Компоненты микросистемной техники. Введение в моделирование на ANSYS. Учебно-методическое пособие
.pdfопытных образцов, которые тоже будут требовать адекватного качества изготовления, на этапе которого тоже возможны многочисленные погрешности и допущения.
Компьютерное моделирование, таким образом, позволяет предсказать поведение реального объекта, находящегося под некоторой нагрузкой. Классический пример: компьютерная модель может правильно предсказатьипоказатьпрофильпрогибакресла, еслинанего сядете вы. Однако придется немало потрудиться, чтобы задать правильным образом такие параметры, как площадь, на которую вы давите, величину этого давления, жесткость материала, из которого изготовлено кресло, и т. д. Все перечисленное выше обозначается понятием граничные условия. Это некая совокупность данных, определяющих физические параметры создаваемой модели.
Построение физической модели прибора позволяет начать процесс его проектирования. Принцип компьютерного моделирования, в от-
личие от его смысла, состоит в последовательном приближении создаваемой модели к моделируемой реальности. Иными словами, сначала создается приближенная грубая модель, а затем она дополняется новыми параметрами, усложняется и наконец доводится до совершенства. Для этого в пакете ANSYS предусмотрены различные версии, с различным количеством узловых точек. Например, распространяемая свободно академическая или студенческая версия, скачиваемая с официального сайта ANSYS, имеет очень ограниченное число узлов. С ее помощью можно лишь ознакомиться с техникой моделирования и проектирования различных объектов, но выполнить на ней серьезный конструкторский проект не представляется возможным. Для этой цели существуют коммерческие версии ANSYS.
1.2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМЫ ANSYS
1.2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СТРУКТУРА ANSYS
ANSYS есть многофункциональная система автоматизированного решения научно-исследовательских, опытно-конструкторских и управленческих задач, вытекающих из физической реальности, окружающей нас, и потребностей человека как части этой физической реальности.
Для целей, обозначенных тематикой данного учебно-методического пособия, ограничим рассмотрение ANSYS рамками CAE-системы (Computer-Aided Engineering). Иными словами, будем рассматривать
11
ANSYS как специализированное программное обеспечение, предназначенное для проведения инженерных симуляций с целью решения различных физических задач на основе конечно-элементного моделирования (смысл термина будет прояснен ниже).
Под инженерной симуляцией в ANSYS здесь и далее будем пони-
матьвесьпроцесссозданиямоделиреального объекта, включающийза-
дание его геометрии, наложение граничных условий и нагрузок, определение типа анализа, проведение расчетов, получение результата
ипредставление его в удобном для их восприятия виде.
Сточки зрения пользователя (разработчика), структура ANSYS включает в себя следующие основные элементы:
1) расчетные платформы;
2) CAD процессоры;
3) специализированные приложения;
4) расчетные модули;
5) язык параметрического моделирования APDL;
6) справочную систему;
7) обучающую систему.
1.2.2. РАСЧЕТНЫЕ ПЛАТФОРМЫ ANSYS
Расчетные платформы ANSYS – это приложения, специально сконструированные для сквозного проектирования изделий и объектов, сочетающие в себе возможности визуального проектирования с комплекснымподходомкего организации. Расчетная платформа, такимобразом, представляет собой многомодульную систему, в рамках которой разработчик, при желании, может объединить различные виды анализов, связав их определенным образом с целью последовательного выполнения. Результатом работы, в рамках расчетной платформы, является проект, который далее может развиваться и обогащаться за счет дополнения его новыми видами выполняемых анализов. Смысл терминов«анализ» и«проект» будетпроясненниже. Говорякратко, расчетная платформа моделирования ANSYS предназначена для проведения связанного (сопряженного) междисциплинарного анализа (например, для моделирования пьезоэлектрического или тензорезистивного эффекта).
Расчетными платформами ANSYS являются: ANSYS Workbench, ANSYS Multiphysics, ANSYS Minerva, ANSYS Cloud, ANSYS HPC.
Изуказанныхрасчетныхплатформтрипоследниепозволяютмоделироватьпроизводственныепроцессыиосуществлятьудаленноеуправление
12
производственными линиями через систему опроса сенсоров и микросистем. Однако это выходит за рамки данного учебно-методического пособия, в котором мы рассмотрим две другие расчетные платформы.
