ANSYS Advantage. Русская редакция №14 –...

НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩАЯ

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Êàêàÿ ïîãîäà íà Ìàðñå

FSI-ðàñ÷åò â ANSYS Ïðîåêòèðîâàíèå ñîâðåìåííûõ òàíêåðîâ â ANSYS

EMT_oblojka_14-2009.indd 1EMT_oblojka_14-2009.indd 1 08.10.2010 20:00:1608.10.2010 20:00:16

Содержание

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании

ANSYS, Inc. «От идей к решениям» и «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками компании

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками

или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

«ANSYS Advantage.

Русская редакция»

Инженерно/технический

журнал

Выходит 4 раза в год

14'2010

Учредитель:

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Генеральный директор:

Локтев Валерий

Руководитель проекта:

Хитрых Денис

Над номером работали:

Чернов Александр

Юрченко Денис

Переводчик:

Юрченко Анна

Интернет�группа:

Николаев Александр

Адрес редакции

111672 Россия, Москва,

ул. Суздальская, 46,

Тел.: (495) 644-0608

Факс: (495) 644-0609

Тираж 1500 экз.

Цена свободная

Новости ANSYS

Volkswagen подписывает генеральное соглашение с ANSYS ............................ 2

Использование ANSYS в пищевой и химической промышленности ................. 2

Компания Pratt & Miller использует ANSYS .......................................................... 3

Применение ANSYS в исследовании возобновляемых источников энергии .....4

Ferrari использует технологии ANSYS для оптимизации конструкции

автомобилей ........................................................................................................... 5

Почему опасно использовать нелицензионный софт: практика пресечения

компьютерного пиратства» ................................................................................... 6

Технологии

ANSYS Multiphysics

Опыт применения ANSYS при разработке конструкции плавучей сцены ....... 10

Использование ANSYS AUTODYN для оптимизации процесса взрывных

работ в горной промышленности ........................................................................ 13

Проектирование современных яхт класса люкс с применением ANSYS

Mechanical ............................................................................................................. 15

Многодисциплинарные решения ANSYS в судостроении ................................ 17

Исследование темной стороны Вселенной ........................................................ 20

Оптимизация конструкции автомобильной двери с использованием

ANSYS Workbench ................................................................................................ 22

ANSYS CFD

MOBIL совершенствует свое нефтеперерабатывающее оборудование

с помощью CFD-комплексов ANSYS .................................................................. 24

Расчет течения многофазного потока в сепараторе природного газа ........... 25

Калибровка измерительных приборов на модуле Phoenix Mars Lander

с использованием ANSYS CFD ........................................................................... 27

Увеличение ресурса эксплуатации энергетического котла

с помощью ANSYS CFX ....................................................................................... 29

FSI-технологии ANSYS помогли спроектировать экономичную плавающую

станцию экологического мониторинга ............................................................... 31

Топологическая оптимизация в литейном производстве ................................. 33

Оптимизация процесса гидравлического разрыва с помощью численного

моделирования. Часть 1 ...................................................................................... 34

Мастер-класс

Упрощенная процедура постановки FSI-расчета с применением

ANSYS Workbench ............................................................................................... 37

Пример параметрического расчета вентиляционного коллектора

с использованием ANSYS Workbench................................................................. 39

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010www.ansyssolutions.ru

14'2010

© 2010 ANSYS, Inc.

© 2010 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

A D V A N T A G E

Перепечатка опубликованных

материалов только с письмен-

ного разрешения редакции, за

исключением кратких цитат в

материалах информационного

характера. Мнение редакции

может не совпадать с мнением

авторов

EMT_5-14-2010_ver0.indd 1EMT_5-14-2010_ver0.indd 1 09.10.2010 0:11:4209.10.2010 0:11:42

www.ansyssolutions.ru


2


2

Новости и события

ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

Volkswagen подписывает генеральное

соглашение с ANSYS

Немецкий автопроизводитель использует многодисциплинарные программные комплексы ANSYS Саутпойнт, Пенсильвания — компания ANSYS,

Inc., занимающаяся разработкой программного

обеспечения для инженерных расчетов, объяви-

ла о том, что Volkswagen AG, один из крупней-

ших мировых автопроизводителей, подписал

генеральное соглашение с ANSYS о расшире-

нии использования программных продуктов. Вы-

бор программного обеспечения ANSYS обуслов-

лен универсальностью и многофункциональнос-

тью программных комплексов, а также единой

платформой ANSYS Workbench, позволяющей

существенно сократить время расчетов.

Специалисты Volkswagen используют про-

дукты ANSYS для расчета НДС, процессов гид-

родинамики и нестационарной нелинейной дина-

мики явными методами при проектировании сис-

тем кондиционирования, двигателей, фар и др.

«Стратегия Simulation Driven Product

Development может применяться в любой отрас-

ли промышленности, ускоряя разработку изде-

лия и время выхода на рынок,– сообщил Albrecht

Gill, региональный директор по продажам,

ANSYS Germany. – Проведения физических экс-

периментов и изготовления прототипов уже не

достаточно для получения конкурентных пре-

имуществ на современном рынке. Компании-ли-

деры, в том числе Volkswagen, все чаще исполь-

зуют компьютерное моделирование — с целью

снижения затрат на разработку и общего конт-

роля проектов».

«На рынке автомобилестроения действует

жесткая конкуренция, поэтому нововведения в

современных автомобилях должны реализовы-

ваться в максимально сжатые сроки. Для сохра-

нения лидерских позиций необходимо активно

использовать инновационные программные

комплексы для инженерных расчетов. Мы вы-

брали программное обеспечение ANSYS благо-

даря многофункциональности, необходимой для

решения наших задач, — прокомментировал

Ralph Sundermeier, начальник департамента

CAE-расчетов, Volkswagen AG. — В среде ANSYS

Workbench возможно проводить связанные рас-

четы и благодаря этому учитывать весь спектр

физических явлений».

Ñïåöèàëèñòû Volkswagen èñïîëüçóþò ïðîäóêòû ANSYS äëÿ ðàñ÷åòà ÍÄÑ, ïðîöåññîâ ãèäðîäèíàìèêè è íåñòàöèîíàðíîé íåëèíåéíîé äèíàìèêè ÿâíûìè ìåòîäàìè ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ñèñòåì êîíäèöèîíèðîâàíèÿ, äâèãàòåëåé, ôàð è äð.

Использование ANSYS в пищевой

и химической промышленности

Специалисты компании GEA Niro применяют технологии ANSYS для расчетов сушки, выпарки и переработки в молочной, пищевой, химической и фармацевтической промышленностиПиттсбург – Компания GEA Niro, работающая в

молочной, пищевой, химической и фармацевти-

ческой промышленности, выбрала программное

обеспечение ANSYS для оптимизации оборудо-

вания и сокращения производственных затрат.

Датская компания GEA Niro является лидером в

области сушки, грануляции и агломерации мо-

лочных, пищевых и химических продуктов. Груп-

па GEA Process Engineering объединяет постав-

щиков специализированного технологического

оборудования. Программные комплексы ANSYS

помогают клиентам оптимизировать проект на

ранних стадиях разработки.


3




3

www.ansyssolutions.ru ANSYS Advantage. Русская редакция | 14'2010

Специалисты GEA Niro проводят расчеты

процессов выпарки, дистилляции и кристалли-

зации молочных, пищевых и химических про-

дуктов. Кроме того, проводится оптимизация

процессов сушки и других связанных явлений,

требующих тщательного изучения. Програм-

мные комплексы ANSYS помогают моделиро-

вать данные процессы в реальных условиях без

необходимости проведения натурных экспери-

ментов.

Портфолио ANSYS охватывает все расчет-

ные потребности GEA Niro. «В течение 20 лет мы

проводим гидродинамические расчеты, пытаясь

максимально усовершенствовать нашу методи-

ку, - сказал Thorvald Ullum, инженер-расчетчик,

GEA Niro. – В частности, мы разработали мето-

дику DRYNETICS для повышения надежности

расчетов распыления. С помощью ANSYS мы

сокращаем время расчетов и повышаем надеж-

ность в области высокотурбулентных потоков».

«Компания GEA Niro является отличным

примером использования инновационных техно-

логий в широком спектре приложений. Благода-

ря использованию ANSYS специалисты устанав-

ливают стандарты для решения проблем на ран-

них этапах проектирования», — сообщил Adrian

Booth, региональный директор ANSYS в Север-

ной Европе.

Компания Pratt & Miller использует

ANSYS

Ведущий производитель гоночных автомобилей использует ANSYS для оптимизации конструкции деталей Саутпойнт, Пенсильвания – компания ANSYS,



ла о том, что специалисты крупнейшей компа-

нии – производителя гоночных автомобилей

Pratt & Miller используют программное обеспече-

ние ANSYS для модернизации педалей тормоза.

В процессе расчетов использовались програм-

мные продукты ANSYS совместно с кодом fe-

safe (производитель Safe Technology Limited),

предназначенным для проведения анализа уста-

лостной долговечности. Это позволило оценить

различные проектные решения и выбрать опти-

мальный вариант, не требующий увеличения

веса или ухудшения гоночных характеристик ав-

томобиля. Открытая архитектура ANSYS позво-

ляет использовать сторонние коды, в частности,

fe-safe, что позволяет инженерам Pratt & Miller в

сжатые сроки выбрать оптимальное проектное

решение, соответствующее жестким требовани-

ям по усталостной долговечности деталей.

В гоночных автомобилях, в соответствии с

пожеланиями гонщиков, механики часто меняют

конструкцию и расположение педали тормоза.

Перемещение педали от центра приводит к зна-

чительному крутящему моменту — вследствие

чего растет напряжение и усталость материала.

Сотрудники инженерного центра Pratt & Miller от-

метили преждевременное образование трещин

на педали тормоза одной из гоночных машин.

Трещина начиналась от шарнирного пальца и воз-

никала в результате размещения педали вдали от

центра. «Мы должны были изменить конструкцию

педали. В автогонках усложнение конструкции яв-

ляется существенной проблемой; для каждой де-

тали мы должны четко соблюдать ограничения,

поскольку это может существенно повлиять на

скорость и, в конечном итоге, результат гонки. Ис-

пользование компьютерного моделирования ста-

ло ключевым моментом при решении данной про-

блемы», — сообщил Gary Latham, проектировщик

инженерного центра компании Pratt & Miller.

Специалисты Pratt & Miller’s должны были

существенно увеличить усталостную долговеч-

ность детали без ухудшения гоночных характе-

ристик автомобиля. Проводилась параметриза-

ция толщины ребра педали в CAD-пакете, а также

сравнение различных проектных вариантов в

среде ANSYS Workbench. С помощью програм-

мных комплексов ANSYS проводилось всесто-

роннее изучение проекта и выбирался оптималь-

ный по весовым характеристикам вариант. Ана-

лиз усталостной долговечности, проводимый с

помощью программного комплекса fe-safe, пока-

зал участки, требующие укрепления. Кроме того,

Òðåùèíà â ïåäàëè òîðìîçà, íà ïîâåðõíîñòè èçîáðàæåíî ïîëå ýêâèâàëåíòíûõ íàïðÿæåíèé




4


4



инженеры определили, насколько необходимо

изменить нагрузки и какое количество материала

необходимо, чтобы проектная долговечность со-

ставила 1 миллион циклов. На данный момент

новый проект находится в стадии производства.

«В современном инженерно-техническом

мире использование единой платформы для ин-

женерных расчетов становится необходимым

условием, — сказал Sandeep Sovani, менеджер

ANSYS (автомобильная отрасль). — Клиенты

рассматривают множество вариантов в процес-

се разработки новых изделий. Архитектура

ANSYS, благодаря своей адаптивности, откры-

тости и гибкости, позволяет использовать широ-

кий спектр программ: CAD, PLM, внутренние

коды и другие технологии. С помощью ANSYS

компания Pratt & Miller эффективно использует

несколько расчетных технологий для достиже-

ния оптимального результата».

Ðàñ÷åò íàïðÿæåíèé ñ ïîìîùüþ ANSYS: ñõåìà íàãðóæåíèÿ è çàêðåïëåíèÿ (ñëåâà), ïåðâîíà÷àëüíûé âàðèàíò (ïîñåðåäèíå), îïòèìèçèðîâàííàÿ êîíñòðóêöèÿ (ñïðàâà)

Применение ANSYS в исследовании

возобновляемых источников энергии

Компания Norvento Energia Distribuida использует технологии ANSYS для разработки и оптимизации возобновляемых источников энергииСаутпойнт, Пенсильвания — компания ANSYS,



ла, что Norvento Energia Distribuida, лидер в раз-

работке возобновляемых источников энергии,

использует многодисциплинарный программный

комплекс ANSYS для промышленной разработ-

ки и оптимизации возобновляемых форм энер-

гии. В частности, специалисты Norvento плани-

руют проводить электромагнитный анализ, а

также расчет НДС и теплового состояния с по-

мощью инновационных технологий ANSYS.

Одним из недавних проектов компании

стало создание нового проекта ветровой турби-

ны для работы в различных энергетических сис-

темах. «По нашему мнению, компьютерное мо-

делирование является лучшим инструментом

для создания в короткие сроки эффективных ин-

новационных проектов, — сообщил Miguel

Hoyos, технический директор компании Norvento

Energia Distribuida. — В частности, программные

комплексы ANSYS позволяет проводить элект-

ромагнитные расчеты вращающихся электри-

ческих машин, анализ теплового состояния, свя-

занный с изучаемыми электромагнитными явле-

ниями, и линейный расчет НДС деталей с боль-

шой деформацией. Использование компьютер-

ного моделирования позволяет получить эф-

фективное и экономичное решение». Компания

Norvento эффективно использует управление

расчетными данными и процессами (SPDM), в

связи с чем различные отделы могут одновре-

менно получить доступ к имеющимся програм-

мным комплексам, совместно работать над про-

ектом и, в случае необходимости, проводить

связанные многодисциплинарные расчеты.

«Проектирование ветровой турбины с при-

менением связанных многодисциплинарных

расчетов в ANSYS является достаточно продук-

тивным, поскольку расчетная платформа позво-

ляет решать разнообразные задачи — от анали-

за аэродинамики до расчета НДС, — сообщил

Ahmad Haidari, руководитель направления про-

мышленного маркетинга в ANSYS, Inc. – Исполь-

зуя продукты Ansoft, технические специалисты

Norvento могут оптимизировать электромехани-

ческую систему ветровой турбины, уделив вни-

мание электрогенератору, системам регулиро-

вания оборотов, трансформаторам, силовой

электронике, распределению мощности и др.

Многофункциональность инженерных решений

и универсальность многодисциплинарных про-

дуктов ANSYS позволяет нашим клиентам полу-

чить существенное конкурентное преимущество

на современном рынке».


5




5


Итальянский автогигант применяет программные комплексы ANSYS для повышения теплового комфорта в салоне автомобиляСаутпойнт, Пенсильвания — компания ANSYS,


обеспечения для инженерных расчетов, сообщи-

ла, что крупнейший итальянский автопроизво-

дитель Ferrari использует технологии ANSYS для

оптимизации конструкции автомобилей. Совре-

менные возможности программных комплексов

ANSYS позволяют улучшить тепловой комфорт

в салоне автомобиля.

Поскольку потенциальные покупатели уде-

ляют большое внимание тепловому комфорту в

салоне, для компании Ferrari данный аспект так-

же является приоритетным. Чтобы оценить уро-

вень комфорта не только в качественных, но и в

количественных характеристиках, специалисты

Ferrari совместно с University of Pisa (Италия)

провели серию исследований. Поскольку приме-

нение экспериментального метода является до-

рогостоящим и непрактичным, исследователь-

ская группа провела серию инженерных расче-

тов с использованием CFD-кодов ANSYS.

«Тепловой комфорт является субъектив-

ным показателем, который нельзя измерить, —

сообщил Giovanni Lombardi, профессор аэроди-

намики University of Pisa. — Качественных ха-

рактеристик, полученных в экспериментах, не

достаточно для определения качества проекта и

эффективности тех или иных проектных измене-

ний. Использование чисто экспериментального

подхода оказалось недостаточным для получе-

ния необходимых данных. Мы использовали

программные комплексы ANSYS поскольку они

обеспечивают адекватные результаты в подоб-

ных случаях».

Ученые составили «общий индекс теплово-

го комфорта» на основе таких параметров, как

тепловое равновесие человеческого тела, испы-

тываемый дискомфорт от сквозняков, горизон-

тальные и вертикальные температурные гради-

енты. Для этого исследовались такие факторы,

как скорость автомобиля и свойства материалов

(кожа, стекло, алюминий), чувствительность к на-

греванию или охлаждению определенных частей

тела (ноги, руки, лицо, защищенные одеждой или

нет), интенсивность солнечного излучения, внут-

ренний объем автомобиля и приток воздуха.

«Перед специалистами Ferrari и University of

Pisa стояла трудная задача — разработать мето-

дику измерения качества. Задание было выпол-

нено благодаря совместной скоординированной

работе с использованием программных комплек-

сов ANSYS. — сказал Jim Cashman, президент и

исполнительный директор

компании ANSYS, Inc. — Пре-

имущество нашей стратегии

Simulation Driven Product

Development заключается в

том, что создание физичес-

ких моделей или проведение

экспериментов больше не

требуется — проект можно

проверить, оптимизировать

и, если необходимо, изме-

нить на ранних этапах разра-

ботки. Многие компании во

всем мире, работающие в

различных отраслях про-

мышленности, по достоинс-

тву оценили это преимущес-

тво. С помощью ANSYS,

Ferrari остается одним из по-

пулярных брендов мирового

автомобилестроения».

Ferrari использует технологии ANSYS

для оптимизации конструкции

автомобилей

Ïîëå îáòåêàíèÿ â ñàëîíå Ferrari, ïîëó÷åííîå ñ ïîìîùüþ ïðîãðàììíîãî êîìïëåêñà ANSYS




6


6



Ассоциация производителей программного обес-

печения Business Software Alliance (www.bsa.org)

является ведущей международной организацией,

деятельность которой направлена на продвиже-

ние безопасного и легализованного программно-

го обеспечения в современном цифровом мире.

