W wersji 2020 R2, Ansys zaprezentował w aplikacji Mechanical nowy algorytm, dzięki któremu siatka MES dla modeli powłokowo-belkowych może być generowana szybciej i efektywniej. Dotychczasowy algorytm wykorzystywał współdzieloną topologię, aby uzyskać dobrze połączoną siatkę. W przypadku dużych modeli powłokowo-belkowych importowanie geometrii do środowiska Mechanical było czasochłonnym procesem, gdyż równolegle wykrywane były połączenia między elementami geometrii. W przypadku braku niektórych połączeń, zmuszeni byliśmy wracać do narzędzia Space Claim i poprawiać geometrię.
Ansys, od wersji 2024 R2, znacząco zmienił sposób konfiguracji oraz samo nazewnictwo. Do tej pory w ustawieniach obiektu Mesh wystarczyło włączyć opcję Batch Connections, następnie dodać i skonfigurować obiekt(y) Connect (rys. 1).
Dla wersji 2023 R2 z włączonymi opcjami Beta oraz od wersji 2024 R2 dla wszystkich użytkowników należy zignorować opcję Mesh Based Connection (domyślnie „No”). Aby włączyć siatkowanie Batch Connections należy dodać obiekt Method, a następnie wybrać opcję Automatic (Prime Mesh). Dodawanie i konfiguracja obiektów Connect pozostaje bez zmian (rys. 2).
Algorytm siatkujący
Nowy algorytm nie korzysta ze współdzielonej topologii, co znacząco przyspiesza import. Geometria traktowana jest jako niepołączona i każdy element (body) procesowany jest osobno. Dlatego też widok połączeń wyróżnionych kolorem czerwonym (kolor domyślnie oznaczający wolną krawędź) nie powinien nas dziwić. Wykrywanie połączeń odbywa się na etapie siatkowania i możemy kontrolować tolerancję na poziomie Ansys Mechanical. Działa to na tyle dobrze, że mamy możliwość wygenerowania ciągłej siatki na geometriach widocznie niepołączonych (gap). Algorytm usuwa również wystające części przecinających się geometrii (overhang) – rys. 3. Odpowiednie ustawienie tolerancji wykrywania połączeń (również wieloetapowo oraz z wykorzystaniem komponentów) pozwala na pełną kontrolę ciągłości modelu na poziomie preprocesora we wcześniej wspomnianym narzędziu Mechanical.
Algorytm działa w oparciu o uproszczoną reprezentację geometrii wykorzystywaną do wyświetlania na ekranie (tesselated geometry). Pozwala to na generowanie wysokiej jakości siatki na geometrii o niskiej jakości, a nawet zawierającej artefakty czy błędy. W związku z tym, Ansys zaleca ustawienia teselacji na 7. Jeśli geometria jest skomplikowana, możemy zwiększyć jakość jej odwzorowania, ale musimy liczyć się z wydłużeniem czasu siatkowania i wyświetlania geometrii.
Nowe podejście do siatkowania pozwala uzyskać nawet 20-to krotne przyspieszenie (czas importu + czas siatkowania). Wykrywanie połączeń działa na tyle dobrze, że przy odpowiednich ustawieniach siatka jest ciągła nawet wtedy, gdy pracujemy z bardzo skomplikowanymi kształtami (np. część dziobowa kadłuba statku, geometrie na luksusowych jachtach).
Wykorzystanie siatki MES w modelach powłokowo-belkowych
Do testów wykorzystałem uproszczony model promu pasażersko-samochodowego typu Ro-Pax. Charakteryzuje się ona zwiększoną przestrzenią ładunkową oraz zmniejszoną powierzchnią pomieszczeń publicznych i kabin dla pasażerów (rys. 6).
Ponadto, z punktu widzenia testu technologii siatkowania, model charakteryzuje się dużą nieregularnością, a co za tym idzie dużą ilością osobnych elementów geometrycznych. Poniższa tabelka prezentuje garść informacji na temat modelu.
