ANSYS Advantage. Русская редакция №21 – Многодисциплинарный...

Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах №21 | 2015

ADVANTAGE™

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙАНАЛИЗ

6Будущее численного

моделирования

11Робастное проектирование

электрических машин с помощьюмногодисциплинарных расчетов

22Проектирование сверхпроводящих магнитов

Следите за обновлениямиПредыдущие выпускирусской редакцииANSYS ADVANTAGEвсегда доступны по адресу www.ansysadvantage.ru

www.cadfem-cis.ru www.ansysconference.ru

www.ansysadvantage.ru ANSYS ADVANTAGE 1

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ КАК ТРЕБОВАНИЕ СОВРЕМЕННОГО МИРА

ОТ РЕДАКТОРА

М ногие технически сложные изделия, например, дви-гатели внутреннего сгорания или газотурбинные двигатели уже давно подошли к определенному

рубежу, когда улучшение рабочих характеристик всего на несколько процентов является серьезным достижением, если не технологическим прорывом в отрасли. Однако потреби-тель не всегда осознает, что за этими несколькими процен-тами зачастую скрывается титанический труд расчетных и конструкторских отделов, которые при проектировании этого изделия должны следить не только за огромным количеством конструкторских, но и функциональных закономерностей: от трения и износа, сопровождаемого ростом рабочей темпера-туры и, как следствие, изменением свойств смазочных мате-риалов, до повышения собственных частот и возникновения ненужного акустического шума при снижении массы изде-лия, не говоря уже о процессах течения жидкостей, горения, обледенения или работы электронных и электромеханиче-ских устройств.

При принятии какого-либо конструктивного решения при проектировании новых и модернизации существующих изделий с учетом современных требований инженер дол-жен полностью осознавать все возможные последствия, что невозможно без понимания физики протекающих процес-сов. Если раньше при разработке изделий инженеры-расчет-чики отвечали на вопрос «а что если?», то теперь времени на поиск ответа остается все меньше, и вопрос все чаще звучит «а как лучше?». Эта трансформация, во-первых, позволяет изначально взять правильный вектор при проектировании, а во-вторых – сократить цикл разработки, что становится в последнее время наиболее важным показателем не только для коммерческих организаций, но и для предприятий, работа-ющих по госзаказу, и научно-исследовательских институтов.

Требования к изделиям непрерывно растут, но ресурс и возможности расчетных отделов всегда ограничены

Благодаря ANSYS численное моделирование и многодисциплинарный анализсегодня становятся доступными для широкого круга специалистов, позволяяинженерам различных отделов подключаться к работе и взаимодействовать между собой в единой расчетной среде, реализовывая смелые конструкторские идеии создавая современные изделия, отвечающие мировым стандартам качества и высоким запросам потребителей.

временем и количеством сотрудников, поэтому благодаря ANSYS численное моделирование и многодисциплинарный анализ сегодня становятся доступными для широкого круга специалистов, позволяя инженерам различных отделов под-ключаться к работе и взаимодействовать между собой в еди-ной расчетной среде, реализовывая смелые конструкторские идеи и создавая современные изделия, отвечающие миро-вым стандартам качества и высоким запросам потребителей. Подобная демократизация позволяет эффективнее распре-делить нагрузку между отделами и сконцентрировать силы инженеров-расчетчиков на решении задач, действительно требующих их опыта и компетенции.

В последние годы использование численного моделиро-вания при разработке изделий само по себе перестает быть конкурентным преимуществом, а становится скорее кон-курентной необходимостью, позволяющей предприятиям в первую очередь не отставать от конкурентов, в том числе и от зарубежных. То же самое происходит и с применением многодисциплинарных расчетов. Как аддитивные техноло-гии со временем вытеснят привычные механизмы производ-ства и продажи товаров, так и моделирование одной физики и учет только наиболее важных функциональных особен-ностей изделия уступят место комплексному многодисци-плинарному анализу. Это новая парадигма в разработке и проектировании изделий, способная раскрыть существую-щий потенциал и открыть совершенно новые пути развития технологий.

Программный комплекс ANSYS обладает наиболее широ-кими и продвинутыми возможностями для проведения мно-годисциплинарного анализа. Этот выпуск русской редакции журнала ANSYS Advantage содержит множество примеров применения решений ANSYS компаниями – лидерами различ-ных отраслей промышленности, что позволило им принять вызов сложной инженерной задачи и успешно решить её.

Современные изделия характеризуются сложнымвзаимодействием внутренних компонентов, широким функционалом и разнообразием рабочих режимов. Многодисциплинарный анализ является критически важным инструментом, который позволяет оценить работу технически сложных изделий в условиях,максимально близких к реальному миру.

Дмитрий Фролов, Директор по маркетингу, ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс».

2 ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

Новости

4Новости численного моделированияНовости о программных продуктах ANSYS, их сертификации и планах развития, а также приобретения компанией ANSYS, Inc. новых технологий.

Передовой оПыт

6Будущее численного моделированияВ своем наборе решений для инженерного анализа ANSYS предлагает новые технологии, позволяющие проводить многодисциплинарные расчеты быстрее, удобнее и точнее, чем когда бы то ни было.

МНогодисциПлиНарНый аНализ

11робастное проектирование электрических машин с помощью многодисциплинарных расчетовЭлектромагнитный, прочностной и тепловой расчеты, а также оптимизация позволяют повысить энергоэффективность, уменьшить уровень шума и увеличить ресурс подшипников электромоторов.

16использование облачных технологий при многодисциплинарных расчетахОблачные вычисления позволили специалистам Rolls-Royce сократить время расчета на 80% при решении многодисциплинарных задач.

19Численное моделирование деталей силовых трансформаторовДля получения оптимальных характеристик и минимизации затрат при проектировании силовых трансформаторов и комплектного оборудования, компания Hyundai Heavy Industries Co. Bulgaria проводит многодисциплинарные расчеты в программном комплексе ANSYS.

22Проектирование сверхпроводящих магнитовСпециалисты CERN использовали ANSYS Multiphysics при оптимизации конструкции сверхпроводящего магнита ускорителя.

2216

СОДЕРЖАНИЕ

19


w22 26 29

Инженерно-технический журнал«ANSYS ADVANTAGE Русская редакция»21 | 2015Выходит 1 раз в годУчредитель: ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»Генеральный директор: Локтев ВалерийГлавный редактор: Фролов ДмитрийПереводчик: Юрченко АннаАдрес редакции:111672 Россия, Москва,ул. Суздальская, д. 46, офис 203Тел.: (495) 644-0608Факс: (495) 644-0609Тираж 1000 экз.© 2015 ANSYS, Inc.© 2015 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Перепечатка опубликованныхматериалов только с письменного разрешения редакции.

36

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ

32Многодисциплинарный анализ микроволновых компонентовСвязанные расчеты помогают создавать надежные и мощные микроволновые компоненты.

36Оптимизация конструкции корпуса компактного компьютераИнженеры компании Teradici улучшили конструкцию тонкого клиента с поддержкой протокола PCoIP, так называемого компактного компьютера, с помощью ANSYS Icepak.

40Расчет системы охлаждения калибровочной головки осциллографаС помощью численного моделирования был оптимизирован тепловой режим калибровочной головки самого быстрого в мире осциллографа.

43Применение ANSYS Icepak для разработки систем радиосвязиПрименение ANSYS Icepak для теплового анализа систем радиосвязи позволило специалистам Datron World Communications сократить время разработки электронного устройства и уменьшить затраты на его разработку.

26Проектирование выхлопных системс помощью ANSYSКомпания-производитель выхлопных систем использует многодисциплинарные расчеты для уменьшения затрат на экспериментальные исследования.

29Моделирование протезирования аортального клапанаПроцедура замены сердечного клапана, воспроизведенная при помощи многодисциплинарного численного моделирования, позволяет избежать операции на открытом сердце.


Программный Продукт ANSYS StructurAl Прошел сертификацию в российском морском регистре судоходства

9 декабря 2014 г. Российский морской регистр судоход-ства выпустил «Свидетельство о типовом одобрении программы расчетов для ЭВМ» для программного про-дукта ANSYS Structural.Инициаторами проведения сертификации выступили ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», авторизованный дистри-бьютор и центр компетенции ANSYS в России и стра-нах СНГ, и Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота (ЗАО «ЦНИИМФ»).

Этот документ дает возможность обоснованно использовать ANSYS Structural для расчетов прочности и вибрации корпусов судов морского типа, в том числе при проектировании новых гражданских судов для освоения арктического шельфа, проектировании новых судов с динамическим принципом поддержания и подтвер-ждении ледового класса уже имеющихся судов для плавания в северных широтах.

новости численного моделированиякомПания ANSYS, INc. Приобрела корПорацию SpAceclAIm, ведущего Поставщика Программного обесПечения для Прямого cAD моделирования

1 мая 2014 г. компания ANSYS, Inc. объявила о покупке корпорации SpaceClaim, ведущего поставщика про-граммного обеспечения для прямого CAD моделирования, за 85 миллио-нов долларов без учета удержаний и корректировок оборотного капитала. «Эта сделка соответствует нашей стра-тегической концепции и политике сли-яний и поглощений, а также ускоряет движение по дорожной карте наших технологических продуктов для лучшегo удовлетворения потребностей наших клиентов и развития. SpaceClaim — это великолепное дополнение к нашему портфолио, поскольку он затрагивает незакрытые потребности 3D модели-рования в концептуальном модели-ровании, изготовлении и 3D печати, аудитория которых насчитывает 5 миллионов пользователей. В дополне-ние к внедрению инноваций, дополне-ние в лице SpaceClaim помогает ANSYS ускорить рост рынка моделирования путем расширения базы наших поль-зователей от исследователей и опыт-ных пользователей до миллионов инженеров-конструкторов и систем-ных инженеров различных отраслей. Мы приветствуем команду SpaceClaim в ANSYS», — заявил Джим Кэшмен, прези-дент компании ANSYS, Inc.

