Междисциплинарный анализ

Ansys Multiphysics

Усиление конкуренции и государственного регулирования вместе с агрессивной политикой снижения затрат выводит процесс разработки изделий на границы возможного, размывая границы физических дисциплин. В результате зачастую невозможно игнорировать взаимодействие между текучей средой и ограничивающими ее твердыми телами. Например, поток жидкости может деформировать конструкцию, эта деформация повлияет на поток, который, в свою очередь, изменит свое воздействие на конструкцию, и так далее. Моделирование потока жидкости без учета механики деформирования конструкции может приводить к неполным, а иногда и некорректным результатам. В этой ситуации прототип не будет работать так, как ожидалось, что приведет к дополнительным финансовым и временным затратам на перепроектирование и создание дополнительных прототипов.

Конический расходомер

ANSYS обеспечивает простоту предсказания взаимодействий между средой и конструкцией, что позволяет оптимизировать поведение сложных изделий с высокой точностью. Анализ взаимодействия среды и конструкции (англ. FSI, fluid-structure interaction) является важной составляющей гидрогазодинамических расчетов, и для его реализации требуются правильные инструменты.

ANSYS обеспечивает расчетные подходы, необходимые для глубокой оптимизации конструкции

В реальном мире конструкция зачастую подвержена влиянию сил со стороны жидкости. Для оценки влияния потока на конструкцию, а также возможного обратного влияния перемещения конструкции на среду, необходимо провести прочностной расчет и расчет течения в связанной постановке (FSI). Это чаще всего относится к случаям, когда поток жидкости оказывает силовое или тепловое воздействие на одно или несколько твердых тел. ANSYS предоставляет различные подходы с точки зрения глубины взаимного влияния для получения точных результатов за минимально возможное время.

Случаи с предписанными перемещениями и движением недеформируемого твердого тела

В некоторых случаях перемещение твердых стенок тела известно заранее и его можно задать в качестве граничного условия для моделирования потока жидкости. Такой подход является самым простым способом описания взаимодействия и требует наименьших вычислительных ресурсов. Если перемещение стенок заранее не известно, но они образуют замкнутый объем, перемещающийся и вращающийся под воздействием потока жидкости как абсолютно жесткое тело, то для такой ситуации также имеются специализированные модели (англ. 6DOF, DOF = degrees of freedom, степени свободы). Деформация расчетной области может быть разрешена с помощью моделей динамических сеток, включающих сглаживание (smoothing), послойное перестроение (layering) и локальное перестроение (remeshing). Типичные задачи, которые могут быть решены с использованием подхода такого включают клапаны, поршни, цилиндры, смесители, волновые генераторы, вертолетные винты или сбрасываемые грузы.

В задачах, где среда и конструкция более тесно связаны между собой за счет действия давления со стороны жидкости и иногда теплового потока, в конструкции возникают напряжения и деформации, которые можно оценить. При этом деформация конструкции считается настолько малой, что нет необходимости рассчитывать ее влияние на поток жидкости. Практически все расчетные модули, работающие в среде ANSYS Workbench, могут быть связаны между собой в рамках однонаправленного FSI-анализа. Связь осуществляется за счет передачи поверхностных нагрузок и перемещений через общую для двух расчетных областей границу, и при этом не требуется самостоятельно настраивать сложную интеграцию. CFD используется для расчета давления и/или температурных полей. Данные поля передаются в FEA (конечно-элементный анализ), в котором вычисляются напряжения и перемещения конструкции. Величины напряжений и перемещений используются для проверки прочности твердотельной конструкции, но не передаются обратно в CFD-анализ для обновления сеточной модели и пересчета течения.

Подходы моделирования FSI

Инструменты ANSYS использовались для расчета отрыва вихрей и соответствующего механического отклика конусного расходомера в однонаправленной постановке. Интегрированный междисциплинарный рабочий процесс позволил рассчитать зависящие от времени силы, действующие на конус, а также частоту и амплитуду возбуждения результирующего потока. Отклик конструкции на возбуждение потоком позволил определить корректный цикл нагружения для расчета усталостной прочности.

За счет проведения однонаправленного FSI-анализа удалось определить силы, действующие со стороны жидкости на конический расходомер, и спроектировать более надежную конструкцию

Динамическое давление, действующее со стороны топлива на перегородки, торцевые пластины, опорные планки и корпус бака во время плескания топлива может привести к повреждениям и утечке топлива. Большое количество параметров влияют на характер нагрузки включая геометрию бака, уровень топлива, период и амплитуду плескания, а также положение центра вращения. Тестировать масштабные модели дорого, и это занимает много времени. Кроме того, точные результаты получить достаточно сложно. Односторонний FSI-анализ можно использовать для того, чтобы определить нагрузки, которые возникают при плескании топлива в баке и тем самым предсказать напряжения, приводящие к повреждениям конструкции. В данной задаче из ANSYS CFD передаются силы, которые затем прикладываются в ANSYS Mechanical к перегородкам, располагающимся в баке. Затем в ANSYS Mechanical вычисляются напряжения на перегородках.

Однонаправленный расчет FSI, в результате которого вычисляется напряжение в перегородках для определения целостности и стойкости склеиваемой поверхности

В тех задачах, где среда и конструкция наиболее тесно связаны друг с другом, поле переменных со стороны жидкости передается в прочностной модуль, а перемещения конструкции, в свою очередь, применяется к потоку жидкости на каждом временном шаге моделирования. CFD-сетка автоматически деформируется или перестраивается для учета деформации конструкции. Численные решения FEA и CFD объединяются в совместный процесс, требующий глубокой интеграции на этапе подготовки и в процессе счета. Двунаправленный FSI-анализ учитывает как давление, так и тепловые нагрузки, действующие на конструкцию со стороны жидкости, которые приводят к деформации конструкции и изменению направления течения жидкости. Данный подход требует больше вычислительных ресурсов из-за необходимости одновременного вычисления решений в CFD и FEA на каждом временном шаге.

При прохождении воздушных пробок и жидкости через перепускную подводную трубу на элементы запорной арматуры начинают действовать пульсационные силы. Возникающие колебания потока могут привести к поломке трубы, особенно, если колебания совпадают с резонансными частотами трубы. Инженеры компании ANSYS проводили моделирование FSI на подводной перепускной трубе, используемой для перекачки нефти и газа, с использованием как однонаправленной, так и двунаправленной постановки FSI. Результаты показали, что однонаправленный FSI-анализ позволил точно смоделировал задачу в стационарной постановке, но завысил пиковую деформацию трубы на 100% в период пуска, когда возникает наибольший риск разрушения трубы. Инженеры, полагающиеся на данный подход, скорее всего спроектируют трубу с излишним запасом прочности, что приведет к более высоким затратам. При использовании двунаправленного анализа можно точно смоделировать как этап пуска, так и эксплуатационный режим, что позволяет при проектировании обеспечить одновременно и прочность, и дешевизну конструкции.

В данной перепускной подводной трубе при использовании двунаправленного FSI-анализа деформация конструкции в момент пуска предсказывается более точно (правый рисунок), по сравнению с однонаправленным FSI-анализом (левый рисунок), в котором происходит завышение деформации. Это, в свою очередь, приводит к проектированию трубы с излишним запасом прочности

Компрессоры объемного действия, устанавливаемые в холодильных установках, обычно используют пластинчатые клапаны, открытие и закрытие которых происходит под действием потока среды, проходящей через компрессор. Основные потери в компрессоре связаны с этими клапанами, поэтому энергоэффективность и уровень шума компрессора в значительной степени зависят от конструкции и работы пластинчатых клапанов. Данные клапаны перемещаются под воздействием потока жидкости, который они регулируют, поэтому моделирование клапанов с использованием только CFD-анализа дает мало информации об их производительности. С другой стороны, использование FSI-анализа может помочь предсказать производительность всей системы. Инженеры бразильской компании Tecumseh Products использовали программное обеспечение ANSYS для повышения энергоэффективности компрессора на 1,5%. Это достаточно большой прирост для изначально проработанного изделия. Если данный прирост применить ко всем холодильникам в Бразилии, то можно сэкономить достаточно электроэнергии, чтобы обеспечить дома города с почти 1 миллионом жителей.

