Ansys ошибки при построении сетки

Рассмотрены основные приемы построения сетки КЭ для различных видов расчета

Александр Чернов

При огромном разнообразии средств для со­здания сетки КЭ и подготовки геометрических моделей среда ANSYS Workbench позволяет организовать этот процесс более эффектив­но, с использованием различных подходов.

Для начала рассмотрим самый простой и понятный способ генерации КЭ-сетки в рас­четном модуле DesignSimulation (DS) при пря­мом импорте геометрической модели из CAD- системы или посредством одного из промыш­ленных стандартов по передаче геометричес­ких данных (IGES, ACIS, Parasolid и др.).

При этом мы будем сравнивать процесс генерации сетки в DS с таким же процессом в PREP7 традиционного графического интер­фейса ANSYS.

Первым и очень важным моментом явля­ется то, что при передаче геометрической мо­дели в DS она не изменяется, а в PREP7 гео­метрия по различным причинам претерпевает изменения. Иногда эти изменения происходят в процессе передачи геометрической модели при экспорте из CAD-системы, а кроме того, геометрия изменяется при ее перекодирова­нии в формат моделлера PREP7. Такие изме­нения могут состоять лишь в точности описа­ния геометрических элементов при экспорте/ импорте модели.

Геометрический моделлер PREP7 рабо­тает только с определенным типом поверхнос­тей. Например, для сложных или замкнутых поверхностей (цилиндрические поверхности) для работы с ними необходимо разбить их на несколько сегментов. PREP7 очень чувс­твителен и к геометрическим допускам, тре­буя, чтобы кривые, образующие поверхности, были замкнуты по отношению к родительским поверхностям. В отличие от данного моделле­ра ANSYS Workbench не предъявляет та­ких требований к исходной геометрии. Если геометрическая модель успешно передана в Workbench, то генератор сетки применя­ет специальные средства для обеспечения удовлетворительного качества разбивки сет­ки. Генератор сетки использует средства ис­правления, работающие на уровне сетки, для удаления или сшивания геометрических эле­ментов, которые могут привести к сбоям при генерации сетки.

Другим важным отличием Workbench от PREP7 является то, что генератор сетки в PREP7 всегда пытается создать сетку так, чтобы границы элементов проходили по реб­рам, образующим поверхность. Это означа­ет, что каждая поверхность имеет не менее одного элемента, ассоциированного с ней. В Workbench нет столь жестких структурных ограничений, так как он не устанавливает свя­зи элементов с поверхностями, как в PREP7, что позволяет намного быстрее и эффектив­нее разбивать на сетку геометрические моде­ли со сложной топологией.

В Workbench существуют средства, кото­рые значительно упрощают процесс генерации сетки. Одним из них является игнорирование малых зазоров и ребер при генерации сетки, если их величина меньше заданного допус­ка. Значение допуска задается переменной DSMESH DEFEATUREPERCENT в диапазоне от 1e-6 до 1e-3 (по умолчанию — 5e-4).

Согласитесь, что всегда проще и удобнее работать с геометрическими моделями, создан­ными в CAD-системах конструкторами. Однако эти специалисты часто строят модели только для получения детальной чертежной инфор­мации, что подразумевает наличие в моделях множества мелких конструктивных элементов, не влияющих на результаты расчета. Иногда модели строятся с наличием в них «щелей», со сложной структурой пересечения поверхностей или с наличием малых поверхностей, образую­щихся при наложении различных операций при моделировании. В препроцессоре PREP7 такие геометрические модели вызывают проблемы при генерации сетки КЭ, тогда как генератор сетки Workbench создавался специально для преодоления подобных проблем.

В числе инструментов для успешной ге­нерации сетки при проблемной геометрии — Virtual Topology (создание виртуальной тополо­гии поверхностей), который позволяет группи­ровать сопряженные поверхности в так называ­емые новые топологические объекты virtual cell. Эти объекты при генерации сетки игнорируют наличие внутренних поверхностей в них.