НОВОСТИ

Российского Речного Регистра Ильи Александровича Гуляева, «Российский Речной Регистр убедился в точности результатов расчетов, выполненных в ANSYS Structural. Удобство подго-товки данных, скорость расчетов, возможность представления резуль-татов в необходимой форме делает ANSYS Structural эффективным инстру-ментом в руках инженера-судостро-ителя». ANSYS Structural уже давно и успешно используется в мировом судостроении для проведения иссле-довательских, проектировочных и про-верочных расчетов прочности судов всех типов. В Российской Федерации также накоплен большой опыт приме-нения программных продуктов ANSYS в судостроении. Число конструкторских бюро и исследовательских институ-тов, лицензировавших использование ANSYS за последние 5 лет, превысило несколько десятков и продолжает неуклонно расти.

Инициатором проведения Серти- фикации выступила компания ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», авторизованный дистрибьютор и центр компетенции ANSYS в России и странах СНГ.

Программный Продукт ANSYS StructurAl Прошел сертификацию в российском речном регистре

30 января 2014 г. Российский Речной Регистр выпустил «Сертификат одоб-рения программного средства ANSYS Structural» с одобрением использования ANSYS Structural для расчетов прочно-сти и вибрации корпусов судов внутрен-него плавания и судов типа река-море. Теперь конструкторские бюро, науч-ные институты смогут проводить рас-четные работы с использованием ANSYS Structural, рассчитывая на признание результатов в надзорной организации Российский Речной Регистр. По сло-вам руководителя корпусного отдела


комПании ANSYS, INc. и AWr corporAtIoN объявили об интеграции ANSYS HFSS в AWr mIcroWAve oFFIce

комПания ANSYS, INc. объявила Победителей конкурса «2015 HAll oF FAme competItIoN»

Конкурс ANSYS Hall of Fame Competition проводится уже в шестой раз. Традиционно, среди победителей и финалистов кон-курса присутствуют компании и высшие учебные заведения со всего мира. Всего в этом году было объявлено 3 победителя в номи-нации «Best in Show: Corpo-rate», 2 в номинации «Best in Show: Academic» и 12 дру-гих финалистов из различных

областей: атомной промышленности, судостроения, турбомашиностроения, медицины и биологии.

Отметим, что в прошлом году в конкурсе Hall of Fame 2014 было два победителя из России: «МГТУ им. Н.Э. Баумана» совместно с ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» в номина-ции «Best in Show: Academic» и «Уральский дизель-моторный завод» среди других финалистов.

www.ansys.com/Hall+of+Fame

комПания ANSYS, INc. Приобрела FeNSAp-Ice для расчета Процессов обледенения самолетов

14 февраля 2015 г. компания ANSYS, Inc. (Питтсбург, США) официально подтвердила информацию о покупке активов канадской компании Newmerical Technologies International (NTI), занимающейся разработкой специализированного программного обеспечения для авиастроительной отрасли.

Компания NTI более десяти лет разрабатывает и про-дает передовой программный комплекс FENSAP-ICE для

численного моделирования процесса обледенения аэродинамических поверхностей и конструкций (крыльев самолета, мотогондол, лопастей ветряных турбин и пр.).

FENSAP-ICE имеет модульную структуру и включает в себя отдельные при-ложения, которые позволяют не только моделировать непосредственно процесс обледенения (ICE3D), но и проектировать противообледенительные системы, т.е. рассчитывать процессы тепло- и массообмена и гидравлики (CHT3D, C3D). FENSAP-ICE также позволяет учесть при моделировании шероховатость поверхно-сти, переменную плотность льда, остаточное количество воды, унос капель воды с поверхности пленки и стекание пленки жидкости вдоль обтекаемой поверхности. Все расчеты в FENSAP-ICE могут быть выполнены в двумерной и трехмерной поста-новке. FENSAP-ICE имеет интерфейсы для работы с ANSYS FLUENT, ANSYS CFX и дру-гим программным обеспечением.

Данная интеграция объединила широко известный высокочастотный полновол-новый симулятор ANSYS HFSS и NI AWR Design Environment™/Microwave Office. Это позволит пользователям Microwave Office легко задействовать решатель HFSS для анализа электромагнитных полей и связей пассивных 3D структур, таких как капельки припоя, проволоч-ные соединения, шариковые и штырь-ковые выводы при разработке ВЧ и СВЧ монолитных интегральных схем, систем плотной упаковки и многофунк-циональных модулей.

будьте в курсе Последних новостей ANSYS и cADFem

Компания ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» предоставляет Вам новую возможность узна-вать о новостях, связанных с программными продуктами ANSYS, с помощью электронной рассылки CADFEM eNews. Благодаря этой рассылке, Вы сможете своевременно узнавать о новостях компаний ANSYS, Inc. и CADFEM, новых видео-уроках CADFEM на канале YouTube, а также о вебинарах ANSYS и многом другом. Подпишитесь на рассылку, перейдя по ссылке: www.cadfem-cis.ru/cadfem-enews

комПания ANSYS, INc. объявила о выходе версии 16.0 своего флагманского Программного комПлекса

В ANSYS 16.0 были сделаны суще-ственные улучшения во всей линейке продуктов, включая прочность, гидро-динамику, электронику, многодисци-плинарные расчеты и проектирование на уровне систем, что позволит инжене-рам создавать виртуальные прототипы изделий удобнее и точнее. Команда ANSYS, Inc рада представить Вам новый релиз и надеется, что он оправдает Ваши ожидания и существенно помо-жет Вам в создании современных и инновационных изделий!

Более подробно об обновлениях ANSYS 16.0 Вы можете узнать, перейдя по ссылке: www.cadfem-cis.ru/ansys16


Автор: Chris Wolfe, ведущий менеджер по многодисциплинарным продуктам, ANSYS.

В своем наборе решений для инженерного анализа ANSYS предлагает новые технологии, позволяющие проводить многодисциплинарные расчеты быстрее, удобнее и точнее, чем когда бы то ни было.

ПЕРЕДОВОЙ ОПЫТ

БУДУЩЕЕ ЧИСЛЕННОГОМОДЕЛИРОВАНИЯ


� Специалисты отделения гипертермии в Университете Дьюка используют многодисциплинарные расчеты для разработки новых неинвазивных методов лечения рака мочевого пузыря. Ученые используют модуль ANSYS HFSS для проектирования миниатюрной микроволновой антенны, используемой для исследования оптимальных способов доставки медикаментов в мочевой пузырь при лечении методом гипертермии. Полученное распределение энергии передается в модуль ANSYS Fluent, с помощью которого инженеры моделируют такие биологические механизмы, как перфузия крови и метаболизм, которые существенно влияют на теплообмен в биологических системах. Во избежание перегрева тканей, антенну охлаждают циркулирующей жидкостью, и данный процесс моделируется в ANSYS CFD. Все расчеты проводятся в связанной постановке с целью оптимизации избирательного нагрева области мочевого пузыря.

Численное моделирование играет важную роль при проектиро-вании зданий, в которых мы

живем и работаем, автомобилей, кото-рыми мы управляем, смартфонов, которые позволяют нам общаться, медицинского оборудования, которое следит за нашим здоровьем, наших компьютеров и многого другого. За сорокапятилетний период своего суще-ствования программный комплекс ANSYS стали использоваться расчет-ными группами многих компаний по всему миру.

Сегодня в большинстве расчет-ных отделов численное моделирование используется на ранних этапах проек-тирования, что позволяет сократить количество дорогостоящих физических прототипов и испытаний.

Исторически сложилось так, что при моделировании инженеры были вынуждены прибегать к определенным упрощениям для соблюдения сроков проектирования. В связи с этим, часто моделировалось только одно наиболее важное физическое явление.

Например, инженеры-проектиров-щики болидов Формула 1 традиционно занимались только расчетом аэроди-намики с использованием CFD техно-логий. При проектировании строи-тельного или сельскохозяйственного оборудования обычно использовались лишь прочностные расчеты для обеспе-чения высокой стойкости к нагрузкам. Производители печатных плат, в основном, концентрировались на прове-дении анализа целостности сигнала.

Такой однодисциплинарный под-ход позволял существенно улучшить характеристики изделий при меньших затратах по сравнению с традицион-ными экспериментальными методами. Однако, в связи с ростом конкуренции и потребительских требований, сегодня тяжело получить оптимальный проект при использовании расчетов только в одной области физики. Для понимания влияния каждого аспекта на характе-ристики изделия, при моделировании необходимо учитывать все дисциплины в комплексе.

Возможность проводить много-дисциплинарные расчеты и параме-трическую оптимизацию позволяет инженерам быстрее оценить характери-стики изделия, получить оптимальный проект и выпустить готовый продукт.

Благодаря многодисциплинарным расчетам, инженеры-проектировщики болидов Формула 1 могут проводить комплексную оптимизацию аэроди-намических и прочностных харак-теристик при повышении мощности двигателя и снижении веса болида. Производители тяжелого оборудова-ния получили возможность улучшать прочностные характеристики изделий с учетом тепловых напряжений. A раз-работчики печатных плат теперь про-водят анализ не только целостности сигнала, но и тепловой расчет компо-нентов и паяных соединений.

Увеличение сложности изделийВ связи с постоянным ростом сложности изделий, практически в любой отрасли промышленности необходимо приме-нение многодисциплинарных расчетов для решения все более сложных задач.

В частности, трудности при проекти-ровании изделий возникают вследствие современных тенденций, таких как уве-личение удельной мощности электрон-ных устройств, уменьшение размеров продуктов, популярность «интеллекту-альных устройств», растущее использо-

вание новых материалов и ужесточение требований к экологичности изделий.

Более плотное расположение элек-тронных компонентов требует соот-ветствующего охлаждения с помощью вентиляторов и радиаторов, которые должны тщательно проектироваться. Производители микросхем должны учитывать влияние тепла на печатные платы и паяные соединения, в частно-сти, тепловые деформации, вызван-ные температурными колебаниями. Это позволяет создавать надежные продукты, выдерживающие рабочие и экстремальные нагрузки.

Медицинское оборудование, пред-назначенное для работы в нано-масштабах, должно безупречно функци-онировать. При моделировании работы конкретного устройства или выпол-нения определенной процедуры должны одновременно учитываться индивиду-альные физиологические особенности пациента, сокращение кровеносных сосудов, распределение тока крови и характеристики внутренних органов.

Новые композиционные материалы состоят из слоев волокон, некоторые из которых имеют уникальные термо-электрические свойства. Корпус

БУдУЩее численноГо МоделиРовАниЯ


� Сотрудники Института исследований плазмы (IPR), входящего в Департамент атомной энергетики Индии, используют многодисциплинарные расчеты для исследования термоядерного синтеза при магнитном удержании плазмы. Для термоядерного синтеза необходимо преодолеть энергетический барьер электростатических сил. Детали термоядерных установок характеризуются высокой сложностью и проектируются для работы в условиях очень больших нагрузок. Для решения данной задачи специалисты IPR проводят связанный тепло-электро-прочностной расчет.

При оптимизации характеристик изделия, использо-вание однодисциплинарного подхода зачастую не позволяет получить требуемый результат.

автомобиля или самолета, состоя-щий из таких материалов, должен быть оптимизирован не только с точки зрения термо-электрических характеристик, но и аэродинамики, вибраций и усталостной долговечности.

Из-за указанных выше тенденций расчетным группам все труднее найти ответы на следующие важные вопросы:

• Какие существуют потенциальные причины выхода изделия из строя?

• Как достичь оптимального баланса среди множества требований к изделию?

• Могут ли выбранные материалы выдерживать рабочие нагрузки?

• Является ли охлаждение достаточ-ным, с учетом теплообмена между компонентами?

• Можно ли наладить эффективное производство данного изделия в кратчайшие сроки при минималь-ном использовании материалов, энергии и сокращении выбросов?

Постоянно растущая сложность изделий затрудняет поиск ответов на эти вопросы. В тоже время, сейчас как никогда важно производить надежные и качественные изделия.

Многодисциплинарный анализ стал проще и доступнееМногодисциплинарный расчет, который раньше был доступен лишь немногим экспертам, сегодня стал стандартным инструментом разработки изделий во многих отраслях промышленности. Многодисциплинарное моделирова-ние позволяет оценить характеристики изделия в широком диапазоне усло-вий эксплуатации с учетом различных физических явлений. Использование данного подхода дает возможность рас-четным группам устранять многие при-чины отказа изделий.

Ранее многодисциплинарный ана-лиз подразумевал проведение ряда несвязанных однодисциплинарных рас-четов, в которых отдельно рассматрива-

лись гидродинамические, прочностные, тепловые и электрические явления. Сегодня расчетные группы все чаще приходят к выводу о необходимости выполнения связанных расчетов, учи-тывающих взаимодействие различных физических сил.

В связи с этим компания ANSYS разработала гибкий и удобный набор инструментов, беспрецедентно упро-щающий проведение многодисципли-нарных расчетов. Часто инженеры для выполнения многодисциплинар-ного анализа используют данные пре-дыдущих расчетов или экспериментов в качестве начальных или гранич-ных условий. Данные, которые переда-ются как граничные условия один или несколько раз в процессе расчета, лежат в основе одностороннего многодисци-плинарного расчета. Благодаря ANSYS такая передача начальных или гранич-ных условий характеризуется высокой

точностью, что обеспечивает получение достоверных результатов для каждого последующего расчета.

Иногда физические явления на- столько связаны, что выполнение после-довательных расчетов не позволяет адекватно моделировать процессы. В качестве примеров можно назвать проектирование клапанов, моделиро-вание деформируемых тел, подвержен-ных действию аэродинамических сил, а также расчет сопряженного теплооб-мена. В таких задачах при одновремен-ном расчете происходит обмен данными с заданным интервалом (двусторонний связанный расчет). Такой подход необ-ходим для решения многодисциплинар-ных задач, в которых физические силы тесно связаны.

Программный комплекс ANSYS предлагает широкий набор удобных инструментов для проведения много-дисциплинарного анализа. Расчетные

ПЕРЕДОВОЙ ОПЫТ


� Находящиеся в космосе антенны спутниковой связи работают в чрезвычайно сложных условиях. Электромагнитные потери, вызванные индуцированными высокочастотными поверхностными токами, приводят к частичному ассиметричному нагреву конструкции, что, в свою очередь, вызывает напряжения и деформации. Исследователи используют ANSYS HFSS и ANSYS Mechanical для всестороннего анализа всех указанных явлений. Деформированная конструкция передается в HFSS для того, чтобы определить, как деформации влияют на диаграмму направленности антенны.

� Многодисциплинарные расчеты помогают инженерам решать сложные задачи, например, задачу проектирования пластиковых контейнеров – прочных, легких и одновременно отвечающих требованиям клиентов. Модуль ANSYS Polyflow позволяет проводить расчет процесса выдувного формования на основе заданной геометрии, свойств материала и технологических условий процесса. Механизм подачи жидкости моделируется с помощью модуля ANSYS Fluent и технологии FSI. При таком подходе одновременно используется ANSYS Mechanical для моделирования деформации стенок бутылки. Любые изменения толщины стенок в процессе выдувного формования можно передавать из ANSYS Polyflow в ANSYS Mechanical для последующего прочностного расчета.

Возможность проводить многодисциплинарные расчеты и параметрическую оптимизацию позволяет инженерам быстрее оценить характеристики изделия, получить оптимальный проект и выпустить готовый продукт

группы могут решать свои задачи в односторонней либо двусторонней свя-занной постановке. При этом, ANSYS позволяет выполнять оптимизацию проекта, необходимую для обеспечения высокого качества продукции.

теХнологии МногодисциплинарныХ расЧетоВКомпания ANSYS является лидером в области численного моделирования. С целью обеспечения высокой точности расчетов, ANSYS постоянно совершен-ствует возможности моделирования в отдельных областях физики, вклю-чая гидродинамику, прочность, термо-динамику и электронику. Для анализа сложного взаимодействия различных

физических сил, расчетный комплекс должен обеспечивать получение точ-ных результатов в каждой отдельной области физики.

Улучшения в ANSYS Workbench облегчают выполнение многодисци-плинарного анализа в единой расчет-ной среде. Технология «Drag-and-drop» позволяет быстро запускать различные виды расчетов в односторонней и дву-сторонней связанной постановке.

Благодаря гибким открытым авто-матизированным и точным сред-ствам обмена данными, платформа ANSYS Workbench позволяет использо-вать в расчетах различные виды дан-ных: экспериментальные, полученные с помощью другого программного обе-спечения или из другого расчета. Кроме

того, обмен данными можно осущест-влять с помощью набора инструмен-тов ANSYS Application Customization Toolkit (ACT), который включает в себя Software Development Kit (SDK) для Workbench. Данные инструменты позволяют выполнять адаптацию для упрощения определенных процессов моделирования, включая обмен дан-ными с другим программным обеспече-нием. Независимо от того, происходит ли обмен данными между приложе-ниями ANSYS либо со сторонним ПО, используемые методы обеспечивают точность и высокую скорость.

Для эффективного расчета много-дисциплинарных задач большой размерности, в решателях ANSYS Workbench могут использоваться высо-копроизводительные технологии (HPC). Программный комплекс ANSYS может с легкостью работать со слож-ными промышленными геометриче-скими моделями, расчетными сетками большой размерности, а также с боль-шими объемами данных, возникающих в результате многодисциплинарного моделирования.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗ POLYFLOW ТОЛЩИНЫ ИЗ POLYFLOW, ИМПОРТИРОВАННЫЕ

В MECHANICAL


Специалисты испанской компании ITMA Materials Technology, занимающейся прикладными исследованиям и разработками в области материаловедения, используют многодисциплинарные расчеты для обеспечения длительной эксплуатации изделий. Инженеры ITMA применяют ANSYS CFD и ANSYS Mechanical для выполнения расчета усталостной долговечности резервуаров. В данном случае необходимо было обеспечить целостность конструкции резервуара, работающего при больших перепадах температур. Используя инструменты для многодисциплинарных расчетов ANSYS Workbench, исследователи ITMA с помощью ANSYS CFX провели нестационарные расчеты режимов начала и завершения работы изделия, а затем передали поля температур в ANSYS Mechanical для выполнения прочностных расчетов.

Для обеспечения длительного срока эксплуатации печатной платы необходимо выполнять оптимизацию ее электрических, тепловых и прочностных характеристик. Это требует проведения многодисциплинарных расчетов, позволяющих учитывать взаимодействие различных физических сил. Тепловые расчеты в ANSYS SIwave и ANSYS Icepak позволяют оптимизировать рассеиваемую мощность и избежать перегрузок по току. С помощью ANSYS Workbench поля температур передаются в ANSYS Mechanical для анализа температурных напряжений, усталостной долговечности и деформаций. В ANSYS Mechanical можно оценить влияние расположения компонентов и прижимных нагрузок, что позволяет минимизировать вероятность выхода изделия из строя вследствие перегрева.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИВ добавление к фундаментальным рас-четным возможностям, в ANSYS суще-ствует ряд дополнительных технологий, которые помогают инженерным груп-пам проводить оптимизацию, упрощать работу с данными и облегчать решение сложных задач.

ANSYS DesignXplorer позволяет инженерам исследовать и оптимизи-ровать изделия и проекты, используя параметрический анализ. Благодаря этому можно быстрее получить опти-мальное решение, а также всестороннее исследовать взаимодействие различных физических явлений в многодисципли-нарных расчетах.

ANSYS Engineering Knowledge Manager (EKM) облегчает специали-стам работу с большим объемом инфор-мации, возникающим в процессе много-дисциплинарных расчетов. ANSYS EKM занимается управлением расчет-ными данными, включая архивиро-вание, поиском и аудитом данных, автоматизацией процессов, защитой

интеллектуальной собственности, а также этот модуль упрощает взаимо-действие инженеров и обмен опытом между специалистами.

Кроме того, технологии ANSYS для моделирования уменьшенной размер-ности (ROM) позволяют преобразовать массив сложных многодисциплинар-ных расчетов в нульмерые или одномер-ные модели, описывающие динамику многодисциплинарных расчетов на системном уровне. Это позволяет избе-жать проведения длительного расчета для каждой рабочей точки. Независимо от того, требуется ли проведение высо-коточных трехмерных расчетов или получение быстрых результатов с помо-щью моделей уменьшенной размер-ности, программный комплекс ANSYS характеризуется беспрецедентной масштабируемостью.

ШИРОКОЕ ПРИМЕНЕНИЕМНОГОДИСЦИПЛИНАРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯЕсли проведение многодисципли-нарных расчетов все еще представ-ляет сложность для Вашей расчетной группы, этот номер журнала ANSYS Advantage призван помочь Вам. На страницах журнала Вы узнаете из пер-вых уст, как специалисты из различных отраслей промышленности применяют программный комплекс ANSYS для улучшения характеристик изделий

с помощью многодисциплинарного моделирования.

Более 30% пользователей ANSYS уже выполняют многодисциплинарные расчеты с целью оптимизации своих изделий. Без сомнения, этот показатель будет расти в течение ближайших лет, поскольку все больше и больше инжене-ров осознают преимущества и простоту выполнения подобных расчетов.

Когда численное моделирование впервые появилось, многие расчетные группы не спешили его внедрять в про-цесс проектирования. Однако сегодня использование численного моделиро-вания стало стандартом инженерной деятельности во всех отраслях про-мышленности. Многодисциплинарные расчеты являются будущим проекти-рования изделий и скоро также станут промышленным стандартом, поскольку инженерные группы вынуждены рабо-тать с постоянно усложняющимися проектами, повышать точность получа-емых результатов и сокращать время и затраты на проектирование и изготов-ление изделий.

Мы надеемся, что этот номер жур-нала ANSYS Advantage вдохновит Вас на более активное использование многодисциплинарного моделирова-ния в Вашей организации, чтобы Вы могли в полной мере воспользоваться всеми преимуществами этих новыхтехнологий.

ТЕХНОЛОГИИ


РОБАСТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХМАШИН С ПОМОЩЬЮМНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫХРАСЧЕТОВ

Авторы: Cassiano A. Cezario, Briam C. Bork, Marcelo Verardi, отдел исследований и инноваций; José R. Santos, отдел разработки новых изделий, «WEG Equipamentos Elétricos S.A. — Motores», Жарагуа-ду-Сул, Бразилия.

Электромагнитный, прочностной и тепловой расчеты, а также оптимизация позволяют повысить энергоэффективность, уменьшить уровень шума и увеличить ресурс подшипников электромоторов.

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ


Оптимизация изделия позволила получить оптимальное соотношение энергоэффективности, уровня шума и ресурса подшипника в новой линейке электромоторов.

Робастное проектирование электромашин в компании WEG

В соответствии с исследованиями Международного энер-гетического агентства, на электрические моторы прихо-дится около двух третьих промышленного потребления

электроэнергии и около 45% общего потребления. Согласно «Прогнозу мировой энергетики 2012 года», развитые страны планируют увеличивать энергоэффективность на 1.8% ежегодно в течение ближайших 25 лет. Значительная часть данного увеличения энергоэффективности должна при-ходиться на усовершенствование конструкции электро-моторов. Компании, занимающиеся разработкой этих устройств, должны обеспечивать низкий уровень шума и длительный срок эксплуатации моторов. На протяжении последних 200 лет инженеры работали над выполнением

этих требований, улучшая и оптимизируя конструкцию электрических моторов. В настоящее время возникла необходимость в новых методах и инструментах для дальней-шего усовершенствования.

Компания WEG является одним из крупнейших произ-водителей промышленных электромоторов в мире и еже-годно производит более 10 миллионов изделий. Инженеры компании используют программный комплекс ANSYS для выполнения электромагнитных, прочностных и тепловых расчетов при разработке электромоторов. Оптимизация изделия позволила получить оптимальное соотноше-ние энергоэффективности, уровня шума и ресурса под-шипника в новой линейке электромоторов W50. Широкие

Оценка бОльшОгО кОличества различных вариантОв каналОв вОздушнОгО Охлаждения

сОкраЩение ОбЩегО урОвня шуМа МОтОра

• анализ аэрОдинаМическОгО шуМа • анализ электрОМагнитнОгО шуМа

снижение рабОчей теМпературы пОдшипника

автОМатизация прОцесса ОптиМизации

гидрОдинаМический и электрОМагнитный расчеты

электрОМагнитный, прОчнОстнОй и теплОвОй расчеты

гидрОдинаМический и теплОвОй расчеты

испОльзОвание ANSYS DeSigNXplorer и ANSYS WorkbeNch

уМеньшение пОтерь вентилятОра и улучшение энергОэффективнОсти

снижение рабОчегО шуМа

увеличение ресурса пОдшипника

ОптиМизация прОекта МОтОра без неОбхОди-МОсти Оценивать каждый прОект вручную

ЗАДАЧИ ТЕХНОЛОГИИ ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЛИ ЦЕЛИ

� Поверхность отклика отражает эффективность вентилятора как функцию нескольких переменных.

МногодисциПлинарный анализ


возможности ПО ANSYS использова-лись при проектировании и оптими-зации конструкции электромоторов, и при этом не было необходимости отдельно оценивать каждый вариант проекта.

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИБольшие электромоторы мощностью 125-1750 лошадиных сил обычно имеют два вентилятора: один для охлаждения внутреннего пространства, а второй – для охлаждения внешней поверхности. Эти два вентилятора потребляют зна-чительное количество электроэнергии, в связи с этим, инженеры WEG предпо-ложили, что перспективным подходом к общему увеличению энергоэффектив-ности является улучшение характери-стик вентиляторов. Большое внимание уделялось внутреннему вентилятору, в частности, сокращению потерь при прохождении воздуха через мотор. Поток воздуха, создаваемый венти-лятором, проходит через отверстия в корпусе. Потери можно сократить, уве-личив эти отверстия, но такой подход уменьшает электромагнитную эффек-тивность мотора.

Специалисты WEG использовали ANSYS CFD для моделирования потока воздуха во внутреннем пространстве мотора. В качестве ключевых пере-менных параметров, были выбраны размеры отверстий в корпусе, через которые проходит воздух. Поскольку большинство таких параметров влияет на электромагнитную эффективность мотора, инженеры создали электро-магнитную модель мотора в ANSYS Maxwell, используя те же переменные. Они создали таблицу возможных значе-ний для каждого параметра.

ANSYS DesignXplorer использо-вался для планирования эксперимен-тов (DOE), что позволило эффективно разделить пространство проектных решений, чтобы исследовать его с отно-сительно малым количеством числен-ных экспериментов и автоматически проводить многодисциплинарные рас-четы. Универсальные средства моде-лирования среды ANSYS Workbench и оптимизация проекта с помощью ANSYS DesignXplorer позволили инже-нерам компании WEG увеличить количество расчетов в месяц от 4 в 2005 году до 800 в настоящее время. Этому также способствовало

использование высокопроизводитель-ных вычислений (HPC). Компания WEG использует лицензии HPC Pack для гидродинамических и электромагнит-ных расчетов, при этом используется 64 ядра, распределенных на 8 рабочих станциях.

Полученные результаты для каждой расчетной точки сохранялись в таблице и визуализировались с использованием поверхности отклика, которая полно-стью отражала пространство проект-ных решений. Поверхность отклика использовалась для графического ото-бражения влияния различных перемен-ных на потери, связанные с работой вентилятора. В данном случае рас-четы не были связанными из-за огра-ниченных вычислительных ресурсов. Однако в будущем специалисты WEG планируют использовать многодисци-плинарные расчеты для более точного определения оптимальных значений переменных. Инженеры WEG вручную сравнили поверхности отклика, гра-фики и таблицы для гидродинамиче-ского и электромагнитного расчетов, чтобы определить комбинацию пере-менных, которые обеспечивают наи-большую эффективность изделия. Затем проводились повторные гидро-динамические и электромагнитные рас-четы для оптимальных комбинаций. После этого была выбрана одна комби-нация, обеспечивающая наибольшую эффективность мотора — существенное снижение потерь и увеличение эффек-тивности без ущерба для электромаг-нитных характеристик изделия.

УМЕНЬШЕНИЕ ШУМАКроме того, специалисты компании WEG занимались уменьшением уровня шума, возникающего в новых моторах линейки W50. В основном, в электро-моторе возникает шум, связанный с аэродинамическими и электромагнит-ными явлениями. Аэродинамический шум вызван работой вентилятора и передается через воздух. ANSYS CFD использовался для оптимизации

� Сравнение результатов расчета в ANSYS CFX для исходного и оптимизированного проектов.

С 2005 года специалисты компании WEG увеличили количество CFD расчетов с 4 до 800 в месяц.


Проведение многодисциплинарных расчетов в программном комплексе ANSYS позволило инженерам WEG создать лучший в своем классе электрический мотор, существенно сократив сроки и стоимость разработки изделия.

Применение ANSYS Maxwell позволило достичь баланса между потерями и электромагнитной эффективностью.

Эффективность вентилятора как функция двух переменных.

геометрии ротора вентилятора с целью минимизации аэродинамиче-ского шума. Электромагнитный шум возникает вследствие взаимодей-ствия магнитных полей, создава-емых статором и ротором. В предель-ных случаях, в которых частота возни-кающей силы возбуждает собственные частоты конструкции, шум суще-ственно усиливается.

ANSYS CFD использовался для опти-мизации внутренней системы вен-тиляции. Инженеры спроектировали новую систему вентиляции с целью уменьшения длины мотора, благодаря чему также улучшились динамиче-ские характеристики изделия. Однако исходный проект не устраивал инжене-ров, в связи с этим, они использовали ANSYS DesignXplorer для оптимизации геометрии внутреннего вентилятора и получения нового проекта, удовлет-воряющего их требованиям. Новый вентилятор характеризуется низ-кими вибрациями, большей удельноймощностью мотора и большей макси-мальной скоростью вращения.

Для оценки и устранения элек-тромагнитного шума мотора инже-неры компании WEG выполняли электромагнитный расчет, который позволил получить значения элек-тромагнитных сил и потерь. Эти величины использовались как вход-ные параметры для прочностного итеплового расчетов, целью которых было определение уровня механиче-ских вибраций.

УВЕЛИЧЕНИЕ РЕСУРСА ПОДШИПНИКА ЭЛЕКТРОМОТОРАПодшипники обычно первыми выхо-дят из строя в процессе эксплуатации электрических моторов, при этом, их срок службы напрямую зависит от рабо-чей температуры. Чем холоднее под-шипник, тем больше его срок службы и длиннее интервал между заменой смазки. Следовательно, более низкая температура подшипников приводит к меньшим затратам на техническое обслуживание мотора. Команда инже-неров выполнила CFD расчет воздуш-ного потока вокруг подшипника и изменила форму и размеры некоторых компонентов для уменьшения его рабо-чей температуры.

На основе проведенных многодис-циплинарных расчетов, инженеры



CFD расчет течения воздуха вокруг подшипника использовался для уменьшения рабочей температуры подшипника.

Расчет в ANSYS Mechanical позволил определить вибрации конструкции и уменьшить уровень шума.

компании WEG усовершенствовали проект мотора W50. Затем был соз-дан прототип и проведены физические испытания, которые показали полное соответствие с результатами модели-рования. В результате, потребовались лишь незначительные изменения на этапе создания прототипа изделия. Обычно требуется значительно большее количество существенных проектных изменений. Таким образом, использова-ние численного моделирования позво-ляет получать оптимальное изделие с первого прототипа и значительно эко-номит средства.

Новый мотор W50 характеризу-ется существенным увеличением произ-водительности по сравнению сэлектрическими моторами того же класса. Энергоэффективность изделия зависит от области при-менения, но в целом значительно пре-восходит лучшие современные модели. Новые моторы характеризу-ются чрезвычайно низким уровнемшума – 82 дБ (A) при 3600 об/мин(60 Гц) и 78 дБ (A) при 3000 об/мин (50 Гц). В моторах W50 ресурс под-шипника увеличился до 100 тыс. часов по сравнению с 40 тыс. часов в пре-дыдущей модели. При этом минимум90% всех производимых изделийдостигали номинальной долговечно-сти L10 h (в рабочих часах). Проведе-ние многодисциплинарных расче-

тов в программном комплексе ANSYSпозволило инженерам WEG создать лучший в своем классе электрический мотор, существенно сократив сроки и стоимость разработки изделия.

Техническая поддержка и лицензирование WEG осуществляется компанией ESSS.

В итоговом проекте потребовались лишь незначительные изменения, что позволило сократить время выхода изделия на рынок. Виртуальный прототип (A) c выводом низкого напряжения; готовое изделие (B) с выводом высокого напряжения.

A

B


Облачные вычисления позволили специалистам Rolls-Royce сократить время расчета на 80% при решении многодисциплинарных задач.

Вкомпании Rolls-Royce используются собственные специализированные программы для определения рабочей температуры дисков турбин реактивных дви-

гателей. Тепловые граничные условия для таких расчетов обычно определяются с помощью датчиков теплового потока, установленных в двигателе. Такой подход не позволяет про-водить тепловые расчеты до создания первого прототипа. Внесение проектных изменений на этапе прототипирования является дорогостоящим, а возможности оптимизации тепло-вых характеристик довольно ограниченны.

Специалисты Rolls-Royce активно внедряют новый подход к высокопроизводительным вычислениям с использованием облачных технологий. При этом для выполнения связанных расчетов используются собственный решатель прочностных задач и программный комплекс ANSYS Fluent. Это позволяет определить тепловые потоки на различных поверхностях ком-понентов до создания физического прототипа. Выполнение таких связанных расчетов требует очень больших вычисли-тельных ресурсов, поскольку задача решается в нестационар-ной постановке. Это означает, что задачи гидродинамики и прочности должны сходиться на каждом шаге по времени в процессе решения. Специалисты Rolls-Royce смогли сокра-тить время расчета на 80% благодаря использованию высоко-производительных облачных вычислений.

ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВХОДЕ В ТУРБИНУСтремясь повысить эффективность работы двигателя, про-изводители вынуждены постоянно повышать температуру на входе в турбину. Во избежание перегрева ответственных узлов, инженеры должны постоянно вносить изменения в конструкцию систем охлаждения и уплотнений. Специалисты Rolls-Royce определяют рабочие температуры этих компо-нентов, проводя тепловые расчеты в собственной специали-зированной программе. Нестационарный тепловой поток на некоторых стенках исследуемых компонентов является одной из входных величин теплового расчета. Инженеры планиро-вали значительно улучшить процесс проектирования бла-годаря использованию CFD комплексов при определении

Специалисты Rolls-Royce смогли сократить время расчета на 80%.

ИсПОльзОВАНИЕ ОБлАчНЫХ ТЕХНОлОгИй ПРИ МНОгОДИсцИПлИНАРНЫХ РАсчЕТАХ

Многодисциплинарный анализ

Авторы: Marius Swoboda, начальник отдела системного инжиниринга, и Hubert Dengg, специалист по тепловым расчетам, Rolls-Royce Germany, Далевиц, Германия.

Эта

фот

огра

фия

раз

мещ

ена

с ра

зреш

ения

ком

пани

и Ro

lls-

Royc

e pl

s.


ИсПОльзОВАНИЕ ОБлАчНЫХ ТЕХНОлОгИй ПРИ МНОгОДИсцИПлИНАРНЫХ РАсчЕТАХ

тепловых потоков и выполнению свя-занных расчетов. Необходимо было добиться корректного обмена дан-ными в итерационном процессе, чтобы инженеры были уверены в правильно-сти значений температур и тепловых потоков на границе металл – жидкость. В процессе расчета постоянное обнов-ление тепловых потоков позволяет корректно отображать диапазон темпе-ратур, в которых работают компоненты при пуске и номинальном режиме работы.

Расчет задач сопряженного тепло-обмена требует значительных вычис-лительных ресурсов, особенно при моделировании трехмерных CFD моде-лей размерностью более 10 млн. ячеек. Наряду с активным использованием внутренних HPC ресурсов компании, специалисты Rolls-Royce решили вос-пользоваться облачными высокопроиз-водительными ресурсами для решения данной задачи. При этом было необхо-димо преодолеть некоторые трудности. Например, для проведения высоко-производительных вычислений, было необходимо обновить модуль обмена данными между прочностным и CFD решателями. Кроме того, при проведе-нии связанных расчетов возникла необ-ходимость настройки работы ANSYS Fluent на нескольких компьютерах. Расчет во Fluent осуществлялся в рас-пределенном режиме, в то время как прочностной решатель работал только на одном компьютере.

ВЫПОлНЕНИЕ РАсчЕТОВ с ПОМОЩьЮ ОБлАчНЫХ ТЕХНОлОгИйВ качестве поставщика услуг удален-ных высокопроизводительных вычис-лений по запросу, компания Rolls-Royce выбрала «CPU 24/7 GmbH&Co. KG». Расчеты выполнялись на высокопро-изводительном кластере, оснащенном Intel Xeon E5-2690 и FDR Infiniband. Расчеты проводились в циклах, в кото-рых прочностной и гидродинамиче-ский решатели поочередно выполняли расчеты и обменивались данными по завершению цикла. CFD решатель передавал в прочностной код темпе-ратуры и тепловые потоки на стенках. Прочностной код передавал темпера-туру на входах и стенках в качестве гра-ничных условий для CFD решателя. На каждом шаге оба решателя выполняли множество итераций и обменивались данными до тех пор, пока рассчитыва-емые температуры на стенках не совпа-дали. Моделирование проводилось для промежутка времени 6000 секунд, включая пуск, работу двигателя на малой и полной мощности. Как и ожи-далось, в основном, вычислительные ресурсы расходовались на гидродина-мический расчет: CFD анализ выпол-нялся на 32 ядрах, а прочностной расчет проводился лишь на одном ядре.

Обладая обширным опытом в обла-сти высокопроизводительных вычис-лений, специалисты «CPU 24/7» оказали помощь в настройке кла-стера для работы с приложениями,

использующими MPI (message passing interface), создании хост-файла и работе с лицензиями FlexNet. На про-тяжении всей работы, сотрудники «CPU 24/7» оказывали высококаче-ственную техническую поддержку. Потребовался всего один месяц с момента принятия решения об исполь-зовании облачных технологий до завершения первого расчета на

�CFD модель ступени высокого давления.

�поля температуры, полученные в CFD расчете.� поля теплового потока, используемые в качестве граничного условия для прочностного расчета.

© реактивный двигатель Rolls-Royce

Кольцевая полость (давление на выходе)

Ротор ТВД 1

Вход в сопло (массовый расход)

Направляющие лопатки сопла

Ротор ТВД

Выход из сопла (давление на выходе)

Полость за уплотнением (давление на выходе)


удаленном кластере. Такой быстрый результат стал возможен благодаря тес-ному сотрудничеству компаний ANSYS и «CPU 24/7».

Результаты связанного гидродина-мического и прочностного расчета были подтверждены физическими испыта-ниями. Благодаря близкой к линейной масштабируемости решателя ANSYS

Fluent, проведение связанного расчета на удаленном высокопроизводительном кластере заняло в пять раз меньше вре-мени по сравнению с расчетом на рабо-чей станции. Использование внешних вычислительных ресурсов позволило оптимизировать работу собственных высокопроизводительные ресурсов компании. Например, доступность облачных вычислительных технологий позволяет рассчитывать задачи боль-шей размерности, что, в свою очередь, дает возможность более подробно иссле-довать характеристики изделия.

