ОБЗОР ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА

ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ

КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ АНАЛИЗА

ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Москва, 2012

УДК 681.3

Рецензент: В.И. Бажанов

Авторский коллектив: Д. П. Алексеев, А. С. Кубенин, А. Ю. Чулюнин

Прикладные программные комплексы для анализа инженерных задач: учебно-методическое пособие. – М.:

МГИУ, 2012. – 89 с.

В пособии приводятся основные сведения о технологии численного моделирования гидрогазодинамических процессов. Описываются ведущие программные комплексы для решения задач тепломассопереноса. На примере модельных задач рассматриваются основные принципы работы в программных комплексах Ansys-CFX, STAR-CCM+, OpenFoam.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Энергетическое машиностроение» и «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем», а также аспирантам, обучающимся по специальности «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты», а также аспирантов, обучающихся по специальности «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты».

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Ещё совсем недавно, в конце прошлого - начале нынешнего века, в лю­бой проектной организации или проектно-конструкторском подразделении промышленного предприятия можно было увидеть огромные залы, в которых стройными рядами стояли кульманы. За каждым кульманом с карандашом и ре­зинкой в руках трудился инженер-конструктор, непременно облачённый в бе­лый халат. Кульман - это большая чертёжная доска, установленная на стойках и снабжённая специальными приспособлениями, обеспечивающими перемеще­ние по плоскости доски двух линеек, закреплённых на градуированном транс­портире. Линейки могли фиксироваться в любом угловом положении, а сама чертёжная доска могла занимать любое положение от вертикального до гори­зонтального. В совокупности с различными циркулями и лекалами всё это по­зволяло чертёжнику создавать то, что называется чертёжно-конструкторской документацией.

Сегодня эти залы удобным образом разделены невысокими иногда в той или иной мере застеклёнными перегородками, создающими некие индивиду­альные пространства, в которых располагаются рабочие столы с персональны­ми компьютерами. Эти удобно расположенные рабочие пространства с компь­ютерами, на которых установлено соответствующее программное обеспечение, являются сегодня рабочим местом современного специалиста, участвующего в создании высокотехнологичных технических изделиях.

Сначала после определения облика изделия на этапе технических предложений и эскизного проекта к рабо­те над техническим проектом приступают конструктора, в распоряжении кото­рых находятся прикладные программные системы трёхмерного проектирования (CAD-системы). Начинается создание виртуального изделия. Оно пока не на­полнено никакими физическими свойствами. Это просто некоторый согласо­ванный в размерах набор сложных геометрических форм.

Приведём некоторые хорошо известные и широко используемые у нас в стране CAD пакеты. Это AutoCAD, ProEngineer, SolidWorks, Unigraphics, Catia, Кредо и др. Все пакеты трёхмерного проектирования обладают развитым «дружественным» интерфейсом и мощными аналитическими возможностями, которые позволяют создавать чертёжно-конструкторскую документацию, отве­чающую соответствующим стандартам и требованиям.

Взаимодействие программных продуктов, реализующих компьютерные технологии проектирования, инженерного анализа и разработки технологиче­ского процесса принято обозначать, как технологическую цепочку CAD/CAE/CAM. Эта технологическая цепочка представляет собой системы взаимосвязанных компьютерных технологий, обеспечивающих автоматизацию всех этапов создания новых изделий промышленности от проектных разрабо­ток и анализа характеристик проектируемых изделий до организации техноло­гического процесса их изготовления.

Второй этап работ по выполнению технического проекта в рамках CAD/CAE/CAMтехнологий - анализ рабочих характеристик, проведение вир­туальных испытаний и оптимизация конструктивных параметров изделий обычно выполняется в расчётных отделах конструкторских бюро предприятий или проектных организаций. Средством решения соответствующих задач при выполнении этих работ являются различные прикладные программные системы инженерного анализа. Более подробно с этими системами, их структурой, математическими моделями и вычислительными методами можно познакомиться по материалам, содержащимся в следующих главах.