Если геометрическая модель содержит места, где много поверхностей малого раз­мера, примыкающих к крупным, то можно объединить все эти поверхности в единую, создав объект virtual cell. При генерации сетки будет обрабатываться эта новая поверхность, и элементы будут создаваться на основании внешнего контура этой поверхности, как бы аппроксимируя исходные поверхности в мес­тах перехода исходных поверхностей.

Пример использования данного инструмента показан на рис. 1 и 2.

На рис. 1а показана геометрическая мо­дель со сложной топологией в локальном мес­те. При прямой генерации КЭ-сетки получается большое количество элементов, многие из ко­торых имеют плохое качество (рис. 16). Объеди­нив сопряженные поверхности в объект virtual cell, получаем более простую КЭ-сетку для дан­ного места геометрической модели (рис. 2а и 2б соответственно).

Другим интересным инструментом при генерации сетки является «генератор сетки» Hex Dominant Meshing, который строит сетку преимущественно с гексаэдрической формой элементов.

Этот генератор разбивает твердотель­ную геометрическую модель на элементы гексаэдрической формы, а остальной объ­ем — на элементы пирамидальной и клино­видной формы. Процентное соотношение между типами элементов зависит от сложнос­ти топологии геометрической твердотельной модели.

На рис. 3 представлен пример разбив­ки корпуса автомата перекоса вертолета с использованием опции задания формы эле­мента сетки Hex Dominant (гексаэдры желтого цвета).

Если в геометрической модели сборки присутствуют твердотельные детали, сопри­касающиеся друг с другом поверхностями, то генератор сетки DS создаст в автоматическом режиме контактные элементы типа Bonded (неразрывный тип контактного элемента). При этом на сопрягаемых поверхностях ге­нерируются элементы сетки с одинаковой плотностью, что очень важно для получения достоверных результатов контактной задачи неразрывного типа.

Сетку КЭ, созданную в модуле DS среды Workbench, можно передать в PREP7 стандарт­ного интерфейса ANSYS, однако при этом мо­гут возникнуть некоторые трудности.

Во-первых, при разработке генератора сетки Workbench критерии качества элемен­тов были пересмотрены, а стандарты качес­тва элементов обновлены. Поэтому при на­стройках опции по проверке качества формы элементов в Workbench по умолчанию гене­рируются элементы, которые в PREP7 могут восприниматься как элементы с неподходя­щим качеством формы. Для разрешения этой проблемы в настройках опции по проверке качества формы элементов в DS нужно поме­нять значение Basic на Aggressive, после чего Workbench сгенерирует элементы, удовлетво­ряющие более жестким требованиям качест­ва формы.

Во-вторых, негативным моментом при совместном применении PREP7 и DS являет­ся то, что в PREP7 из DS передается только КЭ-модель с граничными условиями, а гео­метрическая модель не передается по ука­занным ранее причинам. В PREP7 обычной практикой является приложение граничных условий не только к узлам элементов, но и к элементам твердотельной геометрии, поэто­му при экспорте КЭ-модели из DS в PREP7 может возникнуть проблема с заданием гра­ничных условий.

Для решения этого вопроса предлага­ется группировать в модуле DS объекты в от­дельные Selection Groups (именованные груп­пы выбора), которые при экспорте КЭ-модели в PREP7 будут распознаны как Components (компоненты). И далее, при задании гранич­ных условий, можно будет использовать на­звания этих компонентов в качестве атрибу­тов фильтров выбора в PREP7.

Пользователи ANSYS в PREP7 при по­строении твердотельной модели обычно ста­раются представить эту модель в виде набо­ра связанных (Sweepable) объемов, которые генератором сетки в PREP7 разбиваются на элементы гексаэдрической формы.

Возникает закономерный вопрос: можно ли подобное реализовать в модулях на плат­форме Workbench?

