ANSYS pentru structuri mecanice

CAD/CAM/CAE/PDM/PLM/ERP

de Mircea Badut

ANSYS pentru structuri mecanice

În materie de analize stucturale şi de simulări ale comportamentelor la solicitări – ceea ce putem subscrie acronimului CAE – ani de zile ANSYS a fost o referinţă supremă. Apoi, odată cu deplasarea accentului de la staţia grafică la PC-ul desktop, dar cumva sincron şi cu tendinţele de globalizare, piaţa CAE a cunoscut o democratizare nu tocmai prielnică elitelor. Însă ANSYS a rezistat bine acestei restructurări a pieţei, atât prin accentele puse pe competenţele sale de vârf (precum analizele în câmp cuplat şi HPC), cât şi prin continua modernizare a familiei de soluţii CAE.
 

Foto deschidere: Analiză bloc motor 

Prezicerea rezistenţei mecanice

(Nu insist asupra importanţei studierii virtuale a rezistenţei pieselor proiectate înainte de fabricaţie, cu speranţa că-i o chestiune mult prea bazală pentru a necesita reiterare.)

Avem astăzi la dispoziţie imediată – integrate în software-urile de proiectare a pieselor şi ansamblurilor mecanice (MCAD) – facilităţi de analize structurale cu care putem realiza predicţii simple şi directe referitoare la rezistenţa mecanică a reperelor proiectate. (Şi ANSYS oferă prin ,,DesignSpace” o soluţie ieftină şi uşor integrabilă în desktop-ul inginerului proiectant.) Însă lucrurile sunt rezolvabile astfel doar până la un anumit nivel de complexitate. 

Când produsul pe care dorim să îl fabricăm este unul pretenţios şi presupune analizarea mai multor tipuri de solicitări mecanice – eforturi, tensiuni, deformaţii, vibraţii, reacţiunii, tensiuni reziduale, etc – simularea trebuie să ia în calcul mai toate interacţiunile dintre componentele sale, dar şi interacţiuni de alte naturi din partea mediului de lucru (condiţiile termice, fenomenele electromagnetice, efecte ale fluidelor transferate). Deja ne putem imagina dificultatea culegerii/definirii acestor ,,intrări” în studiul necesar, dar şi complexitatea aspectelor pe care trebuie să le proceseze software-ul CAE. Datorită experienţei acumulate în domeniul tehnicilor ,,solver” (având peste patru decenii în cercetarea matematicilor aplicate în FEA), dar şi ca urmare a presiunii concurenţei pe această piaţă cu tehnologii de vârf, soluţiile ANSYS actuale pot gestiona cu eficienţă astfel de complexităţi. Mai mult, aflăm despre posibilitatea de a include în analize şi aspecte mai subtile dar importante în mecanica practică: modificări ale proprietăţilor materialelor în timpul lucrului, stări ale zonelor de contact, eroziuni evolutive, ş.a.m.d. 

Figura 2 Dinamica fluidelor

 

La familia impresionantă de analize posibile se adaugă şi funcţiuni de simulare a cinematicii mecanismelor. În privinţa ansamblurilor complexe, un loc bine definit în familia ANSYS îl are modulul de analiză a dinamicii corpurilor ridgide multiple, cu aplicări concrete: suspensii de autovehicule, braţe robotice, trenuri de aterizare, pentru aeronave, etc. În plus, simulările pot fi rafinate convertind în ,,corpuri flexibile” părţi ale unor astfel de modele. 

Deşi obiectul tradiţional al aplicaţiilor CAD/CAE îl constituie proiectarea mecanică, în cazul de faţă ne apare cel mai bine aspectul multi-disciplinarităţii: ANSYS este renumit pentru soluţiile de ,,câmp cuplat”, aplicabile acolo unde se doreşte rafinarea proiectului prin studierea şi a altor fenomene fizice (în afara celor mecanice), precum căldura, electromagnetismul, efectele piezoelectrice, acustica, ş.a.m.d. (De aici şi termenul de multi-physics.)

De asemenea, trebuie menţionat că numele ANSYS iese deseori din zona industrială pentru a servii cerinţe pretenţioase din domeniul cercetării ştiinţifice (inclusiv în medicină, fizică, acustică, geologie, seismologie, ş.a.).