Организацию BSA можно назвать голосом

мировых производителей программного обеспе-

чения и их партнеров, производящих аппаратное

обеспечение. Программы и инициативы органи-

зации BSA направлены на развитие инноваций и

технологий, повышение образовательного уров-

ня в области защиты авторских прав, а также на

активное взаимодействие с законодательными

и правоохранительными органами различных

стан мира в области защиты авторских прав на

программы для ЭВМ.

BSA существует с 1988 года, а в России ор-

ганизация начала свою работу в 2005 году и на

сегодняшний день имеет своих представителей в

Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде,

Ростове-на Дону, Екатеринбурге и других горо-

дах, где представляет интересы таких всемирно

известных производителей программного обес-

печения: Adobe, Altium, ANSYS, Apple, Autodesk,

Bentley Systems, Corel, Dassault Systemes

SolidWorks Corporation, McAfee, Microsoft,

Siemens, Symantec, Tekla и The MathWorks, про-

дукция которых представлено на российском

рынке программного обеспечения (ПО). Юристы

BSA активно поддерживают работу правоохрани-

тельных органов, направленную на пресечение

«корпоративного компьютерного пиратства», то

есть нарушения авторских прав на программы

для ЭВМ, принадлежащих правообладателям-

участникам BSA в деятельности компаний.

Обычно мы не задаемся вопросом, почему

опасно нарушать закон. Ответ кажется вполне

очевидным: за нарушение закона может после-

довать наказание и привлечение к ответствен-

ности. Закон тем меньше нарушается, чем более

явной кажется неотвратимость и суровость на-

казания. К сожалению, в случае с нарушением

авторских прав на программы для ЭВМ осозна-

ние опасности зачастую приходит слишком поз-

дно — только тогда, когда нарушение выявлено

и за него нужно отвечать перед законом.

Вместе с тем в Российской Федерации за

последние десять лет были внесены изменения

в законы, которые существенно ужесточили от-

ветственность за нарушения авторских прав на

программы для ЭВМ, а правоохранительные ор-

ганы стали активно пресекать и выявлять такие

правонарушения.

Что такое «компьютерное пиратство»? В соответствии с принятым в теории и на практи-

ке делением нарушений авторских прав на про-

граммное обеспечение, можно выделить следу-

ющие на виды компьютерного пиратства: изго-

товление и/или распространение копий программ

без соответствующего разрешения правообла-

дателя; непосредственное использование в ком-

мерческой деятельности предприятий/организа-

ций нелицензионных копий компьютерных про-

грамм, установленных на рабочие компьютеры

сотрудников предприятий/организаций (все виды

воспроизведения: запись, хранение в памяти

компьютера, эксплуатация программы).

Административная ответственность за со-

вершение любых таких действий с компьютер-

ными программами с нарушением авторских

прав наступает в том случае, если размер нару-

шения составил менее 50 тысяч рублей. Нару-

шение в размере до 250 тысяч рублей влечет

уголовную ответственность по ч. 2 ст. 146 Уго-

ловного кодекса РФ и квалифицируется как пре-

ступление небольшой тяжести. Нарушение в

особо крупном размере, начиная с 250 тысяч

рублей и более квалифицируется, как тяжкое

преступление и за его совершение лицо может

быть наказано, в том числе лишением свободы

на срок до шести лет. Размер нарушения рас-

считывается на основе стоимости лицензионных

экземпляров компьютерных программ, которые

использовались, производились или распро-

странялись незаконно без разрешения правооб-

ладателя, то есть без лицензии.

Нужно отметить, что разница в стоимости

«пиратских» и лицензионных копий огромна: пи-

ратский диск может стоить 100 рублей или вооб-

ще ничего, если программу скачать из Интерне-

та, а лицензионный продукт может стоить от се-

мисот рублей за электронный переводчик до

30-80 и более тысяч долларов за профессио-

нальные программные расчетно-измеритель ные

комплексы и специализированные промышлен-

ные решения. Вместе с тем, не использовать

Почему опасно использовать нелицензионный софт: практика пресечения компьютерного пиратства»

Анна Петрова, юридический представитель Ассоциации производителей программного

обеспечения (BSA) в России, старший юрист ООО «Балтийское Юридическое Бюро»


7




7


программное обеспечение практические невоз-

можно: это необходимое средство производства

в деятельности любой современной компании.

Компьютеры, на которых не записаны програм-

мы для ЭВМ, просто не работают. При этом, с

точки зрения действующих в России норм, за-

пись и хранение программы в памяти компьюте-

ра сами по себе уже являются ее воспроизведе-

нием и использованием1.

Получается, что нарушать авторских прав

на ПО очень легко и заманчиво: использование

пиратских копий очень доступно, а лицензион-

ные программы по сравнению пиратскими копи-

ями достаточно дороги. Но есть и другая сторона

медали: чем больше нелицензионных программ

использует компания и чем выше стоимость ле-

гальных аналогов, тем вероятнее наступление

последствий нарушения закона, как правило,

очень тяжелых для любой компании и ее сотруд-

ника, привлекаемого к ответственности.

Проверки: что могут правоохранительные органы? Проверка на предмет нарушения авторских прав

на программы осуществляется милицией на осно-

ве положений Федерального закона «Об опера-

тивно-розыскной деятельности». Закон предус-

матривает права милиции на проведение следую-

щих оперативно-розыскных мероприятий (ста-

тья 6): сбор образцов для сравнительного иссле-

дования, исследование предметов и документов,

обследование помещений, зданий, сооружений,

участков местности и транспортных средств.

Основаниями для проведения милицией про-

верки компании на предмет обнаружения незакон-

ного использования компьютерных программ в

коммерческой деятельности, являются (статья 7

Закона «Об ОРМ»): наличие возбужденного уго-

ловного дела, поручения следователя, руководи-

теля следственного органа, органа дознания или

определения суда по уголовным делам, находя-

щимся в их производстве, или ставшие известны-

ми органам, осуществляющим оперативно-розыс-

кную деятельность, сведения о признаках подго-

тавливаемого, совершаемого или совершенного

противоправного деяния, а также о лицах, его под-

готавливающих, совершающих или совершивших,

если нет достаточных данных для решения вопро-

са о возбуждении уголовного дела.

Из каких же источников правоохранитель-

ные органы и/или правообладатели, которые об-

1 Так, согласованные замечания 1 (4) Договора ВОИС по ав-торскому праву 1996 г., к которому Российская Федерация присоединилась, указывают: «Право на воспроизведение, как оно определено в Статье 9 Бернской конвенции, и допускае-мые этой статьёй исключения полностью применяются в циф-ровой среде и, в частности, в отношении использования про-изведений в цифровой форме. Понимается, что хранение ох-раняемого произведения в цифровой форме в электронном средстве является воспроизведением в смысле Статьи 9 Бернской конвенции».

ращаются за защитой своих прав в милицию,

получают информацию о нарушении авторских

прав на используемое в организации програм-

мное обеспечение. Наиболее распространенным

источником подобной информации являются со-

общения, поступающие от действующих или

бывших сотрудников компании, которые по тем

или иным причинам передают подробную инфор-

мацию о фактах нарушений на предприятии ра-

ботодателя. Зачастую это либо уволенные со-

трудники, либо те, кому задерживают или не пла-

тят заработную плату, либо те, кто сталкивается

с грубыми нарушениями условий их труда. Полу-

ченная информация (сообщение) проверяется и

принимается соответствующее решение о про-

ведении проверки на предмет выявления право-

нарушения.

Как происходит проверка?Проверка, как правило, осуществляется в отно-

шении всех компьютеров компании. Компьюте-

ры последовательно осматриваются, и милиция,

выяснив какие программы для ЭВМ на них запи-

саны, запрашивает документы, подтверждаю-

щие легальность их использования. Если компа-

ния не может предоставить документы и/или

иным образом подтвердить наличие лицензий на

ПО, компьютеры изымаются для проведения ис-

следования. В дальнейшем, по результатам под-

готовки материалов проведенных оперативно-

розыскных мероприятий и проведенного иссле-

дования следственными органами решается

вопрос о привлечении ответственного сотрудни-

ка компании к административной или уголовной

ответственности за нарушение авторских прав

на программы для ЭВМ. В случаях, когда компа-

ния, в офис которой пришли с проверкой, пола-

гает, что проверяющие нарушают своими дейс-

твиями положения закона, компания вправе об-

жаловать такие действия в вышестоящий орган

внутренних дел, прокуратуру или суд.

Что важно знать: памятка для ответственного руководителяВне зависимости от того, каким образом произ-

водилась закупка программного обеспечения, и

какой тип лицензий используется на предпри-

ятии («коробочные» продукты или корпоратив-

ные лицензии), — универсальное правило состо-

ит в том, что количество рабочих мест с установ-

ленными программами должно соответствовать

количеству мест оговоренном в лицензионном

соглашении. В случае с программными продук-

тами ряда правообладателей, также возможно

приобрести так называемые ОЕМ-версии про-

грамм, которые поставляются только вместе с

приобретаемой новой компьютерной техникой. В

соответствии с лицензионным соглашением на




8


8



программу, как правило, допускается установка

лишь одной ее копии и только на один компью-

тер, если договором с правообладателем не пре-

дусмотрено иное. Необходимо учитывать, что

программы лицензируются на строго определен-

ное количество рабочих мест (пользовательских

компьютеров), но не на организацию в целом с

неограниченным числом пользователей.

Это означает, что в первую очередь ответс-

твенное руководство должно получить полную

картину положения дел в сфере использования

программных продуктов на своем предприятии, в

частности, лицензирования, для чего необходимо

осуществить инвентаризацию программного

обеспечения. Следует оценить потребность в про-

граммных продуктах, в том числе с учетом допол-

нительных офисов и дочерних подразделений, и

только после этого поднимать вопрос о закупке

программного обеспечения. Крайне полезно раз-

работать план по стандартизации, использова-

нию, приобретению и контролю ПО на предпри-

ятии, а также план по управлению лицензиями на

предприятии, включающий в себя анализ потреб-

ностей в ПО, процесс обучения персонала прави-

лам использования ПО, план по снижению затрат

на техническую поддержку и график регулярной

инвентаризации. В общих чертах в этом и заклю-

чается управление программными активами

(Software Asset Management). Такой подход позво-

лит избежать не только случаев нехватки лицен-

зионных копий программных продуктов, но и из-

быточной закупки лицензий филиалами и дочер-

ними подразделениями, когда размер скидки оп-

ределяется централизованно. В свою очередь,

производители ПО либо их партнеры могут по-

мочь клиентам оценить свои потребности, пред-

ложить наиболее подходящие схемы лицензиро-

вания, обеспечить техническую поддержку и обу-

чение работе с продуктом.

Кроме того, рекомендуется хранить не

только материальные носители программ (дис-

ки, коробки и т.п.), но всю сопутствующую приоб-

ретению документацию (договоры, счета, пла-

тежные документы, акты, счета-фактуры, пере-

писку и т.п.)

В случае выявления правоохранительными

органами факта нарушения авторских прав на

компьютерные программы в конкретной органи-

зации, к уголовной ответственности, как правило,

привлекается физическое лицо, по воле которого

программное обеспечение незаконно использо-

валось в деятельности организации и виновного в

совершении данного преступления. В первую оче-

редь, это руководитель (директор) компании, ко-

торый обязан, в силу своих должностных полно-

мочий и ответственности за всю хозяйственную

деятельность организации, соблюдать требова-

ния законодательства, в том числе, обеспечивать

законное использование программ для ЭВМ в

коммерческой деятельности предприятия.

При этом все законно приобретенные про-

граммные продукты (права на их использование)

должны учитываться в составе имущества пред-

приятия и отражаться в документах бухгалтерско-

го учета (балансе) организации в статье «немате-

риальные активы», а также отражаться в доку-

ментах бухгалтерской отчетности, которые также

подписываются непосредственно руководителем

предприятия. Отсутствие в документах бухгал-

терского учета и отчетности сведений о приобре-

тении лицензий на использование ПО часто озна-

чает, что программы используются незаконно.

Именно поэтому милиция в том числе проверяет

бухгалтерскую документацию. При наличии в

штате организации специально уполномоченного

лица, ответственного за техническое обеспечение

деятельности предприятия, включая программное

обеспечение компьютерной техники (IT-менед-

жер, системный администратор и т.п.), а также

при наличии объективных доказательств его ос-

ведомленности об использовании нелицензион-

ного программного обеспечения в деятельности

компании, может рассматриваться вопрос об уго-

ловной ответственности в виде соучастия в со-

вершении преступления двух субъектов — руко-

водителя и специально уполномоченного сотруд-

ника организации, либо только об уголовной от-

ветственности системного администратора.

Использование нелицензионного ПО — риск для бизнеса и руководстваСледует различать правовые последствия для

физического лица, сотрудника компании, который

привлекается к уголовной или административной

ответственности за нарушение авторских прав на

ПО, и последствия для юридического лица, в чьей

деятельности ПО незаконно использовалось.

Что грозит физическому лицу, если размер

нарушения составил более 50 тысяч рублей2: при-

влечение к уголовной ответственности, как прави-

ло, в виде лишения свободы условно с испыта-

тельным сроком и штрафа, а также привлечение к

гражданской ответственности и возмещение вре-

да за нарушение авторских прав. Осужденный со-

трудник компании в результате приговора получа-

ет судимость и бремя уплаты вреда в результате

гражданского иска правообладателей.

Юридическому лицу также грозят очень се-

рьезные риски: в результате проверки, компьюте-

ры изымаются для проведения исследования, а

после возбуждения уголовного дела хранятся при

уголовном деле как вещественные доказатель-

2 В данной статье я не останавливаюсь подробно на вопросах привлечения к административной ответственности, так как в практике BSA случаи административной ответственности крайне редки.


9




9


ства — вплоть до вынесения приговора. Очевид-

но, что отсутствие компьютеров и рабочей инфор-

мации, записанной на них, уже само по себе су-

щественно затрудняет работу компании. Но также

юридическому лицу грозит административная от-

ветственность, как правило, в виде штрафа и

гражданская ответственность. В данном случае

речь идет о гражданской ответственности юриди-

ческого лица, значительно большей по сравнению

с гражданской ответственностью физического

лица в уголовном процессе. Правообладатели, в

соответствии со ст. 1301 Гражданского Кодекса

РФ, вправе обратиться в арбитражный суд и пот-

ребовать за нарушение авторских прав выплаты

компенсации в двукратном размере стоимости

экземпляров произведения, определяемой исхо-

дя из цены, которая обычно взимается за право-

мерное использование произведения. Например,

если компания использовала в своей деятельнос-

ти незаконно ПО на сумму 1 000 000 рублей, то по

иску правообладателей она будет обязана выпла-

тить компенсацию в сумме 2 000 000 рублей.

Цифры сами по себе говорят о многом: Ас-

социация производителей программного обеспе-

чения (BSA) подсчитала, что за 2009 год право-

охранительными органами РФ на предмет неза-

конного использования программ для ЭВМ и со-

ответственно нарушения авторских прав на про-

граммы компаний-членов BSA были проверены

689 компаний. В подавляющем большинстве

случаев, по результатам проверок, было обнару-

жено незаконное использование программного

обеспечения. К концу 2009 года в 117 случаях

были возбуждены уголовные дела и по 55 делам

судебными органами РФ были вынесены приго-

воры, в результате которых к уголовной ответс-

твенности были привлечены директора либо IT-

специалисты компаний. В целом, за 2009 год, на

урегулирование отношений с правообладателя-

ми в связи с незаконным использованием про-

грамм компаний-членов BSA российские компа-

нии потратили более 54 миллионов рублей.

Вот некоторые свежие примеры дел, поддержанных от имени Ассоциации BSA:ООО «МВК-Сервис»

25 сентября 2009 года сотрудниками правоохра-

нительных органов была проведена проверка в

ООО «МВК-Сервис». В ходе проверки было вы-

явлено использование в деятельности компании

нелицензионного программного обеспечения, ав-

торские права на которое принадлежат компани-

ям-участникам BSA, на общую сумму 1 794 166

рублей. Уголовное дело по п. «в» ч. 3 ст. 146 (де-

яние, совершенное в особо крупном размере) УК

РФ в отношении директора компании было воз-

буждено 21 октября 2009 года. 25 февраля 2010

года районный суд г. Москвы вынес приговор в

отношении директора компании и назначил нака-

зание в виде 2-х лет лишения свободы (условно)

с испытательным сроком в течение 2-х лет. Нару-

шитель вину признал полностью, раскаялся в со-

деянном, возместил причиненный ущерб и актив-

но способствовал раскрытию преступления, что

было признано смягчающими обстоятельствами.

24 февраля 2010 года был подписано ми-

ровое соглашение, по которому компания доб-

ровольно выплатила 260 000 рублей.

ООО «Индести»

4 марта 2010 года сотрудниками правоохрани-

тельных органов была проведена проверка в

ООО «Индести». В ходе проверки было выявлено

использование в деятельности компании нели-

цензионного программного обеспечения, авто-

рские права на которое принадлежат компаниям-

участникам BSA, на общую сумму 222 442 руб-

лей. 13 марта 2010 года в отношении директора

компании было возбуждено уголовное дело по ч.

2 ст. 146 УК РФ (деяние, совершенное в крупном

размере). 22 июня 2010 года районный суд г.

Москвы вынес приговор в отношении директора

компании и назначил наказание в виде лишения

свободы на срок 6 месяцев (условно) с испыта-

тельным сроком в течение 6 месяцев. Подсуди-

мая вину признала полностью, раскаялась в со-

деянном и заявила ходатайство о рассмотрении

дела в особом порядке. Суд также удовлетворил

гражданский иск в размере 188 608 рублей. В на-

стоящее время с правообладателями ведутся пе-

реговоры о мировом соглашении.