1.2.2.1. ANSYS WORKBENCH
ЭторасчетнаяплатформаANSYS, основаннаянаустановленииивизуализации связей, которые могут быть заданы между сходными элементами различных видов анализа, если они выполняются в рамках одной модели. Например, подобным сходным элементом модели может быть геометрия моделируемой структуры, наложенные на нее нагрузки идругиевнешниеусловия. Тогдапроектврамкахрасчетнойплатформы ANSYS Workbench представляется в виде блок-схемы, в которой сходные элементы, входящие в разные блоки, оказываются связанными между собой. Подобные связи позволяют лучше понять замысел разработчика, порядок расчета модели и состояние этого расчета.
УдобствоработыврамкахрасчетнойплатформыANSYS Workbench обусловлено применением технологии drag-and-drop («принести и оставить»). В рамках этой технологии различные виды анализов можно взять из соответствующего меню и перенести при помощи зажатой левой кнопки мыши в соответствующий слот в рабочем окне. Затем можно проделать тот же процесс с другим видом анализа или другим расчетным модулем и подключить его к расчету, перетащив в соответствующий слот. Дополнительным преимуществом расчетной платформы ANSYS Workbench является возможность оптимизации используемых при расчете параметров модели при помощи расчетного модуля
ANSYS DesignXplorer.
1.2.2.2. ANSYS MULTIPHYSICS
Это расчетнаяплатформа, основанная на идее применения для расче-
тов единого типа конечного элемента, совмещающего в себе возмож-
ностивыполненияразличныхвидованализов(смыслтермина«конечный элемент» будетпроясненниже). Например, конечныйэлементSOLID226 предназначен для выполнения таких видов сопряженного анализа, как пьезоэлектрический, тензорезистивный, термоэлектрический, термомеханический, электромеханический, и многие другие. Применение подобныхуниверсальныхэлементовсущественнымобразомоблегчаетпроцесс моделированияипроектирования, посколькунетнеобходимостивсопряжении между собой различных типов конечных элементов.
13
В рамках расчетной платформы ANSYS Multiphysics можно решать междисциплинарные задачи путем их последовательного сопряжения.
Последовательноесопряжение– этометодрешениясложныхмеж-
дисциплинарных задач, в рамках которого сложная задача разбивается нарядпростых, ирезультатырешенияпредыдущейпростойзадачиприменяются в качестве начального условия для решения следующей простой задачи. Последовательное выполнение всего комплекса простых задач (ручное или автоматическое) позволяет эффективнее отлаживать создаваемую модель, быстрее исправлять ее ошибки, точнее осуществлять верификацию получаемых результатов расчета.
Болееподробно расчетныеплатформыANSYS Workbench иANSYS Multiphysics будут рассмотрены в соответствующих лабораторных работах.
1.2.3. CAD-ПРОЦЕССОРЫ ANSYS
Аббревиатура CAD расшифровывается, как Computer-Aided Design, т. е. создание модели какой-либо конструкции при помощи систем компьютерного моделирования и проектирования. CAD-системы являются структурными элементами системы инженерного анализа (CAE). Поэтому в рамках процесса создания модели в ANSYS можно воспользоваться любым CAD-процессором как интегрированным непосред-
ственно в ANSYS, так и внешним (AutoCAD, AutoDesk, Creo, SolidWorks, SolidEdge и т. д.)
CAD-процессор следует отличать от графического интерфейса пользователя (GUI). Графический интерфейс пользователя позволяет разработчикувизуализироватькоманды, выдаваемыеимпроцессоруANSYS, поскольку при их исполнении процессором непосредственно после введениявкоманднуюстрокуинажатияклавиши«Enter» происходитвывод результата исполнения команды на экран. CAD-процессор – это намного более масштабная система, позволяющая визуализировать сам процессработысгеометриейсоздаваемоймодели, включающийналожениенагрузок, разбиениемоделисеткойконечныхэлементов, ит. д. Кроме того, в рамках CAD-процессора можно хранить, экспортировать, импортировать созданные модели, а также осуществлять над ними другие действия. Всеперечисленноесущественнымобразомотличаетпонятие«процессор» от понятия «графический редактор».
