Компоненты микросистемной техники. Введение в моделирование на ANSYS. Учебно-методическое пособие

В частности, при выполнении статического анализа, в рамках решениязадачиоформеобъекта, находящегосяподмеханическойнагрузкой (см. приложение), таким ключевым параметром является узловое перемещение, из которых строится матрица. Далее, уже на основании построенной матрицы узловых перемещений, строится распределение деформаций и механических напряжений. Обобщая это понятие и распространяя его на все другие виды анализов, можно сказать, что ключевым параметром в ANSYS является узловое перемещение по всем доступным узлу степеням свободы.

Логично далее заключить, что и решение задачи о распределении некоторойфизическойвеличинывпределахсозданнойнамимоделидо-

стоверно существует только в узлах созданной модели. Все, что между узлами, может быть получено либо путем интерполяции (например, кубическими сплайнами), либо путем увеличения количества узлов. Вопрос о выборе алгоритма расчета созданной модели также очень важен, поскольку от этого зависит точность проводимых расчетов.

Из узлов составляются конечные элементы. Эти элементы могут быть 1D, 2D и 3D, форма их может быть различной, и они могут включать в себя различное количество узлов. Таким образом, под конечным элементом нужно понимать совокупность узлов и их связей между ними, образующих геометрический примитив, наделенный теми или иными физическими свойствами. Внешняя нагрузка может быть приложенакаккопределенномуузлу конечногоэлемента, такиквыделенной последовательности узлов. Геометрически эта последовательность может образовывать линию, поверхность или объем. Соответственно, нагрузкибудутименоватьсясосредоточеннымивслучае, еслиониприложеныкточке, ираспределеннымивовсехостальныхслучаях. Среди распределенных нагрузок, таким образом, можно выделить линейные,

поверхностные и объемные.

Одним из видов нагрузок, которые необходимо задать при формировании модели, являются граничные условия. Необходимость граничных условий вытекает из постановки той задачи, которую приходится решать при расчете модели, и подхода к ее решению.

Известно, что математически такую задачу можно поставить и решить различными способами. Одним из способов является решение

системы дифференциальных уравнений, определяющих узловые перемещения всех имеющихся узлов модели. Однако, как следует из основ математического анализа, аналитическое интегрирование системы дифференциальных уравнений дает результат лишь с точ-

21

ностью до некоторых неопределенных констант. Поэтому при аналитическом решении их требуется доопределить, и в такой постановке задача о решении системы дифференциальных уравнений называется задачей Коши. Для такого определения этих констант требуется задавать некие условия в некоторых точках, причем к таким условиям можетотноситься какзначениесамойфункции, так изначениякакихлибо ее производных.

Однако в нашем случае решение поставленной задачи осуществляется численными методами, для которых нужно иметь что-либо в качестве начального значения или начального приближения. Оно необходимо для построения следующих значений и приближений. В качестве такого значения или приближения и выступают граничные условия.

Система дифференциальных уравнений вместе с заданными на границах моделируемой области граничными условиями называется краевой задачей. Если на границах области в явном виде заданы значения моделируемого распределения какой-либо физической величины, например температуры, то говорят, что на границах заданы условия Дирихле. Если вместо явного значения этой величины задан градиент ее изменения по какому-нибудь направлению, то говорят, что на границах заданы условия Неймана. На границе, в частности, могут быть вовсе не заданы никакие условия (условие свободной границы). Это соответствует ситуации, когда значение рассчитываемого распределения на этой границе будет таким, какое получится в рамках расчета модели. Если узлу или последовательности узлов запрещены любые перемещения по всем доступным степеням свободы, то такое граничное условие называется условием жесткого защемления. Если же часть граничных условий задана, как условия жесткого защемления, а другая часть – как условия свободной границы, то говорят, что модель находится в усло-

виях ограниченного защемления.

Как уже сказано выше, из узлов можно сформировать линии, поверхности и объемы. Совокупность всех геометрических элементов модели принято называть геометрией. Создать геометрию можно различным способом, например с применением графического интерфейса пользователя (GUI), при помощи команд языка APDL, а также в при-

ложениях ANSYS Design Modeler и ANSYS Space Claim. Для создания геометрии модели требуется вначале определить систему единиц, в которойбудутвестисьрасчеты. Это можетбыть, в частности, системаСИ, система СГС (или гауссова) и другие, более специальные системы, в которых, например, вместо метра метрической единицей является

22

микрометр (система MKS). Систему единиц необходимо задавать ещедоначаласозданиягеометрии, чтобытемсамымисключитьошибку неправильного понимания компьютером того, что желает задать разработчик.