В заключение, хотелось бы отметить, что

методы защиты от «компьютерного пиратства»,

предусмотренные российским законодательс-

твом, эффективно работают, о чем свидетельс-

твуют не только сухие данные статистики, но ре-

ально существующие примеры правопримени-

тельной практики. На наш взгляд, основной при-

чиной использования нелегальных программных

продуктов на предприятии является плохая ин-

формированность и осведомленность руководс-

тва. На практике мы видим, что руководители в

целом ряде случаев оказывается в абсолютном

неведении о ситуации с лицензированием про-

граммных продуктов в их компании. Мы полага-

ем, что знания о преимуществах использования

лицензионных продуктов, а также осведомлен-

ность о существующих юридических, финансо-

вых и репутационных рисках использования не-

легальных копий, как для компании, так и для ее

сотрудников, — не позволят ответственному ру-

ководству делать выбор в пользу пиратского

программного обеспечения. Это было бы крайне

недальновидно.




10

Крупнейшая в мире сцена европейской оперы

находится на Боденском озере (Швейцария) и

использовалась в качестве декорации к ново-

му фильму «Квант милосердия» о Джеймсе

Бонде. Конструкция стоимостью 8 миллионов

долларов представляет собой огромный глаз

высотой 31 м и шириной 48 м. Частью конс-

трукции является 10-метровое «глазное ябло-

ко», в котором «радужная оболочка» и «зра-

чок» могут вращаться. Кроме того, «радужная

оболочка» служит экраном для сценических

спецэффектов. У инженеров возник ряд про-

блем, связанных с оптимизацией конструкции,

которая должна была соответствовать много-

численным нормам безопасности и строитель-

ным стандартам.

Инженеры компании «ZT Lener» использо-

вали программные комплексы ANSYS для рас-

чета НДС конструкции при различной скорости

ветра, в разных положениях движущихся эле-

ментов конструкции. Сначала проводился ли-

нейный анализ, чтобы проверить техническое

состояние конструкции. Затем проводился не-

линейный анализ с целью проверки — сможет

ли конструкция выдерживать еще большие на-

грузки.

Оперная сцена как декорация для фильма В фильме «Квант милосердия» задействованы

эпизоды из оперы «Тоска» Дж. Пуччини. Положе-

ние «глаза» меняется на протяжении представле-

ния, превращая конструкцию в экран, дверь,

платформу и место казни главного героя.

Брегенц — административный центр об-

ласти Форарльберг, расположенный на западе

Австрии, на границе с Германией и Швейцари-

ей. Каждые два года в г. Брегенц проходит

Международный музыкальный фестиваль, для

которого сооружается новая плавучая сцена.

Последнюю сцену соорудили в 2007 г.; амфите-

атр вмещал около 7000 зрителей, таким обра-

зом, за два года оперу «Тоска» смогли посетить

более 320000 человек. Сложная конструкция

сцены должна соответствовать всем требова-

ниям к художественному и техническому испол-

нению оперного произведения. Поскольку но-

вая сцена фестиваля не должна быть похожей

на предыдущую, команда проектировщиков вы-

нуждена постоянно искать новые нестандарт-

ные решения, связанные с различными облас-

тями физики.

Проблемы при проектировании сценыСамой серьезной проблемой при проектирова-

нии сцены было обеспечение необходимого за-

Опыт применения ANSYS

при разработке

конструкции плавучей

сцены

Автор: Gerhard Lener, ZT Lener, Feldkirch, Австрия

Âíåøíèé âèä ïëàâó÷åé îïåðíîé ñöåíû íà Áîäåíñêîì îçåðå (Øâåéöàðèÿ)


11


паса прочности — при движении конструкция

«глаза» не должна была оказывать избыточное

давление на основание. Масса подвижных час-

тей сцены составила около 250 тонн, полная

масса сцены и ее основания — 463 тонны. Кро-

ме того, кран, передвигающий компоненты сце-

ны, имел ограничения подъема 12 тонн. Малень-

кий мостик, соединяющий плавучую сцену с бе-

регом, мог выдержать нагрузку не более 1 тонны

на квадратный метр.

Немало проблем возникло из-за использу-

емого материала: конструкция «глаза» и «глаз-

ного яблока» состоит из композиционных мате-

риалов со стальным каркасом и деревянной по-

верхностью. Использование композиционных

материалов усложнило проведение расчетов,

поскольку в данном случае соединение сталь-

ных и деревянных конструкций в плоскости

сдвига приводит к возникновению дополнитель-

ной жесткости.

Инструменты расчетаВ процессе проектирования использовался макет

сцены 100 к 1, на основе которого была создана

трехмерная CAD-модель в Pro/ENGINEER®. Ис-

пользование программного комплекса ANSYS

Mechanical для моделирования плавучей сцены

является оптимальным, поскольку пакет облада-

ет широким спектром возможностей. В частнос-

ти, проводится линейный и нелинейный анализ

различных материалов (от металлов до резины).

ANSYS Mechanical обеспечивает доступ ко мно-

гим решателям в рамках одной расчетной среды

ANSYS Workbench, обеспечивающей двусторон-

нюю связь с большинством CAD-систем. Следу-

ет отметить, что в течение последних лет при

проектировании плавучих сцен команда проек-

тировщиков успешно решала неординарные

прочностные задачи с помощью технологий

ANSYS.

Используя нелинейные модели материа-

лов в ANSYS, инженеры смогли определить об-

ласти физики, в которых необходимо провести

комплексный анализ. При моделировании ос-

новной конструкции использовалась традици-

онная версия ANSYS Mechanical, поскольку в

ней существует возможность применять скрип-

ты для генерации входных файлов, что позволя-

ет автоматизировать процесс расчета конструк-

ции в промежуточных точках. Инженеры моде-

лировали стальной каркас с помощью балочных

элементов, для деревянной поверхности ис-

пользовались оболочечные элементы. С помо-

щью двух гидравлических цилиндров «глаз»

может поворачиваться на 90 градусов. При этом

многие компоненты испытывают наибольшую

нагрузку в средней точке поворота. В связи с

этим, возникла необходимость расчета поведе-

ния конструкции в дополнительных точках —

чтобы убедиться, что конструкция не перегру-

жена. С использованием скрипта был проведен

анализ напряжений и деформаций в различных

точках. В частности, выяснилось, что под дейс-

твием ветровой нагрузки, конструкция дефор-

мируется на 127 мм.

Особенности прочностных расчетов Группа инженеров провела в среде ANSYS

Workbench расчет ответственных деталей конс-

трукции — треугольных держателей, соединяю-

щих «глаз» с торсионным валом. Благодаря

ANSYS Workbench они смогли импортировать

CAD-модели в расчетную среду. По результатам

расчетов были изменены толщины стенок и по-

ложение ребер жесткости держателей — таким

образом, деформация и нагрузки были сущест-

венно уменьшены.

В связи с указанными выше ограничения-

ми по весу, возникла необходимость расчета

конструкции в различных точках и положениях.

К примеру, стальная конструкция оказалась не

Ðàñ÷åòíàÿ ìîäåëü îïîðû äëÿ ñöåíûÑ ïîìîùüþ äâóõ ãèäðàâëè÷åñêèõ öèëèíäðîâ «ãëàç» ìîæåò ïîâîðà÷èâàòüñÿ íà 90 ãðàäóñîâ




12


достаточно прочной до момента сборки дере-

вянной оболочки, однако в то же время конс-

трукция испытывала меньшую ветровую нагруз-

ку. Расчеты показали, что сцена может нормаль-

но функционировать при скорости ветра до

50 км/ч. При скорости ветра свыше 50 км/ч сце-

на может приводиться в движение — однако при

этом элементы конструкции передвигаются мед-

леннее. В этом случае сцену необходимо уста-

новить в определенном положении, в котором

она может выдерживать сильные ветровые на-

грузки.

Оценка прочности конструкции Предельный уровень нагружения конструкции

вследствие упругой и пластической деформа-

ции рассчитывался с помощью нагрузок и ко-

эффициента запаса прочности от 1.3 до 1.5.

Конструкция должна выдерживать проектные

нагрузки, а также нагрузки от упругой и пласти-

ческой деформации (коэффициент запаса про-

чности 1.0). Динамический расчет различных

элементов конструкции показал отсутствие ре-

зонанса или вибраций, которые могли бы нару-

шить или повредить конструкцию. Чтобы удос-

товериться в отсутствии резонанса при движе-

нии нескольких людей, рассчитывались собс-

твенные частоты и формы колебаний конструк-

ции «глаза». Во время съемок фильма «Квант

милосердия» на сцене было установлено све-

товое оборудование массой 1,500 кг. Соответс-

твенно, потребовался дополнительный расчет,

чтобы убедиться в достаточной прочности конс-

трукции.

В процессе создания плавучей сцены для

музыкального фестиваля нет возможности для

изготовления прототипов или внесения измене-

ний в проект. Поскольку дата начала фестива-

ля известна заранее, срок сдачи сцены не мо-

жет быть перенесен. Безопасность исполните-

лей, обслуживающего персонала и зрителей

зависит от точности изначального проекта.

Благодаря использованию ANSYS Mechanical

инженеры могут не сомневаться в точности по-

лученных результатов и надежности конструк-

ции новой сцены.

Компания CADFEM Germany, партнер по

каналу ANSYS, была поставщиком программно-

го обеспечения ANSYS при проектировании

оперной сцены.

Êîíñòðóêöèÿ «ãëàçà» è «ãëàçíîãî ÿáëîêà» ñîñòîèò èç êîìïîçèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ ñî ñòàëüíûì êàðêàñîì è äåðåâÿííîé ïîâåðõíîñòüþ

Â ïðîöåññå ðàñ÷åòà áûëè ïîëó÷åíû íàïðÿæåíèÿ è äåôîðìàöèè â ðàçëè÷íûõ òî÷êàõ. Ïîä äåéñòâèåì âåòðîâîé íàãðóçêè, êîíñòðóêöèÿ äåôîðìèðóåòñÿ íà 127 ìì

Ïîëå íàïðÿæåííî-äåôîðîìèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ äåðæàòåëÿ


13




В настоящее время в горнодобывающей отрас-

ли взрывные работы являются необходимым, но

не достаточно изученным фактором. Специа-

листы должны использовать достаточное коли-

чество взрывчатых материалов, чтобы разру-

шить максимальный объем породы. Однако ко-

личество используемой взрывчатки зачастую

ограничивается требованиями бюджета, а также

нормами вибраций, допустимых в отношении

прилегающих шахт и зданий.

Наиболее эффективным методом является

взрыв рядов взрывных скважин с помощью элек-

тронных детонаторов с точно установленной за-

держкой детонации (с точностью до 0,1 мс). При

правильно подобранной задержке, ударные вол-

ны усиливаются, приводя к максимальному

дроблению и выносу породы, руды, угля и других

материалов. В противном случае, волны растя-

жения, которые отражаются от свободных повер-

хностей (включая вертикальный борт уступа

шахты), могут нейтрализоваться из-за скачка уп-

лотнения от взрывов в соседних скважинах. Та-

ким образом, эффективность взрывных работ

значительно снижается.

Основная проблема данного метода — оп-

ределение оптимального времени задержки де-

тонации, в зависимости от прочности сжатия и

хрупкости подрываемых материалов, типа ис-

пользуемой взрывчатки, диаметра, глубины и

расположения взрывной скважины. Обычно гор-

нодобывающие компании устанавливают за-

держку в детонации опытным путем — исполь-

зуя метод проб и ошибок. Но даже после дли-

тельных испытаний компаниям достаточно труд-

но найти оптимальную задержку по времени.

Крупнейший поставщик взрывчатых ве-

ществ для использования в горнодобывающей

промышленности, компания «Orica», по запросу

клиентов, занимается исследованиями в облас-

ти определения точного времени задержки дето-

нации в подземных шахтах и в местах открытых

разработок. Для проверки безопасности взрыв-

чатых веществ, инженеры компании используют

программный комплекс ANSYS AUTODYN для

расчета нестационарной нелинейной динамики.

В ANSYS AUTODYN модель материалов

Riedel–Hiermaier–Thoma (RHT) предназначена

для анализа плотности трещин и дробления по-

роды. Модель RHT адекватно описывает зави-

сящие от давления и остаточные разрушения

поверхностей, предел упругости поверхностей и

механическое упрочнение в рамках унифициро-

ванной модели учитывающей накопление раз-

рушения при растяжении и сжатии — два крити-

ческих напряженных состояния, которые долж-

ны быть корректно согласованы в процессе де-

тонации для достижения максимального дроб-

ления породы.

Возможность ANSYS AUTODYN для связы-

вания Эйлеровой и Лагранжевой систем коор-

динат особенно актуальна в расчетах времени

Использование ANSYS

AUTODYN для

оптимизации процесса

взрывных работ в горной

промышленности

Автор: Dale Preece, отдел научно-исследовательских разработок, «Orica USA Inc.»,

Колорадо, США

Â ANSYS AUTODYN ïðîâîäèëñÿ òðåõìåðíûé ðàñ÷åò ñîñåäíèõ òî÷åê ñ ðàçëè÷íîé çàäåðæêîé ïî âðåìåíè




14


задержки взрыва. Эйлерова система координат

подходит для взрывной детонации, поскольку

материал проходит через геометрически неиз-

менную сетку, в связи с чем облегчается расчет

больших деформаций, связанных с течением

жидкости и газа. Горная порода моделируется в

Лагранжевой системе координат, поскольку

узлы сетки движутся вместе с материалом, что

позволяет провести более точный расчет де-

формации и разрушения. Поскольку в ANSYS

AUTODYN происходит связывание двух систем

координат, это позволяет максимально точно

рассчитать весь процесс взрыва.

Возможность связывания решателей в

ANSYS AUTODYN в трехмерных расчетах явля-

ется неоспоримым преимуществом для исполь-

зования программного комплекса для моделиро-

вания взрывов горной породы. В одном из пос-

ледних расчетов соседние точки находились на

расстоянии 14,63 м, диаметр взрывной скважи-

ны составил 30,48 см. Модель RHT использова-

лась для глинистой породы с прочностью сжатия

5516 кПа. Вертикальным бортом уступа счита-

лись стены шахты, в которой происходил взрыв.

Проводился трехмерный расчет соседних точек с

различной задержкой по времени, включая 0 мс

(одновременный взрыв), 2 мс, 8 мс и 15 мс.

На рисунке 3 показано распространение

взрывных волн и поля давлений взрывного поля

при задержке детонации 2 мс между соседними

точками взрыва (на рисунке показаны верти-

кальными линиями). Ударные волны (показаны

красным) выходят из взрывных скважин, дви-

жутся вверх через взрывное поле и соединяются

около борта уступа и нижней поверхности при

растягивающем напряжении минимум 689,5

кПа. Темно-синим цветом на рисунке показано

поле давлений.

По результатам расчета видно, что накоп-

ление повреждений происходит со значительной

задержкой после начальной детонации и движе-

ния взрывных волн. Разрушения появляются

вследствие распространения трещины, завися-

щего от скорости распространения взрывной

волны. Модель RHT корректно рассчитывает

скорость распространения волны как часть

(обычно около 1/4) скорости звука материала.

На рис. 4 показано сравнение разрушений

при задержке 20 мс после второй детонации — в

поперечном сечении. На рисунке лицевая сторо-

на показана как нижний край прямоугольного

сечения. Следует обратить внимание на симмет-

ричность разрушений при одновременной дето-

нации. Разрушение и образование осколков уве-

личивается при отсрочке детонации от 2 мс до 8

мс. При задержке детонации 15 мс наблюдаются

максимальные разрушения. Расчеты показали,

что большие задержки приводят к ослаблению

взрывной волны. Например, при задержке дето-

нации более 50 мс, ударные волны в каждой точ-

ке практически не взаимодействовали с сосед-

ними точками взрыва.

Благодаря использованию ANSYS

AUTODYN инженеры смогли быстро и точно оп-

ределить оптимальную задержку детонации.

Кроме того, была возможность оценить дейс-

твие различных взрывчатых веществ. Использо-

вание программных комплексов ANSYS позво-

ляет специалистам компании «Orica» более тес-

но взаимодействовать с клиентами, предостав-

ляя точную информацию о тех или иных взрыв-

чатых материалах.

Ðàñïðîñòðàíåíèå âçðûâíûõ âîëí è ïîëÿ äàâëåíèé âçðûâíîãî ïîëÿ ïðè çàäåðæêå äåòîíàöèè 2 ìñ ìåæäó ñîñåäíèìè òî÷êàìè âçðûâà (ïîêàçàíû âåðòèêàëüíûìè ëèíèÿìè). Óäàðíûå âîëíû (ïîêàçàíû êðàñíûì) âûõîäÿò èç âçðûâíûõ ñêâàæèí, äâèæóòñÿ ââåðõ ÷åðåç âçðûâíîå ïîëå è ñîåäèíÿþòñÿ îêîëî áîðòà óñòóïà è íèæíåé ïîâåðõíîñòè. Òåìíî-ñèíèì öâåòîì íà ðèñóíêå ïîêàçàíî ïîëå äàâëåíèé


15




Владельцы яхт класса «люкс» ожидают, что

внутренний интерьер кают должен полностью

соответствовать их вкусам и предпочтениям.

Судостроительная компания «Delta Marine» про-

изводит стофутовые яхты, уделяя особенное

внимание прочности, надежности и эксплутаци-

онным характеристикам конструкции. Однако

при изменении внутреннего дизайна, переста-

новке стенок и перегородок, конструкция может

оказаться чрезмерно перегруженной.

Графитовые композиты являются идеаль-

ным материалом для изготовления мегаяхт, пос-

кольку они прочнее металлов, что дает возмож-

ность построить достаточно легковесное и надеж-

ное судно. Использование композиционных мате-

риалов дает инженерам больше возможностей в

работе над проектом. В прошлом внутренняя от-

делка кают была ограничена вследствие опреде-

ленных особенностей элементов конструкции.

Благодаря современным исследованиям свойств

композиционных материалов, проектировщики

получили большую свободу действий. Сегодня

расположение перегородок может регулировать-

ся инженерами-проектировщиками в соответс-

твии с требованиями к внутреннему дизайну.