ПРОГРАММНЫЙ ПАКЕТ ANSYS CFX

Описание пакета ANSYS CFX

Уже более 20 лет компании по всему миру доверяют ANSYS CFX - мощной и надежной технологии расчетов в области вычислительной гидрогазодинамики. ANSYS CFX совмещает в себе передовую технологию решателя с современным пользовательским интерфейсом и адаптивной архитектурой, что делает этот инструмент доступным как для разработчиков, владеющих общими инженерными знаниями, так и для специалистов в области гидродинамики, работающими с моделью и ее свойствами на глубоком уровне. CFX позволяет детально изучить оборудование и процессы изнутри, повысить эффективность, увеличить срок службы и оптимизировать процессы.

ANSYS CFX обладает расширенным набором разнообразных математических моделей, позволяющих с высокой точностью моделировать различные задачи, начиная с расчета течения жидкостей и газов в трубопроводах и проточных трактах турбомашин, и заканчивая моделированием тепломассобмена в сложных термогазодинамических процессах в струйных и пленочных многокомпонентных течениях, или моделированием ламинарно-турбулентного перехода в задачах внешней аэродинамики ЛА.

Предобработка в CFX-Pre

Физический препроцессор ANSYS CFX - это современный, интуитивно понятный интерфейс для подготовки к моделированию динамики жидкостей или газов. В дополнение к основному режиму работы встроенный мастер помогает пользователю пройти процесс подготовки общих расчетов течения жидкостей или газов.

Мощный язык программирования (expression language) дает возможность задать описание проблемы в числовом виде, как в случае со сложными граничными условиями, авторскими моделями материалов или дополнительными уравнениями переноса. Адаптивная архитектура CFX-Pre также позволяет пользователю создавать собственные панели графического пользовательского интерфейса, чтобы стандартизировать ввод для выбранных приложений.

Решатель ANSYS CFX

Сердцем модуля ANSYS CFX является передовой алгебраический многосеточный сопряженный решатель, использующий технологию Coupled Algebraic Multigrid, являющуюся ключом к получению точных результатов в короткие сроки. Параметры решателя, граничные условия могут быть скорректированы во время выполнения расчета, при этом нет необходимости останавливать решатель. Решатель ANSYS CFX использует схему дискретизации второго порядка по умолчанию, обеспечивая получение максимально точных результатов.

Использование технологии сопряженных решателей ANSYS CFX дает значительные преимущества при проведении любого расчета, неважно, для вращающихся машин, многофазных потоков, горения или для любой другой физической модели и позволяет получить устойчивые и масштабируемые решения для задач динамики жидкостей и газов.

Пример работы в ANSYS CFX.

В этом разделе читатель будет ознакомлен с принципами работы в пакете CFX при реализации задачи об испарении капель воды в аппарате распылительной сушки. Данная задача рассмотрена в стандартном туториале Spray Dryer пакета ANSYS CFX, но в методичке более подробно рассмотрены некоторые моменты, особенно то, что касается создания модели влажного воздуха Gas Mixture и механизмов взаимодействия данного воздуха с распыляемыми в поток каплями воды.

Граничное условие Outlet.

Граничное условие Default Domain Default

При импортировании в CFX-Pre готовой сетки по умолчанию создается регион DefaultDomain, в котором так же по умолчанию создается граничное условие Имя региона Default с типом граничного условия wall - непроницаемая стенка без скольжения. В нашем случае это DefaultDomainDefault. Изначально это граничное условие включается в себя все локации, т.е. части поверхностей, ограничивающих расчетный регион. По мере создания новых граничных условий и интерфейсов ГУ

Default Domain Default остается на тех локациях, которые не были задействованы в других ГУ или интерфейсах. Поэтому не обязательно создавать ГУ с типом wall специально, т.к. оно будет получено методом исключения локаций, приходящихся на ГУ другого типа и интерфейсы.

Для наглядности переименуем ГУ Default Domain Default на Wall и отредактируем его согласно таблице.

Создание интерфейсов

Нажимаем правой кнопкой в окне «Outline» на позицию Interfaces и выбираем Insert > Domain Interface. Называем интерфейс Periodic и изменяем его согласно таблице и нажимаем кнопку OK.

Настройки параметров решателя (SolverControl)

Следует нажать на иконку SolverControl и выполнить следующие настройки:

Далее все подтверждается нажатием кнопки OK.

Настройки вывода информации (OutputControl)

Следует нажать на иконку SolverControl и выполнить следующие настройки:

Далее все подтверждается нажатием кнопки OK.

Запись CFX-Solver Input (.def) файла

Следует нажать на иконку Define Run и сохранить файл с расширением.def в папке проекта. После этого автоматом запустится Solver Manager со следующим диалоговым окном Define Run (Рис. 3.10),

Рис. 3.8 Диалог «Define Run»

где можно выбрать режим запуска решателя (Run Mode): serial или parallel; а так же выбрать рабочую директорию (working directory), куда будут сохраняться результаты расчета. Нажатием кнопки Start Run мы запускаем Solver Manager. Далее можно закрывать модуль CFX-Pre, предварительно сохранив файл под названием SprayDryer.cfx.

ПРОГРАММНЫЙ ПАКЕТ OPENFOAM

В настоящее время пакет OpenFOAM (Open Source Field Operation And Manipulation CFD ToolBox) является одним из лидеров на рынке открытого программного обеспечения для решения задач механики сплошной среды. Первоначально, программа появилась в Лондонском Имперском Колледже и в результате многолетнего академического и промышленного развития на сегодняшний момент позволяет решать такие задачи как:

1)Ламинарные течения ньютоновской и неньютоновской жидкости

2)Расчет турбулентных течений сжимаемой и несжимаемой жидкости методами RANS, LES, DNS.

3) Многофазные течения

4) Течения потоков, насыщенных частицами

5)Расчеты на прочность

6)Моделирование взаимодействия жидкости с подвижными объектами

7) Горение и детонация и т.д.

Рабочим языком OpenFOAM является язык C++. Данный язык выбран для удобства представления математических операторов и выражения в удобной форме до компиляции в исполняемый файл. Сам продукт состоит из инструментов для решения систем дифференциальных уравнений в частных производных (solvers), утилит (utilities) и библиотек (libraries). Решаемые уравнения, например уравнение сохранения количества движения для ньютоновской несжимаемой жидкости без действия массовых сил:

Записываются в удобной и понятной форме как[]

solve

(

Fvm::ddt(rho, U)

+ fvm::div::laplacian(mu, U)

_ fvm::laplacian (mu, U)

==

- Fvc::grad(p)

);

в состав базовой комплектации пакета OpenFOAM входит удобный инструмент для визуализации данных Paraview[4].Часто для моделирования исходной сетки используется программный продукт SALOME, также распространяемый по бесплатной лицензии.
В число пользователей OpenFOAM входят много авторитетныхкомпаний и НИИ: ABB Corporate Research, Audi, Airbus, Bayer, CD-adapco group, Danone, Daimler, Hitachi, Mitsubishi, Obayashi, SKF, Shell, Toyota, Tokyo Gas, Volkswagen, Electrolux, Fluid Technology, Icon-CG, The Technology Partnership plc, Imperial College London, Kings College London, Chalmers University, University of Exeter, University of Guelph, HirosakiUniversty, Tokyo Institute of Technology[8].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Книга «Прикладные программные комплексы для анализа инженерных задач» вводит читателя в увлекательный мир возможностей численного моделирования сложных и разнообразных процессов, протекающих в жидких и газообразных средах. Изучив это пособие и выполнив простые, но важные для изучения основ компьютерного моделирования задачи, читатель получит первоначальные представления о вычислительной гидродинамике, основах и особенностях моделирования гидрогазодинамических процессов в ведущих программных комплексах. В совокупности со знаниями, полученными в рамках курса «Пакеты прикладных программ», это позволяет читателю осваивать современные программные продукты, реализующие компьютерные технологии инженерного анализа.

Выполняя дипломные, а также выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации с использованием таких программных средств, обучающийся приобретает необходимый опыт и навыки работы с современными средствами исследователя и инженера.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов. – 7-е изд., испр. – М.: Дрофа, 2003. – 840 с.

2. Управление обтеканием тел с вихревыми ячейками в приложении к летательным аппаратам интегральной компоновки (численное и физическое моделирование) / Под ред. А.В. Ермишина и С.А. Исаева. – М.: Изд-во Моск. Ун.-та.,2003. – 360 с.

3. Роуч П. Вычислительная гидромеханика. М.: Мир, 1980. – 616 с.

4. Open FOAM: The Open Source CFD Toolbox. User Guide. 2012. -211p.

5. Ansys CFX-solver Theory Guide. Release 14.0 – 2012, Ansys Inc.

6. STAR-CCM+ methodology. Version 6.06. – London, 2011. - 1204 p.

7. Белоцерковский О. М., Давыдов Ю. М., Метод крупных частиц в газовой динамике, М., 1982

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Содержимое файла blockMeshDict

FoamFile

{

version 2.0;

format ascii;

class dictionary;

object blockMeshDict;

}

convertToMeters 1.0;

vertices

(

(-0.4 0.28 0)

(-0.02 0.28 0)

(0.02 0.28 0)

(0.96 0.28 0)

(-0.4 0.02 0)

(-0.02 0.02 0)

(0.02 0.02 0)

(0.96 0.02 0)

(-0.4 -0.02 0)

(-0.02 -0.02 0)

(0.02 -0.02 0)

(0.96 -0.02 0)

(-0.4 -0.28 0)

(-0.02 -0.28 0)

(0.02 -0.28 0)

(0.96 -0.28 0)

(-0.4 0.28 0.392)

(-0.02 0.28 0.392)

(0.02 0.28 0.392)

(0.96 0.28 0.392)

(-0.4 0.02 0.392)

(-0.02 0.02 0.392)

(0.02 0.02 0.392)

(0.96 0.02 0.392)

(-0.4 -0.02 0.392)

(-0.02 -0.02 0.392)

(0.02 -0.02 0.392)

(0.96 -0.02 0.392)

(-0.4 -0.28 0.392)

(-0.02 -0.28 0.392)

(0.02 -0.28 0.392)

(0.96 -0.28 0.392)

);

blocks

(

hex (4 5 1 0 20 21 17 16) (29 19 59) simpleGrading (0.05 20 1)

hex (5 6 2 1 21 22 18 17) (21 19 59) simpleGrading (1 20 1)

hex (6 7 3 2 22 23 19 18) (73 19 59) simpleGrading (20 20 1)

hex (8 9 5 4 24 25 21 20) (29 21 59) simpleGrading (0.05 1 1)

hex (10 11 7 6 26 27 23 22) (73 21 59) simpleGrading (20 1 1)

hex (12 13 9 8 28 29 25 24) (29 19 59) simpleGrading (0.05 0.05 1)

hex (13 14 10 9 29 30 26 25) (21 19 59) simpleGrading (1 0.05 1)

hex (14 15 11 10 30 31 27 26) (73 19 59) simpleGrading (20 0.05 1)

);

edges

(

/*

arc 5 6 (0 0.02 0)

arc 6 10 (0.02 0 0)

arc 9 10 (0 -0.02 0)

arc 9 5 (-0.02 0 0)

arc 21 22 (0 0.02 0.392)

arc 26 22 (0.02 0 0.392)

arc 25 26 (0 -0.02 0.392)

arc 25 21 (-0.02 0 0.392)

*/

);

patches

(

wall walls

(

(5 21 22 6)

(6 22 26 10)

(10 26 25 9)

(9 25 21 5)

)

patch inlet

(

(4 20 16 0)

(8 24 20 4)

(12 28 24 8)

)

patch outlet

(

(3 19 23 7)

(7 23 27 11)

(11 27 31 15)

)

wall sides

(

(16 17 1 0)

(17 18 2 1)

(18 19 3 2)

(12 13 29 28)

(13 14 30 29)

(14 15 31 30)

)

walllowerUpper

(

(0 1 5 4)

(1 2 6 5)

(2 3 7 6)

(4 5 9 8)

(6 7 11 10)

(8 9 13 12)

(9 10 14 13)

(10 11 15 14)

(20 21 17 16)

(21 22 18 17)

(22 23 19 18)

(24 25 21 20)

(26 27 23 22)

(28 29 25 24)

(29 30 26 25)

(30 31 27 26)

)

);

mergPatchPairs

(

);

Приложение 2

Содержимое файла controlDict

FoamFile

{

version 2.0;

formatascii;

class dictionary;

location "system";

objectcontrolDict;

}

// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

applicationicoFoam;

startFromstartTime;

startTime 0;

stopAtendTime;

endTime 0.32;

deltaT 0.00032;

writeControltimeStep;

writeInterval 20;

purgeWrite 0;

writeFormatascii;

writePrecision 6;

writeCompression off;

timeFormat general;

timePrecision 6;

runTimeModifiable true;

Приложение 3.

Содержимое файла “p”

FoamFile

{

version 2.0;

formatascii;

classvolScalarField;

object p;

}

// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

dimensions [0 2 -2 0 0 0 0];

internalField uniform 0;

boundaryField

{

walls

{

typezeroGradient;

}

inlet

{

typezeroGradient;

}

outlet

{

typefixedValue;

value uniform 0;

}

sides

{

type zeroGradient;

}

lowerUpper

{

type zeroGradient;

}

}

Приложение 4

Содержимое файла «U»

FoamFile

{

version 2.0;

formatascii;

classvolVectorField;

object U;

}

// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

dimensions [0 1 -1 0 0 0 0];

internalField uniform (0 0 0);

boundaryField

{

walls

{

typefixedValue;

value uniform (0 0 0);

}

inlet

{

typefixedValue;

value uniform (1.25 0 0);

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

sides

{

type fixedValue;

value uniform (0 0 0);

}

lowerUpper

{

type fixedValue;

value uniform (0 0 0);

}

}

Приложение 5

Содержимое файла transportProperties

FoamFile

{

version 2.0;

formatascii;

class dictionary;

location "constant";

objecttransportProperties;

}

// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

nunu [ 0 2 -1 0 0 0 0 ] 0.00001;

// *************************************************************************

Приложение 6

Содержимое файла fvSchemes

FoamFile

{

version 2.0;

formatascii;

class dictionary;

location "system";

objectfvSchemes;

}

// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

ddtSchemes

{

default Euler;

}

gradSchemes

{

default Gauss linear;

grad(p) Gauss linear;

}

divSchemes

{

default none;

div(phi,U) Gauss linear;

}

laplacianSchemes

{

default none;

laplacian(nu,U) Gauss linear corrected;

laplacian((1|A(U)),p) Gauss linear corrected;

}

interpolationSchemes

{

default linear;

interpolate(HbyA) linear;

}

snGradSchemes

{

default corrected;

}

fluxRequired

{

default no;

p;

}

// ****************//

Приложение 7

Содержимое файла fvSolution

FoamFile

{

version 2.0;

formatascii;

class dictionary;

location "system";

objectfvSolution;

}

// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

solvers

{

p

{

solver PCG;

preconditioner DIC;

tolerance 1e-06;

relTol 0;

}

U

{

solverPBiCG;

preconditioner DILU;

tolerance 1e-05;

relTol 0;

}

}

PISO

{

nCorrectors 2;

nNonOrthogonalCorrectors 0;

pRefCell 0;

pRefValue 0;

