тенденции уменьше-ния габаритов электронных устройств приводят к тому, что инженеры все чаще сталкиваются

со сложной задачей отвода тепла из мало-го объема пространства. Особенно остро эта проблема стоит при разработке сило-вой электроники и высокопроизводи-тельных компьютеров, где уровень рас-сеиваемой мощности на один квадрат-ный сантиметр площади корпуса может достигать сотни ватт. Перегрев электрон-

ных компонентов ухудшает надежность устройства и даже может привести в не-работоспособное состояние весь элек-тронный блок. Кроме того, обнаружение несоответствия заданному тепловому ре-жиму прибора на поздних стадиях проек-тирования приводит в результате к доро-гостоящим исправлениям и модернизаци-ям конструкции электронного устройства.

Для теплового анализа электронных устройств компания ANSYS предлагает специализированный программный ком-плекс Icepak. Использование ANSYS Icepak позволит провести оценку теплового ре-жима микросхем, печатных плат и элек-тронных систем еще до проведения испы-таний. Данный программный комплекс сочетает в себе современный функционал и гибкость использования — удобный

пользовательский интерфейс, адаптиро-ванный к построению моделей электрон-ных устройств, специализированные на-стройки, обширная библиотека моделей стандартных компонентов и объектов.

При моделировании тепловых режи-мов электронных устройств в ANSYS Icepak учитываются все виды теплопере-дачи: теплопроводность, конвекция, те-пловое излучение, существует возмож-ность проводить стационарные и неста-ционарные расчеты.

При расчете системы охлаждения элек-тронного блока часто возникает вопрос, какой режим движения потока выбрать в настройках проекта Icepak: ламинарный или турбулентный. Неправильный выбор типа движения потока неизбежно приве-дет к получению неверных результатов. Это связано с тем, что ламинарный и тур-булентный поток имеют разный характер движения.

При ламинарном режиме поток дви-жется слоями без поперечного переме-шивания, отсутствуют пульсации скоро-сти и давления. Турбулентный режим ха-рактеризуется нарушением слоистости, происходит поперечное перемешивание потока и образование в нем вихрей. Воз-никают пульсации скорости и давления. Для определения режима движения пото-ка используют число Рейнольдса.

Если вы не знаете режим движения по-тока в вашей модели, то ANSYS Icepak по-может определить его, что позволит за-дать вам правильные настройки решателя.

Для того, чтобы узнать оценочное зна-чение числа Рейнольдса необходимо от-крыть панель Basic Settings (рисунок 1) и в открывшемся окне нажать на кнопку Reset. После этого ANSYS Icepak рассчита-ет значение числа Рейнольдса, исходя из настроек решателя и физических характе-ристик модели. Результаты расчета будут выведены в окне Сообщений программы (рисунок 2). Кроме того, если информаци-онное сообщение выведено красным шрифтом, то это означает, что режим тече-ния потока является турбулентным и не-

обходимо изменить параметры в на-стройках решателя.

Такая проверка поможет выбрать пра-вильный тип движения потока и избежать получения неверных результатов при расчете.

Автор: Мещерякова К. С, Инженер-коструктор РЭА/ЭМ, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Как определить режим течения в ANSYS Icepak

Рисунок 2 – Информационное сообщение

Рисунок 1 – Вызов панели Basic Settings

Вычислительная Механика деформируемых Электромагнетизм Комплексные решения гидродинамика твердых тел

Каждый продукт — это обещание

Создавайте продукты, оправдывающие ожидания Ваших клиентов™

Член организации

Международная сеть партнеров

АДРЕСА И ПАРТНЕРОВ

РоссияCADFEM РоссияГоловной офисул. Суздальская, д. 46, офис 203111672, г. Москва Тел. +7 (495) 644-06-08Факс +7 (495) [email protected]

Филиал в Санкт-ПетербургеКондратьевский пр., д. 15, к. 3б/ц “Фернан Леже”, офис 322195197, г. Санкт-ПетербургТел. +7 (812) 313-19-17Факс +7 (812) [email protected]

Филиал в Самареул. Авроры, д. 110, к. 1офис 406443069, г. СамараТел. +7 (846) 279-49-71Факс +7 (846) [email protected]

Филиал в Екатеринбургеул. Софьи Ковалевской, д. 3, офис 401620049, г. ЕкатеринбургТел. +7 (343) 385-04-20Факс +7 (343) [email protected]

Филиал в Новосибирскеул. Советская, д. 5, б/ц «КРОНОС»блок Б, офис 641630007, г. НовосибирскТел. +7 (383) [email protected]

УкраинаCADFEM Украинабул. Леси Украинки, д. 34, офис 43301133, г. КиевТел. +38 (044) 360-75-43Моб. +38 (068) 442-09-78Факс +38 (066) 144-57-81

InternationalГерманияCADFEM GmbHГоловной офисMarktplatz 285567, Grafing b. Munchen Тел. +49 (0) 80 92-70 05-0Факс +49 (0) 80 90-70 [email protected]

Филиал в БерлинеBreite Straße 2a13187, BerlinТел. +49 (0) 30-4 75 96 66-0

Филиал в Хемнице Cervantesstraße 8909127, ChemnitzТел. +49 (0) 371-33 42 62-0

Филиал в Дортмунде Carlo-Schmid-Allee 3PHOENIX-West Park44263, DortmundТел. +49 (0) 2 31-99 32 55-50

Филиал во Франкфурте Im Kohlruß 5-765835, Liederbach am TaunusТел. +49 (0) 61 96-7 67 08-0

Филиал в ГанновереPelikanstr. 1330177, HannoverТел. +49 (0) 511-39 06 03-0

Филиал в ШтутгартеLeinfelder Str. 6070771, Leinfelden-EchterdingenТел. +49 (0) 7 11-99 07 45-0

ШвейцарияCADFEM (Suisse) AGWittenwilerstrasse 258355, AadorfТел. +41 (0) 52-3 68 [email protected]

АвстрияCADFEM (Austria) GmbHWagenseilgasse 141120, WienТел. +43 (0) 1-5 87 70 [email protected]

Чехия/СловакияSVS FEM s.r.o. (CADFEM CZ)Skrochova 4261500, BrnoТел. +42 (0) 5 43-25 45 [email protected]

ПольшаMESco (CADFEM PL)ul.Gуrnicza 20A42-600 Tarnowskie GoryТел. +48 (0) 327 68 [email protected]

ИрландияCADFEM Ireland Ltd18 Windsor PlaceLower Pembroke StDublin 2Тел. +353 (0) 1-6 76 37 [email protected]

ИндияCADFEM Engineering Services India PVT [email protected]

КитайAnshizhongde Consultation (Beijing) Ltd. (Pera-CADFEM)[email protected]

СШАCADFEM US, Inc.Greenville, [email protected]

Северная АфрикаCADFEM AN s.a.r.l.Sousse (Tunesien)[email protected]

www.cadfem-cis.ru

cadfem review №01

Documents