Использование традиционных эмпиричес-

ких методов не подходит для разработки новых

типов внутреннего интерьера. В связи с этим, для

проведения расчета конструкции яхты необходи-

мо использовать новейшее многофункциональ-

ное программное и аппаратное обеспечение.

Горизонтальными элементами конструкции

являются палубы. В последних моделях мегаяхт

три палубы изготовлены из пятисантиметровых

сэндвич-панелей. Вертикальными элементами

конструкции являются свободностоящие пере-

городки. Компания «Delta» в течение последних

семи лет использует программный комплекс

ANSYS Mechanical, поскольку в данном пакете

наиболее полно представлены свойства компо-

зитов. ANSYS Mechanical на тот момент являлся

единственным FEA-комплексом, в котором была

возможность моделирования композиционных

материалов с помощью оболочечных элементов.

В течение последних семи лет, по мнению инже-

неров «Delta», в ANSYS Mechanical были улуч-

шены и расширены возможности расчета ком-

позитов.

Специалисты «Delta Marine» создают мо-

дель яхты в программном пакете Rhinoceros®.

Проектирование

современных яхт класса

люкс с применением

ANSYS Mechanical

Автор: Chad Caron, инженер-конструктор,

Delta Marine Industries Inc., Вашингтон, США

ßõòà «Happy Days»: âíåøíèé âèäßõòà «Happy Days»: ïîêàçàíî îáùåå ñìåùåíèå â êîíñòðóêöèè




16


Затем модель Rhinoceros экспортируется в ней-

тральный формат и затем импортируется в

ANSYS Mechanical для построения геометрии. С

помощью композиционных оболочечных эле-

ментов моделируют набор слоев (слой к слою), а

части корпуса моделируются с помощью балоч-

ных элементов.

Анализ частот колебаний судна зависит от

общего распределения веса яхты. Внутренняя

отделка кают может привести к увеличению веса

из-за используемых материалов, таких как де-

рево и камень. Инженеры компании определили

внутреннюю весовую нагрузку различных мате-

риалов, используемых для внутренней отделки.

Вес этих материалов, а также вес структурных и

механических компонентов, в сочетании с гид-

родинамической присоединенной массой воды,

влияют на частоты и формы колебаний яхты. Ус-

пех проекта зачастую зависит именно от точнос-

ти расчета частот и форм колебаний.

Проектирование мегаяхт проходит в два

этапа: на первом рассчитывается прочность

конструкции, а на втором — частоты колебаний.

Владельцы яхт заинтересованы в комфорте

внутренних помещений, при этом должна сохра-

няться высокая скорость движения судна. Очень

важно провести оптимизацию элементов конс-

трукции — они должны быть достаточно прочны-

ми и не перегруженными, поскольку это умень-

шит скорость судна. ANSYS Mechanical исполь-

зуется для расчета общих и локальных напряже-

ний от слоя к слою.

С помощью ANSYS Mechanical можно точ-

но определить область нагружения, вплоть до

конкретного слоя. Это значительно упрощает

проектирование элементов конструкции яхты.

Кроме того, существует возможность перерасп-

ределения нагрузок между слоями.

Даже в случае соответствия проектным на-

грузкам, яхта может быть подвержена вибраци-

ям. Инженеры проводят модальный анализ с

использованием той же модели в ANSYS

Mechanical, в результате чего определяются час-

тоты собственных колебаний матрицы массы.

Результаты расчетов последних проектов пока-

зали, что первая мода вибрации вызывает попе-

речные колебания, это означает, что корпус суд-

на вибрирует горизонтально, при этом палубы

двигаются раздельно — подобно колоде карт

скользящей вперед-назад.

Инженеры решают эту проблему путем до-

бавления рамочной структуры, закрепляющей

две палубы и препятствующей горизонтальным

колебаниям. Специалисты компании «Дельта»

моделировали подобную конструкцию, исполь-

зуя 0/90 и +45/–45 плоские листы и одномерное

углеродное волокно. По результатам расчета

были определены нагрузки на конструкцию, а

также оптимальные слоистые структуры для

каждой из частей рамочной конструкции. Инже-

неры «Дельта» также рассмотрели продольную

(вторую) моду вибрации, полученную из модаль-

ного анализа. Данная мода создает сильный из-

гибающий момент вблизи середины корабля — в

этой области было организовано упрочнение

корпуса и палуб, так как из опыта известно, что

именно в этой области обычно возникает наи-

больший изгибающий момент.

Использование ANSYS Mechanical позво-

ляет точно определить места нагружения, благо-

даря чему инженеры могут укрепить конструк-

цию там, где это необходимо. В связи с этим,

проектировщики могут свободно располагать

стенки и перегородки с минимальным влиянием

на вес конструкции. В результате, яхта сохраня-

ет высокую скорость без ущерба внутреннему

дизайну помещений.

Ðàìî÷íàÿ ñòðóêòóðà, çàêðåïëÿþùàÿ äâå ïàëóáû è ïðåïÿòñòâóþùàÿ ãîðèçîíòàëüíûì êîëåáàíèÿì. Ïîêàçàíû äåôîðìàöèè êîíñòðóêöèè íà îïðåäåëåííîé ÷àñòîòå

ßõòà «Mr. Terrible»: ïåðâàÿ ìîäà âèáðàöèé

ßõòà «Mr. Terrible»: âíåøíèé âèä


17




Большие торговые корабли часто под-вержены нагрузкам, возникающим под действием гребных винтов и двигате-лей. Данные нагрузки приводят к вибра-циям, способным повредить конструк-цию корабля. Компания «Delta Marine Engineering Co.» занимается проектиро-ванием различных типов судов, включая сухогрузы, контейнерные суда, танкеры, пассажирские корабли, паромы, яхты и военные корабли. Основная задача конструкторов — удерживать вибрацию конструкции на низком уровне и избе-гать резонансных явлений. Для этого

необходимо проведение инженерных расчетов для основных элементов конс-трукции корабля и его взаимодействия с окружающей водой.

Для комплексных прочностных и гидродинами-

ческих расчетов специалисты компании «Delta

Marine» используют программные комплексы

ANSYS Mechanical и ANSYS FLUENT. Таким об-

разом, инженеры могут обнаружить вибрации и

другие проблемы на ранних этапах проектиро-

вания и внести проектные изменения, в частнос-

ти, в конструкцию винта. Это позволяет избе-

Многодисциплинарные

решения ANSYS

в судостроении

Авторы: Dirim Sener, директор по планированию,

и Levent Kaydihan, ведущий инженер по компьютерному моделированию,

Delta Marine Engineering Co., Стамбул, Турция

Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà (ñâåðõó) è ôîðìà êîëåáàíèé ñóäîâîé íàäñòðîéêè íà ïàðîìå

Ãóñòîòà ñåòêè äëÿ òàíêåðà 4,750-dwt (ââåðõó) è ïåðâàÿ ôîðìà èçãèáíûõ êîëåáàíèé äëÿ òàíêåðà 7,500-dwt (â íèçó)




18


жать дорогостоящих изменений, которые приво-

дят к многомиллионным убыткам, в случае если

проблема не обнаружена до создания судна.

При проектировании каждого корабля возника-

ют новые нестандартные проблемы, в связи с

чем специалисты вынуждены проводить инди-

видуальный расчет для каждого судна.

В нормальном режиме эксплуатации на

судно действуют нагрузки от винта и двигателя.

Двухтактный основной двигатель в 300-метро-

вом сухогрузе весит около 550 т. и работает на

1.5 Гц. Винт также работает с частотой 1.5 Гц.

Основная задача инженеров — избежать резо-

нансных явлений в конструкции. При движении

гребного винта возникает давление на заднюю

часть корабля, при этом также может появлять-

ся вибрация, особенно при возбуждении собс-

твенной формы колебаний конструкции.

Гидродинамический расчет нагрузок Поскольку каждая лопасть гребного винта про-

ходит через различные области течения, меня-

ется упор винта, а также сила сжатия, действую-

щая на вал винта. Специалисты «Delta Marine»

используют программный комплекс ANSYS

FLUENT для расчета нагрузок, возникающих

вследствие работы гребного винта и, в частнос-

ти, действующих на вал. Расчеты проводятся

для вращающегося гребного винта. Поскольку

процесс нестационарный, область винта моде-

лируется с помощью подвижной сетки. На каж-

дом шаге по времени винт поворачивается на

1 градус, расчет завершается минимум после

одного полного оборота.

Определение уровня вибраций и скоростей Кроме того, создается конечноэлементная мо-

дель корабля и проводится расчет вибраций для

определения основных частот и форм колеба-

ний. Для этого модель корабля, созданная с по-

мощью собственного кода «Delta Marine», им-

портируется в ANSYS Mechanical. Собственный

код компании рассчитывает влияние окружаю-

щей воды на конструкцию корабля. Рассчитыва-

ется потенциальное течение вокруг корпуса, оп-

ределяются линии тока и сопротивление при

движении корабля в воде. Кроме того, при рас-

чете нагрузки воды учитываются добавленные

массы.

На следующем этапе инженеры использу-

ют статические силы (полученные в гидродина-

мическом расчете) в конечноэлементной модели

для расчета деформаций, вынужденных колеба-

ний и скоростей. Затем полученные значения

сравниваются со стандартом ISO 6954:2000

“Вибрация механическая. Руководящие указа-

ния по измерению, составлению отчета и оценке

воздействия вибрации на пребывание человека

на борту пассажирских и торговых судов”. При

расчете деформаций вынужденных колебаний,

Äàâëåíèÿ èç ãèäðîäèíàìè÷åñêîãî ðàñ÷åòà èñïîëüçóþòñÿ â ðàñ÷åòå âèáðàöèé. Íà ðèñóíêå ïîêàçàíû êîíòóðû ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ

Êîíñòðóêöèÿ òàíêåðà ñî âñòðîåííûìè öèñòåðíàìè äëÿ ïåðåâîçêè ñåðû


19


в ANSYS Mechanical применяются переменные

силы, полученные в гидродинамических расче-

тах. Обычно создание подробной конечноэле-

ментной модели корабля занимает 4-6 месяцев.

Когда модель готова, модальный анализ зани-

мает один день.

Если уровень вибраций превышает стан-

дарты ISO, заказчик не принимает корабль.

Определив причину вибраций на ранних этапах

проектирования, специалисты «Delta Marine»

вносят проектные изменения, добавляя пере-

городки, укрепляя элементы конструкции, из-

меняя количество оборотов вала или число ло-

пастей гребного винта. После изготовления

корабля, внесение изменений является чрез-

вычайно дорогостоящим и не всегда выполни-

мым. Для сравнения, изменение формы корпу-

са на ранних этапах проектирования не требу-

ет финансовых затрат, внесение же изменений

после изготовления корабля практически не-

выполнимо.

Поскольку изготовления двигателя и греб-

ного винта — достаточно длительный процесс,

заказ и поставка этих компонентов происходит

задолго до сборки корабля. В связи с этим, спе-

циалисты «Delta Marine» пытаются решить воз-

никающие проблемы, меняя конструкцию кор-

пуса корабля. Обычно оцениваются вибрацион-

ные характеристики в трех — четырех проектах,

и выбирается оптимальный вибрационный от-

клик.

Прочностной анализ конструкции цистернТехнологии ANSYS Mechanical также использу-

ются для исследования поведения грузовых

цистерн в условиях максимальных гидростати-

ческих и гидродинамических нагрузок. К приме-

ру, проектирование и изготовление контейне-

ров для перевозки серы и битума усложняется в

связи с тем, что цистерны могут быть встроен-

ной частью конструкции либо располагаться

свободно. Для поддержания высокой вязкости,

груз перевозится при температуре до 250 °С.

При использовании встроенных цистерн, могут

возникать большие тепловые нагрузки на конс-

трукцию контейнера вследствие разности тем-

ператур груза и воды за бортом. Как правило,

концентрацию напряжений можно устранить с

помощью структурных изменений. В случае

невстроенной конструкции, необходимо катего-

рически избегать возникновения тепловых на-

грузок.

Ниже приведены три этапа исследования

на прочность встроенных цистерн для перевозки

битума и серы.

1. Проводится тепловой анализ с исполь-

зованием экспериментально полученных гра-

ничных условий температуры и коэффициентов

теплоотдачи. С помощью теплового анализа

определяется поле конечных температур конс-

трукции.

2. Распределение температур, полученное

в тепловом анализе, используется в прочност-

ном расчете, в результате чего определяются

значения итоговых тепловых нагрузок, необхо-

димые при проектировании основной конструк-

ции корабля. Таким образом, обеспечивается

безопасность эксплуатации встроенной конс-

трукции цистерны при тепловых нагрузках.

3. Рассчитываются тепловые нагрузки на

основную конструкцию корабля, а также ло-

кальные гидростатические или гидродинами-

ческие нагрузки с учетом изгибающего момен-

та и силы трения. Таким образом, рассчитыва-

ется отклик конструкции при общих и локаль-

ных нагрузках.

Инженеры «Delta Marine» проводят про-

чностные и гидродинамические расчеты с по-

мощью программных комплексов ANSYS для

решения нестандартных конструкторских за-

дач. Использование компьютерного моделиро-

вания помогает получить точные результаты,

максимально сократив количество эксперимен-

тов. С помощью моделирования, возможно

проанализировать большее количество проек-

тов и выбрать оптимальную конструкцию ко-

рабля. В то же время, уменьшаются производс-

твенные затраты и сокращается время изготов-

ления судна.

Ðàñ÷åòíàÿ ìîäåëü òàíêåðà äëÿ ïåðåâîçêè àñôàëüòà/áèòóìà (ñëåâà) ïîëå òåïëîâûõ íàãðóçîê (ïîñåðåäèíå) è ïîëå òåìïåðàòóð (ñïðàâà)




20


Наблюдая за сверхновыми звёздами, ученые

пришли к выводу, что расширение Вселенной

ускоряется со временем. При этом был открыт

неизвестный ранее вид энергии с отрицатель-

ным давлением (т.н. тёмная энергия). Темная

энергия является предметом интереса многих

ученых, поскольку она равномерно распределе-

на, имеет низкую плотность и не взаимодейс-

твует посредством известных фундаментальных

типов взаимодействия. Единственный способ

изучить свойства темной энергии — провести

сверхточные измерения скорости вселенной.

Исследования проводятся в рамках проек-

та «Dark Energy Survey»1 в Национальной уско-

рительной лаборатории им. Энрико Ферми (Ба-

тавия, Иллинойс, США). Цель проекта — опреде-

лить изменения в скорости расширения вселен-

ной с помощью снимков около 300 млн. галактик,

измерения их формы и красного смещения (из-

менения частоты света и других форм электро-

магнитного излучения, наблюдаемые для всех

далёких источников). С помощью этих измере-

1 В проект Dark Energy Survey входят следующие организа-ции: Fermilab, University of Illinois at Urbana-Champaign, University of Chicago, Lawrence Berkeley National Laboratory, University of Michigan, University of Pennsylvania, The Ohio State University, Argonne National Laboratory, NOAO/CTIO, CSIC/Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (Barcelona), Institut de Fisica D’Altes Energies (Barcelona), CIEMAT (Madrid), University College London, University of Cambridge, University of Edinburgh, University of Portsmouth, University of Sussex, Observatorio Nacional, Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas, Universidade Federal do Rio de Janeiro, and Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Funding has been provided by U.S. DOE, NSF, STFC (UK), Ministry of Education and Science (Spain), FINEP (Brazil) и др.

ний ученые смогут изучить расширение вселен-

ной в течение 2/3 всего ее существования — т.е.,

с того момента, когда вселенная существовала

на протяжении нескольких миллиардов лет.

Удаленные галактики будут фотографи-

роваться с помощью специальной камеры

«Dark Energy Camera» (DECam) — одной из

крупнейших в мире камер с использованием

ПЗС-матриц (прибор с зарядовой связью, CCD),

используемых в обычных цифровых камерах.

Длина камеры составляет 2.5 м, вес 3.6 тонн,

четкость изображения — 500 мегапикселей.

Исследование темной

стороны Вселенной

Автор: Ingrid Fang, ведущий инженер, Fermi National Accelerator Laboratory, Иллинойс, США

Óïðîùåííàÿ ìîäåëü êîíñòðóêöèè òåëåñêîïà è êàìåðû

Ïîäðîáíàÿ ìîäåëü ïåðâè÷íîãî çåðêàëà

Ïîëå òåìïåðàòóð â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè ïðè òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåé ñðåäû 20 °C


21


DECam будет располагаться на 4-метровом те-

лескопе в Национальной оптической астроно-

мической обсерватории «Cerro Tololo Inter-

American Observatory» на севере Чили.

Для получения точных измерений необхо-

димо, чтобы CCD смыкались с линзами теле-

скопа и первичным зеркалом. Допустимое не-

совпадение каждого элемента составляет около

10-15 микрон.

Группа проектировщиков разработала бо-

лее 300 элементов и систем фотокамеры DECam.

В ANSYS Mechanical проводился расчет компо-

нентов и систем, чтобы убедиться в том, что от-

клонения корпуса, механические и тепловые де-

формации, а также формы колебаний камеры

находились в этих пределах. Также с помощью

ANSYS Mechanical определялись температуры

отдельных компонентов и полная тепловая на-

грузка на систему охлаждения. Все расчеты про-

водились для двух окружающих температур

(20 °С и –5 °С), характерных для места располо-

жения телескопа. Из-за сложности конструкции

камеры, были созданы две отдельные расчет-

ные модели. Полная модель камеры, содержа-

щая 679 твердотельных элементов высокого по-

рядка (без детализации компонентов), исполь-

зовалась для расчета деформаций. На основе

полученных результатов была создана подроб-

ная модель на 3112000 элементов.

В процессе расчетов сотрудники Fermilab

использовали платформу ANSYS Workbench

для экономии времени — благодаря CAD-ин-

теграции, автоматическому построению сеток и

полной параметризации. В ANSYS импортиро-

валась оригинальная CAD-модель, програм-

мный комплекс ANSYS DesignModeler исполь-

зовался для упрощения геометрии. В среде

ANSYS Workbench автоматически определя-

лись и устанавливались контакты и соединения

сборок.

Графические возможности ANSYS

Workbench значительно облегчили работу с

геометрией и граничными условиями, нагруз-

ками, контактами и др. При традиционном под-

ходе, наоборот, нужно выбирать все узлы на

поверхности для ее описания. В ANSYS

Workbench инженер автоматически выбирает

поверхность и задает граничные условия, на-

грузки или контакты.

По результатам расчетов, были получены

данные по отклонению конструкции и темпера-

турам CCD-схем. Затем были внесены проект-

ные изменения для подсистем. Благодаря серии

расчетов, инженеры убедились в точности изме-

рений камеры DECam.

Строение камеры DECam«Dark Energy Camera» (DECam) предназначена

для снимков удаленных галактик и состоит из

сложных оптических компонентов. Детали каме-

ры должны примыкать друг другу, чтобы точно

определялись отклонения конструкции и крас-

ное смещение удаленных галактик.

Система из пяти кварцевых линз и филь-

тров помогает сфокусировать свет и выделить

характерные частоты. Фокусировка происходит

с помощью шестиногой конструкции, соединя-

ющейся с первичным зеркалом телескопа. Вы-

держка CCD контролируется затвором объек-

тива.

В устройстве находится фотоприемник, со-

держащий ПЗС (CCDs), охлаждаемые с помо-

щью жидкого азота. Также в фотоприемнике

находятся датчики для обработки сигнала от

CCD.

Сотрудники Fermilab использовали ANSYS

Mechanical для изучения механических и тепло-

вых деформаций, а также форм колебаний ка-

меры. Кроме того, определялась температура

отдельных деталей и общая тепловая нагрузка

на систему охлаждения.

Äåôîðìàöèè êîðïóñà è ôîòîïðèåìíèêà â íàïðàâëåíèè îñè Z ïîä äåéñòâèåì âàêóóìíûõ, òåïëîâûõ è ãðàâèòàöèîííûõ íàãðóçîê ïðè òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåé ñðåäû 20 °C

Âíåøíèé âèä êàìåðà DECam




22


Компания «Brose Group» (г. Кобург, Германия),

производитель компонентов автомобильных

дверей, электромоторов, а также механизмов

стеклоподъемников, объединяет более 40 авто-

мобильных заводов. В мире насчитывается 52

представительства компании, в которых рабо-

тает более 14000 людей. В интервью ANSYS

Advantage Sandro Wartzack, специалист по ком-

пьютерному моделированию компании «Brose»,

рассказал об использовании технологий

ANSYS. Др. Wartzack защитил диссертацию,

посвященную интеграции методов конечноэле-

ментного анализа (FEA) и технологий Knowledge-

Based Engineering (KBE) в процессе проектиро-

вания.

Опишите, пожалуйста, стратегию моделирования в компании «Brose».В нашей компании компьютерное моделирова-

ние используется на всех этапах создания про-

ектов. Мы постоянно работаем над стратегией

использования CAE-методов, чтобы максималь-

но улучшить качество продукции, сократить ко-

личество экспериментов и, соответственно, про-

изводственные затраты. В 90-х гг. в компании

работал всего один инженер по компьютерному

моделированию, сегодня во всех подразделени-

ях компании работают 45 таких специалистов.

Внедряя инновационные CAE-технологии, мы

заметили, что их использование помогает также

нашим клиентам сократить расходы.

Оптимизация конструкции

автомобильной двери

с использованием

ANSYS Workbench

Êîìïàíèÿ «Brose Group» — ïðîèçâîäèòåëü êîìïîíåíòîâ àâòîìîáèëüíûõ äâåðåé


23


В частности, технологии ANSYS активно

используются при проектировании систем авто-

мобильных дверей. С помощью инженерных

расчетов, мы смогли уменьшить массу всей

системы на 50% по сравнению с продуктами 10-

летней давности. Поскольку для дверных сис-

тем можно использовать меньшее количество

материала, производители автомобилей, уста-

навливая наши компоненты, получают более

легкие, а значит, более экономичные и дешевые

продукты.

Насколько вашей компании подходит политика ANSYS в развитии многодисциплинарных программных комплексов, технологии создания виртуальных прототипов и использования единой расчетной среды ANSYS Workbench?Наши специалисты тесно сотрудничают в рам-

ках масштабных проектов. Использование мно-

годисциплинарных продуктов ANSYS, а также

единой среды ANSYS Workbench позволяет со-

трудникам, находящимся в разных офисах, эф-

фективно работать. Нам чрезвычайно важно

проводить прочностные и гидродинамические

расчеты в одной среде. Кроме того, использова-

ние усовершенствованных решателей ANSYS

существенно облегчает нашу работу.

Сегодня тестирование новых компонентов

занимает более 1000 часов, однако мы хотим со-

кратить количество физических прототипов, за-

менив их виртуальными. Я думаю, в будущем

процесс разработки будет еще теснее связан с

компьютерным моделированием.

Насколько широко используются параллельные вычисления?Для нас 12 — 20 часов — норма для цикла нели-

нейных расчетов. Однако размер моделей и их

сложность постоянно увеличивается, в связи с

чем мы должны использовать мощное аппарат-

ное обеспечение для расчетов. В этом аспекте,

продуктивность CAE-расчетов намного выше по

сравнению с показателями 10-летней давности.

В то время инженер мог использовать 1 — 2 про-

цессора, теперь мы работаем на высокопроиз-

водительных кластерах.

Мы финансово поощряем наших CAE-спе-

циалистов в поиске инновационных путей сокра-

щения процесса проектирования — в частности,

сокращения стандартного 250-часового расчета

до 80 часов или менее.

Опишите технологический уровень компании «Brose» через 20 лет.С точки зрения экологии, мы стремимся произ-

водить более легковесную продукцию для со-

кращения выбросов углекислого газа. Кроме

того, сохранится тенденция к повышению авто-

мобильной безопасности. В частности, мы долж-

ны производить продукты с электронными ком-

понентами повышенной безопасности. С моей

точки зрения, в области автомобильных дверей

и системы сидений необходимо внедрение мо-

дульных компонентов. В этом случае наша ком-

пания должна будет разработать концепцию мо-

дульной двери со съемными панелями наружной

обшивки различных цветов.

Какой уровень развития инженерного моделирования будет в это время?Каждый год мы увеличиваем использование

CAE-технологий на 50%, потому что это чрез-

вычайно важно для нашего бизнеса. Интенсив-

ное использование компьютерного моделиро-

вания позволяет производить продукты мень-

шей массы и, соответственно, более низкой

стоимости. Я думаю, через 10 лет мы будем из-

готавливать значительно меньше физических

прототипов, уделяя особенное внимание созда-

нию виртуальных прототипов и комплексным

многодисциплинарным расчетам, проводимым

в единой среде.

Кроме того, чрезвычайно важна область

визуализации. В настоящее время мы уже ак-

тивно используем 3-D визуализацию в виртуаль-

ных лабораториях. Возможность наглядно пока-

зать результаты моделирования и варианты

проектов помогает команде инженеров выбрать

оптимальное решение для каждого конкретного

случая.

Ñòàíäàðòíàÿ êîíå÷íîýëåìåíòíàÿ ìîäåëü äëÿ íåñòàöèîíàðíîãî ðàñ÷åòà â ANSYSMechanical (35 êîìïîíåíòîâ è 4 ìëí. DOE) êîìïîíåíòîâ àâòîìîáèëüíûõ äâåðåé




24


За последние 10 лет компания Mobil сэкономила

несколько десятков миллионов долларов, ис-

пользуя CFD-технологии при проектировании

таких изделий как, реакторы, сепараторы и экс-

тракторы.

Реконструкция нефтеперерабатывающих

комплексов подразумевает проведение ряда

мероприятий по вводу в эксплуатацию наиболее

экономичного оборудования или усовершенс-

твованию старого с минимальными финансовы-

ми затратами. Основные изменения в конструк-

циях технологических аппаратов направлены на

повышение скоростей реакций, улучшение про-

цессов смешения и разделения фракций, про-

цессов тепло- и массообмена.

Традиционно разработка нового оборудо-

вания в нефтеперерабатывающей отрасли со-

провождается экспериментальными исследова-

ниями, которые не всегда дают полную картину

процессов, происходящих в исследуемом аппа-

рате либо в силу временных ограничений, или

ограничений, накладываемых измерительной

аппаратурой.

При этом очень детальные результаты

CFD-моделирования позволяют визуализиро-

вать структуру потока в любой точке и сечении

конструкции, а так же получить интегральные

характеристики для всех рассчитываемых пере-

менных (давления, температуры, энтальпии,

концентрации и пр.).

Компания Mobil использует гидрогазодина-

мический пакет FLUENT в своих сложных проек-

тах начиная с середины 90-х годов, особенно

при проектировании тех изделий, где улучшение

характеристик многофазного потока напрямую

влияет на производительность аппарата.

За указанный период компания Mobil ус-

пешно завершила более 50 проектов, в которых

пакет FLUENT использовался при расчете дву-

мерных и трехмерных моделей, течений со сво-

бодной поверхностью, гомогенных двухфазных

потоков, гранулярных многофазных потоков, с

учетом и без учета процессов теплообмена.

Все это свидетельствует о широких возможнос-

тях программного комплекса FLUENT при ре-

шении актуальных задач нефтеперерабатыва-

ющей отрасли.

Повышение производительности реактора с затопленным слоемВ качестве примера успешного использования

CFD-технологий в компании Mobil можно при-

вести проект разработки нового реактора сфе-

рической формы для каталитических превраще-

ний. Программный комплекс FLUENT использо-

вался для анализа структуры газового потока в

объеме реактора с твердым катализатором.

Требовалось организовать структуру потока

газа таким образом, чтобы он равномерно омы-

вал поверхность катализатора. Кроме того, не-

обходимо было согласовать расход газа и тол-

щину каталитического слоя для повышения про-

изводительности реактора.

MOBIL совершенствует свое

нефтеперерабатывающее

оборудование с помощью

CFD-комплексов ANSYS

Greg Muldowney, Mobil Technology Company, Нью-Джерси (США)

Îáúåìíàÿ êîíöåíòðàöèÿ íåôòè â ðàçëè÷íûõ ñå÷åíèÿõ êîëîííû


25


Оптимизация конструкции установки для селективной очисткиСелективная очистка нефтепродуктов осущест-

вляется путем экстракции вредных примесей из

нефтяных фракций с помощью растворителей

для улучшения их эксплуатационных и физико-

химических характеристик. Этот процесс явля-

ется одним из основных при производстве сма-

зочных масел, например, для поршневых двига-

телей самолетов, газонокосилок и пр. Сначала

поток нефти поступает на вход экстракционной

секции, где он разбивается на капли и контакти-

рует с растворителем. Для обеспечения необхо-

димого времени удержания сырья в зоне смеше-

ния весь объем колонны разделяется с помощью

перегородок на несколько полуизолированных

зон. Очень важно правильно выбрать положение

разделительных перегородок, а также соотно-

шение масла и растворителя, и температуру,

при которой осуществляются процесс очистки.

Традиционно эти вопросы решались полуэмпи-

рическим путем, что позволяло достичь эффек-

тивности процесса экстракции до 70%. Компа-

ния Mobil первой применила CFD-технологии

для повышения эффективности очистки масла в

новых конструкциях экстракционных колонн.

Специалисты компании выполнили числен-

ные расчеты гидродинамики многофазного по-

тока в двух различных аппаратах, различающих-

ся масштабом. Затем использовали результаты

расчетов в пакете FLUENT при проектировании

более габаритной конструкции посредством за-

дания масштабного коэффициента (через экс-

траполяцию результатов).

Расчетная сетка для внутренней области

имела размерность порядка 150 000 ячеек. При-

менялась двухслойная зональная модель турбу-

лентности и модель Эйлера для многофазных

потоков.

Таким образом, CFD-технологии могут

быть полезными при модернизации существую-

щих экстракционных колонн и создании новых..

Расчет течения

многофазного потока

в сепараторе природного газа

Marco Betting, Bart Lammers, Bart Prast, Twister BV

В переработке природного газа используются

специальные системы, позволяющие удалить

из потока газа воду, тяжелые углеводороды, а

также кислотные пары, и подготовить его для

транспортировки конечному потребителю. С

точки зрения инженера-технолога эти системы

представляют собой совокупность сепараци-

онного оборудования, тепломассообменных

аппаратов, разделителей потока и пр. В то вре-

мя как инженер-технолог разрабатывает опти-

мальную схему процесса, оперируя требуемы-

ми технологическими этапами и равновесной

термодинамикой, конструктор старается опти-

мизировать каждый отдельный технологичес-

кий этап системы, основываясь на теории мно-

гофазных потоков и неравновесной термоди-

намике. Гидродинамическое взаимодействие

между этапами не всегда учитывается доста-

точно подробно, несмотря на то, что оно может

существенно повлиять на общие характеристи-

ки системы.

Разработка нового оборудования для пере-

работки нефти и газа требует много времени и

средств. Компания Twister BV предлагает инно-

вационные решения в области газопереработки,

которые могут сыграть заметную роль в реше-

нии этих задач.

Специалисты компании разрабатывают

сверхзвуковой сепаратор Twister™ , основыва-

ясь на уникальных исследованиях физических

явлений, включающих аэродинамику, термо-

динамику и гидродинамику. Результат их рабо-

ты — революционная технология обработки

газа. Их главная задача — пройти путь от ис-

ходной концепции трубки Twister до полноцен-

ного промышленного производства сепарато-

ров, через создание ряда опытных образцов и

их натурных испытаний.




26


В сложных условиях, обусловленных пере-

работкой кислого природного газа при высоких

давлениях, очень важно уменьшить затраты на

этапах разработки, испытаний и доработоки

прототипов. Использования технологий вычис-

лительной гидродинамики позволило компании

Twister BV за 4 года снизить затраты на проекти-

рование более чем на 70%.

Компания Twister BV совместно со специа-

листами ANSYS разработала модифицированную

версию пакета ANSYS CFX (на момент разработ-

ки — версия 5.7), способную моделировать нерав-

новесный фазовый переход в многокомпонентных

смесях реальных газов. Для выполнения этой ра-

боты Twister BV выбрала команду консультантов

ANSYS, Inc. благодаря их опыту в данной пробле-

ме и гибкости программного продукта CFX.

Основные особенности усовершенствованного пакета CFX для моделирования многофазных потоков• Полные уравнения состояния, учитываю-

щие эффекты фазового перехода.

• Многокомпонентные газы с несколькими

конденсирующимися компонентами.

• Гомогенная модель зарождения капель

позволяет определить плотность распре-

деления капель.

• Модель роста капель позволяет моделиро-

вать изменения их размеров с учетом кон-

денсации и испарения с их поверхности.

• Модели коагуляции капель учитывают их

размер, плотность их распределения и сте-

пень турбулентности набегающего потока.

• Модели со скольжением фаз позволяют

рассчитать отделение капель от сплошной

фазы.

• Учитывается турбулентная дисперсия.

• Учитывается скрытая энергия фазового пе-

рехода.

• Уравнения всех перечисленных выше мо-

делей решаются совместно с уравнениями

сохранения массы, импульса и энергии.

Разработка и верификация этого специа-

лизированного кода CFX сыграла очень важную

роль в доработке газожидкостного сепаратора с

дросселем для промышленного использования.

Усовершенствование установки TwisterДля оптимизации работы сепаратора необходи-

мо определить размеры капель, которые опре-

деляются исходя из скорости диффузии пара к

каплям и взаимного слияния капель. Распреде-

ление размеров капель главным образом зави-

сит от интервала времени между зарождением

новых капель. Рассчитанное распределение оп-

ределяет скорость движения жидкой фазы и,

следовательно, также определяет эффектив-

ность сепарации. Для этого расчета были разра-

ботаны соответствующие модели.

Модифицированная версия CFX также

позволила инженерам и конструкторам лучше

понять зависимость между элементами техно-

логического цикла, например, между низко-

температурным сепаратором и дроссельным

клапаном.

Компании TwisterBV и ANSYS, Inc. совмес-

тно создали эффективный CFD-комплекс для

расчета процессов обработки природного газа.

Его уникальные возможности дают возмож-

ность инженерам проводить оптимизацию тех-

нологических аппаратов, и позволяют повысить

производительность установок по переработке

газа.

Êîíñòðóêòèâíûå ñõåìû è îñíîâíûå ðåæèìíûå ïàðàìåòðû ñâåðõçâóêîâîãî ñåïàðàòîðà Twister™

Ïîëå ÷èñëà Ìàõà â ïðîäîëüíîì ñå÷åíèè ñåïàðàòîðà


27




Поскольку Марс является самой близкой к Зем-

ле планетой, большинство межпланетных мис-

сий ориентированы именно на Марс. Целью мис-

сии «Phoenix» было изучение планеты на при-

годность для жизни. Как только модуль прибыл

на Марс в мае 2008 г., связь с ним прервалась.

Однако два часа спустя начали поступать сигна-

лы. Следует отметить, что во время космических

экспедиций, малейшая ошибка может свести на

нет многолетние усилия и миллионы долларов,

затраченные на подготовку.

Группа канадских ученых из University of

Alberta участвовала в разработке метеостанции

«Phoenix» (MET), измеряющей температуру,

давление, скорость и содержание частиц в ат-

мосфере. В состав марсианской атмосферы, в

основном, входит углекислый газ (95.3 %), азот

(2.7 %) и аргон (1.6 %). Гравитационная констан-

та составляет 38% от земной, а атмосферное

давление составляет 1% от аналогичного пока-

зателя на Земле. В связи с этим, было чрезвы-

чайно сложно и дорого проводить эксперимен-

тальные исследования модуля, и упор делался

на численное моделирование.

Миссия «Phoenix» стала первым масштаб-

ным космическим проектом, в котором исполь-

Калибровка измерительных

приборов на модуле

Phoenix Mars Lander

с использованием ANSYS CFD

Авторы: Jeff A. Davis, аспирант, и Carlos F. Lange, преподаватель,

лаборатория гидродинамики, University of Alberta, Edmonton, Канада

Ìîäåëü ïîñàäî÷íîãî ìîäóëÿ Phoenix




28


зовались расчетные гидродинамические комп-

лексы для калибровки измерительных приборов.

