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

которое позволяет хранить данные и управлять какими-либо процессами, в том числе производственными, в удаленном режиме. В современных версиях эту функцию выполняет расчетная платформа

ANSYS Minerva.

10. FE Modeler User’s Guide – раздел документации, описывающий расчетный модуль ANSYS FE Modeler, предназначенный для работы с конечно-элементными моделями, он встраивается в расчетную плат-

форму ANSYS Workbench.

Возможности этого модуля позволяют импортировать входные данные из файлов данных, созданных в специализированных приложениях

NASTRAN, ABAQUS, STL, Mechanical Applications, а также в других приложениях. Он также позволяет работать с импортированными сетками, а с ними – и с геометрическими моделями объектов, перестраивая их путем модификации этих сеток. Иными словами, такой модуль работаетнепосредственносконечнымиэлементамиипоэтойпричинеимеет высокие требования к уровню лицензии, что делает его доступным только для профессионалов.

11. Fluent – разделдокументации, вкоторомпредставленрасчетный модуль ANSYS Fluent. Этот расчетный модуль позволяет моделировать решение таких задач, как горение в печи, вентиляция помещений, обтекание различных неподвижных и движущихся объектов, течение крови

идругих жидкостей в организме человека, протекание химических

ибиохимических реакций, конвективное охлаждение микропроцессоров и микросистем на основе полупроводников. Совместно с этим модулем может использоваться расчетный модуль ANSYS CFD Post.

12. ICEM CFD – раздел документации, описывающий расчетный модульANSYS ICEM CFD, предназначенныйвосновномдлягенерации гексаэдрических (шестиугольных) высококачественных сеток конечных элементов для разбиения различных моделей. Однако на самом делеэтотрасчетныймодульможетработатьисдругимисетками, включая тетраэдрические, призматические, а также декартовы сетки, имеющие ступенчатую границу и границу сложной формы, в том числе заданную вручную.

Существенным преимуществом модуля является возможность составления скриптов для построения структурированной сетки, которые могут, таким образом, быть перестроены при изменении геометрии

31

модели. Кроме того, преимуществами этого модуля являются: простой и интуитивно понятный интерфейс, возможность сглаживания, сгущения и разрежения сетки, преобразования типа конечного элемента.

13. Icepak – раздел документации, посвященный расчетному модулю ANSYS Icepak. Этот модуль был специально создан для решения задач об охлаждении электронных компонентов, т. е. о расчете их теплового режима работы. Он позволяет включать в рассмотрение все известные процессы теплообмена (теплопроводность, конвекцию и излучение). По этой причине расчетный модуль отлично подходит, в частности, для проектирования приборов и систем силовой электроники, а также печатных плат, кулеров, радиаторов и т. п.

Удобство применения расчетного модуля Icepak состоит в возможности визуализации процесса моделирования сложных электронных систем. Эти системы в рамках данного модуля можно создавать из уже имеющихся в библиотеке объектов, таких как источники тепла, вентиляционные отверстия, сами вентиляторы, охлаждающие стенки и т. д.

Для проведения междисциплинарных расчетов расчетный модуль Icepak легко встраивается врасчетнуюплатформу Workbench. Онтакже может использовать графический интерфейс пользователя.

14. Internal Combustion Engine in Workbench – раздел документа-

ции, описывающий процесс моделирования двигателей внутреннего сгорания при помощи расчетной платформы Workbench. В рамках такого моделирования применяется расчетный модуль Fluent и другие приложения и расчетные модули ANSYS.

15. Mechanical Applications – раздел документации, представляющий специализированное приложение ANSYS Mechanical, доступное из расчетной платформы Workbench. Это приложение предназначено длявыполнениясамыхразличныхинженерныхсимуляций, включаямоделирование механических напряжений, температурных полей, вибраций, проведение магнитостатических расчетов.

Типичное моделирование в ANSYS Mechanical включает в себя создание модели и приложение к ней нагрузок, расчет реакции модели на нагрузку и изучение особенностей этой реакции на основе полученныхрезультатов. КакприложениеWorkbench, ANSYS Mechanical имеет

32

удобный древовидный интерфейс, существенно облегчающий разработку и анализ модели.