 

 

 Figura 3 Analiză burduf circulaţie

 

Aplicaţii informatice pentru structuri

O astfel de soluţie CAE (fie singulară, fie angajată în conjuncţie cu module adiacente) pune la dispoziţia echipei de proiectanţi sau de cercetători unelte de simulare a cvasi-totalităţii aspectelor structurale folosind analize statice liniare şi neliniare, dar şi o multitudine de analize dinamice (analize modale pentru calcularea frecvenţelor de rezonanţă, analize armonice pentru determinarea variaţiei în timp a răspunsului la sarcini, analiza la oboseală, analize dinamice tranzitorii liniare şi neliniare, analize spectrale pentru vibraţii aleatoare, etc). 

Aplicaţiile ANSYS suportă geometrii de repere cu complexitate ridicată, atât în privinţa formelor cât şi în privinţa mulţimii de subcomponente structurale (de la piese cu pereţi subţiri la corpuri gigantice, cu decupaje/cavităţi diverse sau cu felurite nervuri de ranforsare). Mai mult, soluţiile pot angaja inclusiv efecte de ,,geometrie neliniară’’ (deformări dinamice) pentru a simula deformările masive sau analizele de stabilitate neliniară. 

Scriam mai devreme despre analize ce iau în consideraţie modificările de comportament al materialului piesei analizate. ANSYS pune la dispoziţie o bibliotecă bogată de materiale matematice de unde proiectantul poate alege pentru simulare (inclusiv pentru repere ce se vor executa din materiale compozite, în diverse configuraţii). De asemenea, când se analizează ansambluri, software-ul ne ajută să definim/captăm interacţiunile cheie dintre componente, fie că este vorba de contacte de piese, de asamblări fixe (elastice, prin sudură), sau de articulaţii specifice mecanismelor (angajând inclusiv simularea gradelor de libertate).

 

Figura 4 Analiză maritime

 

HPC şi cloud-computing

Astăzi nu prea putem evita subiectul ,,cloud” când vorbim de furnizori de soluţii PLM/CAD. Şi cum ANSYS are ceva istorie în domeniul HPC (High Performance Computing), nu ne surprinde să aflăm că ei îşi extind soluţiile prin ,,norul internet”.

Scriam anterior că abordarea cloud-computing (ca urmaşă a ,,grid-computing” şi ,,distributed computing”, deci cu înrudire HPC) se pretează în mod special la simulări de comportamente complexe aplicate unor entităţi gigantice (clădiri, poduri, baraje, plăci tectonice, etc). Avem astfel întâia premisă pentru soluţiile ANSYS via internet. Apoi, mai contabilizăm şi şansa de a accesa astfel acele aplicaţii de analiză de care avem nevoie prea rar pentru a justifica achiziţionarea completă. 

Figura 5 Analiză aeroauto  

 

ANSYS a trebuit să se bazeze pe HPC în soluţiile de vârf pentru simularea proceselor ce implică simultan fluide în mişcare (CFD), analize structurale (FEA), analize termice şi fenomene electromagnetice (aspecte pe care le putem întâlni când studiem funcţionarea motoarelor, aerodinamica automobilelor, comportamentul turbinelor de vânt, ş.a.m.d.). De exemplu, software-ul ANSYS pentru analize structurale a fost de mult timp gândit să se poată scala pe platforme hardware cu zeci de nuclee CPU, iar software-ul de simulare CFD poate angaja sute şi mii de nuclee de procesare (fie în clustere cu memorie distribuită, fie în servere SMP, fie în staţii PC conectate în grid). 

Alunecarea accentului către internet vine acum ca o continuare firească, mai ales pentru clienţii mai mici. Apar câteva probleme (transferul via internet al seturilor mari de date, securitatea datelor), dar economia promisă (mai ales IMM-urilor) prin accesarea de soluţii CAE via cloud (implementate ca IaaS) este motivantă.

Suita ANSYS: ANSYS Multiphysics, ANSYS Mechanical, ANSYS Structural, ANSYS Professional NLS, ANSYS Professional NLT, ANSYS DesignSpace, ANSYS Explicit STR, ANSYS Autodyn, ANSYS LS-DYNA, ANSYS Fluent, ANSYS CFX, ANSYS CFD-Flo, ANSYS Polyflow, ANSYS HFSS, ANSYS Maxwell


 Mircea Băduţ este inginer, consultant CAD/IT