ANSYS 15.0 – Nová definice pojmu komplexní simulace

Tags: Analýzy | ANSYS | Proudění | Simulace | Techsoft

Rozvoj fyzikálního modelování společně s vývojem uživatelského prostředí ANSYS Workbench přináší nejkomplexnější simulační nástroj na současném trhu. Široká nabídka simulačních analýz (proudění, strukturální analýzy, elektromagnetické simulace) integrovaných v jednom prostředí ANSYS Workbench (se společným nástrojem pro přípravu modelu a jeho vyhodnocením) umožňuje snadnou obsluhu a efektivní využívání pro různé průmyslové, vývojové a výzkumné práce.

Právě přichází na celosvětový a také na náš trh nová verze ANSYS 15.0. Při každém uvádění nové verze (obdobně jako pro 14.0 nebo 13.0) je provedena celá řada rozšíření, vylepšení a oprav, ať už na zpříjemnění uživatelského ovládání, přes rozšíření a zpřesnění fyzikálních modelů až k vylepšení řešičů.

Pro přicházející verzi ANSYS 15.0 jsou asi nejzajímavější a nejcharakterističtější nástroje pro provádění kompletního návrhu výrobku a jeho případného optimalizování. Dále je pak pro tuto verzi charakteristické multifyzikální zaměření, rozšiřující již dříve používané FSI (Fluid Structure Interaction) mezi prouděním (ANSYS FLUENT nebo ANSYS CFX) a strukturální analýzou (ANSYS Mechanical) o další interakce typu proudění s elektromagnetismem nebo strukturální analýzy (ANSYS Mechanical) s elektromagnetismem (ANSYS Maxwell 3D).

U každé nově vydávané verze jsou uživateli sledovány pokroky při přípravě modelu, zejména ve zkracování doby pro přípravu výpočetního modelu, tvorbu výpočetní sítě a pro samotné výpočty.

Příprava modelu

Pro uživatele jsou důležité nástroje, které umožňují větší automatizaci přípravy, zejména v úpravě modelu před síťováním. Ve verzi ANSYS 15.0 jsou zlepšeny nástroje pro odstraňování nedokonalostí modelů, zejména mezer mezi díly a nenavazujícími plochami. Moderní technologií, která je vhodná pro takto nedokonalé metody, je wrapování pro tvorbu povrchové výpočetní sítě, včetně lokálního zjemňování, přičemž globální parametry zůstanou zachovány bez nutnosti model znovu síťovat.

Dalším zajímavým nástrojem pro zkrácení doby pro stavbu výpočetní sítě je využití paralelního běhu. Tato možnost je asi nejvíce zajímavá pro uživatele preferující kvalitní šestistěnné výpočetní sítě. Vylepšený algoritmus generuje sítě automaticky, i když je model rozdělen na mnoho menších objemů a směr síťování se mění, např. pro velikost výpočetní sítě 42 mil. buněk je na 8 jádrovém procesoru urychlení až sedminásobné v porovnání se síťováním bez paralelizace.

Kompletní multifyzikální workflow

Současným, ale hlavně budoucím trendem ve virtuálním prototypování, jsou multidisciplinární, resp. multifyzikální simulace. Široká paleta nástrojů propojená v jednotném prostředí ANSYS Workbench umožňuje už nyní využití tento typ simulací. Dříve oddělené používání fyzikálních simulací a přenosy informací mezi nimi neumožňovalo správné pochopení probíhajících a ovlivňujících se dějů a simulaci reálného chování. ANSYS 15.0 nabízí uživatelsky přívětivé prostředí pro propojování a řízení multifyzikálních výpočtů, včetně možnosti parametrizace modelu, a to jak geometrické, tak fyzikální.

Simulace proudění

Vylepšení pro simulace proudění je celá řada. Tradičně, a od nich také začneme, se změny týkají nejpoužívanější kategorie modelů pro simulaci turbulentního proudění. Změny a rozšíření v této kategorii odrážejí budoucí vývoj a určitá část změn je zaměřena na zpřesnění LES/DES modelů turbulence. Další provedená rozšíření odrážejí podporovaný multifyzikální vývoj a jsou zaměřeny na zpřesnění výpočtů pro vícefázové proudění, spalování, deformující se a pohybující se sítě, apod.

Pro deformující se a pohybující se sítě je zlepšena robustnost výpočtu a menší citlivost na deformaci nebo protažení buněk. Velká část změn je zaměřena na vícefázové proudění pro zrychlení výpočtu při výpočtu mezifázového rozhraní mezi tekutinami a zahrnutí adaptivního časového kroku pro nestacionární analýzy pomocí Eulerovských vícefázových modelů. Již dříve uvedený model pro wall film simulace obsahuje zlepšení pro simulaci kondenzace a odpařování tenkého filmu, včetně možnosti uvažovat pohybující se sítě.

Změny se také objevily pro modely používané při spalování, byly zaměřeny na zrychlení výpočtu, zvýšení maximálního počtu složek účastnících se chemických reakcí. Další rozvoj zaznamenaly modely používané pro simulaci spalovacích procesů ve spalovacích motorech, také v uživatelsky příjemnějším prostředí pro zadávání. Při spalování je možné získat výsledky i dvakrát rychleji v porovnání s předchozí verzí. Generace plamene je nyní až 50x rychlejší a vytváření flamelet knihovny pro 100 složek trvá 20 minut oproti 24 hodinám v předchozí verzi.

