ANSYS Mechanical

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Научно-исследовательский центр СтаДиО

Верификационный отчет

по программному комплексу ANSYS Mechanical

Том 1

Руководитель работы докт.техн.наук, профессор А.М.Белостоцкий

Ответственные исполнители

С.И. Дубинский А.А. Аул

Исполнители

А.И. Нагибович И.Н. Афанасьева О.А. Козырев А.С. Павлов

Москва, 2009

4.3Реализация верифицируемых типов решаемых задач (виды расчетов) в ПК

4.3.9Физическая нелинейность (металл, железобетон, грунт, резина, дерево,…)33

Приложение 1 (том 2). Верификационные примеры из ANSYS Verification Manual

Приложение 2 (том 3). Задачи, предложенные экспертами и разработанные авторами отчета

Приложение 3 (том 4). Опыт применения ANSYS в проектной и экспертной практике

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 1

1 Список сокращений

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 1

2 Введение

Численное (в обиходе – “компьютерное”) моделирование статического, температурного и динамического напряженно-деформированного состояния зданий, сооружений и конструкций без каких-либо существенных ограничений основано на различных формулировках метода конечных элементов (МКЭ), реализованного в известных программных комплексах. В отличие от машиностроения, где широко распространены т.н. “тяжелые” универсальные зарубежные (ABAQUS, ANSYS, NASTRAN, COSMOS/M, …) и

отечественные (СТАДИО, ЗЕНИТ,…) пакеты, в промышленном, гражданском и транспортном строительстве расчеты, как правило, проводятся специализированными строительно-ориентированными пакетами (Лира, SCAD, MicroFE, Stark ES, Robot Millennium и др.).

Несомненными достоинствами последних являются большая практика применения в массовом проектировании, наличие сертификатов Госстроя РФ, подтверждающих учет методик СНиП, умеренная цена, делающая их доступными даже небольшим проектным организациям. Применяемые алгоритмы прошли испытание временем и их возможностей достаточно для типовых практических задач.

Вместе с тем, широкое распространение нетипового строительства, «точечной» застройки, повышение высотности зданий и строительство большепролетных сооружений уникальной архитектуры и конструктивных решений привело к усложнению решаемых задач. Появилась необходимость учета ряда важных факторов, не находящих пока должного разрешения в специализированных пакетах, в том числе:

•Большие размеры моделей и вычислительных задач (до нескольких десятков миллионов узлов, до нескольких тысяч собственных частот/форм колебаний и т.п.) и необходимость поддержки многопроцессорных расчетов с распараллеливанием вычислений

•Трудоемкость подготовки моделей и совершенствование алгоритмов автоматической генерации сеток.

•Геометрическая нелинейность в поведении большепролетных сооружений

•Учет разнообразного физической нелинейности поведения строительных материалов (металлы и сплавы, бетон и железобетон, каменная и кирпичная кладка, деревянные и резиноподобные, грунты и скальные массивы)

•Необходимость совместного учета грунта и конструкции в нелинейной

постановке

•Сложный характер ветрового нагружения и его большая динамическая составляющая

•Необходимость анализа “нештатных” ситуаций в высоконелинейной динамической постановке с учетом разрушения (например, прогрессирующего разрушения)

•Необходимость решения нетиповых задач теплообмена и вентиляции

•Оптимизация проектных параметров нетиповых конструкций

Программные продукты ANSYS разрабатываются с конца 60-гг. прошлого столетия. Компания ANSYS, Inc. основана в 1970 г. Дж. Суонсоном (Dr. John Swanson) и до 1994 года именовалась как SAS Inc. (Swanson Analysis Systems).

Первая коммерческая версия выпущена в 1971 году. На 2009 год насчитывается около 200 тысяч коммерческих и более 200 тысяч университетских инсталляций по всему миру. В СНГ ANSYS приобрели и используют уже около 300 организаций.

