» ANSYS - mechanika » MES dla użytkowników systemów CAD

MES dla użytkowników systemów CAD

ANSYS DesignSpace to najbardziej podstawowy moduł do symulacji mechanicznych oprogramowania ANSYS. Obecnie ANSYS silnie rozwija linie produktów Discovery Live, które jeszcze lepiej spełniają oczekiwania konstruktorów.  


Licencja ANSYS DesignSpace działa wyłącznie w środowisku ANSYS Workbench

Zestaw możliwości ANSYS DesignSpace został dobrany w oparciu o wieloletnie doświadczenia firmy ANSYS Inc. w wykorzystaniu metody elementów skończonych (MES) do analiz konstrukcji mechanicznych. Narzędzie to udostępnia podstawową funkcjonalność rozbudowanego solvera ANSYS, skupiając się przy tym na jednoczesnym zachowaniu prostoty obsługi i szeroko rozwiniętym systemie pomocy. Te cechy są szczególnie ważne dla osób mających niewielkie doświadczenie w analizach złożonych konstrukcji za pomocą metod numerycznych.

Moduł rozwiązujący (solver) ANSYS DesignSpace jest tym samym modułem, który używany jest w innych programach ANSYS. Zapewnia to poprawność i dużą wiarygodność uzyskiwanych wyników.

W przeciwieństwie do znanych systemów inżynierskich ANSYS DesignSpace charakteryzuje niezależnie od narzędzi CAD środowisko graficzne Workbench. Dzięki wykorzystaniu rodzimych mechanizmów transferu plików geometrii, możliwe jest bardzo silne zintegrowanie DesignSpace z większością popularnych programów CAD. Oprócz możliwości bezpośredniego importu geometrii z systemu CAD, interfejsy graficzne umożliwiają import geometrii w formatach niezależnych, jako ACIS (SAT), STEP czy Parasolid.

System DesignSpace jest doskonały do symulacji złożeń, jak i wydzielonych części. Jeśli importowany model składa się z wielu brył, zespołów, DesignSpace automatycznie wykrywa interakcje między nimi i definiuje kontakt. Z CAD przejmuje zarówno nazwy części, dane materiałowe, nazwy zestawów jak i parametry dla wszystkich interesujących nas części. Możliwa jest także manipulacja pobranymi parametrami geometrycznymi i wysłanie ich wstecz do aktualizacji.

W momencie, gdy zachodzi potrzeba zmiany lub szybkiej poprawy geometrii dla symulacji w DesignSpace, można wykorzystać moduł ANSYS DesignModeler. Pozwala on na tworzenie, sprawdzenie oraz modyfikację modelu geometrycznego wewnątrz środowiska ANSYS Workbench, bez potrzeby odwoływania się do zewnętrznego programu.


Interface programu ANSYS DesignSpace

Program ANSYS DesignSpace w swoim założeniu jest narzędziem dla inżynierów, którzy nie posiadają dużych umiejętności w dziedzinie modelowania MES. Proces przygotowania analizy jest na wielu etapach wspomagany przez zaimplementowane narzędzia pomocy i automatyzacji. Należy tu wymienić kreator analiz – narzędzie, które uczy obsługi, jak i wspomaga podejmowanie decyzji. Dzięki niemu, po wczytaniu geometrii, zadaniu obciążeń i rozwiązaniu, nowy użytkownik zaraz może przejść do przeglądania wyników. Na zakończenie analizy, program automatycznie wygeneruje czytelny raport z przeprowadzonej analizy i przedstawi go w postaci np. pliku MS Word.

Zaawansowani inżynierowie nie będą zawiedzeni możliwościami środowiska. Mogą oni mieć wpływ na każdy etap analizy, od definicji danych materiałowych po rodzaj wyprowadzanych wyników. Przykładowo, dane materiałowe można uzależniać od temperatury lub możliwe jest korzystanie z baz materiałowych. Skrupulatni analitycy mogą zmienić rozkład elementów skończonych, zagęszczać lub rozrzedzać, a także wybierać spośród wielu metod podziału. Również możliwe jest włączenie analizy zbieżności wyniku w zależności od gęstości siatki.