Poslední oblastí fyzikálních modelů, o které se zmíníme v proudění, je využití optimalizace a morfování výpočetní sítě pro velmi velké výpočetní modely. Nejvíc jsou změny patrné u adjoint řešiče v implementování rovnice energie, v morfování sítě a v optimalizátoru.

Bylo dosaženo zlepšení ve škálování úloh při paralelním běhu výpočtů, protože nová verze umožňuje škálovat na více než 15 000 výpočetních jader. Zároveň je možné použít jen 10 000 buněk na jádro s 80% efektivitou. To znamená, že model s milionem buněk lze paralelizovat až na 100 výpočetních jader.

Strukturální analýzy

Mezi nejvýznamnější změny patří možnost model v ANSYS Mechanical skládat libovolně z různých jiných MKP modelů, které nemusí být vázány na CAD geometrii. Tímto způsobem lze řešit i kopírování opakujících se segmentů modelu bez nutnosti jejich síťování. Pro snadnou správu rozsáhlých modelů jsou rozšířeny možnosti souhrnného zobrazování výsledků v tabulkách a filtrovací nástroje. Filtrovat můžeme podle názvů nebo i typu objektu, což mohou být například výsledky, šrouby nebo zatížení, a zpřehlednit tak celkovou stavbu modelu.

Významné zrychlení analýz přináší nový řešič pro výpočet vlastních frekvencí a tvarů kmitáním, harmonické analýzy a speciální model kontaktu, který řeší výpočet napětí v oblasti závitu bez nutnosti jeho fyzického modelování. V oblasti nelineárních analýz je k dispozici nový robustnější řešič na bázi arc-length, remeshing pro značně se deformující objemová tělesa a jako každým rokem nové nelineární materiálové modely.

Nízkofrekvenční elektromagnetizmus

Také v oblasti nízkofrekvenčního elektromagnetismu přináší nová verze celou řadu novinek, které zvyšují přesnost simulace a zkracují čas výpočtu. Pozornost je věnována především přesnějším výpočtům ferromagnetických materiálů, které jsou součástí většiny nízkofrekvenčních elektrických strojů a zařízení. Nové modely těchto materiálů umožňují zahrnout do výpočtů magnetickou hysterezi a ve svém důsledku tak zpřesnit výpočty ztrát v nich generovaných.

Nová verze také přináší značné urychlení transientních výpočtů modelů, které mají velkou časovou konstantu, a mnoho výpočetního času je spotřebováno na simulaci přechodového děje. Nyní je možné volit nenulové počáteční podmínky výpočtu a snížit výpočetní čas nutný pro přechod systému do ustáleného stavu. Výpočty transformátorů se zahrnutím vlivu stahovací konstrukce a krytu je možné zjednodušit pomocí nové okrajové podmínky nelineární impedance, kterou je možné definovat na hranice výpočetní oblasti.

Pozornost je dále věnována podpoře multifyzikálních analýz. ANSYS v nové verzi přináší vylepšení v oblasti výpočtů hluku a vibrací působených elektromagnetickými silami. V prostředí ANSYS Workbench je možné elektromagnetické výpočty kombinovat s výpočty pevnostními a získat tak představu o těchto jevech již během vývoje elektrického zařízení. Program ANSYS Simplorer určený pro systémové simulace přináší celou řadu nových komponent použitelných v automobilovém průmyslu, které jsou naprogramovány pomocí jazyka VHDL-AMS. Nové možnosti je možné nalézt při modelování výkonové elektroniky, kdy je možno modelovat nové typy polovodičových součástek (MOSFET, výkonové diody).

Vysokofrekvenční elektromagnetismus

Nová verze obsahuje výrazné zlepšení pro oblast simulací desek tištěných spojů a mikroelektroniky. Nový tau-generátor sítě výrazně zrychluje (až 30x) síťování vícevrstvých tištěných spojů a urychluje tak výpočty signálové integrity. Navíc díky specifickým požadavkům radarového průmyslu, kde jsou výpočty často prováděny na zakřivených plochách antén, přibyla možnost síťování křivými prvky, které lépe vystihnou tvar anténní paraboly či „stealth" letounu. Síť lépe pokryje modelovanou zakřivenou plochu a pro síťování uvedených aplikací je třeba mnohem méně buněk při zachování přesnosti výpočtu.

Pro urychlení výpočtu nabízí vysokofrekvenční produkty možnost úlohu paralelizovat, což umožňuje uživateli účinně distribuovat výpočet mezi výpočetní clustery a metodou doménové dekompozice provést výpočty, které by dříve nebyly díky nedostatku paměti možné. Díky nastavení paralelizace je možné určit, jak bude výpočet distribuován parametricky, frekvenčně a doménově a zajistit tak co nejvyšší využití přidělených výpočetních prostředků. Jedním z posledních trendů jsou výpočty prováděné na GPU. Výpočty na grafických kartách jsou nyní možné pro vysokofrekvenční elektromagnetický tranzientní řešič HFSS, kde dokáže urychlit výpočet až trojnásobně oproti výpočtu na 8 jádrovém PC.

Shrnutí

ANSYS 15.0 přináší celou řadu vylepšení v celé paletě výpočetních programů od strukturálních a teplotních analýz přes proudění až k elektromagnetismu. Umožňuje tak svým uživatelů modelovat chování konstruovaného zařízení jako systému – celku a to v rozsahu, který neumožňuje jakýkoliv jiný dostupný systém na trhu.

Autor je jednatelem společnosti TechSoft Engineering,
distributora firmy ANSYS pro ČR a SR.