Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ANSYS Mechanical

.pdf
Скачиваний:
776
Добавлен:
31.08.2019
Размер:
61.81 Mб
Скачать

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

Элементы “узел-поверхность”

Элементы “узел-узел”

Контакт деформируемых тел

Контакт деформируемого тела с жестким

9 Граничные условия

Для геометрической и для КЭ-моделей (заданные перемещения и кинематические связи групп узлов)

Начальные условия

Ввод нагрузок в форме таблиц или функций

Тепловые нагрузки

Преднапряжение

9Модели материалов

Упругие изотропные, трансверсально-изотропные, ортотропные

Пластичность металлов (теория течения с различными упрочнениями)

Гиперупругость (несжимаемые резиноподобные)

Вязкопластичность металлов

Ползучесть металлов

Образование трещин в бетоне и железобетоне

Нелинейная модель грунта (Друкера-Прагера)

Пользовательские материалы (нелинейная модель кирпичной кладки, деревянные клееные)

9Конечные элементы

Объемные КЭ (“солиды”)

Оболочечные элементы

Балочные КЭ

Трубы

2D и 3D гиперупругие

2D и 3D оболочки и “солиды” для тепловых задач

Многоточечные MPC

2D и 3D контактные

2D и 3D поверхностного эффекта

Опция “рождение-смерть”

9Теплопередача

Стационарные и нестационарные задачи

Теплопроводность

Теплообмен конвекцией

9Многодисциплинарные связанные задачи

Теплообмен + Прочность

9Оптимизация

Оптимизация параметров

Параметрическое моделирование

9Дополнительные возможности

Циклическая симметрия

Субмоделирование (дополнительный анализ зон конструкции)

Модальный синтез

Суперэлементы/подконструкции

9Методы решения

СЛАУ

Прямой разреженный метод (Sparse)

Итерационный метод сопряженных градиентов с предобуславливанием

(PCG)

Решение задач на собственные значения

ЗАО НИЦ СтаДиО (www.stadyo.ru stadyo@stadyo.ru), МГСУ (niccm@mgsu.ru), 2009

12

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

Блочный метод Ланцоша

Метод Ланцоша-PCG

Метод итераций в подпространстве

Решение нелинейных задач

Метод Ньютона-Рафсона

Метод окаймляющих дуг (Arc-length)

Интегрирование нестационарных уравнений теории поля (теплопроводность и т.п.)

“Метод трапеций” (Hughes)

Интегрирование уравнений динамики

Метод Ньюмарка

Метод HHT (Hilbert-Hughes-Taylor)

Спектральный расчет

Суперэлементные алгоритмы

Контактные взаимодействия

Метод штрафных функций

Метод множителей Лагранжа

Расширенный метод множителей Лагранжа

Оптимизация

Метод аппроксимации подзадачи

Метод 1-го порядка

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

ANSYS Mechanical

Численное моделирование статического, температурного и динамического напряженно-деформированного состояния зданий, сооружений и конструкций без какихлибо существенных ограничений в ПК ANSYS основано на реализации метода конечных элементов (МКЭ) в форме перемещений. Для решения основной системы уравнений формируются глобальные матрицы жесткости [K], демпфирования [C] и матрицы масс [M], а также вектор внешней узловой нагрузки {F}.

4.3.1Линейная статика

Для задач линейной статики решается следующая система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ):

[K ] {u}= {F}

(1)

или

[K ] {u}= {F a }+{F r },

(2)

где:

[K] – глобальная матрица жесткости

N

[K ]= [Ke ];

m=1

{u} – вектор узловых перемещений; N – количество элементов;

[Ke] – элементная матрица жесткости;

ЗАО НИЦ СтаДиО (www.stadyo.ru stadyo@stadyo.ru), МГСУ (niccm@mgsu.ru), 2009

13

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

{Fr} – вектор реакций от нагрузки;

{Fa} – вектор глобальной внешней нагрузки,

{F a }= {F nd }+{F ac }+ N ({Feth }+{Fepr })

m=1

где:

{Fnd} – вектор приложенной узловой нагрузки; {Fac} – вектор инерционных сил,

{F ac }= [M ] {ac }

где:

[M] – глобальная матрица масс,

N

[M ]= [Me ]

m=1

[Me] – элементная матрица масс; {ac} – глобальный вектор ускорений;

{Feth} – вектор температурной нагрузки в пределах одного элемента; {Fepr} – вектор давлений в пределах одного элемента.