В DesignSimulation в средствах предва­рительного анализа геометрической модели перед генерацией сетки КЭ реализована ко­манда Preview Sweep, показывающая детали, которые можно представить операцией протя­гивания заданного сечения вдоль определен­ной траектории (Sweepable) и затем разбить на сетку элементов гексаэдрической формы.

Для создания моделей и редактирова­ния импортированных твердотельных гео­метрических моделей, состоящих из объемов (они могут быть представлены операцией протягивания), лучше использовать модуль DesignModeler (DM), в котором реализова­ны средства разделения твердотельной мо­дели операцией Slice, а также операциями геометрического моделирования с опцией Slice Material. Однако при применении этих операций исходная деталь делится, образуя несколько тел, а по идее структура сборки (детали) должна соответствовать исходной, без наличия дополнительных компонентов, приводящих к использованию при расчете но­вых контактных элементов. Для решения этой проблемы в модуле геометрического препро- цессинга DM и расчетного модуля DS реали­зован новый тип топологии геометрических объектов — Multi body parts.

Отметим, что в этих модулях следует различать понятия Body и Part. Деталь (Part) контактирует с другими деталями посредс­твом контактных элементов, а тела (Body), из которых может состоять деталь, соединяются друг с другом как контактными элементами, так и общими узлами на соприкасающихся поверхностях, если они объединены в специ­альный объект Multi body part. Поэтому, раз­делив доступными средствами твердотель­ную геометрическую модель в модуле DM на связанные Sweepable-объемы, вы получите в структурном описании геометрической мо­дели несколько тел, которые в дальнейшем можно объединить в Multi body parts операци­ей Form New Part.

На платформе Workbench работают модули (препроцессор, решатель и постпроцессор) программного комплекса ANSYS CFX. Для генерации расчетной сетки, пригодной для решения задач вычислительной гидродинамики, можно использовать такие решения ANSYS, как CFX-Mesh, Advanced Meshing и CFX-TurboGrid.

Модуль Advanced Meshing построен на технологиях ANSYS ICEM CFD. Решение CFX-TurboGrid работает в связке со специализированным геометрическим препроцессором для лопаточных машин BladeModeler.

Рассмотрим более подробно модуль CFX-Mesh, поскольку несмотря на свою простоту и доступность, почему-то именно он вызывает много вопросов у начинающего пользователя.

Первое, на что хотелось бы обратить внимание пользователей — это на заблуждение, что якобы модуль CFX-Mesh воспринимает только модель из DesignModeler. Это не так: CFX-Mesh может брать геометрическую модель из любой CAD-системы или из стандартного формата геометрических данных, для которых есть соответствующая лицензия ANSYS.

Однако на практике правильнее использовать именно связку модулей DesignModeler — CFX-Mesh, так как геометрический препроцессор DesignModeler обладает набором специальных полезных функций для подготовки геометрической модели, ориентированной на создание сетки в СFX-Mesh.

Допустим, что у вас есть сборка агрегата, и вы хотите, чтобы все детали, входящие в эту сборку, были объедены в CFX-Mesh в единую сетку. Для этого достаточно открыть модель этой сборки в модуле DesignModeler (все детали, входящие в сборку, будут распознаны как тела) и операцией Form New Part объединить детали в единый объект Multi body part (рис. 5).

Однако существуют некоторые топологические ограничения в местах сопряжения тел. Для того чтобы для двух тел, составляющих Multi body part, сетка была единой, необходимо, чтобы поверхности на границе раздела имели одинаковую топологию. На рис. 6 показана сборка, состоящая из двух тел (параллелепипеда и цилиндра). На рис. 7 грань параллелепипеда в месте сопряжения с цилиндром имеет ту же топологию (круг), что и противостоящий цилиндр.

Очень полезной командой в DM является Enclosure, которая создает объемы заданной формы за вычетом исходной геометрии, то есть моделирует окружающую объект среду. Команда Fill, наоборот, создает объем, запол­няя внутренние полости.

В CFX-Mesh можно также создавать приз­матические слои вблизи стенок.