Wiele spośród opcji kontaktu może zostać zmienionych w celu poprawy dokładności lub przyspieszenia analizy. Inżynierowie mogą stosować kontakty liniowe (związany lub z poślizgiem), jak i nieliniowe (z poślizgiem, bez tarciowy lub rozrywany) dostosowując interakcje tak, aby najbliżej odzwierciedlić rzeczywistą pracę konstrukcji. Środowisko udostępnia ponad trzydzieści mechanicznych i termicznych rodzajów podparć i obciążeń z wieloma dodatkowymi wariantami. Daje to sposobność tworzenia i odwzorowywania bardzo skomplikowanych układów wymuszeń. Ponadto, każde z obciążeń może być skonfigurowane w oddzielnym układzie współrzędnych i według oddzielnej historii.

Ustawienia analizy mogą prowadzić do wykonania zarówno analiz w układzie płaskim (PSO PSN itp.), jak i przestrzennym 3D. Wymuszenia mogą zostać podane w postaci funkcji, tablic lub sekwencji kolejnych kroków. Takie podejście pozwala badać tak zaawansowane układy, jak np. wpływ zmian kolejności dokręcania śrub na ułożenie uszczelnienia.

W ocenie pracy konstrukcji pomoże intuicyjne wyświetlenie odpowiednich wyników w interesujących miejscach. Dostępne jest wiele typów wyników zarówno naprężeń, jak i odkształceń, deformacji, współczynników bezpieczeństwa, reakcji itp. Wymagający mogą wyprowadzać je w zdefiniowanych układach współrzędnych, cylindrycznych lub kartezjańskich. Sama graficzna prezentacja wyników jest także mocno rozbudowana. Rezultaty można prezentować na dowolnie wybranych obiektach lub ich częściach jako kolorowe mapy, kontury czy izopowierzchnie. Możliwe jest także wyznaczenie zmienności wyników po zdefiniowanej ścieżce w postaci wykresu. Dochodzą zaawansowane możliwości animacji i w pełni konfigurowalny raport.

Współpraca z systemami CAD

Środowisko ANSYS Workbench potrafi obsługiwać wiele formatów geometrii. Możliwe jest również pobieranie modeli wprost z systemów CAD takich jak:.  

  • Autodesk Mechanical Desktop,
  • Autodesk Inventor,
  • Solid Edge,
  • Solid Works,
  • CATIA v4 oraz v5,
  • Pro/ENGINEER,
  • Unigraphics / NX
  • OneSpace Designer,
  • możliwa wymiana geometrii przez formaty IGES, Parasolid, ACIS(SAT), oraz STEP.

ANSYS DesignSpace współpracuje w pełni z programami analizy ruchu:

  • Moduł analiz kinematycznych Auotodesk Inventor Motion,
  • MSC.DynamicDesigner,
  • CosmosMotion.

Z w/w programów możliwy jest import położenia, sił i momentów dla symulowanej konstrukcji w dowolnym przedziale czasu. Na podstawie wczytanych informacji obciążeń z analizy ruchu (Motion Loads) ANSYS DesignSpace przeprowadzi analizę mechaniczną. Taki sposób podejścia umożliwia uchwycenie rzeczywistych warunków pracy konstrukcji wraz z uwzględnieniem zjawisk bezwładności luzów czy tarcia. Warto nadmienić tu, że ANSYS rozwija również własne narzędzie do analiz kinematycznych o nazwie Rigid Body module.

Analizy

ANSYS DesignSpace pozwala na przeprowadzenie szeregu analiz:

  • Analizy wytrzymałości – pozwala na rozwiązanie tzw. statyki, wyznaczenie stanu wytężenia konstrukcji pod zadaną sekwencją obciążeń oraz określenie jej wytrzymałości.
  • Analizy termiczne – pozwala na określenie rozkładu temperatur w stanie ustalonym. Własności materiałowe, jak i niektóre warunki brzegowe mogą być zależne od temperatury.
  • Analizy termo-mechaniczne – umożliwia analizę odkształcenia termicznego konstrukcji poddanej niejednorodnemu rozkładowi temperatury i ocenę jej wytężenia. Własności materiałowe mogą być uzależnione od temperatury.
  • Analizy częstotliwości drgań własnych – wyznacza częstotliwości drgań własnych oraz ich postacie. Można stosować wstępne naprężenie konstrukcji oraz zmienny rozkład temperatury.
  • Analizy wyboczenia – badanie pozwala określić mnożnik obciążenia, pod którym konstrukcja dozna utraty stateczności. Wyniki można również prezentować w postaci kształtu wyboczenia oraz deformacji i naprężeń w postaci zdeformowanej.
  • Optymalizacja topologiczna – system wyznacza miejsca, w których redukcja przekroju będzie miała najmniejszy wpływ na sztywność konstrukcji. Bardzo przydatne narzędzie koncepcyjne.
  • Optymalizacji wariantowej (what if) – dzięki podstawowym możliwościom narzędzia ANSYS DesignXplorer zaimplementowanym w licencji DesignSpace możliwe jest przeprowadzenie analizy wariantowej. Za jej pomocą można sprawdzić, jak zachowa się konstrukcja wraz ze zmianą parametrów.
  • Analiza zmęczeniowa – moduł ANSYS Fatigue pozwala na rozbudowanie podstawowych możliwości licencji DesignSpace o analizy zmęczeniowe. Na podstawie wyników tych analiz można wnioskować o trwałości konstrukcji, planować przeglądy i dodatkowo optymalizować konstrukcję.
  • Analiza parametryczna i probabilistyczna – DesignSpace współpracując z ANSYS DesignXplorer umożliwia przeprowadzenie wyrafinowanej optymalizacji parametrycznej w przestrzeni zmiennych ciągłych, wariantowych oraz probabilistycznych. Dzięki analizom probabilistycznym możliwe jest znalezienie takiej postaci konstrukcyjnej, która będzie niezawodna. (Analiza six-sigma)

Aby jeszcze bardziej ułatwić przeprowadzenie analiz, program udostępnia tzw. kreator analiz (Wizard), który prowadzi przez kolejne etapy przygotowania symulacji. Użycie ich gwarantuje, że żaden z jej kluczowych elementów nie zostanie pominięty. Wymagający mogą łatwo rozbudować funkcje kreatora o własny system pomocy.

Możliwości programu:

  •  współpraca z popularnymi systemami CAD oraz możliwość pracy samodzielnej,
  •  przejmowanie złożeń zdefiniowanych w programie CAD,
  •  automatyczne tworzenie złożeń w miejscach styczności w razie braku takiej definicji w programie CAD,
  •  określenie stanu naprężenia i odkształcenia,
  •  oszacowanie współczynnika bezpieczeństwa,
  •  określenie deformacji,
  •  analiza częstotliwości drgań własnych,
  •  możliwość definiowania stałych zależnych od temperatury,
  •  analiza naprężeń termicznych,
  •  analiza rozkładu temperatur,
  •  analiza przepływu ciepła,
  •  optymalizacja kształtu,
  •  analizy zmęczeniowe,
  •  analizy wyboczeniowe,
  •  dwukierunkowa parametryzacja modelu z systemem CAD,
  •  możliwość analizy kilku wariantów jednocześnie + parametryzacja,
  •  przejmowanie stanu obciążeń z takich programów jak Dynamic Designer, Solid Designer, i inne,
  •  możliwość kontynuowania analizy w innych systemach MES np. ANSYS.