FSI-анализ пластинчатого клапана (выделен цветом). На клапане отображены контуры давления

Профиль давления пластинчатого клапана нагнетания компрессора, спроектированного с применением FSI (желтая линия), показывает, что он работает при более низком давлении, чем оригинальная конструкция (синяя линия), улучшая энергоэффективность на 1.5 %. Фактическое давление и объем, при котором работает компрессор, были удалены из графика по требованию производителя компрессора

В выхлопных трубах газовых турбин, которые питают электрические генераторы и газонагнетатели на буровой установке в Северном море, появились усталостные трещины и открытые разрывы. Инженеры провели модальный анализ с помощью программного обеспечения ANSYS Mechanical, который показал относительно низкие собственные частоты в диапазоне от 15 Гц до 25 Гц. По форме колебаний было выявлено, что максимальная амплитуда вибрации возникает в нижней конической части каждого газохода. Затем инженерная группа произвела FSI-анализ для изучения турбулентного потока выхлопных газов через трубу и прогнозирования воздействия пульсаций давления на боковые стенки трубы. Пульсации давления помогли команде определить форму колебаний конструкции. Инженеры переработали конструкцию, чтобы она могла выдержать возникающие вибрации. Проблема была решена за короткий срок и с минимальными затратами, в отличие от стандартного метода проб и ошибок.

Применение FSI-анализа для моделирования выхлопной трубы газотурбинной установки позволило решить проблему возникающих вибраций

В ANSYS встроены самые точные решатели с большим числом физических моделей как для CFD, так и для FEA

Для получения достоверных результатов при расчете сложного изделия необходимы продвинутые физические модели, свойства материалов, интеграция модулей, расчет движущихся частей в нестационарной постановке и т.д. ANSYS постоянно улучшает свои решатели, чтобы обеспечить точность решения, надежность, удобство использования, скорость и возможность оптимизации, необходимые для решения самых сложных задач проектирования. CFD- и FEA-решатели постоянно проходят валидацию, гарантируя правильность используемых уравнений и позволяя минимизировать численные и систематические ошибки.

Программное обеспечение ANSYS было проверено более чем на 350 тестовых моделях, в частности, на тех, которые были упомянуты выше, с использованием реалистичной геометрии и достоверных физических моделей, поэтому вы можете быть уверены, что моделирование будет точно отражать реальное поведение изделий. В приведенном выше тестовом примере применяется двусторонний FSI-анализ для прогнозирования движения крыла самолета с целью оценки его характеристик в условиях полета. ANSYS CFD использовался для расчета обтекания абсолютно жестких крыльев. После этого давление было передано в ANSYS Mechanical для того, чтобы рассчитать, возникающие напряжения и перемещения. Затем вычисленные перемещения использовались для обновления решения CFD. Весь процесс повторялся до тех пор, пока решение не приняло стационарный характер. Как показано на графиках выше, результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Для разрешения деформации концевой части крыла применялся двунаправленный FSI-анализ. Это позволило получить точные аэродинамические характеристики

Двусторонний FSI-анализ показывает почти идеальное совпадение с натурными испытаниями. Результаты моделирования показывают, что коэффициент давления при учете и без учета деформации концевой части крыла (слева) значительно отличается. Натурные испытания хорошо совпадают с моделированием FSI (справа)

ANSYS предоставляет интеграционную платформу, параллельные вычисления, поддержку мирового класса и обучение

ANSYS Workbench совмещает в себе большое число расчетных модулей в единой интеграционной платформе с открытой архитектурой. Инновационный схематичный вид проекта объединяет весь процесс моделирования, направляя пользователя даже через сложные междисциплинарные расчеты с применением простого подхода «перетащи и отпусти».

Высокопроизводительные вычисления (HPC) ANSYS имеют большое значение при проведении расчетов, позволяя инженерам оценивать более крупные и сложные модели, которые обеспечивают более точные и подробные результаты. ANSYS HPC позволяет инженерным командам проводить проектные исследования с высоким уровнем уверенности и тем самым предсказывать фактическую производительность изделия в реальных условиях. ANSYS оптимизирует весь рабочий процесс высокопроизводительных вычислений, позволяя ставить и отправлять задачу на расчет, а также производить мониторинг параллельных вычислений.

Продукты