При моделировании уникальных атмосферных

условий Марса, ученые обнаружили, что конвек-

тивный и лучистый тепловой поток модуля мо-

жет влиять на получаемые показания атмосфер-

ного давления, скорости ветра и температуры.

Кроме того, помехи в датчиках скорости и дав-

ления могли влиять на значение силы и/или на-

правления ветра.

Сотрудники University of Alberta проводили

калибровку измерительных приборов с помо-

щью программного комплекса ANSYS CFX. Ана-

лизируя результаты расчетов, ученые обнаружи-

ли, что при определенных режимах ветра, излу-

чаемое модулем тепло могло влиять на датчики

температуры и искажать реальные данные [2].

После высадки модуля на Марсе команда уче-

ных использовала результаты проведенных рас-

четов для анализа предварительных данных и

выявления неточностей. Именно благодаря это-

му данные с «Phoenix» были расшифрованы

корректно.

Аналогичный анализ был проведен для

датчика давления, показания которого могли из-

меняться в зависимости от скорости ветра. Кон-

трольный датчик ветра «Telltale» был спроекти-

рован учеными University of Alberta специально

для модуля «Phoenix», в связи с чем потребова-

лась дополнительная калибровка по измерению

скорости. Этот этап являлся необходимой час-

тью исследования, поскольку данные «Telltale»

расшифровывались в первую очередь и играли

важную роль в общих измерениях.

Кроме того, ученые хотели максимально

сократить общее время расчетов. В связи с ус-

ловиями космической экспедиции, время и

энергоресурсы для снятия ежедневных показа-

ний были ограничены. Для определения при-

оритета по сбору данных, иногда было необхо-

димо воспользоваться результатами компью-

терного моделирования. В таких ситуациях не-

обходимо было быстро проводить новые рас-

четы.

Жесткие ограничения по времени были вы-

полнены благодаря проведению высокопроиз-

водительных расчетов на вычислительных клас-

терах в программных комплексах ANSYS. Рас-

четы проводились на кластерах 64-bit Linux, каж-

дый узел состоял из двух процессоров quad-core

Opteron™ 2350 AMD. Бенчмаркинг показал

сверхлинейное ускорение счета в 4.47 раза на

четырех CPUs и линейное ускорение в 8.00 раз

на 8 ядрах — каждый расчет проводился локаль-

но на одном узле. Эффективность высокопроиз-

водительных вычислений и использование мно-

гоядерных процессоров позволило выполнить

расчет в поставленные сроки.

Программное обеспечение ANSYS CFX по-

могло ученым провести калибровку измеритель-

ных приборов и оперативно проанализировать

данные, передаваемые на Землю — пока про-

должалась миссия Phoenix на Марсе — и опреде-

лить, влияние модуля на передаваемые данные.

Ëèòåðàòóðà— [1] Taylor, P.; et al. Temperature, Pressure, and Wind

Instrumentation on Phoenix MET. J. Geophys. Res., 2008, v. 113. E00A18 doi:10.1029/2008JE00308.

— [2] Davy, R.; et al. Initial Analysis of Air Temperature and Related Data from the Phoenix MET Station and Their Use in Estimating Turbulent Heat Fluxes. J. Geophys. Res. In press.

Âëèÿíèå îïîðû íà äàò÷èê ñêîðîñòè; êðàñíûì è æåëòûì ïîêàçàíî íàïðàâëåíèå ïîòîêà

Êîíòóðû òåìïåðàòóðû, ïîêàçûâàþùèå âëèÿíèå âíóòðåííåé òåïëîòû íà ñàìûé íèæíèé èç òðåõ äàò÷èêîâ òåìïåðàòóðû


29




Растущая экономика Бразилии требует серьёз-

ных источников энергии. Более половины пот-

ребляемой энергии в Бразилии приходятся на

восстанавливаемые источники, такие как гидро-

электростанции и биотопливо. Оставшаяся

часть энергии получается путем сжигания орга-

нического топлива, главным образом угля. Стан-

ция Jorge Lacerda принадлежит компании

Tractebel Energia, и является одной из крупней-

ших станций в Латинской Америке. Комплекс

состоит из трех отдельных электростанций, каж-

дая из которых производит электроэнергию

мощностью более 1 ГВт/час. Например, станция

UTLC имеет мощность в 1.26 ГВт/час. В качест-

ве топлива на этой станции используется уголь.

Энергетический котел, установленный на

станции UTLC, имеет габариты 10×20×60 м и со-

держит 4 ряда горизонтальных горелок, по 6 го-

релок в ряду. Все горелки работают на пылевид-

ном угле. Факел горелок нагревает стальные

трубки (поверхности нагрева — экраны), внутри

которых течет пар, поступающий на вход паро-

вой турбины. Турбина, в свою очередь, соедине-

на с электрическим генератором.

Одной из проблем при эксплуатации кот-

лов является прогорание теплообменных трубок

вследствие температурной эрозии. Ремонт кот-

ла подразумевает его полную остановку, что ве-

дет к большим финансовым затратам. Поэтому

при проектировании котлов важно не только

обеспечить низкую эмиссию вредных веществ,

но и свести к минимуму вероятность прилипания

факела к теплообменным поверхностям, кото-

рое приводит к прогоранию трубок.

При поиске оптимальных путей минимиза-

ции эрозии стенок котла сначала необходимо

разобраться с ее механизмом. Можно выделить

три причины, которые вызывают эрозию стенок

котла. Первая причина — химическая коррозия,

обусловленная отложением серы на стенках кот-

ла, во-вторых, высокая температура стенок, и,

наконец, конструктивная причина, связанная с

несоосностью котла. В последнем случае, эро-

зия усугубляется так же трением твердых частиц

угля о стенки котла.

После тщательного исследования состоя-

ния эродированных стенок котла на станции

Увеличение ресурса

эксплуатации энергетического

котла с помощью ANSYS CFX

Специалисты ведущей бразильской генерирующей

компании Tractebel Energia использовали ANSYS CFX

для определения потенциальных мест эрозии стенок

котла на угольном топливе.

Jairo Souza, Henrique Monteiro, Leonardo Rangel, ESSS, Бразилия, Artur Ellwanger,

Marcelo Bzuneck, Luiz Felippe, Tractebel Energia, Бразилия,

Ahmad Haidari, Karl Kuehlert, ANSYS, Inc.

Ðèñ. 1. Êîíñòðóêöèÿ êîòëà, óñòàíîâëåííîãî íà ñòàíöèè UTLC




30


UTLC, специалисты компании Tractebel Energia

пришли к выводу, что основной причиной изно-

са трубок являются конструктивные дефекты.

Инженеры Tractebel Energia в сотрудничест-

ве со специалистами ESSS и ANSYS провели чис-

ленное исследование процессов, происходящих в

котле. Задача решалась в многофазной поста-

новке (частицы угля и воздух). Расчет был выпол-

нен для одиночной горелки с целью определения

воздействия факела горелки на соседние стенки.

Горелка состоит из нескольких цилиндрических

обечаек, которые закручивают и разбивают по-

ток, что улучшает смешивание воздуха с частица-

ми угля и способствует стабилизации пламени.

Хорошее перемешивание и стабильность

пламени являются благоприятными факторами,

обеспечивающими низкий недожог, низкие вы-

бросы (например, окиси азота) и высокий к.п.д.

котла.

При моделировании одиночной горелки

инженеры постарались «разрешить» все харак-

терные особенности турбулентного потока, что-

бы получить более точные характеристики вы-

ходного потока и использовать их для моделиро-

вания всего котла.

Для этого в гидрогазодинамическом комп-

лексе ANSYS CFX содержатся все необходимые

инструменты.

Результаты, представленные на рис. 2а-б,

свидетельствуют о том, что пламя отходит от сре-

за горелки и касается стенок котла приблизитель-

но на расстоянии 3 м от горелки. Траектории дви-

жения частиц угля повторяют линии тока. Кроме

того, на рисунках хорошо видно, что столкновения

частиц угля со стенкой происходят при больших

скоростях. Определив интенсивность столкнове-

ний твердых частиц со стенками, инженеры

Tractebel Energia смогли построить карту облас-

тей, в которых будет происходить температурная

и механическая эрозия стенок (экранов) котла.

Специалисты компании Tractebel Energia

планируют и в дальнейшем использовать пере-

довые решения ANSYS, Inc. для оптимизации

конструкции своих новых энергетических котлов

и улучшения характеристик уже существующих

котлов.

Моделирование процессов горения органических топлив Решения ANSYS успешно используются по все-

му миру при проектировании горелочных уст-

ройств, работающих на угле, газе или мазуте.

Кроме того, они нашли применение при разра-

ботке таких устройств, как газификаторы, хими-

ческие реакторы и пр.

Изучение процессов горения очень часто

связано с модернизацией существующего обо-

рудования или разработкой принципиально но-

вых технологий сжигания ископаемого топлива.

ANSYS предлагает полный набор программных

средств для проведения подобных исследова-

ний, которые помогают повысить к.п.д. горелоч-

ного устройства, улучшить его экологические

характеристики, снизить уровень вибраций и

акустического шума.

Расчет горелочного устройства включает

моделирование таких процессов как, расчет те-

чения газа, лучистого теплообмена, кинетики

химических реакций и пр. Частицы угля или

капли жидкого топлива определяются в расче-

те как вторая дополнительная фаза, связанная

с основным потоком. При этом концентрация

частиц может быть определена в широком диа-

пазоне значений, что позволяет моделировать

движение как одиночной частицы (или группы

частиц), так и слоя из твердых частиц (кипящий

слой).

В результате моделирования мы получаем

как интегральные характеристики рассчитывае-

мых переменных, так и их локальные значения.

Это относится к скорости, давлению, концентра-

ции компонентов, температуре и пр.

В CFD-комплексах ANSYS также присутс-

твуют дополнительные модели, которые позво-

ляют оценивать уровень выбросов вредных ве-

ществ (углеводородных соединений, оксидов

азота и углерода), прогнозировать эрозию сте-

нок топочных камер и мн. др.

Ðèñ. 2. (a) — ïðîôèëü ñêîðîñòè âîçäóõà â ïëîñêîñòè ñèììåòðèè; (á) — êðàñíûì êðóãîì âûäåëåíà îáëàñòü ïîòîêà ñ áîëüøîé çàêðóòêîé

Ðèñ. 3. Íàïðÿæåíèÿ ñäâèãà. Êðàñíûé öâåò ñâèäåòåëüñòâóåò î íàèáîëåå âåðîÿòíîì ìåñòå ýðîçèè ñòåíîê


31




При разработке конструкции новой плавающей

станции для экологического мониторинга коман-

да инженеров Grantec Engineering Consultants Inc.

должна была решить несколько проблем. Во-пер-

вых, снизить сопротивление поплавков, и как

следствие, повысить стабильность работы всей

системы (повысить остойчивость), а также разра-

ботать требования к системе крепления станции.

Для этих целей инженеры Grantec решили ис-

пользовать FSI-технологии ANSYS, позволяющие

моделировать поведение плавающей станции с

датчиком при различных волновых нагрузках.

В процессе моделирования инженеры

Grantec обнаружили, что первоначальный вари-

ант конструкции поплавков является неприем-

лемым, так как в процессе работы поплавки ока-

зываются полностью погруженными в воду

вследствие дополнительного момента от нагруз-

ки, действующей на датчик. Для решения ука-

занной проблемы инженеры предложили новую

систему крепления датчика на шарнирах, сни-

зив сопротивление поплавков, компания Grantec

сэкономила несколько тысяч долларов на якор-

ную систему крепления.

Компания Grantec располагается в провин-

ции Новая Шотландия (Канада) и специализиру-

ется на оказании консалтинговых услуг инже-

нерного характера для различных отраслей та-

ких как, энергетика, судостроение, проектирова-

ние морских сооружений и пр. В своей работе

специалисты Grantec используют как CFD-комп-

лексы ANSYS, так и МКЭ-комплексы.

Преимущества связанных расчетовПо словам Ричарда Гранта, основателя компа-

нии, значительное количество проектов Grantec

включают как гидрогазодинамические расчеты,

так и прочностные. Однако, если ранее подоб-

ные расчеты выполнялись независимо друг от

друга, то сейчас специалисты компании отдают

предпочтение связанным расчетам, особенно в

тех проектах, где учет влияния потока жидкости

на элементы конструкции является критичным.

«Совсем недавно для передачи нагрузок

из одного программного комплекса в другой

приходилось писать собственно программное

обеспечение. При этом не существовало ника-

кой единой интегрирующей платформы, и инже-

неры различной специализации использовали

программные комплексы, разработанные неза-

висимо друг от друга, отличающиеся интерфей-

сом, внутренним математическим аппаратом,

идеологией и пр. Поэтому, когда компания

ANSYS, Inc. в 1996 г. предложила своим пользо-

вателям совершенно революционную на тот мо-

мент интегрирующую платформу Workbench, мы

сразу по достоинству оценили ее возможности и

стали активно ее внедрять в свои проектные ра-

боты».

FSI-технологии являются составной частью

многодисциплинарных решений ANSYS, исполь-

зующих специализированный Multi field-реша-

тель, который позволяет организовать односто-

роннюю или двустороннюю связь между различ-

ными модулями ANSYS для передачи соответс-

твующих нагрузок.

Подобное связывание может быть исполь-

зовано как в стационарных, так и в нестацио-

FSI-технологии ANSYS

помогли спроектировать

экономичную плавающую

станцию экологического

мониторинга

Ðèñ. 1. Ðàñ÷åò ãèäðîäèíàìèêè ïëàâàþùåé ñòàíöèè ýêîëîãè÷åñêîãî ìîíèòîðèíãà. Âèä ñâîáîäíîé ïîâåðõíîñòè




32


нарных задачах, с учетом деформации элемен-

тов конструкции или движения отдельных ее

частей.

Плавающая станция для мониторинга качества водыКоманда инженеров Grantec использовала FSI-

технологии ANSYS при разработке плавающей

станции для мониторинга качества воды с

якорной системой удержания. Заказчиком про-

екта являлось Министерство природоохраны

Канады.

Система удержания станции позволяет ей

двигаться в любом направлении, единственным

ограничением является длина якорного троса.

Датчик крепится на вертикальной штанге. Сама

конструкция плавающей станции во многом на-

поминает конструкцию катамарана: два поплав-

ка и жесткий каркас.

Гидрогазодинамические комплексы ANSYS

позволяют моделировать развитие носовой и

кормовой систем волн, прогнозировать их ин-

терференцию и, в целом, рассчитывать сопро-

тивление плавающего объекта. Учитываются

как вертикальные перемещения объекта, так и

угловые (колебания в продольной плоскости).

Одновременно с гидродинамическим расчетом

выполняется расчет напряжений и деформаций

в конструкции.

Численное моделирование выявило не-

большой уровень деформаций в поплавках и

каркасе, и значительные деформации в месте

крепления датчика.

Используя ANSYS, инженеры Grantec смог-

ли провести серию расчетов при различной гео-

метрии поплавков и при разных значениях при-

соединенной массы (воды).

При увеличении высоты волн увеличивает-

ся нагрузка, действующая на станцию и вынос-

ной датчик, и в определенном диапазоне высоты

волн и скорости, станция полностью погружает-

ся в воду. Для решения этой проблемы был вы-

бран наиболее простой путь: вместо оптимиза-

ции геометрии поплавков инженеры решили из-

менить систему крепления датчика к раме. Это

позволило уменьшить величину нагрузки, пере-

даваемой от датчика к раме, что в итоге повыси-

ло остойчивость плавающей станции.

Система крепления датчика моделирова-

лась с помощью специальных элементов типа

PIPE59, поддерживающих свойства растяже-

ния–сжатия, кручения–изгиба, и с компонента-

ми усилий, моделирующих течение воды. Рас-

пределенные нагрузки, приложенные к трубе

вследствие влияния гидродинамических эф-

фектов, вычисляются на основе уравнения

Моррисона.

Подобная упрощенная постановка FSI-рас-

чета позволяет получить адекватные результаты

даже без использования перестраиваемых или

деформируемых сеток.

Эксплуатационная платформа с гравитационным фундаметомВ компании Grantec накоплен большой опыт по

расчету различных морских и наземных гидро-

технических сооружений. В частности, на рис. 3

показаны результаты расчета гравитационной

буровой платформы с мощным бетонным осно-

ванием для противодействия плавучим льдам. В

основании платформы располагаются пустоты,

которые используются при транспортировке и

монтаже платформы. Далее эти пустоты запол-

няются балластной водой.

Ðèñ. 2. Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà (ñëåâà) è íàïðÿæåíèÿ â óçëå êðåïëåíèÿ äàò÷èêà (ñïðàâà)

Ðèñ. 3. Âîëíû îìûâàþò âåðõíþþ ÷àñòü ãðàâèòàöèîííîãî ôóíäàìåíòà


33




Сегодня для инженеров-проектировщиков пер-

востепенной задачей является разработка вы-

сокоточных деталей с низким процентом брака,

для достижения которой все чаще используется

компьютерное моделирование. В связи с требо-

ваниями рынка, разработчики вынуждены пос-

тоянно модернизировать продукцию, сокращая

при этом временные и финансовые затраты на

производство.

Немецкий литейный завод Heidenreich &

Harbeck AG был основан в 1927 г. для произ-

водства чугунных конструкций. Сегодня компа-

ния производит широкий спектр литых деталей

при постоянном комплексном совершенствова-

нии изделий и сборочных узлов из отдельных

отливок. Опираясь на спецификацию изделия,

составленную клиентом, специалисты конструк-

торского отдела Heidenreich & Harbeck AG разра-

батывают индивидуальные методики, которые

впоследствии внедряются при изготовлении из-

делий.