В рамках ANSYS доступны два основных CAD-процессора: ANSYS Design Modeler и ANSYS Space Claim Direct Modeler. Кроме того,
с вопросами генерации сетки разбиения модели на конечные элементы
14
связаны такие специализированные приложения ANSYS, как: ANSYS Meshing, ANSYS ICEM CFD, ANSYS Fluent Meshing, ANSYS Turbo Grid и ANSYS Blade Modeler.
1.2.3.1 ANSYS DESIGN MODELER
Это универсальный CAD-процессор ANSYS, имеющий обширную область применения с целью создания геометрии модели, разбиения
иупрощения импортированной геометрии, задания граничных условий
инагрузок. Отличительными особенностями этого процессора являются:
обилие функциональных возможностей по моделированию объектов;
наличие древовидной структуры модели;
интуитивно понятный интерфейс;
возможность простого управления положением модели в рабочем окне процессора;
удобство масштабирования модели, задания ее размеров;
удобство перехода от двумерной модели объекта к трехмерной. В рамках процессора ANSYS Design Modeler можно запускать за-
дачи на расчет и получать результат этого расчета в графическом или табличном виде.
1.2.3.2. ANSYS SPACE CLAIM DIRECT MODELER
ANSYS Space Claim Direct Modeler (SCDM) – это CAD-процессор нового поколения, позволяющий осуществлять прямое («живое») моделирование создаваемого объекта, что очень упрощает процесс моделирования. Создаваемую в SCDM модель можно назвать «пластилиновой»: в компьютере разработчика она ведет себя так, как если бы она реально была у него в руках и он мог бы «лепить» ее по своему желанию, добавляя или убавляя количество материала, придавая ей различную форму, проделывая в ней отверстия и т. д.
SCDM позволяет также автоматически выявлять проблемные области и вносить исправления в ручном или автоматическом режиме. ПроцессорSCDM полностьюинтегрированврасчетнуюплатформуANSYS Workbench, что позволяет применить созданную геометрию в различных проектах и видах анализа.
Исключительно важным применением SCDM является возможность подготовки чертежей для выполнения 3D-печати. Он также
15
позволяет создавать сложные изогнутые конструкции или конструкции с большим количеством мелких деталей. С его помощью легко и удобно создавать округлые края выступов и отверстий, выполнять сопряжения узлов и деталей конструкции, задавать фаски, что кореннымобразомотличаетегоотпроцессораANSYS Design Modeler иряда других CAD-процессоров.
1.2.4. ЯЗЫК ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ANSYS MECHANICAL APDL
Язык параметрического моделирования ANSYS Mechanical APDL, хотя и имеет в своем названии слово «Mechanical», относящее его как будто к моделированию и решению с его помощью только механических задач, тем не менее не ограничен столь жесткими рамками. Его возможности далеко выходят за их пределы, позволяя решать с его помощью самые различные физические задачи, в том числе задачи сопряженного анализа. Это делает его полноценным инструментом моделирования в среде ANSYS, удобным для тех разработчиков, которые привыкли писать самостоятельно программы для решения самых различных физических и технических задач на языках программирования высокого уровня.
Освоение языка APDL, как и любого другого языка программирования, – длительный процесс, который нельзя, разумеется, описать вкратком обзоре. Поэтому здесь ограничимся только кратким описанием документации ANSYS, посвященной языку APDL. Она содержит множество разделов, которые можно сгруппировать в три основные группы:
документация междисциплинарного характера, посвященная общим вопросам работы с языком APDL;
документация, посвященная выполнению специализированных видов анализа для расчета конкретных физических полей;
документация, посвященная особенностям языка APDL и прило-
жения ANSYS Mechanical APDL.
1.2.4.1.ДОКУМЕНТАЦИЯ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО ХАРАКТЕРА
Документациямеждисциплинарногохарактеравскрываетосновную суть языка APDL и позволяет разработчику овладеть им для решения своих задач. Она включает в себя следующие основные разделы.
1. Basic Analysis Guide – общее руководство о том, как выполнять любые типы анализов при помощи языка APDL. В нем рассмотрены
16
такие вопросы, как создание геометрии модели, приложение к ней внешних нагрузок, получение решения, обзор результатов.
