Проектирование электронной компонентной базы в ANSYS Workbench. Учебное пособие
.pdfКомандная строка – специально отведённое место на рабочем столе ANSYS. Через командную строку разработчик может либо задавать параметры модели в ручном режиме, либо запустить макрос на выполнение. Более подробно ознакомиться с интерфейсом ANSYS можно в разделе «Помощь» (Help), описание которого дано в подраз-
деле 2.2.4.
Графический интерфейс разработчика (GUI) – режим моделиро-
вания, в котором разработчик решает поставленную задачу «шаг за шагом», при помощи нажатия курсором мыши на соответствующие кнопки на различных панелях ANSYS. Этот режим работы также позволяет разработчику создавать геометрию рассматриваемой модели, «рисуя» её на рабочем столе ANSYS (сначала задавая точки, затем – линии, затем – площади и, наконец, объёмы). В данном режиме работы любую точку, линию, площадь или объём, созданные неправильно, можно выделить и удалить, а затем перерисовать заново.
Проект – созданная разработчиком совокупность геометрии моделируемого объекта, систем координат, системы единиц, физических констант, физических свойств материалов, входящих в объект, вида анализа, граничных и начальных условий, полученных и сохранённых решений и т. д. Если сказать одним словом, то проектом называется всё, что создал разработчик.
2.2.3. Рабочий стол проекта
После запуска ANSYS Workbench разработчику открывается рабочий стол проекта, состоящий из нескольких основных частей.
Схема проекта (Project Schematic) – основная часть рабочего стола. В этом окне формируется и отображается непосредственно сама структура проекта со всеми его внутренними связями. Внутренние связи в проекте задаёт сам разработчик. В некоторой степени такая структура напоминает режим «Конструктор» в Microsoft Access. Однако если в Access каждый из отображаемых на экране блоков представляет собой таблицу, входящую в базу данных, то в ANSYS Workbench каждый такой блок представляет собой определённую часть создаваемой или созданной модели объекта. Например, определённый блок задаёт тип анализа со всеми присущими ему характеристиками, другой блок описывает геометрию объекта, третий – физические свойства материалов, применяемых в модели объекта, и т. д.
21
Для создания и редактирования структуры модели применяется технология drag-and-drop (принести и оставить).
Технология drag-and-drop подразумевает под собой операцию, в ходе которой объект на экране (например, какой-либо из блоков структуры модели) перетаскивается с места на место при помощи мыши. Для этого курсор мыши наводится на объект на экране, зажимается левая кнопка мыши (ЛКМ), объект «прилипает» к ней и пользователь получает возможность перетаскивать его с места на место. Когда объект находится в нужном месте экрана, кнопку мыши отпускают.
Каждый из блоков структуры модели содержит контекстное меню, ряд надписей в котором является кнопками, которые можно нажимать при помощи ЛКМ, наведя курсор на любую из них. При нажатии появляется дополнительное окно меню с перечнем всех опций, доступных в рамках данного меню. Моделирование объекта, таким образом, сводится к последовательному выбору определённых опций, для каждой из которых в окне схемы проекта создаётся свой блок. Тем самым последовательно формируется сложная, разветвлённая структура, которая и представляет собой проект.
Левая информационная панель (Toolbox) – часть рабочего стола,
представляющая собой набор средств ANSYS Workbench, которые могут быть задействованы в ходе моделирования. Для активации опций, доступных через панель, нужно нажать кнопку Просмотреть всё (View All/Customize). Например, в состав левой информационной панели входят всевозможные виды анализа (структурный, тепловой, спектральный и т. д.). Для того чтобы активировать тот или иной вид анализа (т. е. указать его в проекте), достаточно воспользоваться технологией drag-and-drop и перетащить соответствующий вид анализа из левой информационной панели непосредственно в область схемы проекта. В этом случае значок информационной панели, соответствующий данному виду анализа, в окне схемы проекта развернётся в блок, открывая возможность для дальнейшего моделирования структуры проекта.
Ряд возможностей ANSYS Workbench также отображен на верхней информационной панели. Эта панель содержит разделы: Файл (File),
Вид (View), Инструменты (Tools), Единицы (Units), Расширения (Extensions) и Справка (Help). Раздел Файл предназначен для работы с файлами (создания или открытия проекта, записи данных в проект, импортирования данных из проекта, экспортирования их в проект, подписания проекта электронной подписью и т. п.). Раздел Вид пред-
22
назначен для рассмотрения геометрии созданной модели в различных ракурсах. Раздел Инструменты позволяет обновлять данные в проекте, а также задавать собственные значения допусков для решения задач.
Последнее представляется наиболее важным, так как при расчёте реального физического поля (например, поля прогибов и деформаций в механическом упругом элементе) первоначально заданная сетка конечных элементов искажается, КЭ деформируются, и углы между рёбрами КЭ могут достигать запредельных значений. Так, например, если значение угла стало отрицательным, программа выдаст ошибку и прекратит дальнейшее выполнение процедуры расчёта. Если же значение угла остается положительным, но всё же меньше предельно возможного для КЭ, программа выдаст предупреждение, но продолжит работу. С целью преодоления подобных ситуаций в ANSYS и предусмотрена возможность изменения допусков на расчёт по собственному усмотрению разработчика.
Раздел Единицы позволяет задавать систему единиц для проекта (по умолчанию стоит система интернациональная), а раздел Расширения позволяет управлять расширениями файлов, с которыми работает ANSYS. Раздел Справка предоставляет возможность запуска справочной системы ANSYS, на которой следует остановиться более подробно.
2.2.4. Справочная система ANSYS
Справочная система ANSYS (Help) является наиболее полным и структурированным пособием по изучению возможностей ANSYS и применению их для решения поставленных задач.
В справочной системе можно найти ответы на следующие вопросы.
Как установить ANSYS?
Как сконфигурировать его под свои потребности? Что означает та или иная кнопка на какой-либо панели?
Как прочитать данные из внешнего файла и как записать данные во внешний файл?
Как приобрести лицензию на ANSYS? Какие ограничения установлены в ANSYS?
Ответы на многие другие чисто технические вопросы, связанные с организацией работы в среде ANSYS Workbench, также можно найти в справочной системе.
23
Всправочной системе ANSYS имеются разделы, посвящённые самым различным типам анализа, а также техническим приёмам, применяемым для выполнения этих видов анализа. В частности, имеется раздел, посвящённый работе в окне схемы проекта (Project Schematic), который называется DesignModeler User’s Guide. Все вопросы, касающиеся работы в Project Schematic, подробно освещены в этом разделе.
Всправочной системе ANSYS отдельно описана работа с текучей средой (например, водой). Соответствующий раздел справки носит название Aqwa (вода). Дается описание того, как создавать геометрию модели, как учитывать свойства материала, действующие нагрузки (ветер, течение) и т. д. Справка содержит достаточный объём теоретического материала, посвященного физике процессов, которые могут быть учтены при создании КЭ-модели. Если разработчик не является специалистом в данном вопросе, руководство по теории (Theory Manual) позволит ему лучше вникнуть в существо поставленной задачи и обрисовать для самого себя, что требуется сделать для решения поставленной задачи и в каком порядке.
Работа с течениями (потоками) различных жидкостей и газов также описана в разделе Fluent (течение) справки ANSYS. В разделе, кроме того, приводится необходимая последовательность шагов для выполнения анализа текучей среды, описаны способы генерации сетки КЭ (Meshing), дана соответствующая поддержка для понимания теории физических процессов, возникающих при течении жидкости или газа. Имеется глоссарий терминов, применяемых при описании КЭ модели. Важно отметить, что сведения из теории, а также определения и термины во всех разделах справки ANSYS описаны в максимально сжатой и удобной для понимания форме. Наконец, в целях облегчения разработчику решения поставленной перед ним практической задачи в структуре справки ANSYS предусмотрены интерактивные обучающие ролики (Tutorials). Просматривая их и выполняя последовательно требуемые шаги, он приобретает начальные навыки работы в ANSYS Workbench, а также выполнения требуемого ему типа анализа.
