Я занимаюсь компьютерным моделированием в инженерной сфере на протяжении двадцати лет. Точно не знаю, почему так сложилось, но что есть, то есть. В 1996 году, когда я учился на инженера, значительная часть моей образовательной программы была посвящена изучению основ метода конечных элементов (МКЭ) для расчётов на прочность и вычислительной гидрогазодинамики для расчёта течения жидкости и газа. Мы тратили чрезмерное количество времени на ручной расчет балки под нагрузкой, разбитой на пять конечных элементов. Страшно подумать, сколько деревьев было принесено в жертву моим неряшливым расчетам.

Благодаря этому опыту я понял две вещи. Во-первых, МКЭ чрезвычайно полезен: он позволяет получить решение практических инженерных задач, а во-вторых, использование программного обеспечения является необходимым условием для работы с более-менее серьезными моделями. Полагаю, если бы я анализировал только изменение некоторых параметров задачи: скажем, нагрузки на балку, ее длины и материала, было бы достаточно таблицы Excel или чего-то подобного, но, разумеется, такое решение не является масштабируемым.

Настоящая ценность МКЭ пакетов в том, что они дают возможность получить решение инженерных задач быстрее и дешевле, чем любым другим методом.

Чтобы в максимальной степени задействовать потенциал МКЭ программы, необходимо ставить перед ней различные задачи. Что если отверстия будут большего диаметра или их количество будет увеличено? Что если деталь будет не стальной, а алюминиевой? А что если увеличить нагрузку? Для эффективного решения этих задач необходимо иметь возможность создания модели, которую можно настроить один раз, а далее перевыполнять расчет для ответа на каждый конкретный вопрос.

Итак, первый кит расчёта конструкций – постоянство и предсказуемость поведения программы. Для эффективного анализа конструкции необходима модель, которая способна надежно и предсказуемо реагировать на изменения нагрузок, материала и геометрии.

Несложно построить модель, которая сохраняет свои предыдущие настройки при изменении отдельных размеров или значений параметров, но как насчет изменений в топологии? Скажем, различные варианты конструкции могут иметь различное количество отверстий, и задавать условия закрепления для каждого случая вручную – слишком трудоемкая работа.

Необходим более эффективный способ, позволяющий выбрать все отверстия сразу.

Второй кит – возможность параметризации расчета. Если программа позволяет предсказуемо рассчитывать различные модели, можно автоматически выполнять расчеты для анализа вариантов конструкций и схем нагружения. Механизм, обеспечивающий автоматизацию анализа, включает в себя возможность параметризировать свойства модели, её геометрические характеристики (количество отверстий, толщину материала и т.д.), выбор материала или его свойств, а также величины нагрузки.

Иногда возникает необходимость задавать параметры модели посредством некоторых логических зависимостей. Скажем, нужно приложить одно значение силы, если в модели четыре отверстия или меньше, и другое, если отверстий больше четырёх.

И это вполне возможно.

Представленное выше выражение состоит из двух частей. В первой происходит вычисление безразмерного результата по параметру P1, задающему количество отверстий в нашей модели. Если оно больше четырех, то выражение (P1>4) дает результат единицу (истина). Подобным образом работает и выражение (P1<5). Если модель, например, будет иметь 4 отверстия, то прикладываемое давление будет равно 5 Па, если 6 отверстий – 10 Па.

1[N]/1[m^2] – часть выражения, о которой некоторые пользователи забывают. Параметры DesignXplorer должны иметь единицы измерения. Так как мы определяем величину давления, нам необходимо преобразовать безразмерные числа в числа с единицами измерения давления.

Третий кит в основании ANSYS – производительность. Если решение задачи методом конечных элементов занимает больше времени, чем другие методы расчета, предыдущие два кита – предсказуемость и параметризация – становятся бессмысленными. Необходимо, чтобы каждый этап расчета занимал как можно меньше времени. Мощные рабочие станции, кластеры и облачные вычисления – все это обеспечивает вычислительную мощность, но может ли МКЭ программа воспользоваться этой мощностью? Чтобы в полной мере использовать вычислительные ресурсы, решатель должен быть способен эффективно разделить выполнение задачи и работать со всеми доступными процессорами и ядрами.

Даже с применением самого быстрого на сегодняшний день решателя время до получения результата может быть ограничено временем на подготовку модели к расчёту. Возможность оперативно создавать МКЭ модели и как можно быстрее переходить к выполнению расчета зависит от каждого этапа работы с программой. Так что, скорость работы и эффективность программного обеспечения определяется не только скоростью решателя, но и удобным и производительным интерфейсом.

ANSYS Mechanical на протяжении многих лет расширяет границы возможного, предоставляя пользователям надежные и быстрые инструменты для решения инженерных задач. Три кита, на которых основан расчёт конструкций в ANSYS – отличный повод задать себе вопрос, а так ли эффективно я работаю, как мог бы? Или я трачу слишком много времени на сам процесс работы в МКЭ пакете, а не на принятие решений на основании результатов моделирования?

Если у вас есть желание узнать больше о трёх основах ANSYS Mechanical, почему бы не посмотреть материалы нашего вебинара, который состоялся 25 августа?

Вы узнаете, каким образом с помощью высокопроизводительных инструментов для МКЭ расчёта можно создавать модели, которые не просто дают некоторое представление о проблеме, а обеспечивают её всестороннее понимание.

Автор: Ричард Митчелл