2. Command Reference – справочное руководство, содержащее описание всех команд, применяемых в APDL, в алфавитном порядке.
3. Element Reference – справочное руководство, содержащее описание всех конечных элементов, применяемых в APDL, в алфавитном порядке.
4. Material Reference – справочное руководство о физических свойствах и поведении материалов, применяемых для выполнения расчетов, включая информацию о том, как применять ту или иную модель материала при выполнении расчетов.
5. Mechanical APDL Theory Reference – руководство, подводящее теоретический фундамент под вычисления, проводимые в ANSYS при помощи метода конечных элементов. В рамках этого руководства разработчик может получить некоторые сведения из физики рассматриваемых объектов, ее связи с конечно-элементными моделями, создаваемыми в ANSYS, а также ограничениях и допущениях, вводимых в программу.
6. Modeling and Meshing Guide – руководство, посвященное описанию того, как строить геометрическую модель объекта и разбивать ее на конечные элементы.
7. ANSYS LS-DYNA User’s Guide – справочное руководство, опи-
сывающее процедуры и концепции, необходимые для выполнения динамических видов анализа, с применением приложения ANSYS LS-DYNA.
8. ANSYS Parametric Design Language Guide – справочное руко-
водство по языку параметрического моделирования APDL. В этом руководстве описаны особенности языка APDL, включающие скалярные и матричные параметры, написание макросов и пути их сопряжения с графическим интерфейсом пользователя. В этом руководстве также показано, как автоматизировать решение различных задач путем их параметризации, т. е. на языке параметров.
1.2.4.2. ДОКУМЕНТАЦИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ХАРАКТЕРА
Документация специализированного характера касается выполнения средствами языка APDL различных узкоспециализированных задач – таких, как, например, расчет деформаций и механических напряжений в деформированном объекте, расчет температурных полей и тепловых потоков, расчет поля растекания токов и распределения
17
магнитных потенциалов и т. д. В ней также описано выполнение более сложных, сопряженных видов анализа, например, пьезоэлектрического или тензорезистивного.
Документация специализированного характера включает в себя следующие основные разделы.
1. Acoustic Analysis Guide – руководство по выполнению акустического анализа. В рамках этого руководства описано, как проводить различные базовые виды анализа (модальный, гармонический, транзиентный) применительно к расчету акустических полей. В руководстве рас- смотренопроведениесопряженногоструктурно-акустическогоанализа, а также распространение звуковой волны в непрерывной среде.
2. Coupled-Field Analysis Guide – руководство, поясняющее, как выполнять сопряженные анализы, затрагивающие две и более физические области, например, механику и термодинамику, механику и электричество и т. п.
3. Fluids Analysis Guide – руководство по исследованию поведения жидкостейвразличныхусловияхеенахождения, втомчислеввидетонкой пленки.
4. Fracture Analysis Guide – руководство, поясняющее, как применить в модели условия ее разрушения с целью симуляции ее поведения под воздействием внешней разрушающей нагрузки.
5. Low-Frequency Electromagnetic Analysis Guide – руководство,
описывающее порядок выполнения таких видов анализов, как магнитные (статический, гармонический, транзиентный), анализ распределения электрического заряда (электростатический), анализ изменений этогораспределениястечениемвремени(транзиентный), идругиевиды электромагнитного анализа.
6. Structural Analysis Guide – руководство по выполнению структурных видов анализа, т. е. таких, как: статический, модальный, гармонический, транзиентный, спектральный, анализы на изгиб и излом конструкции, анализ на ее усталость, и др.
7. Thermal Analysis Guide – руководство по выполнению стационарного теплового и транзиентного теплового видов анализа.
1.2.4.3.ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
Вдокументации на язык ANSYS Mechanical APDL можно найти также и другую полезную информацию. Например, в руководстве Connection User’s Guide описано, как использовать возможности ANSYS для импорта моделей и их отдельных частей в ANSYS Mechanical
18
APDL. В руководстве Contact Technology Guide показано, как выполнять контактный анализ с учетом сил трения. Имеется руководство Cyclic Symmetry Analysis Guide, описывающее процесс моделирования цилиндрических, сферических, круглых ивращающихсявокругнекоторой оси элементов, структур и конструкций. Существуют также и другие руководства, посвященные различным вопросам организации вычислений, представления их результатов, сохранения и постоперационной обработки.