Наконец, существенная часть справки ANSYS посвящена описанию внутреннего языка программирования ANSYS. Этот раздел носит название Mechanical APDL. Данное название раздела соответствует названию приложения ANSYS, в котором, однако, можно решать целый комплекс разнообразных физических задач, не ограничиваясь задачами чисто механическими. Более подробно возможности Mechanical APDL будут раскрыты в следующем разделе.
24
APDL расшифровывается как ANSYS Parametric Design Language (параметрический язык программирования ANSYS для конструктора). Этот язык содержит множество команд, перечень которых приведен в
разделе Mechanical APDL Commands Reference. Описание каждой из команд с подробным изложением правил её применения можно получить, пройдя по соответствующей ей гиперссылке. Более подробно со структурой некоторых команд языка ANSYS ознакомимся в соответствующем разделе.
В данном разделе справки присутствует также полный перечень КЭ, имеющихся в ANSYS. Перейти к перечню КЭ можно по ссылке
Mechanical APDL Elements Reference. Пройдя по гиперссылке, соот-
ветствующей конкретному типу КЭ, можно вывести на экран его полное описание с указанием типа анализа, в котором этот КЭ может применяться.
Кроме того, в разделе Mechanical APDL Materials Reference
можно найти подробное описание типов материалов, которые могут применяться в ANSYS, с указанием того, в каком типе анализа и с каким типом КЭ может применяться данный материал.
Так же как и в других разделах справки, в разделе Mechanical
APDL Theory Reference дано необходимое теоретическое введение в
тот или иной тип анализа, применяемый в рамках приложения Mechanical APDL. Наконец, в конце раздела приведены обучающие ролики (Tutorials), позволяющие потренироваться в работе с данным приложением.
Рассмотрим раздел ANSYS Mechanical APDL более подробно.
2.2.5. ANSYS Mechanical APDL
Приложение Mechanical APDL запускается из левой информационной панели меню либо его загрузка может осуществляться отдельно, вне основной оболочки ANSYS. В результате загрузки появляется рабочий стол Mechanical APDL. Рассмотрим структуру окон и назначение панелей меню рабочего стола.
Основное место на рабочем столе занимает главное окно, в котором 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 R16.2 (Release 16.2, т. е. версия 16.2), текущая дата и время.
25
Правая информационная панель содержит кнопки, позволяющие осуществлять манипуляции с созданной моделью.
Цифра в окне над левой колонкой кнопок сверху означает номер окна, на которое будет распространяться действие.
Две кнопки ниже позволяют развернуть модель в изометрической (первая кнопка) и аксонометрической (вторая кнопка) проекции.
Спомощью шести следующих кнопок можно рассматривать модель с той стороны, которая на кнопке показана синим цветом.
Кнопка с лупой, внутри которой находится структура, даёт возможность вписать структуру в размеры окна.
Следующие кнопки с изображением лупы позволяют увеличить или уменьшить изображение модели на экране.
Спомощью четырёх следующих кнопок можно двигать изображение модели на экране в указанную стрелкой сторону. Для этого нужно нажать и удерживать соответствующую кнопку.
Следующие шесть кнопок позволяют вращать изображение модели на экране в сторону, указанную стрелкой вокруг указанной на кнопке оси.
Кнопка с изображением манипулятора (мыши) позволяет включить режим управления изображением модели клавишами мыши. Нажатие
иудерживание левой кнопки мыши позволяет перемещать изображе-
ние в желаемую сторону, в то время как нажатие и удерживание правой кнопки мыши даёт возможность вращать изображение в желаемую сторону.
Верхняя информационная панель содержит ряд кнопок, позво-
ляющих управлять созданной моделью.
Спомощью вкладки Файл (File) можно:
полностью удалить всю созданную модель со всеми её опциями
иначать работу над новой моделью (команда Clear & Start New);
сменить название рабочего файла (Change Jobname);
сменить рабочий каталог (Change Directory);
сменить название модели (Change Title).
Следующие команды меню Файл позволяют считывать данные из различных источников и записывать их в различные источники.