Tabela 1. Parametry jednostki i modelu MES
Dugość calkowita (LOA) | 202.0 m |
Szerokość (B) | 30.9 m |
Wysokość (H) | 37.7 m |
Powierzchnie (surface bodies) | 2 730 |
Linie (line bodies) | 13 710 |
Elementy | 620 086 |
Elementy Quad4/Tri3 | 330 743 / 16 026 |
Elementy Tri3 (%) | 4.5 |
Elementy liniowe | 273 317 |
Węzły | 592 302 |
Istotną kwestią jest wykorzystanie realistycznego kształtu kadłuba. Jego charakterystyczna budowa w części dziobowej jest częstym źródłem problemów podczas tworzenia siatki elementów skończonych (mam tu na myśli wykrywanie połączeń między poszyciem a przylegającymi do niego elementami, takimi jak: ramy poprzeczne, usztywnienia wzdłużne i poprzeczne, pokłady).
Model geometrii został przygotowany do analizy globalnej, z uwzględnieniem minimalizacji liczby modeli lokalnych na dalszych etapach obliczeń. Wszystkie pierwszorzędne elementy konstrukcji (primary members) zostały zamodelowane z wykorzystaniem powierzchni (surfaces). Usztywnienia ścian, pokładów i poszycia zostały zamodelowane z wykorzystaniem elementów liniowych. Dla ram wzdłużnych i poprzecznych (pokładu) wymuszono 3 elementy na wysokości. Średni globalny rozmiar elementu wynosił 300 mm, co odpowiada połowie odstępu wręgowego oraz odstępu między usztywnieniami.
Przy wykorzystaniu domyślnych ustawień, wygenerowana siatka jest zadowalającej jakości. Przy odrobinie dodatkowej pracy można poprawić jakość siatki w miejscach, gdzie ramy poprzeczne pokładów łączą się z poszyciem. Wynikiem wymuszenia 3 elementów na ramach poprzecznych są trójkątne elementy na poszyciu.
W poprzednich akapitach pisałem o nawet 20-to krotnym przyspieszeniu całego procesu siatkowania. Na potwierdzenie tych słów, chciałbym przytoczyć garść dokładnych informacji. Dla opisanego modelu, na procesorze 11-th Gen Intel Core i9-11950H@2.60 GHz (8 rdzeni fizycznych, 16 wirtualnych) czasy poszczególnych operacji prezentują się następująco:
- pierwszy import: 4m6s,
- siatkowanie 14m56s.
Dla porównania, import tak złożonej geometrii z współdzieloną topologią (shared topology) zajmuje ponad godzinę. Siatkowanie trwa kilka godzin i jest duża szansa na pojawienie się problemów z połączeniami w bardziej wymagających obszarach.
Siatka MES w narzędziu Ansys
Dzięki nowemu algorytmowi siatkującemu byłem w stanie zrealizować kilka projektów wymagających kompletnego modelu kadłuba korzystając jedynie z oprogramowania Ansys. Dzięki pracy w jednolitym środowisku Workbench, proces poszukiwania rozwiązań i implementacji zmian przebiegał nadzwyczaj szybko i bez problemów. Dodatkowo, relatywnie krótki czas siatkowania pozwalał na szybkie testowanie wielu wariantów konstrukcyjnych i wybór optymalnego rozwiązania. Z czystym sumieniem mogę napisać, że Ansys po raz kolejny doskonale wyczuł trendy i potrzeby w tym segmencie (modele powłokowo-belkowe), i pozostawił konkurencję daleko w tyle.
Na koniec chciałbym dodać, że to jeszcze nie koniec 😉. Nowy algorytm posiada opcje naprawy/upraszczania geometrii oraz zaawansowane metody modelowania spoin. Te i inne funkcjonalności przybliżę w kolejnych wpisach.
PS. Kształt został wygenerowany za pomocą wtyczki do Rhino Hull Shape Assistant autorstwa Łukasza Michalskiego (https://www.food4rhino.com/en/app/hull-shape-assistant).
Autor: Bartosz Płochocki, MESco Sp. z o.o.
Obserwuj nas w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco
