Руководство по ansys mechanical 2020

1. Интерфейс и работа в Mechanical и/или в MAPDL

• В новой версии появилась возможность импорта и присвоения углов ориентации элементов из внешнего файла, что весьма полезно при работе с не изотропными материалами.

Рисунок 1. Инструмент импорта углов ориентации элементов

• Добавлены логические простые опции для присвоения материалов импортированным дорожкам, диэлектрикам и перемычкам, в том числе и многим объектам сразу.

Рисунок 2. Присвоение материалов дорожкам

Рисунок 3. Присвоение материалов сразу нескольким импортированным объектам

• Добавлена опция импорта иерархии исходной сборки (Assembly Hierarchy), которая автоматически воссоздает группировку геометрии в CAD при импорте.

Рисунок 4. Путь до опции Assembly Hierarchy

Рисунок 5. Настройка для восстановления группировки исходного CAD файла

• Уже пожалуй традиционно добавлены новые трекеры результатов: на этот раз посвященные сходимости и проникающему давлению среды в контакте.

Рисунок 6. Новые трекеры результатов

• При планировании решения на удаленной машине теперь можно также активировать передачу дополнительных файлов в ту или другую сторону.

Рисунок 7. Поля для дополнительных файлов

• Импортированные внешние данные отныне стало можно удалять. Если вдруг у объекта статус только для чтения (Read Only), то его предварительно нужно отключить.

Рисунок 8. Удаление внешних данных

• Объекты Commands для добавления командных вставок теперь доступны для работы с объектами Point Mass, Thermal Point Mass, и Distributed Mass. Нововведение поддерживается решателями MAPDL и RBD.

Рисунок 9. Командные вставки для точечной и распределенной масс.

• При постановке FSI расчета с системой System Coupling, соответствующей объект в дереве Mechanical получил возможность присвоения к целым телам (Body).

Рисунок 10. Присвоение System Coupling Region к объему

• Продолжается интеграция LS-DYNA и Workbench: в новой версии теперь расчет LS-DYNA можно вызвать прямо из окна Mechanical (правда только при включенном ACT).

Рисунок 11. Вызов расчета в LS-DYNA из окна Mechanical

• Для решения задач подмоделирования и расчетов тепловых напряжений в новой версии можно использовать внешний файл с данными (rst или rth) напрямую вместо соответствующей связи на странице проекта Workbench. Такой подход позволяет более гибко использовать данные разных проектов и решателей (файл с данными может быть получен в том числе и из MAPDL). Путь до файла задается в свойствах объекта импортируемой нагрузки Import Load.

Рисунок 12. Выбор внешнего файла в качестве импортируемой нагрузки

• Среди инструментов умного выбора появился новый – возможность выбирать геометрию в одной плоскости, по одной совпадающей координате, т.е. более строгий подход, чем просто by Same Location.

Рисунок 13. Новые инструменты умного выбора (согласно плоскости)

Рисунок 14. Результат применения опции выбора поверхностей в одной плоскости с одинаковой координатой X.

• Во вкладке Convert To, которая служит для выбора объектов одной топологии на основе объектов другой топологии (например граней, которым принадлежат уже выбранные ребра), добавлена галочка Shared, позволяющая ограничивать выборку только общими объектами для всех выделенных.

Рисунок 15. Результат применения новой опции Shared

• В Mechanical добавлена возможность определять армирование внутри конструкции для 3D Static structural и 3D Steady-state thermal расчетов (шаблон Thermal-stress также поддерживается). Армирование задается независимо от сетки на основе линий (Line Bodies) для дискретного подхода и на основе поверхностей (Surface Bodies) – для размазанного.
  Чтобы указать определенное тело в качестве армирования нужно выбрать его в дереве и далее задать в свойстве Model Type опцию “Reinforcement”

Рисунок 16. Тела для армирования

Рисунок 17. Задание армирования

• Для линий (дискретное армирование), также требуется указать соответствующее сечение Cross Section и материал Material Assignment.
  Для поверхностей (размазанное армирование), опцию однородной мембраны (homogeneous membrane) можно включить “Yes (по умолчанию)” или выключить “No”. Для опции Homogeneous Membrane требуются параметры Thickness и Material Assignment.

