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

пированывблоки, одинизкоторыхбудетинтересеннам, этоблокComponent System. В этом блоке содержатся вкладки, активирующие различные приложения и расчетные модули ANSYS, не вошедшие в переченьвидованализа(Analysis System), помещенныйвблок, которыйрасположен выше интересующего нас.

В указанном блоке Component System необходимо найти вкладку Mechanical APDL с характерным символом в виде заглавной греческой буквы«лямбда» черногоцветанажелтомфоне. Далеенеобходимонавести на эту вкладку курсор, зажать левую кнопку мыши (здесь и далее – ЛКМ) и, не отпуская, перетащить эту вкладку в левый верхний угол главного окна проекта Project Schematic. В этом углу зеленым или красным цветом будет подсвечиваться место размещения этой вкладки. Наличие красного цвета подсветки не означает запрещения размещать туда вставляемую вкладку.

ПоместиввкладкувнужноеместоиотпустивЛКМ, получимэффект появления в этом месте главного экрана панели меню, содержащего всего две строчки, причем верхняя из них является названием данной панели. В следующей строчке имеется знак вопроса и треугольник, расположенныйвправомнижнемуглу. ОднократноенажатиеЛКМназнак вопроса активирует всплывающую панель справки ANSYS, нажатие на треугольник активирует другую всплывающую панель, касающуюся управления окном создаваемого проекта. Она содержит, например, команду Refresh с расположенным рядом значком желтой молнии. Нажатие на нее ЛКМ позволяет обновить данные по проекту, однако пока еще никаких данных не введено, поэтому обновлять нечего и выполнение команды не даст никакого эффекта.

Для активации приложения ANSYS Mechanical APDL необходимо произвести однократный щелчок ЛКМ в нижней строке рассмотренного выше меню, после чего оно окажется подсвеченным и далее, не меняя позиции курсора, произвести еще один щелчок, но уже правой кнопкой мыши (здесь и далее – ПКМ). В этом случае рядом появится еще одно дополнительное меню, содержащее много вкладок, в котором нас будут интересовать только две: Edit in Mechanical APDL и Open in Mechanical APDL. Первая из них позволяет перейти в режим редактирования модели в приложении ANSYS Mechanical APDL. Однако поскольку модель еще не создана, редактировать в ней пока что нечего, и нас будет интересовать, таким образом, вкладка Open in Mechanical APDL. Щелчок ЛКМ по ней активирует данное приложение.

41

Процесс запуска можно контролировать в окне истории (Mechanical Output Window), которое возникает сразу же при попытке запуска. Все дальнейшие действия над создаваемой моделью будут отражаться в нем. После активации будет активирован главный экран Mechanical APDL, содержащий ряд окон и информационных панелей, которые будут описаны ниже.

2.2.ОПИСАНИЕ РАБОЧЕГО СТОЛА

ANSYS MECHANICAL APDL

2.2.1.ОБЩИЙ ВИД РАБОЧЕГО СТОЛА

Основноеместонарабочемстолезанимаетглавноеокно, вкотором моделируется геометрия создаваемой модели. В центре окна отображается сетка координат, в левом верхнем углу – надпись Nodes (Узлы) и цифра 1. Это означает, что узел, соответствующий началу координат, имеет номер 1. В правом верхнем углу отображаются надпись ANSYS R18.0 (Release 18.0, т.е. версия 18.0), а также дата и время запуска приложения.

Правая информационная панель предназначена для манипуляций с построенной моделью и содержит кнопки, позволяющие их осуществлять. Следует заметить, что цифра в окне, над левой колонкой кнопок сверху, означает номер окна Windows, на которое будет распространяться действие.

Восемь кнопок ниже этой цифры позволяют развернуть построенную геометрию модели в нужной проекции или под нужным углом. Вчастности, первыедвекнопкипозволяютразвернутьмодельвизометрической или аксонометрической проекции, а шесть остальных – рассмотреть модель с той стороны, которая на кнопке показана синим цветом.

Кнопки с изображением лупы – это блок кнопок, позволяющих масштабировать представление построенной геометрии модели в главном окне, физическиеразмерымоделиприэтомнеизменяются. Вчастности, кнопкаслупой, внутрикоторойнаходитсяструктура, позволяетвписать структурувразмерыокна, аследующиезанеюкнопкиувеличиваютили уменьшают выводимое на экран изображение.

