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).
Рис. 3
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.
Рис. 4. Пример генерации сетки для корпуса автомата перекоса вертолета.
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.