Рисунок 18. Настройки армирования

• Опция Homogeneous membrane формирует армирование с плоским напряженным состоянием (structural) или анизотропным тепловым потоком (thermal). Когда опция Homogeneous Membrane выключена “No”, армирование создается с одноосным напряженным состоянием (structural) или одноосным тепловым потоком (thermal). 
  Ориентация армирующего волокна указывается при помощи системы координат соответствующего тела, либо при помощи объекта element orientation.
  В случае когда опция Homogeneous Membrane выключена “No”, потребуется площадь сечения волокна и их расположение для создания армирующего слоя с равноудаленными волокнами.

Рисунок 19. Настройки армирования

• Определение армирования через тела линии и поверхности используется для создания армирующих элементов и в процессе решения эти элементы не представлены в сетке в Mechanical, но будут видны в файле результатов. Объект тепловыделения Heat generation, прикладываемый к телу армирования будет присвоен к слоям/волокнам в процессе решения.
  Результаты на слоях/волокнах армирования можно просматривать путем прикрепления их либо к телам, либо к выборке, состоящей из них.

Рисунок 20. Контурные графики результатов армирования.

• Ранее в Mechanical уже была добавлена возможность приложения давления к Solid телам напрямую без SURF154/SURF153 элементов (опция Direct в свойстве Applied by окна свойств давления). Теперь это работает и для граней элементов оболочек (3D) / ребер(2D).
  При помощи опции “Direct”, нагрузки прикладываются напрямую к граням элементов и, следовательно, улучшается время решения модели, а также используемая память, поскольку surface effect элементы не создаются.  Эта опция не поддерживает наличие в модели трещин Cracks, SMART crack growth, нелинейной адаптивности Nonlinear Adaptive region, метода подконструкций и циклической симметрии.

Рисунок 21. Опция приложения давления напрямую

• Для улучшения точности решения, Mechanical теперь использует MAPDL команду SHSD для shell-solid контакта по умолчанию в конструкционных расчетах.
  Эта команда создает дополнительные контактные элементы для улучшения точности решения.
  Опция поддерживается ТОЛЬКО для Bonded контакта с “MPC” формулировкой и настройкой Constraint type  — “Projected”, “Displacement Only” или “Projected U to ROT”.

Рисунок 22. Настройки для улучшенной работы Shell-Solid контакта.

Рисунок 23. Shell solid контакт в сочетании с SHSD командой обладает улучшенной точностью решения (за счет создания более гладких результатов)

• Опция сохранения именованных наборов (preserve named selections) в процессе решения задачи с нелинейной адаптивностью сетки (non-linear adaptive region), которая вызывает перестроение сетки в процессе решения, больше не является бета функцией – она переехала в основной функционал.

Рисунок 24. Опция для сохранения именованных наборов при перестроении сетки

Рисунок 25. Сохранение именованных наборов.

• Удаленные граничные условия, а именно Remote Displacement, Remote Force и Moment можно прикреплять к телам с нелинейной адаптивностью Non-linear Adaptive Region. Поддерживаются все три типа поведения deformable, coupled и rigid.
• Static structural расчет в Workbench Mechanical теперь позволяет определять расчет как квазистатический. Такой расчет предполагается использовать вместо Transient, когда в задаче переходный процесс является очень медленным.
  В Quasi Static задаче используется алгоритм Backward-Euler, а также рассматриваются диссипативная энергия (damping energy) и выполненная работа внешних сил.

Рисунок 26. Свойство для включения квазистатического расчета

• Кроме того, квазистатический расчет теперь поддерживается при любой физике, т.е. в том числе и в сопряженных расчетах.

Рисунок 27. Сравнение сходимости в квазистатическом и Full Transient подходах в сопряженной задаче.

• В задаче с давлением теперь можно учесть изменение площади приложения при деформировании. Для этого добавлена настройка Loaded Area с вариантами Deformed и Initial.
  Опция “Initial” подразумевает рассматривание выбранной поверхности как постоянной в процессе расчета. При использовании же опции “Deformed”, как раз и учитывается изменение площади поверхности в результате деформирования в ходе расчета. Для обычного объекта давления опция по умолчанию “Deformed”, в то время как опция по умолчанию для импортированного давления — “Initial”.

Рисунок 28. Опция для учета изменения площади приложения давления.