ВрамкахприложенияANSYS Mechanical доступновыполнениеследующих видов анализа:

1) магнитостатический (Magnetostatic Analysis);

2) статический структурный (Static Structural Analysis);

3) стационарный тепловой (Steady-State Thermal Analysis);

4) термоэлектрический (Thermal-Electric Analysis);

5)транзиентный структурный (Transient Structural Analysis);

6)транзиентный тепловой (Transient Thermal Analysis);

7) электрический (Electric Analysis, анализ тепловыделения при протекании электрического тока) и другие виды анализа.

16. Mechanical APDL – раздел документации, представляющий язык параметрического моделирования ANSYS Mechanical APDL, описанный ранее в разделе 1.2.4 настоящего учебного пособия.

17. Meshing User’s Guide – обширный раздел документации, посвященный специализированному приложению ANSYS Meshing. Оно представляет собой универсальный, многофункциональный, автоматизированный инструмент, позволяющий генерировать сетку конечных элементов для решения различных задач, в том числе междисциплинарных. При этом генерация сетки осуществляется в автоматическом режиме и программа сама анализирует форму разбиваемого объекта, сложность его геометрии и подстраивает сетку разбиения под нее. Таким образом, в рамках приложения ANSYS Meshing можно говорить об адаптивной сетке разбиения модели, учитывающей ее особенности.

Кроме того, приложение позволяет разработчику самостоятельно настраивать параметры генерируемой сетки, задавая, например, число разбиений вдоль выбранной линии модели.

Говоря о сетке разбиения, генерируемой ANSYS Meshing, необходимо отметить ряд ее ключевых особенностей, а именно:

1) построение сетки с учетом области физики, в которой поставлена задача;

2) построение различных видов сетки (тетраэдрической, гексаэдрической, призматической, декартовой);

3) возможность построения сетки для балочной или оболочечной модели (что может быть применимо, в частности, при проектировании элементов микросистемной техники – кантилеверов и мембран);

33

4) исключение мелких особенностей геометрии на уровне сетки; 5) наличие инструмента для построения структурированной сетки

на поверхностях; 6) автоматическое обновление сетки при изменении ее параметров;

7) возможность перемещения или слияния узлов сетки.

18. Polyflow – раздел документации, описывающий работу расчетного модуля ANSYS Polyflow. Он предназначен для проведения расчетов течений с очень сложным поведением, в частности для течений вязких ивязкоупругих. Этизадачимогутвозникатьпримоделированиитаких процессов, как горячая штамповка изделий из полимеров, экструзия, заполнение форм и полостей под давлением. В области микро- и нанотехнологий применение подобных приложений возможно при моделировании процессов наноимпринтной литографии.

19. Remote Solve Manager (RSM) – раздел документации, в кото-

ром описана работа со специализированным приложением ANSYS RSM. Этот модуль был разработан для проведения удаленных вычислений и организации вычислительной сети. Особенностью работы вычислительной сети является наличие вычислительного кластера, взаимодействие с которым и составляет суть организации удаленных вычислений.

Для работы с ANSYS RSM необходимо ознакомиться с некоторой необходимой терминологией, перечислим ее.

1) работой (Job) является задача, решаемая в рамках какой-нибудь расчетной платформы, например Workbench;

2) рабочим скриптом (job script) называется последовательность команд на языке APDL для выполнения расчетовв рамках решаемойзадачи (например, для запуска решателя);

3) рабочим шаблоном (job template) называется сохраненная конфигурация рабочих параметров модели, пригодная для ее модификации в дальнейшем;

4) клиентской машиной (client machine) считается компьютер,

на котором установлена расчетная платформа Workbench и откуда работа через приложение RSM передается в вычислительный кластер; 5) клиентское приложение (client application) – это расчетный мо-

дуль или расчетная платформа ANSYS, передающая работу в RSM (например, Workbench, CFX, Fluent или EKM);

34

6) кластер(cluster) естьгруппакомпьютеров, объединенныхв единую вычислительную сеть для работы в качестве центра обработки данных;

7) узел (node) – соответственно отдельный компьютер кластера. В целом кластер состоит из ведущего узла (head node) и узлов расши-

рения (explicit nodes);

8) очередью(queue) называетсяпоследовательностьзадействования узловрасширения, созданнаядлявыполненияконкретноговидаработы.