Совокупность геометрии созданных областей, материалов, свойства которыхприсвоеныэтимобластям, атакжеграничныхусловийинагрузок, приложенных к ним, называется моделью, подлежащей расчету.

Совокупность модели, подлежащей расчету, и математических методов, применяемых для такого расчета, называется анализом.

Графический интерфейс пользователя (GUI) – средство модели-

рования, применяемое в различные приложениях ANSYS, например

вANSYS Mechanical APDL. Этотинтерфейспозволяетвизуализировать процесс задания геометрии, граничных условий и нагрузок, разбиения модели на совокупность конечных элементов. В данном режиме работы любую точку, линию, площадь или объем, созданные неправильно, можно выделить и удалить, а затем перерисовать заново.

Командная строка – специально отведенное место на рабочем столе ANSYS. Через командную строку пользователь может либо задавать параметры модели в ручном режиме, либо запустить макрос на выполнение.

Макрос – последовательность команд, написанная пользователем на внутреннем языке программирования ANSYS и задающая последовательность операций, которые необходимо выполнить процессору, чтобы решить поставленную задачу. Выполнение макроса происходит

вавтоматическом режиме. Структурными блоками макроса являются

препроцессор, решатель и постпроцессор.

Препроцессором называется структурный блок макроса, в рамках которого производится рисование геометрии, задание свойств материалов, разбиение на конечные элементы, задание граничных условий и нагрузок. В рамках решателя определяется тип анализа и осуществляется запуск расчета модели. Постпроцессором является часть макроса, отвечающая за вывод полученного решения на экран и/или в файл базы данных, обработку и представление этого результата пользователю в требуемом для него виде. Все три структурных блока макроса образуютлогическуюсхему решения, котораяпринеобходимостиможет быть представлена в виде блок-схемы.

Макроссостоитизкоманд. Командойназываетсядирективапроцессору, написанная на внутреннем языке APDL и содержащая имя команды и ее параметры, называемые также ключами.

23

Историей решения задачи называется последовательность результатов действий процессора в соответствии с тем, как они заданы разработчиком. Например, в приложении ANSYS Mechanical APDL можно видеть, как выполнение команд макроса отображается в специальном окне в виде определенных записей, содержащих значения вычисляемых параметров, величина которых определяет, в частности, сходимость процедуры вычислений. Эти записи являются весьма полезной информацией, поскольку по ним можно определить, в какой момент и при выполнениикакойоперациивозниклаошибка, приведшаяксбоюввычислениях.

Таким образом, можно сказать, что ANSYS есть программное обеспечение для проведения симуляций, т. е. симулятор физической реальности – той, которая в действительности окружает нас. Ценность проведения инженерных симуляций состоит в том, что они позволяют существенно экономить время разработчиков и исследователей, сокращать затраты на тестирование образцов, а также избегать ненужных рисков и опасности для человека и окружающей среды.

Такова в самых общих чертах необходимая терминология САПР ANSYS. По мере познания этой системы она будет расширяться и дополняться.

1.3. СПРАВОЧНАЯ СИСТЕМА ANSYS И РАБОТА С НЕЙ

Справочная система ANSYS (ANSYS Help) – полноценная, де-

тально и глубоко разработанная система, содержащая огромный объем информации(наанглийскомязыке) посамымразличнымвопросам, связанным с функционированием системы ANSYS и особенностями процесса проектирования в ней. Можно сказать, что до сих пор справочная система ANSYS является наиболее полной справочной средой, в которой любой пользователь, от новичков до опытных разработчиков, может найти необходимую ему информацию.