• Настройки перезапуска (Restart controls) в Mechanical теперь поддерживают создание точек перезапуска для определенного шага нагружения. Для реализации требуется выбрать опцию «Specify» и далее указать номер Load Step Number. Если перезапуск выполняется с помощью точки перезапуска внутри шага нагружения, то опция по умолчанию Program Controlled в Auto Time Stepping для этого шага нагружения не будет менять информацию о подшагах или приращениях по времени. Перезапущенное решение в этих случаях использует подшаги или приращения по времени, указанные для предыдущего решения (которое было без перезапуска).

Рисунок 29. Точки перезапуска по шагам

• Для обратного решения (inverse analysis) в Static Structural, Mechanical теперь поддерживает новое свойство с названием Reverse Direction For Inverse Steps и применимо оно только когда все шаги являются обратными. Когда опция включена “Yes”, перемещения прикладываются в противоположном направлении на обратных шагах. Это также сказывается и на графическом отображении – через противоположно направленную стрелку и словом reverse в аннотации.

Рисунок 30. Изменение знака перемещений в обратном решении

• В MSUP harmonic расчете, теперь можно выбрать способ задания демпфирования из двух возможных вариантов: “Damping Ratio” или “Constant Structural Damping Coefficient”. По умолчанию “Damping Ratio”, а когда выбрано “Constant Structural Damping Coefficient”, в решатель MAPDL отправляется команда DMPSTR (В прошлых версиях, только команда DMPR поддерживалась как свойство damping ratio).

Рисунок 31. Выбор подхода к заданию демпфирования

• Все опции Tabular Loading теперь поддерживаются для импортируемых нагрузок в задаче с циклической симметрией.

Рисунок 32. Доступные настройки табличного нагружения в задаче с циклической симметрией.

Рисунок 33. Предварительный показ импортированной нагрузки и результат расчета

• Coupled Field расчеты теперь поддерживают 2D тела с plane stress поведением и неединичной толщиной.
• Данные по максимальной невязке (Maximum residual force) доступны в Solution Information
• Результаты Force Reaction и Moment Reaction Probes теперь поддерживаются вместе с Missing Mass и Rigid Response эффектами для доступных нагрузок RS Base Excitations
• Изменения коснулись также и объекта Bolt Pretension – теперь по умолчанию для 3D случая берется цилиндрический шарнир (cylindrical joint) вокруг оси Z. Иными словами, внутри болта образуется не PRETS179, а MPC184, и работает это не только с болтами из Solid элементов, но и с Beam болтами тоже. Традиционно в узле шарнира обязательно будет создана локальная декартова система координат. Такой подход позволяет получать корректные результаты при больших поворотах болтового соединения.

Рисунок 34. Сравнение старого и нового Bolt Pretension в задаче с большими перемещениями

• Настройки контактных элементов для опций закрывания начальной интерференции больше не зависят от команды KBC. Начальное проникновение или зазор теперь закрываются даже если выбрано пошаговое приложение нагрузки step-applied (по умолчанию в transient).
• Робастность нелинейного решения улучшена для задач с MPC контактом и включенным инструментом predictor. Улучшения особенно видны в ситуациях с большими поворотами или плохой сходимостью.

Рисунок 35. Улучшение сходимости задач с MPC контактом.

• Условие тепловой изоляции или insulated thermal condition (KEYOPT(3) = 2 в target элементе) теперь доступно для расчета с тепловым контактом. Конвекция и излучение в окружающую среду игнорируются, когда контакт открыт в дальнем поле (far-field status).
• Добавлена возможность построения Quad Dominant сетки для 3D размазанного армирования.

Рисунок 36. Сетка из четырехугольников на размазанном армировании

• Добавлена новая команда BFPORT, которая позволяет прикладывать объемную нагрузку на тело (например объемное тепловыделение HGEN) к армирующим элементам в любом месте pre-processing или solution. Таким образом, функционал, требуемый для моделирования PCB с независимым от сетки армированием становится завершенным.
• Добавлен новый элемент для 2D теплового армирования (REINF263), совместимый с 2D тепловыми solid элементами (PLANE292 (2D, 4 узла) и PLANE293 (2D, 8 узлов)). Таким образом, семья элементов армирования для 2D/3D тепловых расчетов становится завершенной.
• Плоские Coupled-field элементы PLANE222 и PLANE223 теперь позволяют вводить толщину и ставить таким образом 2-D plane или plane stress модели.
• Enhanced strain формулировки для SOLID185 (и total и simplified) теперь поддерживаются в обратном расчете (Inverse Solution) как совместно с mixed u/P формулировкой, так и без нее. Таким образом успешно удовлетворены запросы от газотурбинной промышленности, а также значительно расширена применимость обратного расчета и улучшена точность для задач с преобладанием изгиба.