С помощью вкладки Выбор (Select) можно указать определённые части созданной модели или всю модель целиком.
Вкладка Изобразить (Plot) позволяет изобразить в главном окне следующие элементы созданной модели:
ключевые точки (Keypoints);
26
линии (Lines);
площади (Areas);
объёмы (Volumes);
отдельные элементы (Specified Elements);
узлы (Nodes);
элементы (Elements);
материалы (Materials);
другие интересующие разработчика элементы.
Кроме того, с помощью данной вкладки можно перерисовать модель, если в неё были внесены какие-либо изменения командой Пере-
рисовать (Replot).
Вкладка Управление изображением (PlotCtrls) в значительной мере дублирует правую информационную панель, поскольку позволяет, в частности, вращать её, приближать и удалять (командой Pan-Zoom- Rotate). Ею также можно задавать стили изображения, указывать цвета, источник света, анимировать изображение, создавать к нему подписи и многое другое.
Вкладка Рабочая плоскость (WorkPlane) позволяет отображать рабочую плоскость, её текущий статус, наклонять её при необходимости (командой Align WP with). Кроме того, с её помощью можно задать текущую глобальную систему координат (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 её тип. Система координат может быть декартова (Cartesian), цилиндрическая (Cylinder), сфериче-
ская (Spherical) и тороидальная (Toroidal).
Локальную систему координат можно задать и по ключевым точкам, набрав последовательность команд 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 трём уз-
лам, набрав последовательность команд Local Coordinate Systems
Create Local CS By 3 Nodes +, при этом должны быть выбраны три узла, не лежащие в одной плоскости.
27
Отдельного рассмотрения заслуживает последовательность команд
Local Coordinate Systems Create Local CS At Specified Loc +. При её наборе слева появится дополнительное окно, а курсор на экране изменит свою форму, превратившись в чёрную стрелку, направленную вертикально вверх. Нажатие левой кнопки мыши задаст точку на экране, которая будет обозначена жёлтым квадратом. Эта точка будет началом отсчёта новой, локальной системы координат. После нажатия пользователя на кнопку OK на дополнительной панели программа выведет на экран еще одну дополнительную панель, в которой будет необходимо задать тип локальной системы координат и её порядковый номер.
Если локальная система координат задана неправильно, её можно
удалить, набрав последовательность команд Local Coordinate Systems Delete Local CS.
Вкладка Параметры (Parameters) позволяет задать параметры в создаваемой модели. Параметры могут быть скалярные (Scalar), матричные (Array), а также они могут представлять собой функции (Functions), которые можно задавать и изменять (Define/Edit). Вкладка дает возможность задать угловые единицы (Angular Units), а также сохранять, восстанавливать и читать параметры (Save, Restore, Get).
Особую важность представляет собой вкладка Макро (Macro). Она включает режим создания макросов, т. е. программ на внутреннем языке ANSYS (Create Macro), а также выполнять макросы (Execute Macro). Командой Macro Search Path можно указать путь к макросу, если он хранится в каком-либо каталоге по выбору разработчика.
Вкладка Управление меню (MenuCtrls) позволяет оформить создаваемые модели, выбрав для них соответствующие цвета (Colors), шрифты (Fonts), а также вид верхней информационной панели (Toolbar). Наконец, вкладка Помощь (Help) запускает справочную си-
стему ANSYS командой Help Topics.
Рассмотрим правую информационную панель.
В правой информационной панели главными опциями являются
Препроцессор (Preprocessor), Решатель (Solution) и Постпроцессор
(General Postproc). Работа с ними и занимает наибольшее время, требуемое для моделирования. Опишем подробно методику моделирования в ANSYS Mechanical APDL.
28
2.2.6. Моделирование в ANSYS Mechanical APDL
Моделирование начинается с работы в препроцессоре. Вкладка Препроцессор содержит ряд вкладок, работа с которыми имеет вполне определённую последовательность.