Программный комплекс аттестован Госатомнадзором РФ (рег. номер ПС в ЦОЭП при РНЦ КИ №490 от 10.09.2002, рег. номер паспорта аттестации №145 от 31.10.2002, Рис. 2.1). Ранее и позже сертифицирован многими авторитетными зарубежными органами (ISO-9001, ISO 9000-3, British standard BS 5750, Lloyd’s Register’s software certification, NAFEMS QA certification и др.). Сертификат Lloyd’s Register’s эквивалентен сертификации Морским Регистром РФ.

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 1

Рис. 2.1 Аттестационный паспорт Госатомнадзора РФ (2002 г.)

Основная цель разработанного верификационного отчета заключается в демонстрации широкого круга конечных элементов и других возможностей ПК ANSYS Mechanical в задачах, имеющих отношение к строительной отрасли и имеющих “классическое” или легко получаемое теоретическое решение. Кроме того, тесное согласование решений ПК ANSYS Mechanical с теоретическими результатами в данном отчете позволяют пользователю быть уверенным в достоверности результатов ПК ANSYS Mechanical. Была предпринята попытка включить большинство типов элементов и основные возможности ПК ANSYS Mechanical в набор тестовых примеров. Эти примеры могут служить основанием для дополнительной проверки и уточнения возможностей ПК ANSYS самим пользователем.

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 1

3 Назначение и область применения ПС

ANSYS Mechanical – универсальный многоцелевой программный комплекс, позволяющий решать стационарные и нестационарные задачи теории поля (теплопроводность, фильтрация и др.), выполнять расчет статического, температурного и динамического напряженно-деформированного состояния и оптимизации произвольных пространственных комбинированных конструкций, зданий и сооружений с учетом эффектов физической, геометрической, структурной (контакты с трением) и генетической (история возведения и нагружения) нелинейностей на основе метода конечных элементов.

Широкий спектр возможностей ПК ANSYS позволяет инженерам-исследователям моделировать произвольные пространственные комбинированные (массивно-оболочечно- плитно-стержневые из различных материалов-сред) строительные конструкции, здания и сооружения, включая:

•наземные и подземные, высотные и большепролетные, монолитные и панельные, вантовые;

•металлические (стальные, чугунные, сплавы), бетонные, железобетонные, сталежелезобетонные, каменные и кирпичные, деревянные, резиновые и резинометаллические, грунтовые;

•сложные конструктивные узлы.

Основной задачей конечноэлементного расчета конструкций является исследование ее поведения в условиях приложения разнообразных внешних нагрузок и воздействий. ПК ANSYS дает возможность приложения следующих видов нагрузок (применительно к строительной тематике):

•заданные тепловые и фильтрационные потоки (теория поля);

•статические объемные, поверхностные, линейные и узловые силы и моменты, включая температурные, весовые, снеговые, средние ветровые и др.;

•пульсационная (динамическая) составляющая ветровой нагрузки;

•сейсмические, заданные трехкомпонентными спектрами ответа и акселерограммами;

•силовые динамические, заданные временной реализацией;

•вибрационные, заданные амплитудами и частотами воздействия;

•случайные динамические, заданные спектрально (PSD).

ПК ANSYS широко применяется в аэрокосмической, автомобильной, строительной, электронной, энергетической, производственной, ядерной, пластмассовой, нефтяной и сталелитейной промышленности. Кроме того, многие консалтинговые фирмы и сотни университетов используют ПК ANSYS для расчетов, научных исследований и в образовательных целях. ПК ANSYS признается во всем мире как один из наиболее широко используемых.

Практические ограничения по размерности решаемых задач определяются размерами доступной оперативной памяти, дискового пространства и времени счета. Вычислительные возможности компьютера зависят от размера используемых моделей также как и от вида анализа, выбора решателя и используемых при расчете конечных элементов.

Ниже приведены общие соображения по требуемому объему оперативной памяти для расчетов по ПК ANSYS:

1) Общим правилом для решателей ANSYS может быть 1 GB оперативной памяти на миллион степеней свободы (DOFs). Это правило подходит как для итерационных решателей (таких как PCG), так и для прямых (таких как direct sparse solver). Трехмерные модели, состоящие из элементов второго порядка, требуют больше памяти при расчете (требования к памяти возрастают в 2–3 раза, в случае применения sparse solver), а также несколько широко используемых элементов в ANSYS (к примеру, SOLID92 и SOLID95) используют наоборот

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 1

гораздо меньше памяти при использовании итерационного решателя PCG и опции MSAVE,ON (сейчас она используется по умолчанию везде, где это только возможно).