Далее, четыре следующие кнопки позволяют двигать изображение модели на экране в указанную стрелкой сторону. Для этого нужно

42

нажать и удерживать соответствующую кнопку. Вращение модели выполняется при помощи шести следующих кнопок в сторону, которая указана на кнопке.

Наконец, кнопка с изображением манипулятора (мыши) позволяет включить режим управления изображением модели клавишами мыши. Нажатие и удерживание ЛКМ позволяет перемещать изображение в желаемую сторону, в то время как нажатие и удерживание ПКМ позволяет вращать изображение в желаемую сторону.

Верхняя информационная панель содержит ряд вкладок, позволя-

ющих управлять созданной моделью. Вкладка File позволяет:

полностью удалить всю созданную модель со всеми ее опциями

иначать работу над новой моделью (Clear & Start New);

сменить название рабочего файла (Change Jobname);

сменить рабочий каталог (Change Directory);

сменить название модели (Change Title).

СледующиекомандыменюFile позволяютсчитыватьданныеизразличных источников и записывать их в различные источники.

Вкладка Select позволяет выбирать определенные части созданной модели или всю модель целиком.

Вкладка Plot позволяет изобразить в главном окне следующие элементы созданной модели.

1. Ключевые точки (Keypoints). Под ключевыми понимают все точки, координаты которых введены в приложение самим пользователем. Нумерация ключевых точек задается самим пользователем.

2. Линии (Lines) – отрезки прямых, соединяющие ключевые точки. Нумерация линий происходит автоматически.

3. Площади (Areas) – плоскости или поверхности, ограниченные замкнутой границей или несколькими граничными линиями. Площади можно задавать указанием не только ограничивающих их линий, но и угловых ключевых точек.

4. Объемы (Volumes) – объекты, ограниченные замкнутой поверхностьюилинесколькимиграничнымиплоскостями. Объемымогутбыть заданы не только плоскостями, но и указанием линий, играющих роль ребер объема, а также указанием угловых ключевых точек.

5. Отдельные элементы (Specified Elements).

6. Узлы (Nodes), принадлежащие модели.

7. Элементы (Elements) – КЭ, сгенерированные при разбивке модели.

43

8. Материалы (Materials) – имеющиеся в модели материалы. 9. Другие интересующие пользователя элементы.

Кроме того, данная вкладка позволяет перерисовать модель, если в нее были внесены какие-либо изменения. Это осуществляется щелчком ЛКМ по вкладке Replot.

Вкладка PlotCtrls является вкладкой управления изображением и в значительной мере дублирует правую информационную панель, поскольку позволяет, в частности, вращать ее, приближать и удалять (командой Pan-Zoom-Rotate). Она позволяет также задавать стили изображения, указывать цвета, источник света, анимировать изображение, создавать к нему подписи и многое другое.

Вкладка WorkPlane позволяет отображать рабочую плоскость, ее текущий статус, наклонять ее при необходимости (командой Align WP with). Онапозволяеттакжезадатьтекущуюглобальнуюсистему ко-

ординат (например, командой Change Active CS to Global Cartesian).

То же самое можно проделать и с отображаемой системой координат (командой Change Display CS to). Наконец, можно задать и локальную систему координат командой, например, Local Coordinate Systems Create Local CS At WP Origin.

При нажатии этой последовательности команд на экране появится дополнительное окно, в котором программа попросит ввести номер новой (локальной) системы координат и ее тип. Система координат может быть декартова (Cartesian), цилиндрическая (Cylinder), сферическая

(Spherical) и тороидальная (Toroidal).

Локальнуюсистемукоординатможнозадатьипоключевымточкам, нажав последовательность вкладок Local Coordinate Systems Create Local CS By 3 Keypoints +, при этом должны быть выделены как минимум три ключевые точки, не лежащие в одной плоскости. Точно так же можно задать локальную систему координат по трем узлам, нажав последовательность вкладок Local Coordinate Systems Create Local CS  By 3 Nodes +, при этом должны быть выбраны три узла, не лежащих в одной плоскости.

Отдельного рассмотрения заслуживает последовательность вкладок

Local Coordinate Systems Create Local CS At Specified Loc +.

При ее наборе слева появится дополнительное окно, а курсор на экране изменит свою форму, превратившись в черную стрелку, направленную вертикально вверх. НажатиеЛКМзадастточкунаэкране, котораябудет обозначена желтым квадратом. Эта точка будет началом отсчета новой,

44

локальной системы координат. После нажатия на кнопку OK на дополнительной панели программа выведет на экран еще одну дополнительнуюпанель, вкоторойбудетнеобходимо задать типлокальнойсистемы координат и ее порядковый номер.