Narzędzia wspomagające analizę:

  • automatyczny dobór podziału siatki „adaptive meshing”,
  • automatyczne uproszczenia geometryczne „Vitual Topology”
  • automatyczne generowanie kontaktów,
  • narzędzia wspomagające analizę, tzw. „Wizardy”,
  • rozbudowywalna biblioteka materiałowa,
  • narzędzia do obciążania i zamocowywania obiektu operują cechami fizycznymi, które są bardziej naturalne od matematycznych,
  • generator raportów w postaci plików HTML, MS Word, MS PowerPoint,
  • narzędzia do dynamicznej prezentacji danych i animacji,
  • analiza powłok,
  • lokalne zagęszczania siatki,
  • budowa modelu.

Siatka elementów skończonych

Bardzo duży wpływ na wyniki analizy MES ma podział geometrii na elementy skończone. Gęsta siatka zapewnia dokładne wyniki, niestety kosztem długiego czasu obliczeń. Rzadka siatka to krótki czas obliczeń kosztem mniej dokładnych wyników. Przeważnie, gęstość siatki bywa kompromisem pomiędzy dokładnością wyników a czasem obliczeń, jaki możemy na te obliczenia poświęcić.

Tutaj z pomocą przychodzi program, umożliwiając ustawienie stopnia wagi dla poszczególnych części w symulacji. Możliwe jest zarówno ustalenie stopnia dokładności obliczeń, jak i automatyczne upraszczanie geometrii dla wybranego elementu. Uproszczenie geometrii polega na pominięciu w czasie generowania siatki szczegółów nieistotnych dla pracy całej konstrukcji (np. małe otwory, zaokrąglenia, sfazowania, itp.). Środowisko Workbench udostępnia opcję tworzenia wirtualnych topologii. Dzięki niej można łączyć ze sobą powierzchnie i krawędzie, ułatwiając w ten sposób tworzenie siatek. 

Z wersji na wersję możliwe jest w coraz większe ingerowanie w tworzenie siatek. Użytkownik może ustanowić większą dokładność dla powierzchni, linii bądź wokoło wierzchołka. Pozwala to na zagęszczenie siatki w okolicach, w których oczekujemy dokładnych wyników. Jedną z opcji jest automatyczne zagęszczanie siatki i sprawdzanie zbieżności poszczególnych rozwiązań. System inteligentnie zagęszcza elementy skończone w miejscach, w których błąd wyniku jest największy.  Proces może trwać w pętli aż do momentu uzyskania żądanej dokładności wyników.

Do podziału konstrukcji można użyć zarówno elementów czworościennych (piramidki), jak i sześciościennych (hexa). Jeżeli geometria spełnia kryteria wstępne, program automatycznie dzieli konstrukcję, używając elementów sześciennych.  Użycie elementów hexa pozwala zachować wysoką dokładność wyników przy znacznie rzadszym podziale. W wersji v10 wpowadzono także elementy SolidShell, będące specjalnym typem elementów do podziału cienkich i smukłych brył, jak profile blaszane.

Powierzchnie

ANSYS DesignSpace został stworzony do rozwiązywania zadań trójwymiarowych i raczej nastawiony jest na konstrukcje bryłowe. Posiadając jednak ANSYS DesignModeler lub inny system CAD pozwalający modelować geometrię powłok i belek można wczytać i przeanalizować w DesignSpace układy powłokowe jak i powłokowo ramowe. Typowym przykładem konstrukcji powłokowej jest zbiornik oraz karoseria samochodu. Niewątpliwą zaletą analizy za pomocą elementów powłokowych jest to że ich grubość jest łatwo edytowalnym parametrem.

Biblioteka materiałów

Program posiada bibliotekę podstawowych materiałów, które mogą zostać wykorzystane w czasie definiowania analizy. Biblioteka ta może być zarówno modyfikowana, jak i uzupełniana o własne materiały. Przenosząc model z systemu projektowania możliwe jest również przeniesienie zdefiniowanych w nim danych materiałowych. Ponadto można skorzystać z bogatej oferty baz materiałowych stron MatWeb lub bazy IDAC.

