ANALIZE DINAMICE EXPLICITE UTILIZÂND ANSYS WORKBENCH

Familia de produse software ANSYS Explicit Dynamics permite inginerilor să realizeze analize tranzitorii neliniare care implică efecte dinamice complexe, având o aplicabilitate largă în multe domenii de activitate. Din această categorie de produse fac parte: Explicit STR (inclus în pachetul de licențe Mechanical Enterprise), Autodyn și LS-Dyna. Cu ajutorul lor se pot realiza o serie întreagă de simulări în domeniul ingineriei cum ar fi: impact, drop test, hiperelasticitate, eroziune de material, explozie etc. permițând modelarea comportamentului dinamic al solidelor, fluidelor, gazelor și interacțiunii lor. În plus, Ansys LS-DYNA este complet integrată în platforma Ansys Workbench. 

O simulare tipică constă în configurarea modelului, definirea interacțiunilor și a sarcinilor aplicate, obținerea răspunsului dinamic neliniar al modelului specific unui interval de timp scurt sau foarte scurt, pentru ca în final să se proceseze rezultatele folosind o varietate de instrumente disponibile.

Interfața de lucru pune la dispoziția utilizatorilor o structură arborescentă care îi ghidează prin diferiții pași ai unei simulări. În arbore sunt expuse detaliile asociate cu obiectul și pot fi utilizate instrumentele și tabelele cu specificații corespunzătoare pentru a efectua acea parte a simulării. Obiectele sunt utilizate, de exemplu, pentru a defini datele de intrare, cum ar fi suprafețele de contact, încărcările și condițiile la limită sau pentru a procesa diversele tipuri de rezultate.

Analizele dinamice explicite sunt utilizate pentru a determina răspunsul dinamic al unei structuri datorat propagării undelor de stres, impactului sau sarcinilor dependente de timp care se schimbă rapid. Schimbul de impuls care apare între corpurile în mișcare și efectele inerțiale sunt de obicei aspecte specifice analizelor explicite. Acest tip de analiză poate fi folosit și pentru a modela fenomene mecanice care au comportament neliniar. Neliniaritățile pot proveni din materiale (de exemplu, hiperelasticitate sau curgeri de plastic), din contact (de exemplu, impact de viteză mare) sau din deformarea geometrică (de exemplu, flambaj și colaps). Fenomenele mecanice care se desfășoară într-un interval de timp mai mic de o secundă (de obicei de ordinul milisecundelor) sunt simulate eficient realizând o analiză explicită. Pentru acele fenomene cu durată mai lungă, trebuie luată în considerare utilizarea unui sistem de analiză tranzitorie implicită.

Pasul de timp utilizat într-o analiză dinamică explicită este constrâns pentru a menține stabilitate și consistență, adică incrementul de timp este proporțional cu cea mai mică dimensiune a elementului din model și invers proporțional cu viteza sunetului din materialele utilizate. Incrementele de timp sunt de obicei de ordinul unei microsecunde și, prin urmare, sunt necesari mii de pași de timp (cicluri de calcul) pentru a obține soluția.

De obicei, o analiză dinamică explicită include neliniarități de mai multe tipuri, cum ar fi: deformații mari, plasticitate, hiperelasticitate, ruperea materialului etc.

O analiză dinamică explicită poate conține atât corpuri rigide, cât și flexibile. Pentru simulările dinamice ale corpului rigid/flexibil care implică mecanisme și cuple mecanice, poate fi luată în considerare utilizarea tipului de analiză dinamică dedicată studiului mecanismelor pe care o pune la dispoziție platforma de lucru Ansys Workbench.

Generarea modelului discretizat

Toate metodele de discretizare disponibile în aplicația Workbench Meshing pot fi utilizate în analizele explicite.

Într-o analiză dinamică explicită trebuie obținut un mesh neted și uniform în regiunile de interes ale modelului iar în acele regiuni care nu sunt de interes se poate genera un mesh grosier. Aceasta poate ajuta la reducerea dimensiunii generale a problemei care trebuie rezolvată.

Deci trebuie să se țină cont de numărul de elemente din modelul discretizat și de calitatea acestora pentru ca procesul de soluționare să fie mai rapid, astfel încât să avem simulări mai eficiente. Un mesh grosier poate fi adesea folosit pentru a obține o perspectivă asupra modelului studiat, în timp ce un mesh mai fin este necesar pentru a investiga efecte neliniare complexe și ruperea. Opțiunea Mesh Metric permite vizualizarea informațiilor despre modelul discretizat și, prin urmare, evaluarea calității acestuia. 

Metodele de discretizare Sweep și Multizone sunt preferate în analizele dinamice explicite, astfel încât divizarea geometriei în volume de formă cât mai ordonată, combinată cu opțiunea de grupare a acestora într-un multi-body part în Ansys Design Modeler sau Ansys SpaceClaim Direct Modeler, sunt recomandate pentru a facilita obținerea unui mesh alcătuit din elemente de formă cubică. Acest tip de mesh este preferat deoarece rezultă un model discretizat redus ca număr de noduri și elemente. Dacă totuși modelul geometric nu permite un astfel de mesh, atunci se recomandă metoda de discretizare cu tetraedre Patch Independent pentru a obține o dimensiune mai uniformă a elementelor și pentru a profita de eliminarea automată a unor detalii de geometrie neimportante.

În analizele explicite se folosesc elemente de ordin 1, indiferent că discutăm de solide, suprafețe sau linii. Altfel, vor apărea mesaje de eroare sau avertizare dacă sunt prezente în modelul discretizat elemente de ordin 2 (cu noduri intermediare).

Elementele în formă de piramidă nu sunt acceptate în analizele explicite. Orice element de acest tip va fi convertit în două elemente tetraedrice și va apărea un mesaj de avertizare în fereastra dedicată acestora.

Pentru LS-DYNA, sunt acceptate doar tipurile de elemente enumerate mai jos (din cauza limitărilor LS-DYNA). Orice model discretizat care conține elemente nesuportate va fi respins.

  • Plăci
    • Ordin 1: triunghiuri, patrulatere
    • Ordin 2: niciunul
  • Solide
    • Ordin 1: tetraedre, piramide, prizme, hexaedre, grinzi
    • Ordin 2: tetraedre

Este important de specificat că LS-DYNA acceptă elemente de tip Thick Shell.

Elementele de formă piramidă nu sunt recomandate pentru LS-DYNA. Va apărea un mesaj de avertizare dacă astfel de elemente sunt prezente în model.

Când se realizează o analiză structurală statică implicită sau o analiză structurală tranzitorie implicită cuplată cu o analiză dinamică explicită, este necesar să se utilizeze același mesh atât pentru analiza implicită, cât și pentru cea explicită și sunt permise numai elemente de ordin 1. Dacă sunt utilizate elemente de ordin 2, soluționarea nu va putea fi posibilă și va fi emis un mesaj de eroare.

Setări specifice analizelor dinamice explicite

• Controlul pasului de timp – În analizele explicite este absolut necesar să se specifice chiar de la început timpul final de soluționare. Pasul de timp trebuie stabilit în funcție de o estimare a timpului final necesar pentru a simula fenomenul studiat. În mod normal, trebuie să permitem solverului să-și determine propria dimensiune a pasului de timp, realizând o soluționare provizorie cu un număr mic de pași. Eficiența soluției poate fi crescută utilizând opțiunea de scalare de masă. Această opțiune însă trebuie folosită cu precauție deoarece prea multă scalare de masă poate conduce la rezultate eronate. Soluționarea unei analize explicite poate fi pornită, întreruptă și reluată în orice moment. De exemplu, o soluție care a atins timpul final poate fi extinsă pentru a urmări în continuare progresul fenomenului simulat. 

• Control solver – Există posibilitatea de a controla o serie de setări specifice solverului, inclusiv formulările elementelor și limitele de viteză ale soluției. Valorile implicite sunt aplicabile pentru o gamă largă de aplicații. Actualizarea inerției pentru modele discretizate cu elemente de tip shell, actualizarea densității, viteza minimă sau viteza maximă pot fi setate de către utilizator numai în cazul în care se folosește solver Autodyn atât în interfața proprie cât și cea specifică lui Ansys Mechanical.

În ceea ce privește sistemul de unități de măsură, solverul Autodyn folosește în mod implicit “mm, mg, ms” și acesta nu poate fi modificat. Un sistem de unități de măsură selectabil de către utilizator este disponibil numai în aplicația Ansys LS-Dyna.

• Control domeniu Euler – Există trei parametri care sunt necesari pentru a defini domeniul Euler: dimensiunea întregului domeniu, numărul de celule de calcul din domeniu (Definiția rezoluției domeniului) și tipul de condiţii la limită care urmează să fie aplicate pe marginile domeniului. Mărimea domeniului poate fi definită automat sau manual. Atât pentru opțiunea automată, cât și pentru cea manuală, dimensiunea este definită pe baza unui punct de origine 3D și dimensiunile X, Y și Z ale domeniului.