}

// *******//

Приложение 8

Содержимое файла decomposeParDict

FoamFile

{

version 2.0;

formatascii;

class dictionary;

location "system";

objectdecomposeParDict;

}

// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

numberOfSubdomains 4;

method simple;

simpleCoeffs

{

n (2 2 1);

delta 0.001;

}

hierarchicalCoeffs

{

n (1 2 2);

delta 0.001;

order xyz;

}

manualCoeffs

{

dataFile "cellDecomposition";

}

scotchCoeffs

{

}

// ************************************************************************* //

ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ

КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ АНАЛИЗА

ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Москва, 2012

УДК 681.3

Рецензент: В.И. Бажанов

Авторский коллектив: Д. П. Алексеев, А. С. Кубенин, А. Ю. Чулюнин

Прикладные программные комплексы для анализа инженерных задач: учебно-методическое пособие. – М.:

МГИУ, 2012. – 89 с.

В пособии приводятся основные сведения о технологии численного моделирования гидрогазодинамических процессов. Описываются ведущие программные комплексы для решения задач тепломассопереноса. На примере модельных задач рассматриваются основные принципы работы в программных комплексах Ansys-CFX, STAR-CCM+, OpenFoam.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Энергетическое машиностроение» и «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем», а также аспирантам, обучающимся по специальности «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты», а также аспирантов, обучающихся по специальности «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты».

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Ещё совсем недавно, в конце прошлого - начале нынешнего века, в лю­бой проектной организации или проектно-конструкторском подразделении промышленного предприятия можно было увидеть огромные залы, в которых стройными рядами стояли кульманы. За каждым кульманом с карандашом и ре­зинкой в руках трудился инженер-конструктор, непременно облачённый в бе­лый халат. Кульман - это большая чертёжная доска, установленная на стойках и снабжённая специальными приспособлениями, обеспечивающими перемеще­ние по плоскости доски двух линеек, закреплённых на градуированном транс­портире. Линейки могли фиксироваться в любом угловом положении, а сама чертёжная доска могла занимать любое положение от вертикального до гори­зонтального. В совокупности с различными циркулями и лекалами всё это по­зволяло чертёжнику создавать то, что называется чертёжно-конструкторской документацией.

Сегодня эти залы удобным образом разделены невысокими иногда в той или иной мере застеклёнными перегородками, создающими некие индивиду­альные пространства, в которых располагаются рабочие столы с персональны­ми компьютерами. Эти удобно расположенные рабочие пространства с компь­ютерами, на которых установлено соответствующее программное обеспечение, являются сегодня рабочим местом современного специалиста, участвующего в создании высокотехнологичных технических изделиях.

Сначала после определения облика изделия на этапе технических предложений и эскизного проекта к рабо­те над техническим проектом приступают конструктора, в распоряжении кото­рых находятся прикладные программные системы трёхмерного проектирования (CAD-системы). Начинается создание виртуального изделия. Оно пока не на­полнено никакими физическими свойствами. Это просто некоторый согласо­ванный в размерах набор сложных геометрических форм.

Приведём некоторые хорошо известные и широко используемые у нас в стране CAD пакеты. Это AutoCAD, ProEngineer, SolidWorks, Unigraphics, Catia, Кредо и др. Все пакеты трёхмерного проектирования обладают развитым «дружественным» интерфейсом и мощными аналитическими возможностями, которые позволяют создавать чертёжно-конструкторскую документацию, отве­чающую соответствующим стандартам и требованиям.

Взаимодействие программных продуктов, реализующих компьютерные технологии проектирования, инженерного анализа и разработки технологиче­ского процесса принято обозначать, как технологическую цепочку CAD/CAE/CAM. Эта технологическая цепочка представляет собой системы взаимосвязанных компьютерных технологий, обеспечивающих автоматизацию всех этапов создания новых изделий промышленности от проектных разрабо­ток и анализа характеристик проектируемых изделий до организации техноло­гического процесса их изготовления.

Второй этап работ по выполнению технического проекта в рамках CAD/CAE/CAMтехнологий - анализ рабочих характеристик, проведение вир­туальных испытаний и оптимизация конструктивных параметров изделий обычно выполняется в расчётных отделах конструкторских бюро предприятий или проектных организаций. Средством решения соответствующих задач при выполнении этих работ являются различные прикладные программные системы инженерного анализа. Более подробно с этими системами, их структурой, математическими моделями и вычислительными методами можно познакомиться по материалам, содержащимся в следующих главах.

ОБЗОР ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА

В настоящее время сложилась отдельная отрасль по разработке профес­сиональных коммерческих программных продуктов, реализующих компьютер­ные технологии инженерного анализа. Сложился соответствующий рынок про­граммных продуктов. Развивается и программное обеспечение, основанное на идеологии свободного доступа.

Разработчиками таких программных продуктов, предназначенных для инженерного анализа в различных областях знаний, являются крупные между­народные компании, объединяющие сообщества учёных, математиков, про­граммистов. Перечень прикладных программных систем инженерного анализа представляет собой достаточно внушительный список. Представим в качестве примера четыре таких программных комплекса, относящихся к группе так на­зываемых пакетов «тяжёлого класса», выполненных по технологии «HighEnd».

Это пакеты прикладных программ «ANSYS», «LS-DYNA», «ADAMS» и STAR-CCM+», относящиеся к наиболее известным в своём классе пакетам.

Дадим краткую характеристику перечисленным пакетам прикладных программ (ППП).

Мультифизичный пакет ANSYS предназначен для структурного анализа сложных конструкций, испытывающих комплексное нагружение: механиче­ское, тепловое, гидродинамическое и электромагнитное. Под структурным ана­лизом понимается анализ поведения конструкции, возникающих в ней внутренних напряжений и деформаций, как при статической, так и при динамиче­ской нагрузке. Пакет ANSYS позволяет осуществлять модальный анализ конст­рукций при различных схемах силового нагружения.

Математической основой пакета являются уравнения потенциала. Это уравнения для деформируемого твёрдого тела, уравнения теплопроводности и уравнения Максвелла, лежащие в основе соответственно структурного, тепло­физического и электромагнитного модуля.

Электромагнитный модуль также позволяет решать широкий круг специ­фических задач. Это определение характеристик стационарных и нестационар­ных электромагнитных полей, порождаемых при работе элементов электриче­ских цепей (трансформаторов, конденсаторов и др). Это анализ работы элек­трических машин. В электромагнитном модуле предусмотрена возможность учёта нагрева проводящих сред за счёт действия токов Фуко. Предусмотрена также возможность анализа частотных характеристик электрических цепей. И многое другое.

В гидродинамическом модуле FLOTRAN решаются уравнения Навье-Стокса для ламинарных режимов течения и уравнения Рейнольдса для тур­булентных режимов[1]. Для численного интегрирования дифференциальных уравнений в частных производных используется метод конечного элемента. Аббревиатура ANSYS содержит в себе два слова Analysis Systems.

Отметим также, что все модули пакета могут работать в мультифизичном режиме, так и независимо. Так, например, с помощью пакета ANSYS можно решать задачи о поведении конструкции элементов атомных станций, испыты­вающих комплексное воздействие со стороны горячей жидкости и её паров, электромагнитных полей и т.п.

Разработчиком пакета является международная корпорация ANSYS. Ин­формацию об этой компании и о её программных продуктах можно найти на сайте www.ansys.com.

В последнее время корпорация ANSYS приобрела и развивает пакеты CFX и Fluent, работающие в области анализа гидрогазодинамических процес­сов и процессов тепломассообмена.

Анализ высоконелинейных и быстропротекающих процессов в твёрдых телах и в жидких средах позволяет проводить другой пакет LS-DYNA. Пакет LS-DYNA позволяет моделировать пла­стические деформации в технологических процессах (прокатка, обработка дав­лением и т.п.), взрывные процессы, ударные волны в твёрдом теле и жидкой среде, образование отколов и трещин и другие весьма сложные физико­-механические процессы. Библиотека материалов в пакете LS-DYNA содержит реологические законы более чем для двухсот материалов, что обеспечивает широчайший круг практических приложений пакета.

Моделирование произвольного движения сложных механических систем позволяет осуществлять пакет ADAMS (w ww.ad am s.com).охватывающий около 60% мирового рынка в своей области. Математической основой пакета ADAMS является система обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих движение в пространстве твёрдых тел с учётом их связей, имеющих различную природу. С помощью пакета ADAMS можно изучать поведение практически любой механической системы. Это работа элементов технических устройств, например, трансмиссии автомобиля или поршневой группы двигателя внутрен­него сгорания, это работа механизмов подъёмного крана и экскаватора, это мо­делирование процесса раскрытия солнечных антенн космического аппарата в безвоздушном пространстве и многое, многое другое.

Одним из лидеров в области гидрогазодинамического анализа и модели­рования процессов тепломассопереноса является пакет STAR-CD/Star-CCM+( www.cd-adapco.com). Разработчиком пакет является международная компания cd-adapco. В основе пакетаSTAR-CD / Star-CCM+лежит численное интегрирование уравнений Навье-Стокса для ламинарных течений и осреднённые по Рейнольдсу уравне­ния при анализе турбулентных течений. Для замыкания уравнений Рейнольдса используются различные полуэмпирические модели турбулентности. Пакет со­держит также множество моделей различных физико-химических процессов, что обеспечивает весьма широкий спектр приложений в различных областях промышленности при решении многих инженерных и природопользователь­ских задач.

Для интегрирования исходных уравнений в пакете STAR-CD / Star-CCM+использу­ются конечно-разностные схемы, построенные на основе метода контрольного объёма. Реализация этих схем осуществляется на основе SIMPLE-алгоритмов коррекции давления[2].

В заключение представим некоторые широко используемые в промыш­ленности отечественные разработки в области компьютерного анализа гидрога­зодинамических процессов и процессов тепломассопереноса. Это коммерческие пакеты GasDynamicsTool и FlowVision, а также авторский пакет VP2/3, используемый его разработчиками для проведения ши­рокого спектра расчётов по заказам промышленности.

Пакет GDT разрабатывается и поддерживается компанией GDT SoftwareGroup (г. Тула), основанной на базе Тульского государственного университета. Он предназначен для численного моделирования нестационарных ударно­волновых газодинамических процессов, включая горение и детонацию.

Течение невязкого сжимаемого газа описывается трёхмерными нестацио­нарными уравнениями Эйлера с уравнением состояния идеального газа. Для описания вязких течений используются уравнения Навье-Стокса. Реализованы различные подмодели, позволяющие применять пакет для исследования тече­ний многофазных сред и специфических физико-химических процессов.

Для численного интегрирования уравнений используется явная двухша­говая схема модифицированного метода крупных частиц. Пакет характеризует­ся высокой совместимостью и минимальными системными требованиями.

Пакет FlowVision разрабатывается и поддерживается компанией ТЕСИС (г. Москва). В пакете используется набор моделей течения жидкости, описы­ваемых уравнениями Навье-Стокса, записанных в различных приближениях, в той или иной степени учитывающих сжимаемость среды. Для моделирования турбулентных течений в приближении Рейнольдса в пакете используется ряд полуэмпирических моделей турбулентности.

Для разностной аппроксимации исходных уравнений в пакете FlowVision используется метод контрольного объёма. Разностные уравнения имеют второй порядок аппроксимации. Алгоритм разрешения системы разностных уравнений основан на описанном в работах академика О.М. Белоцерковского проекцион­ном методе MAC[7], использующем расщепление по физическим процессам.FlowVision сертифицирован Госстандартом России.

Пакет FlowVision являе

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: