Интерфейс и генерирование сетки в ANSYS Workbench

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
Е.Ю. Верхотуркин, В.Н. Пащенко, В.Б. Пясецкий
Интерфейс
и генерирование сетки
в ANSYS Workbench
Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
по курсу «Геометрическое моделирование в САПР»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2013

УДК 65.011.56(075.8)
ББК 30.2-5-05
В31
Рецензенты: З.Г. Николаева, М.В. Филиппов
В31
Верхотуркин Е. Ю.
Интерфейс и генерирование сетки в ANSYS Workbench :
учеб. пособие по курсу «Геометрическое моделирование
в САПР» / Е.Ю. Верхотуркин, В.Н. Пащенко, В.Б. Пясецкий. —
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. — 63, [1] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-3691-0
Рассмотрены теория и вопросы практического применения метода конечных элементов (МКЭ) в инженерных расчетах на основе
программного продукта ANSYS Workbench. Изложение теоретических аспектов МКЭ сопровождается подробными иллюстрированными примерами работы с ANSYS Workbench при расчете как простых
деталей, так и сложных конструкций, работающих в динамических
условиях.
Для студентов технических университетов, изучающих дисциплины, связанные с применением систем автоматизированного проектирования при решении инженерно-конструкторских задач.
УДК 65.011.56(075.8)
ББК 30.2-5-05
Учебное издание
Верхотуркин Евгений Юрьевич
Пащенко Василий Николаевич
Пясецкий Вячеслав Борисович
Интерфейс и генерирование сетки в ANSYS Workbench
Редактор Е.К. Кошелева
Корректор
О.Ю. Соколова
Компьютерная верстка В.И. Товстоног
Подписано в печать 09.07.2013. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 3,72. Тираж 100 экз. Изд. №86.
Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.
ISBN 978-5-7038-3691-0
c
⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МКЭ
Метод конечных элементов (МКЭ) «работает» на определенной
замкнутой области, называемой расчетной областью, обязательно
ограничиваемой областями, для которых известны параметры
процесса. Эти области называют граничными условиями. Таким
образом, МКЭ «работает» на расчетной области с граничными
условиями. Расчетную область необходимо разбить на ячейки, т. е.
наложить на область сетку. В узлах этой сетки решаются основные
законы сохранения, такие, как законы сохранения масс, энергии
и другие, но записанные в разностном виде, где производные в
уравнениях заменены их разностями. Таким образом, в каждом
узле сети вместо системы дифференциальных уравнений n-го порядка решают систему линейных алгебраических уравнений, что
не представляет большого труда.
2. ОБЩИЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ЗАДА
Ч
С ПОМОЩЬЮ МКЭ
Решать задачи с помощью МКЭ не просто, и зачастую этот
процесс отнимает много сил и времени. Если Вашу задачу можно решить аналитически — не используйте МКЭ, если у Вас есть
возможность провести дешевый эксперимент — логично не использовать МКЭ, если задачу необходимо решить «ради интереса» —
МКЭ применять не следует. В общем, десять раз подумайте, стоит
ли «нырять» в мир систем автоматизации инженерных расчетов
(CAE — computer-aided engineering) ради решения одной или нескольких задач. Возможно, проще обратиться к профессионалам.
3

Чтобы решить задачу с помощью МКЭ, необходимо хорошо
понимать физику рассматриваемого процесса. Значение МКЭ не
отменяет знания физики. Если Вам не понятна суть задачи, что
рассчитывается и какой результат будет верным, обратитесь к соответствующей литературе.
Если же для решения задачи выбран МКЭ, то решение условно
можно разделить на следующие этапы.
Этап 1. Расчетная область
На первом этапе создают расчетную область. Для этого определяют ее геометрический вид, свойства симметричности, размер.
Хотя многие CAE имеют все необходимые инструменты для построения расчетной области, при сложной ее геометрии расчетная
область создается в сторонних CAD (computer-aided design), таких,
как NX, SolidWorks, SolidEdge, Компас и др.
На этом этапе очень важно создать корректную и максимально
простую модель расчетной области. Необходимо исключать элементы, которые приводят к усложнению модели, но не оказывают влияния на итоговый результат. Примерами таких элементов
могут служить различные технологические отверстия в инструменте, направляющие устройства для закрепления, если речь идет
о прочностных расчетах или расчетах механики деформируемого
твердого тела.
По возможности, если в этом нет необходимости, не стоит применять сборки, которые потребуют введения дополнительных граничных динамических и статических условий и приведут к увеличению времени решения, а в некоторых случаях и к потере точности результата. Особое внимание следует обратить на скругления и
сопряжения плоскостей. Если это возможно, избегайте скруглений
очень малыми радиусами, что приводит к значительному увеличению числа конечных элементов для описания подобных поверхностей. Если имеются видимые поверхностные дефекты сопряжений
или так называемые изломы поверхностей, стоит перестроить эти
элементы или сгладить область скруглениями. Подобные проблемы могут проявиться на стадии генерации сетки конечных элементов и потребуют исправления отдельных областей вручную,
что является весьма нетривиальной задачей.
4

После этого расчетная область передается в сторонний или
встроенный в решатель сеточный генератор.
Поскольку, как уже говорилось, МКЭ «работает» на строго
определенной расчетной области, на первом этапе необходимо создать твердотельную модель задачи.
При построении твердотельной модели расчетной области
обратите внимание на то, где находится начало координат. В задачах динамики жидкостей и газа очень удобно помещать начало
координат на входе расчетной области, что упрощает дальнейший
анализ полученных результатов.
Важным моментом является поиск возможности сведения «геометрии» расчетной области к плоскости (2D). Для процессов пластического и упругого деформирования это соответствует осесимметричной и плоской схемам процесса.
Двухмерная расчетная область
При осесимметричной схеме процесса в расчетной области
можно провести ось симметрии, такую, что каждое сечение, проходящее через нее, будет давать в плоскости одну и ту же фигуру.
Простейшим примером такого процесса является процесс деформирования цилиндра вдоль образующей.
При плоской схеме процесса изучаемые свойства в расчетной
области вдоль одного из направлений практически постоянны, что
позволяет решать задачу только в плоскости, перпендикулярной
этому направлению. Примером может являться листовой прокат,
для которого достаточно изучить сечение вдоль направления проката.
Решение задачи в 2D-постановке позволяет сократить время
расчета в 100 и более раз по сравнению с решением задачи в трехмерном пространстве (3D), без использования симметрии. Более
того, в большинстве ситуаций плоскую модель расчетной области гораздо легче построить и без каких-либо затруднений передать в расчетную программу, используя форматы dxf, iges и т. д.
Ряд современных CAE-пакетов имеет собственные модули CAD
для создания двухмерных моделей (например, программа QDraft
в системе моделирования процессов пластической деформации
5

QForm2D/3D). Чаще всего в таких программах используется координатная схема, позволяющая выбрать базовые примитивы: отрезки, дуги, эллипсы, скругления и т. д. Модели, полученные в
подобных программах, не нуждаются в экспорте, что позволяет
избежать многих ошибок. При расчете несложных деталей достигается существенная экономия времени и усилий.
Ряд задач из области динамики жидкостей и газов также можно
свести к 2D-постановке. Но этот прием нужно применять очень
аккуратно, так как, например, гидродинамическое сопротивление
трубы с круглым профилем диаметром d несколько меньше, чем
трубы с квадратным сечением, сторона которого равна d, а в плоскости оба канала будут выглядеть одинаково. А задачу внешнего
обтекания головной части ракеты можно свести к плоскому виду,
взяв половину расчетной области толщиной в один элемент.
Трехмерная расчетная область
Почти все CAE-комплексы — это чистые решатели, поэтому
3D-модель целесообразно создавать в сторонней CAD-программе
(например, Solid Works, «Компас 3D» и др.). Затем 3D-модель передают либо в сторонний сеточный генератор, либо, если он встроен
в решатель, прямо в него. Для этого существует большое число
форматов экспорта (IGES, Parasolid, SAT, Acis, STEP, STL и др.).
Применительно к модулю ICEM CFD наиболее удачным форматом
для экспорта является формат Parasolid. При его использовании
модель передается без искажений и ошибок.
В задачах пластического и упругого деформирования, в задачах
аэродинамики и других расчетные области необходимо как можно
больше упрощать. Все лишние и не влияющие на результат элементы конструкции (мелкие фаски, скругления и т. д.) исключают.
Задачи аэродинамики условно можно разделить на задачи
внешнего и внутреннего обтекания, причем почти всегда решают
обратную задачу, т. е. задачу о том, что не тело движется в среде,
а среда движется вокруг тела. Таким образом, модель расчетной
области должна содержать только «газовую» часть — область, в
которую газ может попасть, само тело исключают из расчетной
6

области и заменяют граничными условиями. Например, для расчета внешней аэродинамики головной части ракеты необходимо
«вырезать» ее в каком-то конечном объеме, обычно в цилиндре
или конусе.
Сами границы расчетной области, если это возможно, необходимо отодвинуть от тела как можно дальше, чтобы они не влияли
на течения вблизи тела. В задачах внешней аэродинамики головной части приемлемое расстояние от тела до границы сзади и
спереди должно быть примерно 5–10 калибров, сверху и снизу —
3–8 калибров. Если интерес представляет аэродинамический след,
оставляемый головной частью в полете (например, на расстоянии
10 м от задней кромки), то правую границу необходимо отодвинуть по крайней мере на те же 10 м, иначе можно получить неверный результат. Размеры расчетной области определяются опытом
решения подобных задач и ограничиваются вычислительными ресурсами.
В задачах внутреннего течения в качестве расчетной области
берут область, ограниченную стенками канала. Например, в задаче
расчета сопла берут область, ограниченную стенками сопла, само
сопло исключают и заменяют граничными условиями.
В сложных задачах, когда необходимо учитывать процессы взаимодействия потока и твердых тел (например, теплообмен и распространение теплоты в твердом теле), твердые тела не исключают,
а заменяют собственной расчетной областью. Таким образом, в задаче получают две расчетные области — газовую область и твердое
тело, которые взаимодействуют между собой.
Очень часто в задачах внешнего и внутреннего обтекания присутствуют одна или две плоскости симметрии или ось симметрии.
Если в задаче имеется одна плоскость симметрии и вектор скорости потока параллелен этой плоскости, берут только половину расчетной области, разделенную плоскостью симметрии. Если в задаче две плоскости симметрии, то берут четверть расчетной области.
На поверхностях разреза ставят граничные условия симметрии.
Такой подход помогает существенно сократить число элементов
расчетной области, что приводит к сокращению потребных вычислительных ресурсов. Если в задаче есть ось симметрии и вектор
скорости параллелен этой оси, то берут сектор области с углом
7