• Control amortizare – Amortizarea este utilizată pentru a controla oscilațiile din spatele undelor de șoc. Această opțiune permite utilizatorului să adapteze nivelul de amortizare și formularea utilizată pentru analiza efectuată. Oscilațiile elastic pot fi, de asemenea, amortizate automat pentru a oferi o soluție cvasi-statică după un comportament dinamic.

În analizele explicite un rol important îl joacă amortizarea de tip hourglass. Aceasta constă în faptul că o piesă, în timpul solicitării dinamice, își poate modifica forma dar nu își modifică volumul. 

Pentru amortizarea de tip hourglass, fie coeficientul vâscos, fie coeficientul de rigiditate este utilizat pentru opțiunea Flanagan Belytschko – atunci când se execută o analiză dinamică explicită folosind Ansys LS-Dyna. Astfel, coeficientul diferit de zero determină formatul de amortizare să fie, fie Flanagan-Belytschko vâscos, fie Flanagan-Belytschko rigid. Dacă ambele sunt diferite de zero, va fi utilizat coeficientul de rigiditate.

• Control eroziune – Eroziunea este utilizată pentru a îndepărta automat elementele foarte distorsionate dintr-o analiză și este necesară pentru simulări precum cea de tăiere sau cea de impact cu perforare. Într-o analiză dinamică explicită, eroziunea este un instrument numeric care ajută la menținerea unor pași mari de timp și, astfel, permite obținerea unor soluții la scale de timp adecvate. Sunt disponibile mai multe opțiuni pentru a iniția eroziunea. Setările implicite vor eroda elementele care suferă deformări geometrice de peste 150 %. Valoarea implicită trebuie crescută la modelarea materialelor hiperelastice. 

• Control date de ieșire – Rezultatele simulării sunt furnizate în mai multe moduri:

  • Fișiere cu rezultate care sunt utilizate pentru a furniza date din noduri și elemente, cum ar fi deplasarea, viteza, tensiunea și deformația. Este bine de precizat că aceste fișiere pot să furnizeze un istoric de timp selectiv al datelor rezultate datorat salvării relativ rare a fișierelor cu rezultate și în felul acesta ocupă mai puțin spațiu pe hard.
  • Fișierele de restart ar trebui să fie stocate mai rar decât fișierele cu rezultate. Acestea pot fi folosite pentru a relua procesul de soluționare a unei analize de la un anumit pas de timp.
  • Fișierele de monitorizare a soluționării sunt de obicei stocate mult mai frecvent decât rezultatele sau datele pentru restart și astfel sunt utilizate pentru a produce date tranzitorii complete pentru diverse mărimi de ieșire.
  • Când se realizează un cuplaj între o analiză implicită și una explicită, dacă analiză implicită este una neliniară, trebuie activată opțiunea “Strain Details”, deoarece sunt necesare deformații plastice pentru rezultate corecte. 

Monitorizarea soluției – Rubrica Solution Information oferă un rezumat al incrementelor de timp pe parcursul procesului de soluționare, iar progresul este actualizat continuu în fereastra de output. Pentru analizele soluționate în modul paralel distribuit, este afișată și echilibrarea încărcării paralele a nucleelor. Aceasta este calculată pentru fiecare nucleu (core) ca timp CPU luat pentru un nucleu împărțit la timpul mediu CPU luat pentru toate nucleele care participă la soluționare. Histogramele pasului de timp, energiei și impulsului sunt, de asemenea, disponibile pentru monitorizarea în timp real a progresului soluției.

Prezentă pe piața de profil din România încă din anul 1991, INAS S.A. este astăzi furnizor principal de soluții CAD/CAM/CAE/PLM/IoT/AR și servicii conexe, pentru industria românească. Încă de la înființare, INAS s-a remarcat prin orientarea constantă către client și prin preocuparea de a introduce pe piață produse software complete și inovative care să răspundă celor mai exigente cerințe ale utilizatorilor săi.

Având și o bogată experiență practică, acumulată ca urmare a colaborărilor cu parteneri de prestigiu atât din industria românească cât și din străinătate, specialiștii INAS furnizează consultanță tehnică de specialitate în domeniul ingineresc, respectiv servicii de proiectare și analiză, pentru o gamă largă de domenii industriale, de la construcția de autovehicule și mașini grele la industria nucleară și apărare.

Pentru informații suplimentare, contactati office@inas.ro