На сегодняшний день не суще-ствует физического способа определе-ния характеристик систем охлаждения и уплотнения до изготовления и испы-тания прототипа. Изготовление про-тотипа требует так много времени и ресурсов, что внесение любых изме-нений в проект является чрезвычайно дорогостоящим. Кроме того, метод

физического прототипирования позво-ляет рассмотреть лишь несколько вариантов проекта. Единственным решением данной проблемы является использование численного моделиро-вания. Существенным преимуществом проведения связанного гидродина-мического и прочностного расчета с использованием выскопроизводитель-ных технологий является возможность оптимизации всей системы охлажде-ния и уплотнений на ранних этапах проектирования. Такой подход позво-ляет рассмотреть всю область возмож-ных проектных решений, а инженеры могут затем выбрать наиболее опти-мальный проект для создания физиче-ского прототипа. Компания Rolls-Royce активно внедряет высокопроизводи-тельные облачные технологии, кото-рые позволяют достичь существенных улучшений характеристик реактивных двигателей.

Проведение связанного расчета на удаленном высокопроизводительном кластере заняло в пять раз меньше времени по сравнению с расчетом на рабочей станции.

� Загруженность кластера в процессе расчета.

ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ К НАМ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ

ansys.com/social@ansys www.cadfem-cis.ru/social

МНОгОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ


П роектирование силовых транс-форматоров и комплектного оборудования осложняется мно-

жеством противоречащих друг другу требований, обусловленных различ-ными областями физики и спецификой проектирования. Тепло, создаваемое протекающим током, приводит к повы-шению температур, что негативно ска-зывается на работе контактов устройств регулирования под нагрузкой (РПН).

Еще одной проблемой является уменьшение потерь, порождаемых вих-ревыми токами в прижимных пласти-нах, подкладках и других компонентах, что может приводить к чрезмерным перегревам и механическим нагрузкам на детали конструкции. Также необ-ходимо учитывать возможность воз-никновения короткого замыкания в трансформаторе, которое вызывает электромагнитные силы, приводящие к чрезмерной нагрузке на проводники обмоток.

Устройство РПН – это механизм выбора точки соединения в обмотке силового трансформатора, который позволяет выбирать различное коли-чество витков ступенчатым образом. Изменяя коэффициент трансформации, можно контролировать напряжение на выходе трансформатора. Компания Hyundai Heavy Industries Co. Bulgaria выпускает устройства РПН для раз-личных трансформаторов, включая Hyundai и других производителей. Компания производит масляные транс-форматоры и устройства РПН для электроподстанций, тепловых и гидро-электростанций, а также промыш-ленных предприятий во всем мире. Все изделия Hyundai обязательнопроходят проверку в независи-мых лабораториях. Благодаря ком-пактному дизайну и надежным техническим параметрам уменьша-ется вес и стоимость трансформаторов.Hyundai является мировым лидером по

производству РПН – на сегодняшний день произведено более 50000 единиц.

МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯВ прошлом специалисты Hyundai использовали узкоспециализирован-ные расчетные программы для проек-тирования трансформаторов и РПН. Инженеры применяли программные средства для моделирования электриче-ских, тепловых и прочностных характе-ристик оборудования. Однако каждый тип расчета проводился отдельно, без учета связанных физических явлений. Например, при моделировании электро-магнитных характеристик не учитыва-лись тепловые и прочностные аспекты. При таком подходе невозможно было

� Эквивалентные напряжения главного вала переключателя напряжений.

Численноемоделированиедеталей силовыхтрансформаторов

Авторы: Petar Bozhkov и Yordan Botev, инженеры, электромеханический расчетный отдел, Hyundai Heavy Industries Co. Bulgaria, София, Болгария.

Для получения оптимальных характеристик и минимизации затрат при проектировании силовых трансформаторов и комплектного оборудования,компания Hyundai Heavy Industries Co. Bulgaria проводит многодисциплинарные расчеты в программном комплексе ANSYS.

Параметризация в ANSYS Workbench позволяет быстро осуществлять многодисциплинарную оптимизацию изделия в единой расчетной среде.

МНОгОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗ


определить тепловые напряжения, вызываемые вихревыми токами. Отсутствие единой расчетной среды при проведении моделирования в раз-личных областях физики существенно ограничивало количество проводимых исследований. Это вызывало трудности при оптимизации характеристик пер-вого прототипа изделия и требовало внесения дорогостоящих изменений на этапе испытаний.

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЕ РАСЧЕТЫИнженеры компании Hyundai выбрали программный комплекс ANSYS благо-даря его широким возможностям прове-дения многодисциплинарных расчетов, управления данными и работы с моде-лями пониженного порядка в еди-ной расчетной среде. Среда ANSYS Workbench позволяет расчетным груп-пам эффективно проводить совмест-ный многодисциплинарный анализ. Благодаря возможности проведения связанных электромагнитных, тепло-вых и прочностных расчетов, спе-циалисты могут быстро оценивать различные варианты изделия и полу-чать оптимальный проект до создания первого прототипа.

Оптимизация контактной системы РПН является одной из важнейших задач, для решения которой инже-неры используют многодисциплинар-ный анализ. Контакты работают при повышенных температурах из-за про-текания большого тока. Для расчета

тока, протекающего через РПН, и опре-деления потерь в контактах использу-ется модуль ANSYS Maxwell. Инженерывводят свойства материалов для компо-нентов РПН и затем задают возбужде-ния и граничные условия. Полученные потери используются для стационар-ного теплового расчета, позволяющего получить поле температур контактной системы. Инженеры должны убедиться в том, что температуры не превы-шают пределы, указанные в стандартеEC 60214. Для получения поля темпе-ратур некоторых компонентов РПН используется ANSYS Maxwell и ANSYS Mechanical в нестационарной поста-новке. Далее результаты используются в ANSYS Mechanical для стационарного расчета напряжений и деформаций, возникающих вследствие температур-ных расширений. Все операции выпол-няются в среде ANSYS Workbench, и, таким образом, не возникает проблем с передачей данных.

Инженеры также проводят много-дисциплинарные расчеты прижимных пластин и подкладок в активных частях силовых трансформаторов. Они задают величину тока, протекающего в витках, и с помощью ANSYS Maxwell рассчиты-вают потери на вихревые токи в пла-стинах и металлических конструкциях трансформатора. Эти потери использу-ются как нагрузки в нестационарном тепловом расчете в ANSYS Mechanical для определения распределения тем-ператур в пластинах и металлических конструкциях. Кроме того, инженеры

рассчитывают токопроводящие шины силовых трансформаторов – при этом используется ANSYS Maxwell для рас-чета потерь на вихревые токи в шинах, а ANSYS Mechanical применяют для нестационарного теплового расчета. Полученные поля температур исполь-зуются в качестве исходных данных для стационарного прочностного расчета (определения напряжений и деформа-ций от тепловых расширений, вызван-ных электромагнитными силами).

Для каждого нового проекта транс-форматора необходимо убедиться, что тангенциальные силы, возникаю-щие в винтовой обмотке при коротком замыкании, не вызовут конструктив-ных повреждений. Инженеры компа-нии Hyundai используют ANSYS Maxwell

Hyundai сократил затраты на проектированиена 3-5%, и ожидается, что, благодаря использованию многодисциплинарных расчетов, общие затраты сократятся на 10-15% в ближайшие годы.

Плотность тока в токопроводящих шинах, гибких соединениях и проводниках трансформатора.


Cиловой трансформатор с тремя обмотками.

Конденсатор

Устройстворегулирования под нагрузкой (РПН)

Приводной двигатель устройства РПН

Радиаторы

Выводы среднего напряжения Выводы низкого

напряжения

Выводы высокого напряжения


Поле напряжений между двумя контактами переключателя обмоток.

Компания проводит расчет силовых трансформаторов на сейсмические воздействия, чтобы убедиться в надежности работы оборудования в зонах сейсмической активности. Эквивалентные напряжения в горизонтальном направлении: спектральный анализ (А) и модальный анализ (Б).

Распределение напряжений в системе изоляции силового трансформатора.

Поле температур подкладок силового трансформатора.

3D для расчета электромагнитныхтангенциальных сил на основании рас-пределения магнитных полей рассея-ния. Полученные силы используются для статического прочностного расчета (определения механических напряже-ний компонентов и окружного переме-щения проводников).

Поскольку клиенты компании Hyundai Heavy Industries Co. Bulgaria находятся в различных сейсмических зонах, специалисты компании проводят статический, модальный и спектраль-ный расчеты. Это позволяет убедиться в том, что трансформаторы способны выдерживать условия землетрясений.

РПН состоят из множества сложных механизмов, включающих валы, под-шипники, шестеренки, шарниры, пру-жины и контактные системы. Надежное функционирование РПН является осно-вой бесперебойной работы всего транс-форматора. Сбой в работе РПН может привести к повреждению или даже полному выходу из строя трансформа-тора. Специалисты Hyundai используют ANSYS Mechanical для выполнения сме-шанного жесткого/деформируемого нестационарного расчета механизма переключателя. На основании этого расчета, можно получить такие харак-теристики, как скорость, ускорение, деформация и напряженно-деформиро-ванное состояние деталей. Полученные нагрузки на детали часто используются при расчете на усталостную долговеч-ность и оценке ресурса изделия.

При моделировании инженеры оце-нивают различные варианты проекта путем изменения таких параметров, как расстояние между витками, толщина

изоляции и типы материалов обмотки. Данные действия выполняются с целью минимизации использования матери-алов и уменьшения размеров компо-нентов при сохранении необходимых коэффициентов запаса. Эффективность трансформатора увеличивается при уменьшении количества материала в областях с высокими токовихревыми потерями. В некоторых случаях потери уменьшаются при использовании маг-нитных шунтов для защиты металли-ческих частей от паразитных полей. Параметризация в ANSYS Workbench позволяет быстро осуществлять много-дисциплинарную оптимизацию изделия в единой расчетной среде.