Решение системы линейных уравнений (1) или (2) в программе осуществляется прямыми (Разреженный Sparse, Фронтальный Frontal) или итерационными (Сопряженных градиентов с предобуславливанием PCG, Сопряженных градиентов Якоби JCG, Сопряженных градиентов с неполным разложением Холецкого ICCG) методами.

В рамках верификации были рассмотрены наиболее эффективные универсальные схемы:

1)прямой разреженный метод (Sparse)

2)итерационный метод сопряженных градиентов с предобуславливанием (PCG).

4.3.1.1Прямой разреженный метод (Sparse Direct Solver)

Линейные матричные уравнения (1) решаются триангуляцией матрицы жесткости [K] для получения следующего уравнения:

[L] [U ] {u}= {F}

(3)

где:

 

[L] – нижняя матрица треугольного вида

 

[U] – верхняя матрица треугольного вида

 

Обозначим

 

[U ] {u}= {w}

(4)

Искомый вектор узловых перемещений {u} определяем, предварительно решив СЛАУ относительно {w}:

[L] {w}= {F}

(5)

а затем

ЗАО НИЦ СтаДиО (www.stadyo.ru stadyo@stadyo.ru), МГСУ (niccm@mgsu.ru), 2009

14

ANSYS Mechanical. Верификационный отчет. Том 1

 

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

 

[U ] {u}= {w}

(6)

Когда матрица жесткости [K] симметрична, ее можно записать в виде:

 

[K ]= [L] [L]T

(7)

в свою очередь

[K ]= [L

] [D][L ]

(8)

T

 

где [D] – диагональная матрица, члены которой могут быть отрицательными для некоторых нелинейных задач, что позволяет сформировать матрицу [L] без учета квадратного корня из отрицательного числа. Поэтому уравнения (3)-(6) можно представить в виде:

[L ] [D] [L ]

{u}= {F}

(9)

T

 

 

 

T

{u}

(10)

{w}= [D] [L ]

 

 

(11)

[L ] {w}= {F}

 

T

{u}= {F}

(12)

[D] [L ]

В том случае, когда матрица [K] редкозаполненная с коэффициентами, расположенными, в основном, вокруг главной диагонали, прямой разреженный метод предназначен для обработки только ненулевых элементов матрицы [K]. В целом, в ходе разложения Холецкого матрицы [K], (3) или (9), матрицы [L] или [L'] заполняются ненулевыми коэффициентами, расположенными на нулевых позициях матрицы [K]. Эффективность прямого разреженного метода определяется максимальной оптимизацией вышеописанного процесса.

4.3.1.2Итерационный метод сопряженных градиентов с предобуславливанием

(Preconditioned Conjugate Gradient)

Итерационный метод сопряженных градиентов с предобуславливанием (PCG) является эффективным и надежным для всех типов расчетов. PCG метод применим только для симметричных матриц жесткости.

Решается основная система линейных уравнений (1). Вектор узловых перемещений ищется в виде:

{u}=α1 {p1 }+α2 {p2 }+...+αm {pm }

(13)

где m n, где n – размер матрицы.

Алгоритм метода сопряженных градиентов реализован следующим образом (14):

{u0 }= {0} {R0 }= {F}

{z0 }= [Q]1 {F}

Do i = 1, n

If(Norm (R)ε 2 ) then

Set {u}={ui-1} Quit loop

Else

ЗАО НИЦ СтаДиО (www.stadyo.ru stadyo@stadyo.ru), МГСУ (niccm@mgsu.ru), 2009

15

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

If(i=1)then

 

β1=0

 

{p1}={R0}

α1 =

{z0 }T {R0 }

{p1 }T [K ] {p1 }

{R1 }={R0 }+α1 [K ] {p1 }

Else

Applying preconditioning:{zi-1}=[Q]-1{Ri-1}

β

 

=

{zi1 }T {Ri1 }

 

i

{zi2 }T {Ri2 }

 

 

{pi }= {zi1 }+ βi {pi1 }

α

 

=

{zi1 }T {Ri1 }

 

i

{pi }T [K ] {pi }

 

 

{Ri }= {Ri1 }+αi [K ] {pi }

Endif

Endif

End loop

Условие сходимости:

{Ri }T {Ri }

ε 2

(15)

{F}T {F}

 

 

где:

ε – точность, заданная пользователем;

{Ri }= {F}[K ] {ui }

{ui} – вектор решений на i-ой итерации. Вектор {u0} может быть нулевым.