На стадии разработки специалисты

Heidenreich & Harbeck используют трехмерные

CAD-пакеты, программное обеспечение для кон-

троля действующего производства (ЧПУ), инс-

трументы калькуляции затрат, работающие на

основе трехмерных CAD-моделей, а также спе-

циализированные программы для составления

плана проекта. Для проведения расчетов де-

формаций, нагрузок и напряжений, возникаю-

щих в изделиях, специалисты Heidenreich &

Harbeck применяют программные комплексы

ANSYS. При этом для работы с большими моде-

лями специалисты использовали инструмент то-

пологической оптимизации FE-DESIGN TOSCA,

имеющий интерфейс с ANSYS Professional.

Раньше в процессе проектирования инже-

неры-разработчики руководствовались, прежде

всего, производственными ограничениями к из-

готовлению изделия. Однако расчет напряжен-

но-деформированного состояния изделий пока-

зал множество недостатков и слабых мест конс-

трукций, особенно в частях, подверженных силь-

ным нагрузкам. В связи с этим, специалисты

должны были проводить множество расчетов и

вносить поправки в проект для выполнения тре-

бований заказчика.

В настоящее время в Heidenreich & Harbeck

первым этапом проектирования является созда-

ние с помощью CAD-пакетов пространства про-

ектных решений, которое впоследствии импор-

тируется в ANSYS Professional. В ANSYS проис-

ходит процесс построения сетки, задание нагру-

зок и граничных условий. Необходимые для

проведения оптимизации объемные элементы

задаются в ANSYS Professional как компоненты.

После этого файл входных данных решателя

ANSYS Professional имортируется в пакет TOSCA

Structure. Процедура оптимизации проводится в

пакетном режиме. Оптимизация с помощью

TOSCA Structure — интерактивный процесс, при

котором на одном этапе запускается решатель

ANSYS Professional, а на следующем — модуль

оптимизации для оценки результатов моделиро-

вания и изменения свойств материалов.

Топологическая оптимизация

в литейном производстве

Thorsten Schmidt, технический директор, Heidenreich & Harbeck AG, Moelln, Германия и Boris

Lauber, инженер, FE-DESIGN GmbH, Karlsruhe, Германия

Ïðèìåð îïòèìèçàöèè âûïóñêíîãî òðàêòà äâèãàòåëÿ

Êîíñòðóêöèÿ âûïóñêíîãî òðàêòà äî/ïîñëå îïòèìèçàöèè




34


ВведениеМесторождения природного газа и нефти часто

располагаются в областях со сложной, слоис-

той структурой грунта с низкой проницаемос-

тью. Пример такого месторождения — техас-

ское газовое месторождение Barnett Shale в

США, штате Техас. Для эффективной разра-

ботки таких месторождений и повышения деби-

та скважин, необходимо провести мероприятия

по повышению проницаемости грунта. Гидрав-

лический разрыв регулярно используется при

добыче нефти и газа для создания сети прони-

цаемых трещин, соединяющих скважину с мак-

симально большим объемом продуктивного

пласта, что позволяет повысить приток флюида

к скважине и увеличить добычу. Задача опти-

мизации процедуры гидравлического разрыва

состоит в том, чтобы максимизировать объем

продуктивного пласта, соединенного трещина-

ми со скважиной. С использованием современ-

ных технологий измерения, таких как сейсми-

ческое картирование, можно качественно опре-

делить эффективность гидравлического раз-

рыва. Но важно понимать, что все современные

технологии измерения результатов гидравли-

ческого разрыва дают информацию постфак-

тум. Они не смогут показать, какие результаты

дал бы различный дизайн гидравлического раз-

рыва на выбранной скважине. Также они не

способны показать, как один и тот же проект

поведет себя в различных скважинах. Поэтому

сейчас для определения наиболее удачного ди-

зайна гидроразрыва очень часто используется

затратный метод проб и ошибок.

В связи с этим, разработка дизайна и опти-

мизация гидравлического разрыва, с использо-

ванием компьютерного моделирования является

очень перспективной технологией с точки зре-

ния разработки месторождений в сложных усло-

виях.

Модели дизайна гидравлического разрыва

пласта (ГРП) сегодня используются как основа

для оптимизации процесса разрыва. Однако для

них не характерно полное понимание механики

распространения трещин в породе. Следова-

тельно, необходимо соединить две технологии,

чтобы прямые физические измерения развития

сети трещин в породе при ГРП могли быть объ-

единены с трехмерной расчетной моделью. Ис-

ходные параметры модели — из доступных дан-

ных каротажа и другой опытной информации о

коллекторе — должна быть калибрована с ис-

пользованием прямых измерений, чтобы пра-

вильно определить уровень важности различных

механизмов сдерживания разрыва грунта. Толь-

ко при таком уровне диагностического под-

тверждения гидравлического разрыва и связан-

ного с ним моделирования, можно действитель-

но понять, что влияет на геометрию и развитие

трещин при ГРП. Используя такой подход, мож-

но разработать достоверную модель ГРП для

месторождений со сложной структурой, и про-

вести оптимизацию, чтобы обеспечить необхо-

димую проводимость и максимальную эффек-

тивную длину трещин и максимизировать приток

флюидов.

Основа успешного компьютерного модели-

рования — возможность расчета стимулирован-

Оптимизация процесса

гидравлического разрыва с

помощью численного

моделирования

Часть 1

Johannes Will, Dynamic Software and Engineering GmbH, Weimar,

Андрей Крылов, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»


35


ного объема с достаточной точностью и эффек-

тивностью. Зачастую существующее коммер-

ческое программное обеспечение имеет ограни-

ченные возможности, особенно, когда требуется

принимать во внимание трехмерные объемные

явления. Есть большая потребность в модели,

которая могла бы эффективно работать с трех-

мерными задачами. Эффективная 3D модель

должна позволять провести расчет различных

вариантов процедуры гидравлического разры-

ва. Чтобы оптимизировать дизайн ГРП, необхо-

димо использовать параметрическую модель, и

важно, чтобы расчет каждого варианта происхо-

дил быстро, поскольку в процессе калибровки и

оптимизации приходится рассчитывать порядка

двухсот различных вариантов дизайна. Поэтому

важно подобрать баланс между точностью и

скоростью, чтобы компьютерные расчеты не от-

нимали слишком много времени.

Необходимо ли решать задачу в трехмерной постановке?Когда в коллекторе наблюдается заметная ани-

зотропия напряженного состояния пласта или

давления, для его расчета необходима полно-

ценная трехмерная модель. Для слоистой струк-

туры грунта нужно обязательно учитывать влия-

ние пласта грунта на рост трещины . В таких ус-

ловиях, анизотропия напряжений в порах и тре-

щинах грунта, это один из доминирующих фак-

торов при росте трещины. Следовательно, его

необходимо включить в уравнения материаль-

ных балансов для правильного анализа поведе-

ния грунта.

Исследования показали, что в последние

десятилетия не существовало коммерческого

ПО или модели, которая могла бы провести рас-

чет ГРП для месторождений со сложной структу-

рой грунта в трехмерной постановке. Для расче-

та такой задачи существующие коммерческие

программные продукты должны учитывать сле-

дующие аспекты:

Если развитие трещины определяется

трехмерным напряженным состоянием

пласта и трехмерной картиной расположе-

ния естественных пор, трещин и неплот-

ностей грунта, то в этом случае необходи-

мы комплексные модели, определяющие

направление роста и форму трещины, ис-

ходя из трехмерной картины напряжений,

характеристик и естественных пор грунта.

Особенности роста трещины вдоль границ

раздела пластов, или через них, недоста-

точно хорошо изучены и недостаточно учи-

тываются в большинстве современных мо-

делей.

Главные физические параметры, опреде-

ляющие скорость развития трещины, — на-

•

•

•

пряженное состояние грунта, давление в

порах и неплотностях грунта, напряжения

закрытия трещины и механические свойс-

тва породы (модуль Юнга, расположение и

геометрия трещин и неплотностей в грун-

те, твердость).

Таким образом, трехмерная модель долж-

на отражать как минимум три главных физичес-

ких явления: открытие трещин в грунте; гидро-

динамику в системе трещин; рост проницаемос-

ти коллектора.

Как учитывать неопределенность параметров коллектора?После разработки подходящей модели ГРП, сле-

дующей задачей стала работа с неопределенны-

ми параметрами коллектора, такими как свойс-

тва породы, геометрические размеры пластов,

или условия в породе. Даже при качественном

выполнении всех доступных геологических из-

мерений, большое число параметров имеет су-

щественные неопределенности. Многие пара-

метры требуется брать из литературы или при-

нимать, основываясь на собственном опыте. В

связи с этим, появляется необходимость эффек-

тивного анализа чувствительности, чтобы мож-

но было выбрать наиболее важные входные па-

раметры и калибровать численные модели с

помощью экспериментальных данных. Для этих

и других оптимизационных задач использовался

пакет оптимизации optiSLang компании Dynardo.

Анализ чувствительности был проведен с ис-

пользованием стохастических методов (моди-

фикация Латинского гиперкуба), которые скани-

ровали область решений и проводили статисти-

ческие измерения важности каждого модельно-

го параметра. В этой статье мы ограничились

использованием статистического измерения

(коэффициент важности CoI), который исполь-

зовался для выбора наиболее важных неопреде-

ленных параметров. Процесс калибровки и оп-

тимизации затем проводился только с этими

важными параметрами.

Коэффициент важности измеряет величи-

ну вариаций отклика модели на вариации одно-

го неопределенного параметра. Основа изме-

рений важности — различные способы оценки

корреляции, такие как линейная, квадратичная

или монотонная нелинейная корреляция (ран-

говая корреляция Спирмена). Окончательно,

эти данные о корреляции были использованы

для оценки важности, которая характеризуется

наибольшими значениями коэффициентов кор-

реляции.

Для данной задачи, на месторождении

Barnett пришлось работать более чем с 200 не-

определенных параметрами. Здесь мы столкну-




36


лись с проблемой выделения из них немногих

наиболее важных неопределенных или неизвес-

тных параметров. Исходные данные для анали-

за чувствительности — диапазон изменения

каждого неопределенного параметра. Исполь-

зуя этот диапазон, optiSLang создает набор воз-

можных сочетаний параметров, и в автомати-

ческом режиме проводит расчеты по модели с

этим сочетаниями. C этими параметрами,

optiSLang автоматически изменяет геометрию

коллектора, автоматически строит расчетную

сетку и проводит нелинейный нестационарный

расчет задачи ГРП.

Используя этот подход, возможно автома-

тически определить ключевые параметры, под-

робнее проанализировать главные физические

явления и получить основу успешной калибров-

ки модели.

Трехмерная модель ГРПДля создания эффективной трехмерной пара-

метрической модели, анализа и пост-процессин-

га, был использован конечно-элементный пакет

ANSYS. Ниже представлена информация о чис-

ленном расчете.

Вначале создается геометрическая модель

коллектора и в автоматическом режиме строит-

ся расчетная сетка с элементами в форме гекса-

эдров. Чтобы можно было смоделировать ани-

зотропные условия в породе, отдельные пласты

инициализируются независимо друг от друга и

соединяются вместе с помощью неподвижного

контакта. Затем проводится нелинейный пере-

ходный расчет предварительного нагружения,

который продолжается переходным связанным

расчетом гидрогазодинамики и напряженно-де-

формированного состояния. Для этого исполь-

зуются заданные значения напряжения в пласте

и давления в порах грунта. Чтобы можно было

интегрировать моделирование в процесс калиб-

ровки, все этапы подготовки задачи (геометрия,

сетка, граничные условия, и т.д.) полностью па-

раметризованы — таким образом, все расчеты с

разными исходными данными можно проводить

автоматически (см. рис.1). Параметры трещин в

породе содержат данные о деформации, дейс-

твующих силах и условиях течения. Геометри-

ческие параметры содержат приблизительные

данные о толщине пластов, и данные о располо-

жении скважины. Процесс гидравлического раз-

рыва моделируется с помощью расчета течения

жидкости при изменении давления в коллекторе

при закачке воды, и связанного с ним расчета

механики развития трещины. Для рассмотрения

течения жидкости в трещинах, развития и рас-

крытия трещин используется подход «smeared

continuum».

Отметим, что для промышленного исполь-

зования необходимы большие возможности в

параметрическом моделировании, построении

структурированных расчетных сеток, расчете

контактных задач, эффективность численных

расчетов нелинейных задач прочности и гидро-

динамики и гибкая обработка результатов рас-

четов.

Эффективный трехмерный расчет ГРП не

означает, что может быть рассчитан только один

процесс гидравлического разрыва. Для того что-

бы оптимизировать дизайн гидравлического

разрыва, требуется разработать максимально

эффективную параметрическую расчетную мо-

дель, поскольку в процессе калибровки и опти-

мизации проводится расчет более 200 вариан-

тов дизайна.

Ñõåìà ðàáîòû ïðîãðàììíîãî êîìïëåêñà ïðè ðàñ÷åòå ðàçëè÷íûõ äèçàéíîâ ÃÐÏ


37


Мастер класс


Интегрирующая расчетная платформа ANSYS

Workbench содержит все необходимые инстру-

менты для упрощенной постановки многовари-

антного или связанного многодисциплинарного

расчетов. В этой статье мы рассмотрим основ-

ные шаги, необходимые для выполнения FSI-

расчета клапана с заслонкой в виде диска. При

этом будут использованы следующие комплек-

сы: ANSYS FLUENT — для расчета течения жид-

кости в клапане и ANSYS Structural — для расче-

та напряженно-деформированного состояния

элементов клапана. На рисунке ниже показана

схема связывания различных модулей ANSYS

(геометрического препроцессора, сеточного ге-

нератора, решателей) для выполнения подобных

расчетов. Синие линии используются для пере-

дачи и идентификации таких данных как геомет-

рия, сетка (узлы и элементы) и результаты рас-

четов. Красные линии используются для переда-

чи входных и выходных переменных.

Упрощенная процедура

постановки FSI-расчета

с применением

ANSYS Workbench

Aashish Watave, ANSYS, Inc., Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ñõåìà ïðîåêòà â ANSYS Workbench

Ðàñ÷åò òå÷åíèÿ â êëàïàíå ñ ïîâîðîòíîé çàñëîíêîé (ñâåðõó — çàñëîíêà ïîä óãëîì 15°, ñíèçó — çàñëîíêà ïîä óãëîì 50°)

Äåôîðìàöèè çàñëîíêè, ñâÿçàííûå ñ âîçäåéñòâèåì ïîòîêà æèäêîñòè (ñâåðõó — çàñëîíêà ïîä óãëîì 15°, ñíèçó — çàñëîíêà ïîä óãëîì 50°)



38



1 Ãåîìåòðèÿ ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà äâóìÿ ñïîñîáà-ìè: 1. ñ ïîìîùüþ èìïîðòà â ANSYS DesignModeler (DM) ÷åðåç ïðîìåæóòî÷íûå ãåîìåòðè÷åñêèå ôîð-ìàòû. Äàëåå ýòà ãåîìåòðèÿ ìîæåò áûòü óïðîùåíà èëè âûëå÷åíà (â òîì ñëó÷àå, åñëè îíà ñîäåðæèò äåôåêòû).2. Ãåîìåòðèÿ ìîæåò áûòü ñîçäàíà íåïîñðåäñòâåí-íî â DM ñ èñïîëüçîâàíèåì ñðåäñòâ ïîñòðîåíèÿ ýñ-êèçîâ, áóëåâûõ îïåðàöèé ñ òâåðäûìè òåëàìè, îïå-ðàöèé ïðîòÿãèâàíèÿ, çàìåòàíèÿ è ïð. Êðîìå òîãî, DM ïîçâîëÿåò ïàðàìåòðèçîâàòü ãåîìåòðè÷åñêóþ ìîäåëü. Â íàøåì ñëó÷àå ìû ïàðàìåòðèçîâàëè óãîë ïîâîðîòà çàñëîíêè.

2 Âñå ïàðàìåòðû, êîòîðûå áóäóò èñïîëüçîâàíû äëÿ èçìåíåíèÿ ãåîìåòðèè â ïðîöåññå âûïîëíåíèÿ ìíî-ãîâàðèàíòíîãî ðàñ÷åòà, çàäàþòñÿ â ñïåöèàëüíîé ïàíåëè Table of Design Points. Ýòó ïàíåëü ìîæíî âûçâàòü, äâàæäû íàæàâ íà ñòðîêó Parameter Set.Â êà÷åñòâå ïàðàìåòðîâ ìîãóò âûñòóïàòü íå òîëüêî ãåîìåòðè÷åñêèå ðàçìåðû, íî è ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà ðàáî÷èõ ñðåä, ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ íà âõîäå/âûõîäå (ðàñõîä, ñêîðîñòü, äàâëåíèå, òåìïåðàòóðà) è ò. ï.

3 Ïåðåä ðàçáèåíèåì ðàñ÷åòíîé îáëàñòè (âíóòðåííå-ãî òðàêòà) â ANSYS Meshing íåîáõîäèìî îòêëþ÷èòü òå ýëåìåíòû ñáîðêè, êîòîðûå íå ñâÿçàíû ñ îáëàñ-òüþ òå÷åíèÿ. Äàëåå ìîæíî ñîçäàòü ñïåöèàëüíûå âûáîðêè (named selections) è «ïåðåíåñòè» â íèõ òå ïîâåðõíîñòè, êîòîðûå â äàëüíåéøåì áóäóò èñ-ïîëüçîâàíû äëÿ çàäàíèÿ ãðàíè÷íûõ óñëîâèé (âõîä, âûõîä, ñòåíêà). Êðîìå òîãî, ê ýòèì âûáîðêàì ìîæ-íî ïðèâÿçàòü ðàíåå îïðåäåëåííûå âõîäíûå ïàðà-ìåòðû. Íà ðèñóíêå ñïðàâà ïîêàçàí ïðèìåð èñïîëü-çîâàíèÿ ïàðàìåòðà P8-ip1 â ïðåïðîöåññîðå ANSYS FLUENT äëÿ çàäàíèÿ äàâëåíèÿ íà âõîäå â êëàïàí ðàâíîãî ïî âåëè÷èíå 500 Ïà.