Если локальная система координат задана неправильно, ее можно удалить, набравпоследовательностькомандLocal Coordinate Systems Delete Local CS.

Вкладка Parameters позволяет задать параметры в создаваемой модели. Параметры могут быть скалярные (Scalar) и матричные (Array), в качестве их могут выступать функции (Functions). Все эти параметры можно задавать и изменять (Define/Edit). Вкладка позволяет задать угловые единицы (Angular Units), а также сохранять, восстанавливать и читать параметры (Save, Restore, Get).

Особую важность представляет вкладка Macro. Она позволяет включитьрежимсозданияскриптов(макросов), т. е. программнаязыке APDL (Create Macro). Она позволяет также выполнять макросы (Execute Macro). Командой Macro Search Path можно указать путь к макросу, хранящемусявкаталоге, которыйнесовпадаетстем, гденаходится сам исполнительный модуль ANSYS.

ВкладкаMenuCtrls позволяетоформитьсоздаваемыемодели, выбрав для них соответствующие цвета (Colors), шрифты (Fonts), а также вид верхней информационной панели (Toolbar). Наконец, вкладка Help запускает справочную систему ANSYS Help Viewer командой Help Topics.

Рассмотрим теперь левую информационную панель, в которой имеются следующие вкладки.

1. Preprocessor – вкладка, разворачивающая опции, доступные разработчикуврежимепрепроцессора. Этотрежимпредназначен длязадания геометрии модели, типа КЭ, ввода физических констант и свойств используемыхвмоделиматериалов, разбиениямоделисеткойКЭ, наложения нагрузок, задания начальных и граничных условий, а также чтения сохраненных ранее параметров модели и записи в файл новых ее параметров.

2. Solution – вкладка, открывающая разработчику возможности, доступные в режиме решателя. Они включают в себя: задание типа анализа, определение типа прикладываемой нагрузки, ее наложение (в том числе пошаговое) и удаление, запуск выполнения заданного вида анализа, а также некоторые другие полезные функции.

45

3. General Postproc – вкладка, разворачивающая для разработчика опции, доступные ему в режиме постпроцессора. Список этих опций включает в себя: чтение результатов расчета, в том числе с указанием того, какие именно результаты следует прочитать; запись результатов расчета в файл и чтение ранее записанных результатов из файла; возможность изменять и удалять какие-либо результаты; возможность разбиения процесса расчета на этапы (шаги) и пошагового чтения результатов, а также некоторые другие возможности.

4. TimeHist Postpro – вкладка, позволяющая работать с постпроцессором последовательности событий (Time History Postprocessor). Этот постпроцессор позволяет разработчику: определять параметры, зависящие от времени; выводить на экран графики величин, зависящих от времени; выводить их на экран в численном виде, а также производить их математическую обработку (в том числе производить арифметические действия, вычислять квадратные корни и абсолютные величины, выполнять операции логарифмирования и потенцирования, находить производные и интегралы, а также максимальные и минимальные значения полученных зависимостей). У этого постпроцессора существуют и другие возможности, такие как построение спектра или сглаживание результатов расчета при помощи кубических сплайнов.

5. ROM Tool – вкладка, дающая возможность работы со структурами пониженной размерности. Одной из весьма плодотворных идей, заложенных при создании ANSYS, является идея сведения расчета 3D-структур к расчету 2D-структур при помощи параметризации. Этаидеяпозволяетсущественносократитьвремя, затрачиваемоенаразработку, если известна функция, связывающая параметр с той или иной реальной3D-структурой. Тогдазадачаоптимизацииинтересующейразработчика модели может быть сведена к поиску определенного значения данного параметра и дальнейшему расчету уже одной, заранее оптимизированной структуры.

6. Radiation Opt – вкладка, позволяющая разработчику задавать источники излучения и работать с ними при помощи различных методов.

7. Две оставшиеся вкладки, Session Editor и Finish, позволяют редактировать текущий сеанс работы и завершать его.

Описанная нами левая информационная панель является, как и многое в ANSYS Mechanical APDL, зависящей от действий, выполненных разработчиком. По окончании выполнения расчета модели во вкладках, описанных выше, появляются новые опции, перечислим их.