Рисунок 37. Прямое и обратное решение лопатки

• Расширен список моделей материалов, для которых можно выполнить подгон параметров (Curve Fitting) по экспериментальным данным (модели пластичности, ориентированные в числе прочего на задачи термомеханической усталости (TMF)):
  • Chaboche Kinematic Hardening
  • Bilinear Isotropic Hardening
  • Rate Dependent Plasticity с моделями Peryzna, Pierce и EVH
  • Kinematic Static Recovery
  • Isotropic Static Recovery
  • Isotropic Elasticity
• Кроме того, набор данных об одноосном нагружении (Uniaxial Loading) теперь может содержать данные о циклическом и нециклическом поведении, а также в целом увеличена точность и эффективность процесса Curve Fitting.

Рисунок 38. Экспериментальные данные для Curve Fitting в MAPDL

Рисунок 39. Выбор модели для Curve Fitting в MAPDL

• Также для расчетов малоцикловой (LCF) и термомеханической (TMF) усталости добавлен новый инструмент с названием Cycle-Jump, позволяющий ускорять решение таких задач путем «перепрыгивания» части циклов на основе определенного критерия (плавность глобального тренда).

Рисунок 40. Типичное развитие какого-либо параметра решения циклической задачи

Рисунок 41. График развития эквивалентной пластической деформации для двух подходов к решению циклической задачи. Число перепрыгнутых циклов: 57 из 100

Рисунок 42. Cycle-jump решение согласуется с эталонным в конечный момент времени (показано эквивалентное напряжение)

• Улучшено масштабирование для моделей с линейным контактом.

Рисунок 43. Сравнение по производительности на примере модели турбины.

• Поддержка Intel MPI 2018 Update 3 в этой версии не менялась.
• Поддержка IBM MPI в этой версии прекращена.
• Поддержка OpenMPI v3.1.5 является новшеством в этой версии (только для Linux).
• Поддержка Microsoft MPI обновлена с v7.1 на v10.0 (только для Windows).

1. Механика разрушения и метод расчета развития трещины SMART.

• Расчет параметров механики разрушения теперь поддерживает приложение нормальных и касательных усилий на поверхности трещины через команды SF и SFE. Поддерживаются solid элементы 185, 186, и 187 (UMM включен или выключен).

Рисунок 44. Поддерживаемые усилия.

• Подход к моделированию роста трещины SMART теперь можно использовать для трещин смешанного режима разрушения. Поддерживается как статический, так и усталостный рост трещины. Рост трещины смешанного типа основан на критерии максимального окружного напряжения, а для усталостного роста трещины, используется размах эквивалентного коэффициента интенсивности напряжения.

Рисунок 45. Прогноз направления развития трещины смешанного типа

Рисунок 46. Результат моделирования развития трещины методом SMART.

• Метод SMART для расчета роста трещины (статического и усталостного) поддерживает наличие начальной деформации initial strain (определяется она через команду INISTATE,SET,DTYP,EPEL). Как только сетка изменяется из-за перестроения в процессе SMART расчета, начальные деформации накладываются со старой сетки на новую.
• Кроме закона Пэриса, Mechanical теперь также поддерживает еще два закона циклического роста трещины: Walker и Forman, а также табличный ввод напрямую.

Рисунок 47. Моделируемое соотношение размаха коэффициента интенсивности и приращения трещины

• Закон Walker.

• • Модификация закона Пэриса
  • Прогнозирует da/dN на II этапе усталостного роста трещины
  • Учитывает коэффициент асимметрии R
  • Y —  Постоянная материала (обычно около 0.5, но может варьироваться от 0.3 до 1)
  • Логарифмическая интерполяция температуры для постоянной C₀
     
• Закон Forman

• Модификация закона Пэриса
• Прогнозирует da/dN на II и III этапах усталостного роста трещины
• Учитывает эффекты от коэффициента асимметрии R и вязкости разрушения K_C
• Логарифмическая интерполяция температуры для постоянной C₀

1. ANSYS AQWA

• Обновлен инструмент построения графиков результатов: больше гибкости в определении величины для абсциссы, до 20 дополнительных величин для ввода было добавлено, разрешены операции дублирования и копирования графиков.

Рисунок 48. Новые величины для построения графиков в AQWA

• Вся «старая» документация Aqwa Legacy Documentation (по продуктам AQWA вне Workbench) добавлена в общую систему ANSYS Online Help. Теперь там вся документация по AQWA (кроме AqwaGS).

Рисунок 49. Aqwa Legacy Documentation в ANSYS Online Help

1. Явная динамика (Explicit Dynamics и Workbench LS-DYNA)

• Наиболее ярким нововведением в области явной динамики в Workbench является долгожданная поддержка SPH расчетов (гидродинамика гладких частиц) как в Explicit Dynamics, так и в Workbench LS-DYNA. Реализуется через опцию Particle в свойствах геометрического тела и обладает всеми необходимыми аспектами визуализации и настройками в Analysis Settings.

Рисунок 50. Расчет птицестойкости в среде Explicit Dynamics

• Два соответствующих шаблона (Workbench LS-DYNA и Restart Workbench LS-DYNA) были переименованы в LS-DYNA и LS-DYNA Restart

1. LS-DYNA версия 12.0

• Стоит также отметить и ряд некоторых дополнений в новой версии самой LS-DYNA.
• Добавлены модели аккумуляторных модулей (4 модели в зависимости от масштаба/детализации).

• Solid элементы: internal/external shorts, cell
• Оболочки Composite Tshells: internal/external shorts, cell/module
• Макро модель: internal/external shorts, pack/battery
• Бессеточная модель: external shorts, module/pack/battery

• Специально для задач вроде пересечения водных преград вброд была добавлена неявная несжимаемая формулировка SPH (IISPH) – она допускает больший размер шага по времени.

Рисунок 51. Модель пересечения вброд водной преграды

• Добавлены модели парашютов и мембран из пористого материала для 2D и 3D FSI расчетов.

Рисунок 52. Модель парашюта

Рисунок 53. Модель медицинской маски.

• Добавлена возможность связывания электромагнитного решения с ICFD решателем (в частности ICFD сетки можно задавать как проводники). Это может быть полезно для задач электростатики или исследования коротких замыканий, вызываемых попаданием воды. ​

Рисунок 54. Сопряженный EM+ICFD расчет: разъемы аккумулятора закорочены водой

• Для ICFD добавлена первая версия решателя immersed interface solver, пока только в SMP и без FSI, а также возможность создания скользящей сетки.

Рисунок 55. Скользящая сетка

• Кроме того добавлена возможность задания полного набора 2D и 3D регулярных и нерегулярных форм волн для глубоко/средне/мелководных течений воды.

Рисунок 56. Нерегулярные океанические волны (высококачественный рендер результата)

• Добавлен решатель химии литий-ионных аккумуляторов, а также Electrochemistry-Thermal-Mechanical сопряжение.

Рисунок 57. Сопряженный расчет удара по литий-ионному аккумулятору

• Добавлен метод Moment-Consistent Smoothed Particle Galerkin (MC-SPG) широко применяющийся в расчетах разрушения материала и больших перемещений (явный динамический метод, возникший в 2018 году, выпускается впервые в версии 12.0). Кроме того, улучшена точность и эффективность исходного SPG метода, разработанного в 2015 году. Методика поддерживает Thermal-mechanical сопряжение, а также допускается погружение балочных элементов.

Рисунок 58. Расчет сверления кости.

• Методика Structured-ALE поддерживает усечение сеточного домена, а также возможность постановки задачи продолжительного низкоскоростного течения (*EOS_MURNAGHAN). Шаг по времени увеличивается путем снижения скорости звука. Этот подход является физически обоснованным, если сокращенная скорость звука все еще в 10 раз превышает скорость течения.

Рисунок 59. Сравнение результатов расчета птицестойкости в Structured-ALE

• В области NVH стало больше опций для вычисления исходящей акустической мощности (три опции на основе SSD (*FREQUENCY_DOMAIN_SSD)):

• Классический ERP (основан на теории плоской волны)
• Скорректированный ERP (с коррекцией коэффициента излучения)
• Испускаемая мощность по интегралу Рэлея

Рисунок 60. Три результата по излучаемой акустической мощности

• В расчете усталости добавлена возможность моделировать рост усталостного повреждения, а также, соответственно, процесс усталостного разрушения.

Рисунок 61. Модель усталостного разрушения