Таким образом, RSM позволяет пользователю при ограниченных вычислительных ресурсах, наличии вычислительного кластера и устойчивой связи с ним решать довольно сложные вычислительные задачи.

20. TurboGrid – руководство по расчетному модулю ANSYS TurboGrid, который специализирован для генерации сеток разбиения на конечные элементы моделей лопаток различных турбомашин. Это делает модуль инструментом, применимым для проектирования авиадвигателей, вакуумных и перекачивающих насосов, турбин гидроэлектростанций и других важных объектов. Модуль предусматривает возможность импортирования геометрии модели из других CAD-процессоров, что облегчает труд разработчика. Эту геометрию можно также импортировать из расчетного модуля ANSYS Black Modeler и адаптировать сетку конечных элементов к особенностям этой модели.

21. Verification Manuals – раздел документации, в котором представлено руководство по проведению верификации построенных моделей. Необходимость такой верификации обусловлена прежде всего тем, что сетка разбиения модели на конечные элементы далеко не всегда бывает устойчивой при наложении внешних нагрузок. Как следствие, корпорацией-производителем среды моделирования ANSYS были разработаны специальные тесты, позволяющие обеспечить нужную верификацию.

Тесты, которые предлагаются для проверки, являются классическими инженерными задачами. Их решение демонстрирует возможности расчетной платформы ANSYS Workbench. При этом разработчики тестовстремилисьдостигнутьбалансамежду точностьюивременемрешения задачи. Иногда результаты, полученные по итогам выполнения тестов, могут быть улучшены, но это обычно достигается за счет

35

применения усовершенствованных сеток разбиения, что увеличивает времярасчета. Разработчикитестовтакже стремилиськчастотепоявления ошибок в 3 % или менее.

Тесты, описанные в этом разделе, рекомендуется применять в качестве отправной точки для изучения новых функций расчетной платформы Workbench. Таким образом, выполняя их, можно быстрее обучиться основам различных инженерных анализов.

Тесты доступны, в частности, по следующим разделам расчетной

5)Mechanical Applications; 6) Mechanical APDL.

22.Installation and Licensing, Using Help и Legal Notices – разделы документации, ужепредставленныевразделе1.3.1 настоящегопособия.

1.4.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.4.1. ОБЩИЙ ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Практическая часть лабораторной работы состоит в прочтении разделов 1.1 – 1.3 данного пособия, нахождении в системе ANSYS представленнойвнихинформациииподготовкепрезентациинаоднуизтем, указанных ниже.

Для начала выполнения работы пользователю необходимо либо установить на своем домашнем компьютере систему ANSYS, либо воспользоваться возможностями терминального класса, предоставляемого организацией, проводящей обучение.

Следует отдавать себе отчет в том, что лицензионная политика ANSYS допускает свободное распространение лишь академических версий данной системы, имеющих очень ограниченную функциональность. Версии ANSYS, приобретаемые на коммерческой основе, чаще всего также не являются полными, поскольку, как правило, конфигурируютсяподнуждыконкретногопокупателя. Всвязисэтимрядфункций ANSYS может быть отключен, т. е. в конкретной версии ANSYS их может просто не быть. Поэтому перечень возможностей, представленных в установленной пользователем версии ANSYS, может не охватывать всего функционала, которым обладает эта система.

36

Необходимо также отдавать себе отчет в том, что ANSYS есть быстро изменяющаяся система, она активно дополняется и совершенствуется. Поэтому свободно распространяемые академические версии ANSYS довольно быстро устаревают, хотя основное ядро системы, естественно, сохраняется. По этой причине настоящее учеб- но-методическое пособие является «устаревшим», поскольку оно ориентировано на версию ANSYS 18.2, тогда как сейчас уже выпущена версия ANSYS 2022 R1. Тем не менее даже в таком «устаревшем» варианте оно дает адекватное представление как о возможностях конечно-элементного моделирования, так и об анализах, доступных в среде ANSYS.

При прочтении указанных выше разделов настоящего пособия необходимо отыскивать упоминаемую в них информацию по наименованию разделов, удостоверяясь, таким образом, в их наличии и присутствии в них информации. Не следует углубляться в ее прочтение, ограничиваясь при выполнении работы только ее просмотром. Это связано как с обилием информации, так и с «переплетением» разнообразных ее разделов, что может создать у новичка ощущение «очень сложной системы, в которой не понятно, как разобраться». Для выполнения первой работы достаточно лишь поверхностного изучения этой информации.

По итогам выполнения практической части необходимо подготовить короткую презентацию и представить ее на защите лабораторной работы.

1.4.2.ТЕМЫ ПРЕЗЕНТАЦИЙ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ

1.Расчетная платформа ANSYS Workbench.

2.Расчетная платформа ANSYS Multiphysics.

3.CAD-процессор ANSYS Design Modeler.

4.CAD-процессор ANSYS Space Claim Direct Modeler.

5.Документация междисциплинарного характера в ANSYS Mechanical APDL.

6.Документация специализированного характера в ANSYS Mechanical APDL.

7.Общий вид справочной системы ANSYS Help Viewer.

8.Приложения и расчетные модули ANSYS для решения задач гидродинамики.

9.Возможности приложения ANSYS Mechanical.

37

10.Генерация сеток в ANSYS и работа с конечными элементами.

11.Организация удаленных вычислений и вычислительной сети

ANSYS.

12.Верификация: цели, смысл, практическое применение.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое CAE- и CAD-системы? Для чего они предназначены, чем различаются?

2.Что в ANSYS называется проектом и что называется анализом?

3.Чем отличается глобальная система координат от локальной? Какие системы координат могут применяться в ANSYS?

4.Что такое степень свободы? В чем сходство и различие в понимании степени свободы в физике и в ANSYS?

5.Почему моделирование в ANSYS есть параметрическое моделирование? Что понимается под параметром (или параметрами)?

6.Что такое узел? Откуда берется узловое перемещение? Почему оно является ключевым параметром в созданной модели?

7.Что такое конечный элемент? При чем здесь сетка? Как понимать выражение «генерация сетки разбиения»?

8.Можно ли самостоятельно изменять размеры конечных элементов в рамках созданной вами модели? Если да, то как, если нет – то почему?

9.В чем состоит краевая задача? Зачем нужны граничные условия? Какие виды граничных условий вам известны и для чего они применяются?

10.Что включает в себя геометрия модели? В чем разница между геометрией и моделью?

11.Что такое графический интерфейс пользователя? Зачем он нужен? Чем он отличается от CAD-процессора?

12.Что такое макрос, из каких частей он состоит? Каково назначение этих частей?

13.Что такое история решения задачи и для чего она нужна?

14.Что такое расчетная платформа ANSYS? Какие расчетные платформы вы знаете?

15.Что такое сопряженный анализ и в чем состоит метод последовательного сопряжения? Приведите примеры сопряженного анализа.

38

16.Вам требуется найти описание некоторой команды в ANSYS. Где ее искать? Какова последовательность ваших действий?

17.Известно, что в справочной системе ANSYS имеется теоретический раздел по физике. Стоит ли, по-вашему, ограничиться только его изучением или все же необходимо знать физику? Почему?

18.Какие основные разделы включает в себя документация ANSYS междисциплинарного характера?

19.Какие основные разделы включает в себя документация ANSYS специализированного характера?

20.Можнолиутверждать, чтополученноевамирешениефизически существует в любой произвольно выбранной точке созданной вами модели? Почему?

39