46

Вдереве вкладок Solution появляется вкладка Physics, связанная

сфизическими свойствами созданного объекта и типом выполненного анализа.

Вдереве вкладок General Postproc появляются вкладки:

1) Failure Criteria – вкладка, позволяющая создавать критерии возникновения ошибок при вычислении и управлять этими ошибками;

2) Plot Results – вкладка, дающая возможность вывода на экран распределения различных физических величин в рамках выполненного расчета;

3) List Results – вкладка, предоставляющая разработчику возможность вывода интересующего его распределения той или иной физической величины в цифрах на экран;

4) Query Results – нажатие этой вкладки позволяет выводить наэкранрешения, полученныедляКЭопределенноготипа(еслимодель содержит КЭ разных типов);

5) Path Operations – важная вкладка, предоставляющая разработчику возможность самостоятельно задать линию (путь), вдоль которой постпроцессор снимет значения интересующей разработчика физической величины и выведет ее распределение на экран в виде некоего графика, зависящего от координаты;

6) Surface Operations – вкладка, во многом аналогичная предыдущей и позволяющая разработчику выделять в созданной им 3D-мо- дели двумерные сечения и отображать на них распределение интересующей его физической величины. Разработчик может также, пользуясь этой вкладкой, сохранять результаты расчета в виде массива, производить над ними различные математические операции, в том числе арифметические действия, взятие тригонометрических и обратных тригонометрических функций, вычисление абсолютных величин и натуральных логарифмов, скалярных и векторных произведений и т. д.;

7) Submodeling – вкладка, пользуясь которой можно проводить интерполирование полученных результатов расчета, т. е. получать значенияинтересующейразработчикафизическойвеличинывточке, находящейся в промежутке между двумя узлами созданной разработчиком сетки разбиения модели.

47

2.2.2. ФУНКЦИИ ПРЕПРОЦЕССОРА ПО СОЗДАНИЮ ГЕОМЕТРИИ

Созданиегеометриилюбоймоделии определение физических условий ее расчета производится в рамках препроцессора. Дерево вкладок Preprocessor содержит в себе следующие функции:

1) Element Type – работа с конечными элементами;

2) Real Constants – задание физических констант и управление ими; 3) Material Props – выбор материалов для создаваемой модели

и указание для них требуемых свойств;

4) Sections – работа с выделенными областями создаваемой модели; 5) Modeling – создание исходной геометрии модели;

6) Meshing – разбиение модели или отдельных ее частей сеткой КЭ; 7) Checking Ctrls – проверка созданной модели на ее геометрическую адекватность, например на пригодность формы КЭ для проведе-

ния вычислений;

8) Numbering Ctrls – управление нумерацией точек, линий, площадей, объемов, КЭ, узлов, физических констант, материалов, степеней свободы и систем координат, что очень полезно и необходимо при слиянии отдельных частей модели в одну единую модель;

9) Archive Model – архивированиемодели, т. е. записьданных вфайл и чтение их из файла;

10) Coupling / Ceqn – работа с сопряженными элементами модели, например узлами, степенями свободы и т. п.;

11) Multi-field Set Up – решение задач сопряженного анализа, т. е. анализа, при котором решение, полученное для одного физического поля(например, полядеформаций), используетсявкачественачального условия для расчета другого физического поля (например, поля электрических потенциалов);

12) Loads – работа с нагрузками, включающая в себя их определение, переопределение, задание нового типа анализа и т. д.;

13) Physics – работа с физическими условиями создаваемой модели; 14) Path Operations – работа с путями, т. е. линиями, вдоль которых будут далее сканироваться и выводиться на экран результаты моделирования. Она включает в себя определение пути, присваивание ему имени, рисование его на экране, уничтожение, модификацию и т. д.

В рамках первичного знакомства с созданием геометрии далеко не все из этих функций требуются на практике, поэтому здесь мы ограничимся подробным описанием лишь наиболее важных из них.