СОКРАЩЕНИЕ ЗАТРАТ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕВ связи с быстрорастущим потребле-нием электроэнергии, эффективность силовых трансформаторов и переклю-чателей обмоток должна постоянно повышаться. Специалисты Hyundai Heavy Industries используют много-дисциплинарный расчетный комплекс ANSYS для проведения трехмерногочисленного моделирования новых изде-лий. Благодаря использованию моде-лирования, сокращается количество прототипов, необходимых для изготов-ления высококачественных продук-тов, уменьшаются время и стоимость изготовления изделий. По оценкам компании Hyundai, затраты на про-ектирование уже сократились 3-5%, и ожидается, что, благодаря использова-нию многодисциплинарных расчетов, общие затраты сократятся на 10-15% в ближайшие годы.

Компания проводит расчет силовых трансформаторов на сейсмические воздействия, чтобы

Распределение плотности потока в баке, возникающей из-за прохождения большого тока в стороне низкого напряжения электропечного трансформатора.

Б)А)


В рамках модернизации Большого адронного коллайдера (БАК) в Европейском центре ядерных

исследований (CERN), требуется исполь-зование более компактных магнитов. Благодаря меньшим размерам появля-ется пространство для дополнительногооборудования, однако магниты должны создавать более сильное магнитное поле по сравнению со старыми ком-понентами. Новые магниты создают осевые силы до 84 тонн на сторону кон-цевой пластины и боковые силы около3.16 меганьютон-метр на квадрант при номинальном токе 11.85 килоам-пер, что почти в два раза выше пока-зателей основных диполей БАК. При этом деформация проводника должна быть близкой к нулю во избежание его перехода от сверхпроводящего до рези-стивного состояния. Даже небольшая деформация может увеличить электри-ческое сопротивление и повысить тем-

Автор: Charilaos Kokkinos, инженер отдела прочностных расчетов, FEAC Engineering, Янина, Греция.

Специалисты CERN использовали ANSYS Multiphysicsпри оптимизации конструкции сверхпроводящего магнита ускорителя.

пературу настолько, что проводник потеряет свои сверхпроводящие свой-ства. Во время работы в CERN автор статьи занимался проектированиемконструкции сверхпроводящего маг-нита ускорителя с магнитной индукцией11 тесла. Данная задача решалась с использованием электромагнитных, тепловых и прочностных инструментов анализа ANSYS. Многодисциплинарные возможности среды ANSYS Workbench позволили осуществить оптимизацию конструкции с учетом всех физических явлений, что ранее было недостижимо. Автоматическая передача моделей, параметров и данных между различ-ными расчетными модулями среды ANSYS Workbench позволила суще-ственно сократить время расчетов.

НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ МАГНИТОВБольшой адронный коллайдер – самый большой и мощный ускоритель частиц

в мире. Внутри ускорителя два высоко-энергетических пучка частиц движутся в противоположных направлениях в отдельных каналах со скоростью, близкой к скорости света, а затем они сталкиваются. Эти пучки частиц удер-живаются внутри кольца ускорителя магнитным полем, которое создается сверхпроводящими электромагнитами, работающими при температуре 1.9 K (–271.3°C) – ниже, чем в открытом кос-мосе. Для реализации проекта повыше-ния светимости Большого адронного коллайдера необходима установка нескольких новых магнитов. Эти маг-ниты должны быть короче, чтобы оста-лось место для нового оборудования. Это поможет сузить пучок частиц и защитить кольцо БАК от потери пучка. При этом меньшие по размерам маг-ниты должны создавать более силь-ное магнитное поле 11 тесла (ранее использовались магниты 8.33 тесла).



Для усиления магнитного поля необ-ходимо провести замену проводника:с Nb-Ti на Nb3Sn.

Магниты должны были быть очень жесткими, поскольку даже небольшое отклонение проводника (порядка нано-метров) может вызвать его переход в резистивное состояние. Небольшая деформация проводника способна локально увеличить его электрическое сопротивление, что приводит к повыше-нию температуры в этой точке и потере сверхпроводящих свойств. С другой стороны, низкая рабочая температура магнита повышает жесткость конструк-ции. Оптимальное сочетание задан-ного предварительного напряжения при комнатной температуре и дополни-тельного напряжения, возникающего при охлаждении и сжатии конструк-ции, позволяет катушке работать в пре-делах допустимых напряжений. В связи с этим, для проведения адекватного

Инженеры решали задачу проектирования новых магнитов для CERN при помощи электромагнитных, тепловых и прочностных инструментов анализа ANSYS.

Двумерное поле плотности магнитного поля, полученное в ANSYS Maxwell.

Модель трехмерного электромагнитного анализа в ANSYS Maxwell.

Трехмерное поле плотностимагнитного поля.

Силы Лоренца, рассчитанныев ANSYS Maxwell.

Деформация магнита, полученная в ANSYS Mechanical на основе сил Лоренца, рассчитанных в ANSYS Maxwell.

© C

ERN


Новый проект позволил сократить расходына материалы и уменьшить время изготовления на 5 месяцев, при этом жесткость конструкции оставалась такой же, как у предыдущего поколения магнитов.

Поверхность отклика для трех важных проектных параметров.

анализа каждого проекта, необходимо комплексно рассматривать электро-магнитные, прочностные и тепловыесвойства изделия.

Предыдущие поколения магнитов проектировались с помощью узкоспе-циализированных программных ком-плексов. Такой подход требовал, чтобы пользователи владели различными инструментами проектирования, вруч-ную вводили, импортировали или пере-давали исходные данные и результаты для работы в каждом модуле. Такой про-цесс моделирования занимал настолько много времени, что удавалось рассмо-треть очень малое количество вари-антов проекта, и, как следствие, было невозможно оптимизировать проект с учетом явлений из различных областей физики.

прямая сВязЬ В ЕДинОЙрасЧЕтнОЙ срЕДЕИнженеры использовали современный подход к проектированию сверхпро-водящих магнитов нового поколения, который заключался в использовании систем автоматизированного проекти-рования (CAD) и многодисциплинар-ного численного моделирования в единой расчетной среде. Такой подход позволяет проводить весь процесс про-ектирования в единой расчетной среде, обеспечивая двунаправленный обмен данных с CATIA, а также позволяет всем модулям использовать единую таблицу проектных параметров. При этомобеспечивается прямая связь и обмен данными между модулями, отвечаю-щими за расчет в различных областях физики. Это облегчает анализ простран-ства проектных решений и помогает найти оптимальное решение.

Исходная геометрическая модель магнита создавалась в CATIA, и все параметры передавались в ANSYS Workbench с использованием

интерфейса CADNEXUS/CAPRI CAE Gateway for CATIA V5. Модель была изменена и упрощена в ANSYSDesignModeler для подготовки к прове-дению конечно-элементного анализа. Электромагнитный расчет проводился в ANSYS Emag и ANSYS Maxwell, а затем проводилось сравнение результатов, полученных в этих модулях при раз-личных размерностях сеточной модели, типах элементов, настройках реша-телей и алгоритмах. Вместе с этим, специалисты CERN продолжали проек-тировать сверхпроводящие магниты с помощью собственной программы для электромагнитного расчета – ROXIE. Инженеры провели анализ предыду-щего проекта магнита с использованием

Emag, Maxwell и ROXIE, и все программ-ные комплексы показали идентичные результаты.

Электромагнитные силы, извест-ные как силы Лоренца, рассчитанные с помощью Emag и Maxwell, передавались в ANSYS Mechanical как массовые силы с помощью прямой связи в рамках средыANSYS Workbench. Модуль ANSYS Mechanical использовался для выполне-ния прочностного и теплового расчетов, при этом учитывалась большая жест-кость конструкции после ее охлажде-ния до рабочей температуры. Тепловые эффекты учитывались с помощью пред-варительного напряжения, которое про-тиводействует деформации катушки под действием сил Лоренца.


Зажим концевой пластиныКонцевая пластина

Толщина

Расстояние от центра


Оптимизация кОнструкции магнитаИнженеры исследовали пространство проект-ных решений и выполнили анализ чувствительно-сти, используя ANSYS DesignXplorer. Благодаря единой платформе Workbench легко осуществлялась передача данных между модулями для электромагнитных и прочност-ных расчетов, проводился последовательный расчет всех про-ектных точек, и выполнялась систематизация полученных результатов. Модуль DesignXplorer использовался при созда-нии матрицы планирования экспериментов для эффектив-ного анализа пространства проектных решений с минималь-ным количеством проектных точек. Когда инженер нажимал на кнопку «Update All Design Points», первая проектная точка с первым набором проектных параметров отправлялась в ме-неджер параметров Workbench, проводился анализ, а резуль-таты сохранялись в таблице проектных параметров.

Процесс продолжался до тех пор, пока не был выпол-нен расчет всех проектных точек. Далее с помощью DesignXplorer строилась поверхность отклика и осущест-влялась оптимизация проекта. Программный комплекс автоматически провел сотни расчетов и определил опти-мальный проект с минимальным использованием дорого-стоящих магнитных материалов. При этом выполнялись технологические нормы, требования к жесткости и ограниче-ния по размерам.

Некоторые детали оптимизированного проекта уже изготовлены и протестированы, и их эксплуата- ционные характеристики соответствуют результа-там моделирования. Для увеличения пространства раз-мер концевой пластины был уменьшен с 70 мм до 50 мм (для магнита 1-в-1) и с 90 мм до 75 мм (для магнита

2-в-1). Новый проект позволил сократить расходы на матери-алы и уменьшить время изготовления на 5 месяцев, при этом жесткость конструкции оставалась такой же, как у предыду-щего поколения магнитов. Благодаря использованию модуля ANSYS DesignXplorer была построена поверхность отклика и проведен анализ чувствительности. Это позволило инжене-рам определить оптимальный набор проектных параметров для создания магнитного поля с индукцией 11 тесла. При этом напряжение в катушке не превышало 150 МПа. Также удалось минимизировать любые процессы деградации электрических свойств проводника Nb3Sn.