1.3.1. ЗАПУСК СПРАВОЧНОЙ СИСТЕМЫ ANSYS

Справочная система ANSYS доступна из-под любого приложения ANSYS. Это значит, что для того чтобы запустить ее, необходимо сначала запустить какое-либо приложение ANSYS. В качестве такого приложения можно рассматривать систему параметрического моделирования ANSYS Mechanical APDL, расчетную платформу ANSYS

24

или встроенный CAD-процессор. Все они приведут к запуску одной и той же системы просмотра справки ANSYS Help Viewer, однако необходимо заметить, что информация, отображаемая в окнах этой системы непосредственно после ее запуска, будет различной в зависимости от того, из какого приложения ANSYS была запущена эта справочная система.

В качестве примера рассмотрим запуск справочной системы из-под расчетной платформы ANSYS Workbench, а также ее вид после этого запуска.

После загрузки расчетной платформы ANSYS Workbench открывается экран, состоящий из нескольких окон и информационных панелей, назначениекоторыхбудетподробнееописановруководствеквыполнению соответствующей лабораторной работы. Здесь же будет рассмотрена только одна вкладка Help, находящаяся в крайней правой позиции верхней строки верхней информационной панели ANSYS Workbench. Щелчок левой кнопки мыши по этой вкладке открывает дополнительное меню, содержащее несколько следующих вкладок различного назначения.

ВкладкаAbout ANSYS Workbench предоставляетпользователюинформацию о выходных данных текущей версии ANSYS Workbench.

Вкладка ANSYS Product Improvement Program предоставляет пользо-

вателю или разработчику возможность принять участие в программе улучшения функциональности различных приложений ANSYS.

Вкладка ANSYS Customer Portal открывает страницу личного кабинета пользователя продуктов ANSYS. Вкладка Show Context Help открывает и закрывает контекстное меню, возникающее на экране в качестве правой информационной панели. Важной вкладкой является вкладка Installation and Licensing Help, предоставляющая пользователю поддержку для установки программных продуктов ANSYS, а также лицензионную поддержку. Наконец, вкладка Training and Tutorials открывает пользователю доступ к обучающей системе ANSYS, содержащей большое число официальных видеороликов, обучающих новичков работе с различными приложениями ANSYS.

Наиболее важной из вкладок данного меню является вкладка ANSYS Workbench Help, кликнув по которой, можно запуститьупомянутую выше систему просмотра справки. Экран этой системы, который открывается в результате ее запуска, имеет несколько основных частей.

Главной из них является основное (рабочее) окно программы под названиемUser’s Guide, т. е. руководствопользователя. Вэтомрабочем

25

окне представлено основное содержание документации ANSYS с гиперссылками на отдельные разделы этой документации, на которые из основного меню можно осуществитьпереход. Удобство организации просмотра справки состоит в том, что перейти на следующую страницу можно нажатием синей кнопки со стрелкой, направленной вправо, расположенной в правом нижнем углу рабочего окна. Возврат на предыдущуюстраницу осуществляетсянажатиемтакойже кнопки, расположенной рядом, с изображенной на ней стрелкой, направленной влево. Аналогичныекнопкинаходятсявверхнейинформационнойпанели, влевом верхнем углу экрана.

Рассматривая верхнюю информационную панель, можно заметить на ней следующие вкладки.

1. Строка поиска, в которую можно ввести требуемый термин или фразу и нажать для поиска кнопку с лупой.

2. Кнопка «Home» с изображенным нанейдомиком, нажатиенакоторую переводит справочную систему в режим отображения информации из корневого каталога документации ANSYS.

3. Кнопка «Customer Portal» с изображением на ней символа ANSYS – заглавной греческой буквы «лямбда» на желтом фоне. Кликнувпоэтойкнопке, можноперейтинаинформационныйпорталANSYS с различным сервисом для покупателей этой системы.

4. Кнопка «Печать» – кнопка, позволяющая вывести информацию из экрана просмотра справки ANSYS на бумагу.

Далее в верхней информационной панели отображается дерево поиска, содержащееинформациюопутиизкорневогокаталогавкаталог, открытый в данный момент в рабочем окне. Кроме того, левее находятся две кнопки, одна из которых под названием Copy Page Location копирует место расположения страницы, открытой в данный момент на рабочем столе, а другая под названием Go To Page – позволяет перейти к другой странице. При нажатии кнопки Go To Page возникает еще одно дополнительное окно. В этом окне необходимо ввести адрес требуемой страницы справки ANSYS, который, разумеется, требуется знать заранее.