4.3.2 Стационарные задачи теплопроводности (фильтрации)

Для стационарных задач теплопроводности (фильтрации) решаем СЛАУ (1) или (2), подставляя вместо глобальной матрицы [K ] матрицу теплопроводности, вместо вектора

перемещений {u} – искомый вектор узловых температур {T}, а вместо вектора приложенной глобальной внешней нагрузки {F a }{Qa }, где

{Qa }= {Qnd }+ N ({Qe }+{Qeg }+{Qec }), m=1

4.3.3Собственные частоты и формы колебаний

Уравнение движения для задач определения собственных частот и форм колебаний без учета демпфирования имеет вид:

[M ] {u}+[K ] {u}= {0}

(16)

Эффекты преднапряженного состояния могут быть учтены в матрице жесткости [K ]

(команда PSTRES,ON).

ЗАО НИЦ СтаДиО (www.stadyo.ru stadyo@stadyo.ru), МГСУ (niccm@mgsu.ru), 2009

16

ANSYS Mechanical. Верификационный отчет. Том 1

 

 

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

 

 

Для линейных систем свободные колебания являются гармоническими:

 

{u}= {φ}i cosωi t

 

(17)

где:

 

 

{φ}i – собственный вектор, соответствующий i-ой собственной частоте;

 

ωi i-я собственная круговая частота (радиан в единицу времени);

 

t – время.

 

 

Таким образом, уравнение (16) примет вид:

 

 

(ω2 [M ]+[K ])

{φ} = {0}

(18)

 

i

i

 

Нетривиальным решением (18) является:

 

 

 

[K ]ω2 [M ]

 

= 0

(19)

 

 

Через полученные значения круговых частот собственных колебаний {ω} можно выразить частоты собственных колебаний {f}:

fi

=

ωi

(20)

2π

 

 

 

Проблема собственных частот и форм колебаний может быть решена одним из методов, реализованных в ПК ANSYS Mechanical:

Редуцированный метод;

Метод итераций в подпространстве;

Прямой блочный метод Ланцоша;

Метод Ланцоша–PCG;

Несимметричный метод;

Метод демпфирования;

QR-разложение для задач с демпфированием.

Врамках настоящей верификации рассмотрены наиболее эффективные для задач большой размерности:

1) метод итераций в подпространстве;

2) прямой блочный метод Ланцоша;

3) метод Ланцоша-PCG.

4.3.3.1Метод итераций в подпространстве

Основной алгоритм метода итераций в подпространстве выглядит следующим образом:

1.Определение так называемых «сдвигов» s. В случае частотного анализа (ANTYPE,MODAL),) s = FREQB – низшая частота в частотном диапазоне.

2.Инициализация начальных векторов [X 0 ].

Количество начальных векторов (итераций) определяется равенством

q = p + d

(21)

где:

p – необходимое количество вычисляемых форм;

d – дополнительное число итерируемых векторов (по умолчанию d = 4)

ЗАО НИЦ СтаДиО (www.stadyo.ru stadyo@stadyo.ru), МГСУ (niccm@mgsu.ru), 2009

17

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

3.

Триангуляция “сдвинутой” матрицы

 

 

[K ]= [K ]+ s [M ]

(22)

[K ] – глобальная матрица жесткости системы;

[M ] – глобальная матрица масс (для модального анализа).

В качестве проверки используется свойство последовательности Штурма со сдвигом

s.

4.Для каждой итерации в подпространстве n от 1 до NM выполняются нижеследующие пункты 5-14. NM – максимальное количество итераций в подпространстве.

5.Формируется

[F ]= [M ] [X n1 ]

(23)

[F ]масштабируется по {λn1}, где {λn1} – предварительно оцениваемый вектор собственных значений.

6.Прямым фронтальным методом (EQSLV,FRONT) решается система уравнений

(29)относительно [X n ]:

[K ] [

 

n ]= [F ]

(24)

X

7.Вектор [X n ] масштабируется {(λn1 s) / λn1}.