1.2.5. ОБЩАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ, ПРИМЕНЯЕМАЯ В ANSYS
Существует также и множество других приложений ANSYS, имеющих различное назначение, полное описание которых вышло бы за пределы этого учебно-методического пособия.
Проект – созданная разработчиком система взаимосвязей между приложениями ANSYS, позволяющая последовательно выполнять различные анализы с целью получения результатов, необходимых для составления конструкторской документации на разрабатываемое устройство или оценки влияния на него каких-либо внешних воздействующих факторов.
Эта система связей легко задается и контролируется визуально в рамках системы ANSYS Workbench, но взаимосвязи между приложениями и внутри их можно задать и иначе, реализовав их в виде макроса, с применением элементов стандартных команд программирования (таких, как операторы ветвления, выбора, задания цикла и т. п.).
Анализ в ANSYS можно понимать как способ, или совокупность способов, применимых для решения определенного класса задач, например, тепловых, электромагнитных, механических и т. п. Однако подобное определение не вскрывает сути процесса компьютерного моделирования, и потому ниже оно будет конкретизировано.
Узел является одним из ключевых понятий в ANSYS. Узел – это точка, наименьшийзадаваемыйэлементвмоделисоздаваемогообъекта. С учетом того, что пространство, в котором приходится работать, трехмерно, каждому узлу соответствует как минимум три числа, выражающих его координаты в некоторой системе отсчета, начало которой задаетсяразработчикоммодели. Такимобразом, можносказать, чтокоординаты узла создаваемой в ходе моделирования сетки узлов есть координаты вектора, связывающего его с началом отсчета этой системы. Такую систему отсчета можно назвать глобальной. Однако существуют и локальные системы координат, которые можно вводить по
19
необходимости. При необходимости можно работать в декартовой системе координат, полярной, цилиндрической или сферической, в зависимости от условий поставленной задачи.
Заметим, что понятие узел раскрыто нами пока что исключительно в геометрическом смысле, как точка, обладающая некими геометрическими координатами. С точки же зрения создаваемой модели этого недостаточно, поскольку мы рассматриваем не пустое пространство, апространство, заполненноенекоторойфизическойсредой, называемой материалом. Материал же обладает конкретными физическими характеристиками. Поэтому, присваивая тому или иному узлу физические свойства некоторого материала, мы увеличиваем число параметров, которые могут оставаться постоянными или изменяться в ходе выполнения расчета модели. Например, мы можем задать некоторому узлу параметр температура, а она будет изменяться в ходе расчета. Следовательно, можно говорить как минимум о двух разных состояниях созда-
ваемой модели: состоянии без нагрузки и состоянии под нагрузкой.
Такимобразом, анализируяповедениеузловмоделивпроцессеприложения к ней какой-либо нагрузки, мы приходим к понятию степени свободы. Вклассическойфизикеподстепенью свободыпонимаетсянезависимая ось, вдоль которой может происходить движение системы. Например, в молекулярно-кинетической теории можно говорить о поступательных или вращательных степенях свободы. Заметим, что созданная в ANSYS модель также может осуществлять свои внутренние перемещения в пределах тех степеней свободы, которые ей предоставлены. В частности, могут изменяться и сами исходные координаты узлов в глобальной системе отсчета. Однако в отличие от физики в число степеней свободы могут входить такие параметры, как температура, электрическийпотенциал, освещенностьит. п. Такимобразом, подчислом степеней свободы в ANSYS следует понимать число всех параметров, которые могут изменяться в ходе расчета модели.
С точки зрения математики это означает, что фактически мы имеем дело с параметрической задачей, в которой некий ключевой параметр может изменяться в пределах заданного диапазона, а все остальные параметры или характеристики модели изменяются уже как некие параметрические функции, рассчитываемые на основании ключевого параметра. Именно поэтому внутренний язык, на котором может осуществляться моделирование в ANSYS, носит название ANSYS Parametric Design Language (APDL), т. е. язык параметрического моделирования ANSYS, общая характеристика которого дана выше.
20