2)Требования итерационного решателя к системе ввода/вывода те же, что и к памяти за исключением некоторых видов расчетов, включающих множество шагов нагружения, которые могут сгенерировать очень большие файлы результатов. Запуск “Sparse solver” требует 10 GB файлов на миллион степеней свободы. Это число может увеличиваться в 2–3 раза при использовании 3D моделей с элементами высшего порядка. Блочный метод Ланцоша (Block Lanczos) является, пожалуй, наиболее требовательным к вычислительным ресурсам и операциям ввода/вывода решателем ПК ANSYS.

3)Средства ввода/вывода не могут ускоряться процессорами. Это проблема является также проблемой управления итерационными решателями и может привести к потере производительности при использовании решателей Sparse. Большинство современных операционных систем, включая Windows, используют некоторые объемы оперативной памяти для большего кэша файлов. Таким образом, аппаратные системы с большим объемом памяти, в общем случае более предпочтительны.

4)Высокопроизводительные вычисления могут быть проведены на любых конфигурациях аппаратного обеспечения, если размер модели в ПК ANSYS полностью соответствует присутствующему в компьютере количеству оперативной памяти.

5)Уже существуют примеры решения задач с использованием ПК ANSYS, где было задействовано от 8 до 16 процессоров с более чем 100 Гб оперативной памяти. На таких аппаратных системах ПК ANSYS может решать модели размером в более чем 100 миллионов степеней свободы с лидирующей в своем классе инженерных программных комплексов скоростью. В меньших системах ПК ANSYS показывает предельно допустимую для них пиковую производительность, только если они правильно сконфигурированы, что достигается имеющимися в программном комплексе средствами оптимального управления памятью.

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 1

4 Описание ПС

4.1Типы решаемых задач (виды расчетов)

ПК ANSYS Mechanical является универсальным многоцелевым конечно-элементным программным комплексом, который может быть использован для решения различных классов инженерных задач. Верифицируемые в настоящем отчете возможности ПК ANSYS Mechanical включают:

1)решение стационарных и нестационарных задач теории поля (теплопроводность, фильтрация и т. п.);

2)статические расчеты конструкций (в т.ч., “монтаж” и расчет на прогрессирующее обрушение);

3)расчет собственных частот и форм колебаний в энергетически значимом частотном диапазоне и решение задач линейной устойчивости (частичная проблема собственных значений);

4)гармонический анализ (установившиеся вынужденные колебания);

5)решение задач линейно-спектральной теории сейсмостойкости (на спектры ответа);

6)спектральный динамический анализ (с разложением по собственным формам колебаний);

7)спектральный анализ случайных колебаний;

8)переходные динамические процессы (прямое интегрирование уравнений

движения);

9)решение задач оптимизации геометрической формы и структуры.

Программный комплекс содержит множество специальных опций, которые позволяют получить решение с учетом нелинейных эффектов, таких как анизотропия материала, пластичность, трещинообразование, гиперупругость, ползучесть, большие деформации и(или) перемещения, контакт, изменение жесткости, температурная зависимость.

4.2Верифицируемые возможности ПК ANSYS Mechanical

Верифицируемые возможности ПК ANSYS Mechanical можно структурно записать следующим образом:

9“Прочностные” задачи

•Статика

•Собственные частоты и формы колебаний

•Гармонический анализ

•Переходные процессы

•Спектральный анализ и случайные колебания

•Линейная устойчивость конструкций

9Нелинейные факторы

•Геометрические нелинейности

•Большие деформации

•Большие прогибы

•Напряженная жесткость

•Физическая нелинейность

•Пластичность

•Ползучесть

•Вязкопластичность

•Гиперупругость…

9Контактные задачи

•Типы контакта

•Элементы “поверхность-поверхность”