Parametryzacja modelu

Nowością jest możliwość parametryzacji zadania. ANSYS DesignSpace importując geometrię z programu CAD rozpoznaje automatycznie parametry modelu. Parametrami mogą być wymiary modelu,, jak i inne dane takie jak np. własności materiałowe. Pozwala to w ramach jednego zadania na otrzymanie odpowiedzi konstrukcji dla różnych wariantów.

Kontakt

W trakcie importu konstrukcji złożonej z kilku brył ANSYS DesignSpace automatycznie wykrywa możliwość interakcji między nimi. Domyślnie kontakty cechują się doskonała przewodnością oraz wiążą wzajemnie powierzchnie. Możliwe jest jednak w znacznym zakresie zamienienie ich zachowania

Dostępne typy kontaktu:

Związanie  
… bez poślizgu, stykające powierzchnie nie mogą ulec rozerwaniu (liniowe) – przykład: połączenie spawane, sklejenie.

Bez separacji

   … stykające powierzchnie mogą się wzajemnie przesuwać, ale nie mogą się rozdzielić.

Bez tarcia (nieliowy)

      … stykające powierzchnie mogą się wajemnie przesuwać i rozdzielać.

Związany (nieliniowy)

      … stykające powierzchnie nie mogą się wzajemnie przesuwać, ale możliwe jest ich rozdzielenie.

SpotWeld 

      … wierzchołki połączone są za pomocą belek jako połączenia zgrzewane SpotWeld.

Raport

ANSYS DesignSpace pozwala na automatyczną generację raportu zawierającego wszystkie istotne informacje o analizie. Domyślnie znajduje się w nim opis części i danych materiałowych, zastosowanie uproszczeń geometrii, wartości sił, warunki podparcia, wyniki, a także adnotacje wprowadzone przez inżyniera podczas pracy. W raporcie zamieszczone mogą być rysunki przedstawiające dowolne widoki modelu, wyników obliczeń, jak i zewnętrzne pliki graficzne, np. logo firmy czy rysunek złożeniowy.

Raport może zostać zapisany w formacie MHT, HTML, MS Word, MS PowerPoint.

Pomoce inżynierskie w ANSYS DesignSpace

System Workbench pracuje, pilnując inżyniera i podpowiadając mu spójne jednostki z jednego z sześciu dostępnych wariantów. Jednak jeśli wymagane jest przeliczenie jakichś egzotycznych miar, nie pozostawia inżyniera bez pomocy, udostępniając kalkulator jednostek.
Wiele operacji w ANSYS DesignSpace można wykonać poprzez makra JavaScript. W instalacji programu jest zamieszczonych kilka przykładowych makr jak AdaptiveBatchSolve czy SelectBySize.


[Przepraszamy: opis w przygotowaniu]

Praca ze złożeniami

Obliczenia termiczne

Obliczenia naprężeń, współczynników bezpieczeństwa
(model łańcucha ze zdefiniowanym kontaktem)

Możliwość analizy tylko wybranych elementów złożenia

Optymalizacja topologiczna kształtu
(przykład redukcji masy (kolor czerwony) nie biorącej udziału w przekazywaniu momentu obrotowego pomiędzy wałem a elementem kołnierzowym z otworami).
    
Przykład zastosowania optymalizacji topologicznej przy poszukiwaniu ostatecznego kształtu elementu przy redukcji jego masy:

    *  Prospekt ANSYS DesignSpace (PL) (format pdf, 700KB),
    *  Prospekt ANSYS DesignSpace (format pdf, 316KB),
    *  ANSYS – Mechanical Solutions (format pdf, 1.8MB),
    *  ANSYS – Design Solutions (format pdf, 1.7MB),
    *  Dodatkowe informacje o ANSYS DesignSpace,
    *  Przykłady zastosowań programu ANSYS DesignSpace.

Wymagania sprzętowe i programowe:

* system Windows 2000/XP/VISTA (32/64bit), Linux (32bit)

      – 256 MB RAM (zalecane 1GB),
      – 1GB na twardym dysku,
      – min 200 MB pamięci wirtualnej (swap file),
      – czytnik DVD.