48

2.2.2.1.ЗАДАНИЕ ТИПА КОНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА

ИФИЗИЧЕСКИХ КОНСТАНТ

Дерево вкладок Element Type дает возможность задания того типа КЭ, которыйтребуетсяприсвоить тому илииному объекту модели либо всей модели в целом. В рамках этой вкладки можно добавить, изменить или удалить КЭ (при помощи вкладки Add/Edit/Delete), переключить тип КЭ (Switch Elem Type), добавить степени свободы (Add DOF) или удалитьих(Delete DOF), атакженастроитьавтоматическоеуправление типом КЭ (Elem Tech Control). При нажатии вкладки Add DOF появляется дополнительное меню, где приведен список допустимых степеней свободы, из которых можно выбрать до 10 дополнительных к уже имеющимся в рамках выбранного типа КЭ. Например, можно добавить смещения (UX, UV, UZ), вращения (ROTX, ROTY, ROTZ), температуру (TENP), электрическую разность потенциалов (VOLT), электрический ток (CURR), ЭДС (EMF), давление (PRES), а также скорости (VX, VY, VZ) и ускорения (AX, AY, AZ).

Необходимо помнить о том, что существуют КЭ различных типов, каждый из которых поддерживает вполне определенные виды анализа. После нажатия в дополнительном меню клавиши Add открывается еще одно меню, в котором перечислены все имеющиеся в ANSYS типы КЭ, разбитые по группам. Выбор курсором той или иной группы открывает

всоседнем окне список КЭ, относящихся к данной группе. Например,

вгруппе Electrostatic (КЭ, предназначенные для расчета электростатических полей) существует три элемента: двумерный квадратный (2D Quad), параллелепипед (3D Brick) и тетраэдр (3D Tet).

Как правило, форма созданной модели диктует выбор КЭ той или иной формы. Если в дополнительном меню с указанием списка КЭ указать курсором один из них и нажать клавишу OK, то в окне типов элемента появится выбранный КЭ под своим названием. Например, указав тип элемента 2D Quad, получим в окне типов элементов его название: PLANE121.

Для решения большинства задач по механике твердых тел подходит группа Structural Mass, в которой можно выбрать подходящий тип элемента, например балка (Beam), трубка (Pipe), твердое тело (Solid), оболочка (Shell), твердотельная оболочка (Solid-Shell). Для решения задач о поле распределения прогибов в тонкой прямоугольной жестко защемленной пластинке идеально подходят КЭ SOLID185 и SOLID186, причемпервыйсодержит8 узлов, авторой20 узлов. Необходимопонимать, что чем больше узлов содержит КЭ, тем выше точность расчетов,

49

но обработка большого количества узлов увеличивает время расчета модели.

Дерево вкладок Real Constants позволяет определить для создаваемой модели какие-либо численные (вещественные) физические константы, которые будут использоваться далее при создании геометрии модели и при ее расчете. Это осуществляется при помощи вкладки Add/Edit/Delete. В частности, одним из таких параметров является толщина, котораяможетбытьнеодинаковойдляразныхточексоздаваемой модели. В таком случае ее можно задать как функцию от толщины (Thickness Func), и оформить в виде таблицы, в зависимости от номера задаваемого узла.

2.2.2.2. ЗАДАНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Дерево вкладок Material Props позволяет работать с физическими свойствами материалов, входящих в модель. В частности, их можно прочитатьизфайла(Read from File) илизаписатьвфайл(Write to File). При нажатии на эти вкладки возникает дополнительная панель; в ней следуетуказатьпутьккаталогу, содержащемуфайлсданными, которые требуется прочитать, или к каталогу с файлом, куда требуется осуществить запись.

Вкладка Temperature Units позволяет задать для создаваемой модели температурные единицы измерения (К, °С или F). При щелчке ЛКМ поэтойвкладкеоткрываетсядополнительнаяпанель, вкоторойэтоможно осуществить. Аналогично можно поступить и с электромагнитными единицами измерения, щелкнув ЛКМ по вкладке Electromagnetic Units, и в открывшемся окне определить тип системы единиц (MKS или пользовательская). В целом систему единиц в рамках приложения ANSYS Mechanical APDL можно задать последовательным нажатием вкладок Material Library Select Units. При этом открывается окно с типами систем, которыеразработчикможетзадаватьдлясвоеймодели. Приэтомнаиболее употребительнымибудутSI (MKS) иCGS, атакжепользовательская.

В рамках задания свойств материалов можно пересчитать таблицу коэффициентовтепловогорасширениятелALP(x, y, z), переходяоттемпературы, заданной пользователем, к некоторой базовой температуре (Reference temperature). Это делается при помощи вкладки Convert ALPx. Еще более тонкая работа выполняется при помощи вкладки Change Mat Num: она позволяет менять отдельным выбранным КЭ тип присвоенного им материала.

50