Kolejna wersja programu ANSYS jak zwykle oferuje nam wiele nowości. W opracowaniu omówiono te, które dotyczą symulacji mechanicznych z wykorzystaniem solvera ANSYS oraz aplikacji Mechanical. Główne trendy i kierunki rozwoju związane są z usprawnieniem i rozwojem algorytmów siatkujących, poprawą wydajności solverów mechanicznych oraz automatyzacją i zwiększeniem funkcjonalności interfejsu. Poniżej przedstawiono najciekawsze nowości w podziale na poszczególne dziedziny.
- Wydajność i rozwój solverów
- Algorytmy tworzące siatkę MES
- ANSYS Mechanical: Interfejs aplikacji
- Rozwój podstawowych narzędzi solvera ANSYS Mechanical,
Wydajność i rozwój solverów
Kluczowym faktem demonstrującym postęp w tej dziedzinie jest informacja o analizie mechanicznej wykonanej na modelu składającym się z miliarda stopni swobody na 1334 rdzeniach obliczeniowych. Pokazuje to wielką wydajność solvera Sparse i jego uniwersalność i funkcjonalność w wielkich strukturach obliczeniowych. Rozwój nie ominął także solvera iteracyjnego PCG, który z wersji na wersję działa coraz lepiej. W tej wersji dodano możliwość analizy harmonicznej „FULL Harmonic” oraz wsparcie dla macierzy niesymetrycznych. Solver ten ma bardzo okrojone wymagania pamięciowe w stosunku do solvera Direct, a w tej wersji daje sobie radę z dużymi analizami nieliniowymi nie ustępując mu wydajnością (Rys. 1).
Dodatkowo należy wspomnieć jeszcze o lepszym skalowaniu wszystkich solverów i poprawie wydajności w przypadku dużej liczby równań CE.
Algorytmy tworzące siatkę MES
W dziedzinie algorytmów tworzących siatkę MES mamy najwięcej nowości i rozwoju istniejących funkcjonalności. Jedną z najważniejszych jest wprowadzenie nowego podejścia do tworzenia siatek MES opartego o tzw. Workflow, czyli zestawie następujących po sobie etapów lub kroków.
Mamy dostępne aktualnie trzy predefiniowane wzory Worklow: do akustyki zewnętrznej, wewnętrznej i do akustyki w programie LS-DYNA za pomocą metody elementów brzegowych. Na Rys 2 pokazano zdefiniowane kroki tworzenia siatki dla akustyki zewnętrznej wokół geometrii silnika. Cały proces jest w pełni automatyczny. W rezultacie działania wszystkich kroków uzyskujemy siatkę domeny otaczającą dany obiekt z podziałem na strefę bliską, daleką oraz region PML, czyli warunek brzegowy. W pierwszym kroku zamykamy wszystkie otwory, następnie tworzymy siatkę powłokową otaczającą obiekt. W kolejnych krokach tworzymy siatki dla poszczególnych stref. Na koniec definiujemy regiony akustyczne i przypisujemy materiał. Do wygenerowanej siatki automatycznie tworzona jest również geometria.
W tej wersji jako wersja beta dostępna jest możliwość stworzenia własnego Workflow. Siatka utworzona przez tę procedurę bazuje na nowym algorytmie siatkującym PrimeMesh. Metoda ta ma również swoją bibliotekę w repozytorium PyANSYS, co pozwala na wykorzystanie meshera również we własnych programach napisanych w Pythonie.
Siatkowanie to temat, który jest silnie rozwijany i ANSYS ma świadomość jego wagi. Reszta tej technologii i inne algorytmy również doświadczyły wielu pozytywnych zmian. Metoda Tetra lepiej sobie radzi w kwestii wydajności, warstw przyściennych oraz zastosowaniach Explicit. Metoda Hex Multizone została poprawiona w przypadku generowania siatki dla modeli osiowosymetrycznych, ma zaimplementowany nowy algorytm Mapped Mesh oraz modele cienkościenne są wydajniej siatkowane z automatu.
Dodatkowo ANSYS wprowadził także narzędzia specjalnie do siatkowania elektroniki ułatwiające meshowanie płytek PCB i innych podobnych elementów.
Do sprawdzenia jakości siatki już od poprzedniej wersji bardzo dobrze nadaje się Mesh Quality Worksheet wyposażony w nowe funkcjonalności związane z postprocesingiem elementów o określonych parametrach.
ANSYS Mechanical: Interfejs aplikacji
Aplikacja Mechanical w wersji 2024R1 ma możliwość startu zupełnie niezależnie od platformy Workbench. Można było się tego poniekąd spodziewać, bo już w poprzednich wersjach pojawiła się biblioteka PyMechanical, która umożliwiała uruchomienie aplikacji z poziomu programu w języku Python. Tak uruchomiona aplikacja ma nieco mniejszą funkcjonalność, ale to stan przejściowy. Dodano do niej moduły, które były dostępne tylko z poziomu Workbencha: External Model oraz Imported Load. Nowością też jest wybór kolorystyki środowiska. Mamy wersję jasną, ciemną i klasyczną (znaną z poprzednich wersji) (Rys 3).
Jedną z najciekawszych nowych funkcjonalności w aplikacji Mechanical jest tworzenie wielowymiarowych tablic, których możemy używać do zadawania obciążeń. Wcześniej ta możliwość była dostępna tylko za pomocą makr APDL. Dodatkowo, możemy też niektóre obciążenia takie jak Bolt Pretension zgrupować w folderze powyżej wszystkich analiz i nie trzeba ich definiować z osobna dla każdej analizy w drzewku.
Dodano także nową funkcjonalność do modułu Resource prediction, który prognozuje czasy analiz i wykorzystanie pamięci operacyjnej. W nowej wersji można również przewidzieć ile zasobów dyskowych będziemy potrzebować w celu wykonania analizy.
Ważną zmianą jest zastąpienie narzędzia ACP Post służącego do postprocessingu modeli kompozytowych aplikacją Mechanical. Mamy do tego specjalne narzędzia takie jak Composite Failure Tool, Sampling Point Tool oraz Envelope Solution. Sam ACP Post będzie już niedługo niedostępny. Ewentualnie postprocessing modeli kompozytowych można także wykonać za pomocą bibliotek PyANSYS.
Rozwój podstawowych narzędzi solvera ANSYS Mechanical
W tej sekcji zebrano nowości z różnych narzędzi numerycznych obecnych w aplikacji Mechanical, jak i w samym solverze ANSYS.
Jako pierwszy omówimy Kontakt Bonded – kontakt, który nigdy nie jest pomijany przez deweloperów. Od tej wersji, jeśli zostawimy opcję Program Controlled, Kontakt Bonded pomiędzy solidami używa metody MPC. Ma to szczególne znaczenie w przypadku kontaktu z gapami (odstępami), daje również lepszą zbieżność i kontrolę penetracji. Docenią go też wszyscy, którzy wykonują analizy modalne. W niektórych przypadkach jednak zostanie użyta metoda Augmented Lagrange. Warunki te są opisane w manualu. Wadą algorytmu MPC jest tzw. Overconstraint, czyli nadmiarowość warunków określonych w węzłach. W tej wersji program już na poziomie preprocesingu kontaktu poinformuje użytkownika o takiej możliwości i z automatu zmieni algorytm (Rys 4.). Dostępny jest też dodatkowy Contact Tracker o nazwie Possible Overconstraint.
Bardzo silnie rozwijająca się dziedzina w analizach mechanicznych to mechanika pękania. W tej wersji pojawiło się kilka nowych typów pęknięć dostępnych dla siatki Tetra. Dodano również nowe kryteria stopu i remeshingu dla metody adaptacyjnego tworzenia pęknięcia SMART.
Od kilku wersji rozwija się także metoda Multistage Cyclic Symmetry pozwalająca na zamodelowanie kilku różnych sektorów w modelu cyklicznym różniących się wielkością kąta. Nowością jest możliwość wykonania analizy harmonicznej z prestresem i obciążeniami związanymi z poszczególnymi indeksami harmonicznymi.
Metoda adaptacyjnej siatki w tej wersji ma możliwość uwzględniania wielokrokowych obciążeń o zmiennej wartości i kierunku oraz kasowania warunków przemieszczeniowych. W obszarach z adaptacyjną siatką możemy definiować obciążenia z ustawieniem (Applied By Direct) bezpośrednio na węzłach MES.
W temacie nowych materiałów i elementów warto wspomnieć o modelu Ductile Damage. To model zniszczenia, który odpowiednio degraduje sztywność elementów skończonych po przekroczeniu kryterium związanego z odkształceniem plastycznym w funkcji parametru trójosiowości naprężenia. Ten parametr jest stosunkiem naprężenia średniego do naprężenia redukowanego. Model możemy stosować z modelami plastyczności HMH oraz Drucker-Prager.
Ciekawym nowym rozwiązaniem jest wprowadzenie funkcjonalności dodania dodatkowej masy do elementów skończonych (Non structural mass). Nie trzeba tego robić przez skalowanie gęstości, tylko program zrobi to automatycznie wiedząc, ile masy, do których elementów ma przyłożyć.
ANSYS silnie rozwija też możliwości analiz sprzężonych. W nowej wersji jest możliwość w aplikacji Mechanical stworzenia analizy elektro mechanicznej w stanie nieustalonym (Transient Electrostatic Coupling). Otwiera to możliwości analiz dynamicznych urządzeń MEMS typu przełączniki, sensory, aktuatory, akcelerometry i żyroskopy. Pełna tabela możliwych sprzężeń znajduje się poniżej.
Autor: Tomasz Czyż, MESco sp. z o.o.
Przeczytaj również o zmianach w analizach przepływowych i elektromagnetycznych w ANSYS 2024 R1.