8.Для сохраниения численной устойчивости проводится ортогонализация по Граму-Шмидту.

9.Определяются матрицы подпространства [K ] и [M ]:

 

[

 

 

 

 

]= [

 

 

 

 

n ]T [K ] [

 

 

n ]

(25)

 

K

X

X

 

 

[

 

 

]= [

 

 

 

n ]T [M ] [

 

n ]

(26)

 

M

X

X

10.

С учетом сдвига, получается

 

 

[

 

]= [

 

 

 

]+ s [

 

]

(27)

 

K

K

M

11.

Вычисляются собственные значения и векторы

подпространства с

применением обобщенного метода Якоби:

 

 

[K ] [Q]= [

 

] [Q] {λn }

(28)

 

M

где:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[Q] – собственные вектора подпространства;

 

{λn } – обновленные собственные значения.

 

12.

Обновление приближения к собственным векторам:

 

 

[X n ]= [

 

n ] [Q]

(29)

 

X

13.Если найдены отрицательные или лишние формы колебаний, их нужно удалить

исоздать новый случайный вектор.

14.Анализ сходимости полученных приближений:

Если для всех форм сходимость достигается:

ЗАО НИЦ СтаДиО (www.stadyo.ru stadyo@stadyo.ru), МГСУ (niccm@mgsu.ru), 2009

18

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

ei

=

(λi )n (λi )n1

< tol

(30)

B

 

 

 

 

где:

(λi )n i-е собственное значение, вычисленное на n-ой итерации;

(λi )n1 i-е собственное значение, вычисленное на (n-1)-ой итерации;

1.0

B = ( ) – выбирается наибольшее значение;

λi n

tol – предел сходимости, равный 10-5, то переходим к пункту 15.

Если требуется задать новый сдвиг, возвращаемся к пункту 3.

Для перехода на следующую итерацию, переходим к пункту 4.

15.Выполняется последняя необходимая проверка с использованием свойства последовательности Штурма.

4.3.3.2Прямой блочный метод Ланцоша

Для решения большой симметричной проблемы собственных значений помимо метода итераций в подпространстве применяют прямой блочный метод Ланцоша, имеющий более быструю сходимость.

Алгоритм блочного метода Ланцоша со сдвигом подробно описан в [194]. Для получения требуемого количества собственных векторов в модальном анализе блочный метод Ланцоша применяется совместно с проверкой последовательности Штурма.

Отметим, что блочная версия алгоритма позволяет сократить медленные операции ввода-вывода по сравнению с классической (неблочной) версией. Введение сдвигов существенно улучшает сходимость.

Альтернативой блочному методу Ланцоша является метод Ланцоша-PCG, требующий меньше вычислительных затрат.

4.3.3.3 Метод Ланцоша-PCG

Теоретические выкладки по реализации метода Ланцоша-PCG можно также найти в работе [194].

Несмотря на то, что данный метод основан на блочном методе Ланцоша, их реализация несколько отличается:

Значение сдвига в ходе вычислений остается неизменным;

Для решения уравнения (24) применяется метод PCG;

По умолчанию не выполняется проверка последовательности Штурма;

Не применим к задачам на устойчивость.

4.3.4Линейная устойчивость

Расчет на устойчивость в линейной постановке (частичная проблема собственных

значений) формулируется следующим образом:

([K ]+ λi [S]) {ψ}i ={0}

(31)

где:

[K ] – матрица жесткости системы;

[S] – матрица геометрической жесткости (stress stiffness matrix);

ЗАО НИЦ СтаДиО (www.stadyo.ru stadyo@stadyo.ru), МГСУ (niccm@mgsu.ru), 2009

19

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

λi i-е собственное значение (критическая нагрузка);

{ψ}i i-й собственный вектор перемещений (форма потери устойчивости).

Методы решения проблемы собственных значений, реализованных в ПК ANSYS Mechanical, перечислены в п. 3.3.3.

В рамках настоящей верификации применительно к задачам на линейную устойчивость рассмотрен прямой блочный метод Ланцоша (см. п. 3.3.3.2).