Выше имеется еще один уровень верхней информационной панели, содержащий, в частности, стандартные для многих приложений кнопки File и Search. Вкладка File предоставляет возможность работы с файлами справки, вывода информации на печать (дублируя, таким образом, соответствующую кнопку), а также выхода из справочной системы. Вкладка Search позволяет осуществлять расширенный

26

поиск информации щелчком левой кнопкой мыши по вкладке Advanced Search, которая открывается в выпадающем меню. При нажатии этой вкладки происходит переключение содержимого левой информационной панели на панель расширенного поиска.

Далее вкладка History отображает перечень последних терминов, введенных в строку поиска. Кликнув по любому из них, можно возвратиться к отображению информации, соответствующей данному термину, которая уже была просмотрена ранее.

Вкладка Bookmarks позволяет создавать и активировать закладки, делающиеболееудобнымпроцесспоискаинформациивсправочнойси-

стеме ANSYS.

ВкладкаTools содержитряддругихвкладокразличногоназначения. В частности, вкладка Hide/Restore Table of Contents позволяет скрыть или, наоборот, вернуть отображение на экране левой информационной панели. Скрытие этой панели бывает необходимым с целью большего удобства просмотра справки. Вкладка Filter Table of Contents позволяет отфильтровать содержание справки, оставив в нем только интересующую пользователя информацию.

Вкладка Manage Annotations позволяет пользователю создавать краткие заметки по поводу просмотренной им информации (известный способ прочтения книг под названием «Заметки на полях»). Вкладка Specify Location of Help Files дает возможность сохранить путь к информации, просматриваемой в данный момент. Назначение вкладок Copy Page Location и Go To Page дублирует соответствующие кнопки и описано выше.

Вкладка Tools также содержит три вкладки управления основным (рабочим) окном системы просмотра справки: Reset Zoom, Zoom In и Zoom Out, назначение которых очевидно из самого их названия.

Последняя в верхней строке верхней информационной панели вкладка Help также имеет ряд вложенных в нее вкладок. Первая, и наиболее важная из них – вкладка Using Help, описывающая порядок работысо справочнойсистемойANSYS. Заметим, что приизучениипорядка работы со справочной системой важным и ценным является перечень ошибок, которые могут возникать в процессе этой работы. Не менее важна и вкладка Legal Notice, переход на которую открывает замечания производителя программного продукта ANSYS относительно своей лицензионной политики.

Если у пользователя или разработчика возникла необходимость что-либо написать производителю программного продукта, для этого

27

существуетвкладкаFeedback, запускающаяофициальныйсайтANSYS. Наконец, вкладка About ANSYS Help Viewer выводит в дополнительном окне выходные данные соответствующего приложения.

Левая информационная панель является деревом каталогов документации ANSYS, позволяющим быстро найти интересующий раздел, кликнув в соответствующем месте этого дерева. Щелчок левой кнопкой мышипозволяетразвернутьподкаталоги, содержащиеся восновномдереве, поэтому интересующую пользователя или разработчика информацию можно найти, последовательно разворачивая это дерево до нужного уровня. Однако у такого способа имеется существенный недостаток, заключающийся в неясности, где искать интересующую информацию. Дело в том, что дерево каталогов, отображенное в левой информационной панели, является многоуровневым, содержит большой объем информации, и потому найти в этом обилии именно то, что конкретно интересует разработчика, не слишком легко. По этой причине нередко приходится пользоваться сервисом строки поиска или расширенного поиска.

1.3.2. ДЕРЕВО КАТАЛОГОВ ANSYS HELP VIEWER

Основное дерево каталогов, доступное в приложении ANSYS Help Viewer, имеет название ANSYS Documentation (документация ANSYS) и включает в себя множество разделов, охватывающих различные вопросы функционирования ANSYS. Дадим краткое описание назначения основных его каталогов.

1. ANSYS, Inc. Release Notes. Вэтотразделвключеныобщиесоветы по установке, лицензированию данной версии ANSYS, ее совместимости с предыдущими версиями, требования к параметрам компьютера и программного обеспечения для адекватной работы ANSYS. В нем также имеются правила и ограничения, вводимые разработчиком среды ANSYS. В частности, такие, как:

1) советы по работе с приложениями, выполняющими механические расчеты;

2) советы по работе с языком параметрического моделирования

APDL;

3) советы по работе с текучей средой, например, с приложениями

ANSYS Fluent, ANSYS TurboGrid, Aqwa Solver и т. д.