4 Ðåçóëüòàòû, ïîëó÷åííûå â ANSYS FLUENT, ìîãóò áûòü ïðîàíàëèçèðîâàíû â ïîñòïðîöåññîðå CFD-Post. Äëÿ ýòîãî äîñòàòî÷íî íàæàòü íà ñòðîêó Results cell ñõåìû ïðîåêòà. Ñ ïîìîùüþ ÿçûêà âûðàæåíèé (CEL) â ïîñòïðî-öåññîðå ìîæíî îïðåäåëèòü âûõîäíûå ïàðàìåòðû, íàïðèìåð, ïåðåïàä äàâëåíèÿ (ΔP) èëè îñðåäíåííîå ïî ïî-âåðõíîñòè äàâëåíèå íà çàñëîíêå. Ýòè ïàðàìåòðû òàêæå ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû â òàáëèöå ïàðàìåòðîâ Table of Design Points. Âûõîäíûå ïàðàìåòðû òàêæå ìîãóò áûòü îïðåäåëåíû íåïîñðåäñòâåííî â ANSYS FLUENT.

5 Ïðè ãåíåðàöèè êîíå÷íî-ýëåìåíòíîé ñåòêè äëÿ ðàñ÷åòà íàïðÿ-æåííî-äåôîðìèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ ýëåìåíòîâ êëàïàíà ñëå-äóåò îòêëþ÷èòü (îïåðàöèÿ suppress) òåëà (bodies), îòíîñÿùè-åñÿ ê îáëàñòè òå÷åíèÿ. Â êà÷åñòâå íàãðóçîê ïðè ðàñ÷åòå ÍÄÑ êëàïàíà áóäåò èñïîëüçîâàòüñÿ äàâëåíèå íà âíóòðåííèõ ñòåíêàõ òðàêòà è ïîâåðõíîñòÿõ çàñëîíêè. Ïðè ýòîì ìîæíî èñïîëüçîâàòü íåñîâïàäàþùèå óçåë-â-óçåë ðà÷åòíûå ñåòêè äëÿ «ïðî÷íîñòíî-ãî» è ãèäðîãàçîäèíàìè÷ñåêîãî àíàëèçîâ. Ïîñëå òîãî êàê áóäåò çàâåðøåí ðàñ÷åò ïåðâîé òî÷êè (Design Point No. 0), ïðîãðàììà àâòîìàòè÷åñêè ïåðåîïðåäåëèò ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ è ïåðåéäåò ê ðàñ÷åòó âòîðîé òî÷êè è ò. ä. Ðåçóëüòàòû êàæäîãî ðàñ÷åòà ìîæíî ñîõðàíèòü îòäåëüíî.


39




В данной статье мы рассмотрим пример поста-

новки параметрического гидравлического рас-

чета вентиляционного коллектора с применени-

ем дополнительных возможностей ANSYS

Workbench. В качестве гидрогазодинамического

комплекса мы будем использовать ANSYS

FLUENT. Однако описанный алгоритм можно

применять и для других решателей ANSYS таких

как, ANSYS CFX или ANSYS Mechanical.

Внешний вид коллектора показан на рис. 1.

Коллектор имеет четыре входа и один выход.

Требуется оптимизировать геометрию коллекто-

ра таким образом, чтобы он имел минимальное

гидравлическое сопротивление при заданном

расходе газа на входе. При этом можно изменять

диаметр основной трубы (в заданном диапазоне

величин) и положение отводной трубы относи-

тельно левого торца основной трубы. В первона-

чальном варианте отводящая труба смещена

относительно торца основной трубы на 60 см.

Диаметр всех труб равен 5 см.

Очевидно, что для снижения суммарного

гидравлического сопротивления коллектора, от-

водящую трубу следует сместить вправо, ближе

к центру основной трубы.

Далее мы построим CAD-модель коллекто-

ра с коэффициентом масштаба 1:10.

Загрузим ANSYS Workbench. Затем пере-

тащим шаблон Fluid Flow (FLUENT) из панели

Toolbox в окно Project Schematic. Дважды на-

жмем на раздел Geometry для открытия геомет-

рического препроцессора ANSYS DesignModeler.

В появившейся панели Desired length unit выбе-

рем мм.

Создание параметризованной модели коллектора в DesignModeler

При создании параметризованных моде-

лей в DesignModeler основными инструментами

являются эскизы (Sketches) и опорные плоскос-

ти. Выберите плоскость ZXPlane и нажмите на

иконку New Plane (на рис.2 она обведена крас-

ной линией). В панели Detail View отредактируй-

те свойства новой плоскости: измените имя

плоскости на «main_plane», выберите опцию

Offset X, и укажите значение –65 мм. Далее на-

жмите кнопку Generate.

Пример параметрического

расчета вентиляционного

коллектора

с использованием

ANSYS Workbench

Денис Хитрых, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ðèñ. 1. Ãåîìåòðèÿ âåíòèëÿöèîííîãî êîëëåêòîðà

Ðèñ. 2. Ñîçäàíèå îïîðíîé ïëîñêîñòè



40



Для создания эскиза следует переключить-

ся в режим Sketching. В качестве опорной плос-

кости используем плоскость «main_plane». Ко-

манда Circle, формирующая окружность, вызы-

вается из панели Draw. В качестве центра ок-

ружности указываем начало координат опорной

плоскости. Для задания радиуса окружности

(равного 5 мм) следует перейти в раздел

Dimensions и выбрать элемент Radius. Присвой-

те эскизу имя «main_section».

Теперь протянем созданную окружность в

направлении оси Y. Для этого используем ко-

манду Extrude. В строке Depth задайте 200 мм, а

в Direction Vector выберите опцию None (Normal).

В результате мы построим геометрию прямоли-

нейного участка основного патрубка.

Перейдем к построению подводящих труб.

Сначала создадим опорную плоскость для эски-

за контура подводящих труб. Снова используем

иконку New Plane. В появившейся панели Details

View определяем настройки, показанные на

рис. 4. Нажимаем Generate.

Нам потребуется еще одна плоскость, ко-

торую мы будем использовать для вращения ок-

ружности — контура торца подводящей трубы.

Настройки этой плоскости показаны на рис. 5.

Присвойте этой плоскости имя «plane_revolution_

branch».

Далее создадим окружность с радиусом

5 мм (эскиз «cross_section_of_first_branch») и

прокрутим эту окружность относительно оси X

системы координат плоскости «plane_revolution_

branch» (заметим, что ось Z по умолчанию на-

правлена по нормали к опорным плоскостям). В

результате мы построим криволинейный учас-

ток подводящего патрубка, показанный на

рис. 6. Нажмите на иконку Revolve в верхнем

контекстном меню. В строке Base Object укажи-

те эскиз «cross_section_of_first_branch». Далее

используйте ось X в качестве оси вращения. Для

этого сначала выберите плоскость «plane_

revolution_branch» в дереве проекта, а затем с

помощью курсора мыши выберите на экране

ось X. Задайте угол вращения, равным 90° и не

забудьте изменить направление вращения на

противоположное (опция Reversed). Нажмите

Apply.

Аналогичным образом можно построить

оставшиеся три входных участка. Расстояние

между осями подводящих труб в масштабной

Ðèñ. 3. Çàäàíèå ðàäèóñà îêðóæíîñòè

Ðèñ. 4. Ñâîéñòâà îïîðíîé ïëîñêîñòè äëÿ ñîçäàíèÿ ýñêèçà ïîäâîäÿùèõ òðóá

Ðèñ. 5. Îïîðíàÿ ïëîñêîñòü äëÿ âðàùåíèÿ îêðóæíîñòè

Ðèñ. 6. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ êîìàíäû Revolve

X

YZ


41


модели составляет 40 мм (в реальной моде-

ли — 40 см).

Для построения отводящей трубы можно

использовать в качестве опорной плоскости

можно использовать плоскость «main_plane».

Ось этой трубы должна быть смещена на 60 мм

относительно левого торца основной (раздаю-

щей) трубы.

Для выполнения многовариантных расче-

тов (с оптимизацией) необходимо определить

несколько параметров. В нашем случае мы бу-

дем использовать два параметра: диаметр раз-

дающей трубы и расстояние от оси отводящей

трубы до левого торца раздающей трубы.

Вернемся в дерево проекта, выберем вет-

ку «main_plane» и отредактируем свойства эски-

за «main_section»: необходимо поставить галоч-

ку напротив параметра R1 (радиус окружности).

В появившуюся панель Parameter Name вбейте

имя R1.

Для определения второго параметра отре-

дактируйте свойства плоскости, которой прина-

длежит эскиз отводящей трубы (рис. 8). При-

свойте этому параметру имя «dist_1».

В заключение мы с помощью команды

Named Selection определим поверхности, на ко-

торых будут задаваться граничные условия. На

рис. 9 они выделены красным (вход — Inlet) и си-

ним (выход — Outlet) цветами.

Сохраняем проект и закрываем

DesignModeler.

Генерация сеткиДля генерации сетки переходим в раздел

Mesh шаблона проекта. Прежде всего, необхо-

димо отредактировать настройки панели Details

of Mesh. Определите основные опции этой пане-

ли следующим образом:

Physics Preference = CFD;

Solver Preference = Fluent;

Use Advanced Size Function = On: Proximity

and Curvature.

Далее нажмите правой кнопкой мыши на

раздел Mesh в дереве проекта и в появившейся

панели выберите Insert→Inflation. Затем выбе-

рите мышкой все необходимые поверхности и

определите настройки панели Details of “Inflation”

в соответствии с рис. 10.

И, наконец, выполните команду Mesh→Generate Mesh.

Препроцессинг задачи в комплексе FLUENTПосле генерации расчетной сетки закройте мо-

дуль Meshing и вернитесь в Project Schematic.

Загрузите программный комплекс FLUENT в

режиме Double Precision (двойная точность).

При этом сгенерированная ранее сетка будет

автоматически подгружена в препроцессор

FLUENT.

В разделе Viscous Model выберите

Realizable k-ε модель турбулентности. Далее оп-

ределите материал, т. е. задайте свойства воз-

духа. Для этого перейдите в раздел Set Material

и выберите Air.

Ðèñ. 7. Îòâîäÿùàÿ òðóáà äèàìåòðîì 5 ñì

Ðèñ. 8. Çàäàíèå ïàðàìåòðà â DesignModeler

Ðèñ. 9. Âûáîð ïîâåðõíîñòåé äëÿ çàäàíèÿ ãðàíè÷íûõ óñëîâèé



42



Теперь определим граничные условия на

соответствующих поверхностях. Перейдите в

раздел Boundary Conditions. В появившейся па-

нели выберите inlet и нажмите кнопку Edit. Да-

лее напротив параметра Mass Flow Rate задайте

0.5 кг/с — массовый расход воздуха через кол-

лектор. Значения других оставшихся парамет-

ров оставьте по умолчанию. Нажмите Ok.

После этого определите граничное усло-

вие на выходе коллектора. Для этого выберите

поверхность outlet. Далее напротив параметра

Gauge Pressure поставьте 0. Это означает, что

избыточное давление воздуха на выходе из кол-

лектора равно 0. Нажмите Ok.

Задав граничные условия, можно перейти

к настройкам опций решателя FLUENT. В нача-

ле отредактируем свойства раздела Solution

Methods (см. рис. 11).

Затем перейдем в раздел Calculation

Activities. Включите опцию Automatically Initialize

Solution and Modify Case. Далее нажмите кнопку

Edit внизу панели. Выберите опцию Initialize with

values from case и далее откройте закладку Case

Modification. В пустом поле наберите следующие

команды: /mesh scale 10 10 10 /solve init fmg

yes (масштабирование модели и FMG-инициа-

лизация). И, наконец, задайте 300 расчетных

итераций. Нажмите Ok.

В заключение определим выходные пере-

менные, необходимые для постановки задачи

оптимизации. По условиям задачи мы должны

подобрать такую геометрию коллектора, чтобы

он обладал минимальным гидравлическим со-

противлением. Для этого нам необходимо будет

в процессе расчета осуществлять мониторинг

статического давления на входе и выходе из

коллектора. Перейдите в раздел Results→Reports→Parameters и нажмите кнопку Create. В

выпадающем меню выберите Surface Integrals.

Далее определите настройки опций панели

Surface Integrals следующим образом: Report

Type = Area-Weighted Average; Field Variable =

Pressure→Static Pressure; Surfaces = outlet. На-

жмите затем кнопку Save Output Parameter и

присвойте имя новой переменной –pressure_

outlet.

Аналогичным образом задайте выходную

переменную pressure_inlet. Сохраните проект и

закройте FLUENT.

Обратите внимание, что в шаблоне Fluid

Flow (FLUENT) появился новый раздел

Parameters.

Постановка параметрического расчета

После задания параметров в любом из мо-

дулей ANSYS Workbench в основном окне появ-

ляются несколько дополнительных панелей:

Outline of All Parameters, Table of Design Points и

др. На рис. 12 показана панель Outline of All

Parameters, в которой содержится описание

входных и выходных параметров. В качестве

входных параметров у нас выступают диаметр

(радиус) основного коллектора R1 и параметр

dist_1, который задает положение отводной тру-

бы относительно левого торца основной трубы.

Выходным параметром выступает параметр

Ðèñ. 11. Íàñòðîéêè ðàçäåëà Solution Methods

Ðèñ. 10. Âûáîð ïîâåðõíîñòåé äëÿ ãåíåðàöèè ïðèçìàòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ


43


deltaP = pressure_inlet-pressure_outlet — перепад

давления в системе.

Для создания новой переменной deltaP не-

обходимо перейти в поле New expression и на-

брать в этом поле следующее выражение: P19-

P18. Новому параметру автоматически будет

присвоен индекс P20.

Далее необходимо отредактировать табли-

цу расчетных вариантов Table of Design Points.

Откройте таблицу и создайте три новых расчет-

ных точки: DP1, DP2 и DP3 (см. рис. 13). Далее

нажмите на кнопку Update All Design Points в

верхнем контекстном меню. Для отображения

процесса обновления расчетных точек следует

нажать на кнопку Show Progress.

После завершения процесса моделирова-

ния всех расчетных вариантов таблица Table of

Design Points будет обновлена и дополнена ин-

формацией обо всех расчетных вариантах. Ре-

зультаты расчетов можно визуализировать на

экране и отобразить в виде графиков, диаграмм

и т. п. Проанализировав результаты многовари-

антного расчета можно на основе определенных

критериев выбрать наиболее оптимальный ва-

риант конструкции коллектора.

Однако ANSYS предлагает более мощный

инструмент для анализа результатов многовари-

антных расчетов. Используя детерминирован-

ный метод планирования эксперимента (Design

of Experiments — DOE) и оптимизации, можно

автоматически исследовать пространство про-

ектных параметров и выбрать соответствующие

проектные параметры для получения минималь-

ных потерь давления в вентиляционном коллек-

торе.

Перетащим шаблон Response Surface из

Toolbox в Project Schematic. Этот шаблон будет

автоматически прилинкован к блоку Parameter

Set.

Далее отредактируем свойства раздела

Design of Experiments, поставив галочку напро-

тив опции Preserve Design points after DX runs.

Включение этой опции позволит сохранить все

промежуточные результаты расчетов во время

выполнения процедуры DOE-оптимизации.

Теперь следует задать диапазоны измене-

ния значений входных параметров. Для этого

откройте панель Outline of Schematic B2: Design

of Experiments и отредактируйте разделы P21 и

P22. Для параметра P21-R1 задайте диапазон

изменения от 5 см до 15 см (рис. 14), для пара-

метра P22-dist_1 задайте диапазон изменения

от 40 см до 140 см.

В завершение нажмите на кнопку Update

Design of Experiments.

После того, как Workbench отработает все

варианты следует вернуться на главную страни-

цу проекта. Для этого нажмите на кнопку Return

to Project.

Для построения поверхности отклика дваж-

ды нажмите на раздел Response Surface и далее

выполните команду Update Response Surface. На

рис. 15 показана результирующая поверхность

отклика.

Используя DOE-результаты можно быстро

подобрать наиболее оптимальный вариант конс-

трукция коллектора, т. е. решить задачу оптими-

зации.

Перетащим шаблон Goal Driven Optimization

из Toolbox в Project Schematic и прилинкуем раз-

Ðèñ. 12. Ïàíåëü Outline of All Parameters

Ðèñ. 13. Ïàíåëü Table of Design Points

Ðèñ. 14. Çàäàíèå äèàïàçîíà èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðà R1 (ðàäèóñ îñíîâíîé òðóáû) îò 5 ñì äî 15 ñì



44



дел B2 к разделу C2. Далее выберем метод оп-

тимизации Screening (раздел Optimization

Method) и укажем количество расчетных вариан-

тов, равное 1000 (Number of Initial Samples).

Далее необходимо определить целевую

функцию, в нашем случае — это гидравличес-

кое сопротивление тракта. Перейдите в раз-

дел D3 и выберите из выпадающего меню оп-

цию Minimize. Нажмите кнопку Update

Optimization.

Исходные файлы для повторения урока вы

можете получить, отправив запрос автору на ад-

рес [email protected]. Заранее при-

носим свои извинения за возможную задержку с

ответом.

Ðèñ. 17. Êà÷åñòâåííîå ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ãèäðàâëè÷åñêîãî ðàñ÷åòà êîëëåêòîðà ñ ðàçëè÷íîé ãåîìåòðèé

Ðèñ. 16. Â òàáëèöå ïðåäñòàâëåíû íàèáîëåå îïòèìàëüíûå âàðèàíòû ãåîìåòðèè êîëëåêòîðà, êîòîðûå óäîâëåòâîðÿþò çàäàííîìó êðèòåðèþ (ìèíèìàëüíîå ãèäðàâëè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå òðàêòà)

Ðèñ. 15. Âíåøíèé âèä ïîâåðõíîñòè îòêëèêà


НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩАЯ

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Êàêàÿ ïîãîäà íà Ìàðñå

FSI-ðàñ÷åò â ANSYS Ïðîåêòèðîâàíèå ñîâðåìåííûõ òàíêåðîâ â ANSYS


ANSYS Advantage. Русская редакция №14 –...

Documents

Transcript of ANSYS Advantage. Русская редакция №14 –...