Прежде всего для создания модели требуется задать ключевые точки (Keypoints), являющиеся основой модели. Для этого нужно
выполнить последовательность команд Preprocessor Modeling
Create Keypoints. Ключевые точки можно указать непосредственно на рабочей плоскости командой On Working Plane, в этом случае появляется дополнительное меню, а курсор изменяет форму при вхождении в рабочую плоскость (главное окно моделирования). Нажатие ЛКМ в любом месте задаёт точку, затем требуется зафиксировать её, нажав OK в дополнительном меню. Заданной точке сразу же присваивается номер. Однако такой способ задания точек неудобен, так как точное указание координат в таком способе невозможно, а при натягивании плоскостей на линии, соединяющие заданные точки, могут получиться отрицательные углы, что недопустимо в ANSYS. Поэтому более практичным представляется другой способ задания, командой In Active CS (в активной системе координат). При этом появляется дополнительное меню, в котором от разработчика требуется указать номер точки и её координаты в текущей системе координат. Разумеется, при таком способе задания точек от разработчика требуется предварительно нарисовать эскиз модели на бумаге, расставить номера точек и указать их точные координаты.
Система нумерации точек может быть выбрана разработчиком на свой вкус, но для моделей, близких по форме к параллелепипедам или состоящих из них, разумно предложить систему нумерации, в которой первая цифра номера точки обозначает номер уровня, на котором находится данная точка. К примеру, точка, находящаяся на нижнем (нулевом) уровне может иметь номер 1, а точка, связанная с ней, но расположенная уровнем выше – номер 101, далее – 201 и т. д.
Если разработчик случайно ошибся при задании координат или номера точки, неправильно заданную точку можно легко удалить. Для
этой цели достаточно открыть вкладку Delete (Preprocessor Modeling
Delete Keypoints). Откроется дополнительное меню, а курсор при входе на рабочую плоскость изменит свой вид. Далее следует выбрать курсором заданную неверно точку и в дополнительном меню нажать OK.
29
Если при попытке удалить какую-либо неверно заданную точку разработчик случайно выбрал курсором другую точку (что возможно при близком расположении точек или при видимом наложении одной точки на другую), можно снять выделение. Для этого в дополнительном меню следует выбрать опцию Unpick. Теперь при входе на рабочую плоскость курсор изменит вид и будет представлять собой такую же стрелочку, как и при создании точки, но направленную вниз. После снятия выделения следует нажать OK в дополнительном меню и вновь приступить к выделению ошибочно заданной точки.
После задания точек требуется задать линии командой Preproces-
sor Modeling Create Lines Straight Line (непрерывная ли-
ния). Появится дополнительное меню, и программа потребует указать точки, между которыми будет натянута линия. При этом разработчик должен будет указать курсором две желаемые точки и нажать OK в дополнительном меню. Процедура должна повторяться до тех пор, пока все линии, требуемые в модели, не будут заданы. Программа автоматически будет присваивать номера создаваемым линиям. Неверно заданную линию также можно удалить через вкладку Delete. При этом возможны два варианта. Можно удалить либо только линию (Lines Only), либо линию и ключевые точки, на которые она опирается (Line and Below). При удалении линий процедура практически такая же, как при удалении точек.
После задания линий требуется задать площади, т. е. грани модели. Для задания площади нужно выполнить последовательность команд
Preprocessor Modeling Create Areas. Опция задания площадей позволяет задавать площади требуемой формы: прямоугольник (Rectangle), окружность (Circle), многоугольник (Polygon). Также возможно создавать площади свободной формы (Arbitrary). Нажатие вкладки Arbitrary предоставляет возможность создания площади либо непосредственно по ключевым точкам (Through KPs), либо по линиям (By Lines). Если задавать площадь по точкам, то нужно указать курсором в последовательности все точки, ограничивающие задаваемую площадь, соблюдая при этом направление обхода контура. Если задавать площадь по линиям, то в той же последовательности нужно выделить курсором все линии, ограничивающие задаваемую площадь. Нажатие кнопки OK на панели дополнительного меню генерирует задаваемую площадь.
Аналогичным образом задаются объёмы. Для задания объёмов нужно выполнить последовательность команд Preprocessor Modeling
30