Кроме того, в этом разделе даны ссылки на руководства по работе с CAD-процессорами, назначение которых описано выше.

28

2. Workbench. В этом разделе можно найти общее руководство по работе в расчетной платформе ANSYS Workbench. В нем описываются терминология, применяемая в этом приложении, вид рабочей зоны, назначение панелей основного меню, доступного в ней, правила работы пользователя. Здесь также показаны возможности по конфигурированию расчетной платформы под требования и задачи пользователя, установке дополнительных опций, импорту геометрии модели, созданной при помощи других программных продуктов.

Кроме того, в данном разделе даются советы по таким вопросам, как:

1) работа с удаленным менеджером решений (ANSYS Remote Solve Manager);

2) работа с менеджером по инженерным знаниям (ANSYS Engineering Knowledge Manager);

3) обучающая система ANSYS (ANSYS Tutorials) и т. д.

3. Customization Suite (комплект документации по настройке ANSYS). В этом разделе, в частности, указано:

1) как использовать возможности журнала (называемого также графическим интерфейсом пользователя);

2) как создавать скрипты (макросы) и как их видоизменять для решения тех или иных задач;

3) как автоматизировать повторяющиеся анализы и выполнять их в пакетном режиме;

4) как осуществлять настройку взаимодействия ANSYS с другими приложениями и т. д.

4. ANSYS Composite PrepPost User’s Guide. Этот раздел докумен-

тации ANSYS посвящен описанию работы с композитными материалами, т. е. материалами, состоящими из нескольких слоев разнородных материалов, с различными свойствами. В нем объясняется принцип работы расчетного модуля ANSYS Composite PrepPost (ACP), в котором врезультатемоделированияформаисходногообъектаизменяетсяистановится начальным условием для выполнения следующей итерации процесса моделирования. В разделе указаны ограничения метода, порядок применения графического интерфейса пользователя и расчетной платформы Workbench, описаны различные технологии моделирования и даны примеры такого моделирования.

29

Справочная информация по работе с композитными материалами дополнена теорией. Существенным для этой работы представляется и раздел, посвященный написанию скриптов на языке APDL.

5. CAD Interaction. Этот раздел документации ANSYS посвящен интеграции ANSYS с другими CAD-системами. В разделе рассмотрены вопросы взаимодействия ANSYS с такими системами, как: AutoCAD; Autodesk Inventor Associate Geometry Interface; Creo; NX Associative Geometry Interface; Parasolid; SolidEdge; SolidWorks и т. д.

Сучетом этого в разделе перечислены различные совместимые

сANSYS типы расширений файлов, с указанием того, для каких целей и как могут быть использованы эти расширения. Отдельным вопросом в разделе описана работа в CAD-процессоре ANSYS Space Claim Direct Modeler.

6. CFD Post – разделдокументации, обучающийработесрасчетным модулемANSYS CFD Post, предназначенныйвосновномдляобработки и вывода на экран результатов, полученных в ходе газодинамических расчетов. Однако у этого модуля есть более широкое применение, например, при проведении прочностных расчетов конструкций, к которым прикладывается газодинамическая нагрузка.

7. CFX – раздел документации, описывающий расчетный модуль ANSYS CFX, предназначенныйдлявыполнениярасчетоввобластигидродинамики и газодинамики. Этот расчетный модуль является частью большогокластерарасчетныхмодулейANSYS, реализующихподобные расчеты. Основной областью применения такого модуля является выполнение расчетов вращающихся машин и механизмов, а также их частей. При этом расчеты могут выполняться на основе использования различных физических моделей поведения жидкостей и газов под воздействием внешней нагрузки.

8. Design Modeler User’s Guide – обширный раздел документации,

посвященный CAD-процессору ANSYS Design Modeler, уже представленному в разделе 1.2.3 данного пособия.

9. Engineering Knowledge Manager – раздел документации, посвя-

щенный устаревшему в настоящее время расчетному модулю ANSYS EKM. Этот модуль был создан как централизованное хранилище,

30