4.3.5Гармонический анализ (установившиеся вибрации)

При гармоническом анализе линейных систем с установившимися вибрациями решаются уравнения движения во времени:

[M ] {u}+[C] {u}+[K ] {u}= {F a }

(32)

где:

[M ] – матрица масс системы;

[C] – матрица демпфирования (диссипации) системы; [K ]– матрица жесткости системы;

{u} - вектор узловых ускорений; {u} - вектор узловых скоростей; {u} - вектор узловых перемещений;

{F a }- функция нагрузки, зависящая от времени.

Известно, что все точки системы движутся с одной частотой, но необязательно в одной фазе. Сдвиг по фазе объясняется наличием демпфирования. Поэтому перемещения могут быть представлены следующим образом:

 

{u}= {umax eiφ } eit

(33)

где:

 

 

umax

– максимальные перемещения;

 

i =

1 ;

 

Ω –круговая частота внешней нагрузки (радианы в единицу времени), Ω = 2πf ; f – вынуждающая частота;

t– время;

φ– сдвиг по фазе для перемещений (радианы).

Вкомплексной форме перемещения можно записать следующим образом:

 

{u}={umax (cosφ +isinφ)} eit

(34)

или

 

 

 

 

 

 

{u}={{u

}+i{u

2

}} eit

(35)

 

1

 

 

 

 

где:

 

 

 

 

 

{u1

}={umax cosφ} – вектор действительных значений перемещений;

 

{u2 }={umax sinφ} – вектор мнимых значений перемещений.

 

 

Вектор нагрузки может быть представлен по аналогии:

 

 

{F}={Fmax eiψ }eit

(36)

 

{F}={F

 

(cosψ +isinψ )} eit

(37)

 

max

 

 

 

 

ЗАО НИЦ СтаДиО (www.stadyo.ru stadyo@stadyo.ru), МГСУ (niccm@mgsu.ru), 2009

20

ANSYS Mechanical. Верификационный отчет. Том 1

 

 

 

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

 

 

{F}={{F

}+i{F }} eit

 

(38)

1

2

 

 

где:

 

 

 

Fmax – амплитуда приложенной силы;

 

 

 

Ψ – сдвиг по фазе для нагрузки (радианы);

 

 

 

{F1}={Fmax cosψ} – вектор действительных значений нагрузки;

 

 

{F2 }={Fmax sinψ} – вектор мнимых значений нагрузки.

 

 

Подставив выражения (35) и (38) в (32), получим:

 

 

(−Ω2 [M ]+i[C]+[K ]) ({u1}+i{u2 }) eit = ({F1}+i{F2 }) eit

(39)

Выполнив необходимые преобразования, представим уравнение (39) в виде:

 

(− Ω2 [M ]+i[C]+[K ]) ({u1}+i{u2 })= ({F1}+ i{F2 })

(40)

 

Существует четыре метода решения представленной выше системы уравнений (40):

Полный метод решения (Full Solution Method);

Редуцированный метод решения (Reduced Solution Method);

Метод суперпозиций форм колебаний;

Вариационный метод решения (Variational Technology).

Врамках данной верификации остановимся на методе суперпозиций форм колебаний.

4.3.5.1Метод суперпозиций форм колебаний

Уравнение движения (32) в частотной (модальной) форме записывается следующим образом (подробнее см. “Documentation for ANSYS, Theory Reference, Chapter 15. Analysis Tools, 15.10 Mode Superposition Method”):

 

y j + 2ωjξj y j +ω2j y j = f j

(41)

где:

 

y j

– модальная (нормальная) координата (modal coordinate);

 

ωj

– собственная круговая частота j-й формы колебаний;

 

ξj

– коэффициент затухания для j-й формы колебаний;

 

fi – нагрузка в модальных координатах.

 

 

Вектор нагрузки в модальных координатах:

 

 

{F}= {F nd }+ s{F s }

(42)

где:

{F nd }– вектор узловых сил;

s – масштабный коэффициент нагрузки;

{F s } – вектор нагрузки из модального анализа (подробнее см. “Documentation for ANSYS,

Theory Reference, Chapter 15. Analysis Tools, 15.10 Mode Superposition Method” []).

Для установившихся гармонических колебаний

f j = f jceit

(43)

ЗАО НИЦ СтаДиО (www.stadyo.ru stadyo@stadyo.ru), МГСУ (niccm@mgsu.ru), 2009

21