Более того, удалось найти оптимальное сочетание между всеми ключевыми параметрами сборки, что позволило обеспечить безопасные условия работы магнита ускорителя. Такой подход позволил сократить общее время расчетов по сравнению с предыдущими методами проектирования. Ранее инженерам приходилось создавать APDL файлы и макросы для обеспечения связи различных инструментов проектиро-вания. Благодаря использованию ANSYS Workbench удалось на три недели сократить время оптимизации, а также умень-шить время создания моделей.

Источники

Karppinen, M.; Andreev, N.; Apollinari, G.; Auchmann, B.; Barzi, E.; Bossert, R.; Kashikhin, V.V.; Nobrega, A.; Novitski, I.; Rossi, L.; Smekens, D.; Zlobin, A.V. Design of 11 T Twin-Aperture Nb3Sn Dipole Demonstrator Magnet for LHC Upgrades. Applied Superconductivity, IEEE Transactions. 2012. Volume 22, Issue 3.

www.feaccomp.com

Charilaos Kokkinos покинул CERN в 2013 году и основал компанию FEA Engineering, специализирующуюся на разработке изделий при помощи численного моделирования. FEAC горячо благодарит Mikko Karppinen, руководителя проекта новых магнитов.

26 ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015 26 ANSYS ADVANTAGE. Русская редакция 21'2015

Компания-производитель выхлопных систем использует многодисциплинарные расчеты для уменьшения затрат на экспериментальные исследования.

Авторы: Matt Butson, менеджер технической поддержки, и Ning Cao, инженер-конструктор, Active Exhaust Corp., Торонто, Канада


ПРОЕКТИРОВАНИЕВЫХЛОПНЫХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ ANSYS


Компания-производитель выхлопных систем использует многодисциплинарные расчеты для уменьшения затрат на экспериментальные исследования.

Деформация распределительного коллектора.

Проектирование выхлопных систем осложнено различ-ными физическими явлениями.

Инженеры-проектировщики должны рассматривать течение газа внутри выхлопной системы, а также учитывать действующее на двигатель противодав-ление. Движение газа через выхлопную систему вызывает шумы и вибрации, которые необходимо уменьшать. При этом должна поддерживаться темпе-ратура, необходимая для оптималь-ной работы системы нейтрализации выхлопных газов. Также необходимо минимизировать воздействие выхлоп-ных газов на окружающую среду и при-мыкающие детали автомобиля.

Компания «Active Exhaust» исполь-зует многодисциплинарные расчеты для уменьшения числа дорогостоящих прототипов и получает оптимальный проект изделия еще до этапа натурных испытаний. «Active Exhaust» является ведущим производителем выхлопных систем для промышленных двигате-лей и автомобилей. Компания специ-ализируется на изготовлении систем контроля звуковых, выхлопных и тепло-вых характеристик мобильных и ста-ционарных двигателей мощностью от 5 до 700 лошадиных сил.

В Торонто находится головной офис, отдел разработок, конструктор-ский отдел, подразделение техниче-ской поддержки и североамериканский производственный центр. Персонал компании насчитывает около 275 чело-век, включая работников двух зару-бежных филиалов в Китае и Индии и складских помещений в США. Компания «Active Exhaust» занимается производ-ством потребительских и промышлен-ных газонокосилок, оборудования для строительства и земледелия, сварочных машин и генераторов, а также техники высокой проходимости, кемпинговых модулей и автофургонов.

ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯНА ОСНОВЕ ИСПЫТАНИЙВ прошлом инженеры компании ис-пользовали собственные программ-ные комплексы для двумерных расче-тов компонентов выхлопных систем. Инженер-конструктор выполнял при-ближенный расчет характеристик из-делия с использованием этих инстру-ментов. Точность, описание и на-бор геометрических моделей были

ограничены. Вследствие низкой точ-ности проводимых расчетов, все но-вые выхлопные системы должны бы-ли проходить лабораторные испытания на перепад давления, мощность, крутя-щий момент, тепловые, вибрационные, акустические, экологические и другие характеристики.

Процесс проектирования силь-но зависел от физичeских испыта-ний. Лаборатория компании «Active Exhaust» всегда тщательно про-веряла изделия перед продажей. Дорогостоящее оборудование лабо-ратории включает пять динамоме-тров вихревых токов, работающихв следующих диапазонах: частота вра-щения – до 10000 об/мин, крутящиймомент – до 400 Н*м и мощность – до 160 кВт. В лабораторных условиях для двигателя, оборудованного измеритель-ной аппаратурой, возможно определить расход, давление, шум, ускорение, тем-пературу и другие параметры, необ-ходимые для определения пульсаций выхлопных газов с высокой точностью. Однако в последние годы компания начала поставлять на рынок двигатели настолько мощные, что ресурсов лабо-ратории стало недостаточно для их исследования. Возникла необходимость обращения к сторонним лабораториям, что привело к удорожанию произво-димых изделий до неконкурентного уровня. Дополнительные затраты, свя-занные с созданием прототипов и при-влечением внешней рабочей силы для выполнения экспериментов, привели к тому, что метод физических испытаний стал слишком дорогостоящим при раз-работке новых мощных изделий.

Кроме того, при разработкеновых изделий специалисты компании

столкнулись с другими ограниче-ниями метода физичeских испыта-ний. На любом этапе разработки при возникновении несоответствий специалисты должны были опера-тивно вносить изменения в про-ект, изготавливать новый прототип ипроводить повторные испытания, что приводило к существенным затратам. Дополнительные проектные изменения требовали значительного времени и могли стать причиной задержки выхода продукта в срок. Измерения при натур-ных испытаниях ограничивались физи-ческими возможностями датчиков, что не всегда позволяло определить источ-ник возникающих проблем. Например, натурные испытания не позволяют обнаружить зоны рециркуляции потока, которые приводят к значительному уве-личению перепада давления в выхлоп-ной системе. Более того, из-за высокой стоимости испытаний инженеры имели ограниченные возможности при поиске оптимального проекта.

ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯНА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯСпециалисты «Active Exhaust» рассмо-трели несколько программных комплек-сов для численного моделирования. Поскольку расчет гидрогазодинамики являлся ключевым аспектом проекти-рования, вначале были рассмотрены CFD комплексы. Из всех рассмотренных инструментов для моделирования, про-граммный комплекс ANSYS отличался возможностью, помимо задач гидроди-намики, решать также задачи прочно-сти, теплообмена и акустики. Компания «Active Exhaust» приобрела программ-ные продукты ANSYS CFD-Flo для реше-ния задач гидродинамики и ANSYS


� Поле температур выхлопных газов внутри выходного диффузора.

� Линии тока и поле температур в эжекторе.

Mechanical для проведения прочност-ных, тепловых и акустических расче-тов. Благодаря среде ANSYS Workbench, эти и другие инструменты ANSYS позво-ляют осуществлять двунаправленный обмен данных с CAD системами, харак-теризуются единообразным пользова-тельским интерфейсом, возможностью проведения многодисциплинарных расчетов и позволяют выполнять мно-гие другие операции.

Сейчас численное моделирование является основой процесса проекти-рования в компании «Active Exhaust». Первым шагом обычно является импорт CAD геометрии, созданной в програм-мном комплексе Creo®. Далее на основе твердотельной модели создается зани-маемый жидкостью объем и задаются граничные условия: массовый расход на входе и давление на выходе. ANSYS CFD используется для выполнения рас-чета течения газа через выхлопную систему. Такой расчет позволяет полу-чить перепад давления в выхлопной системе и противодавление на входе. Поскольку при моделировании исполь-зуется реальная геометрия изделия, результаты расчетов хорошо согласу-ются с экспериментальными данными.

По сравнению с эксперименталь-ными исследованиями, ANSYS CFD позволяет получать намного больше данных, включая скорость и давле-ние в каждой точке исследуемого объ-ема. Например, инженер, исследующий новую выхлопную систему, может обна-ружить зону рециркуляции в обла-сти решения. Поскольку рециркуляция обычно увеличивает перепад давления в системе, инженер должен внести в гео-метрию CFD модели изменения, позво-ляющие устранить данную проблему. Затем необходимо произвести повтор-ный расчет, чтобы убедиться в отсут-ствии зоны рециркуляции. В противном случае необходимо изменять геометрию до тех пор, пока зона рециркуляции не исчезнет. Благодаря использованию ANSYS Workbench, при изменении гео-метрии автоматически изменяется сетка и проводится повторный расчет, что существенно экономит время в про-цессе проектирования.

Кроме CFD анализа, специалисты «Active Exhaust» используют ANSYS Mechanical для теплового, прочност-ного и акустического расчетов выхлоп-ной системы. Интеграция между ANSYS CFD и ANSYS Mechanical позво-ляет с легкостью передавать поля

температур из CFD расчета в прочност-ной. Эти тепловые граничные усло-вия используются для определения поля температур на внешней поверх-ности выхлопной системы и рас-чета температурных напряжений. В ANSYS Mechanical также проводится расчет выхлопной системы на проч-ность с использованием данных о спектральной плотности мощности воз-действий автомобиля. Выполняется расчет случайных вибраций, в кото-ром определяются частотный отклик и распределение напряжений. Также в динамическом анализе определяются частоты и формы собственных коле-баний выхлопной системы. Если эти частоты могут возбуждаться двигате-лем, инженеры должны вносить соот-ветствующие изменения в проект.

Следующим этапом расчета явля-ется оценка акустических характе-ристик выхлопной системы. В ANSYS Mechanical данные модального анализа используются для расчета ослабления и поглощения звуковых волн глуши-телем. Далее программный комплекс рассчитывает потери при распростра-нении волн во всем диапазоне частоте, а также уровень шумов. Специалисты «Active Exhaust» использовали соб-ственную библиотеку шумов двигате-лей для определения уровня шума до и после установки глушителя.

Самым большим преимуществом использования численного моделиро-вания является то, что инженеры почти всегда создают оптимальный прототип изделия с первой попытки. Несмотря на это, каждое новое изделие проходит тщательные лабораторные испытания. Кроме того, моделирование позволяет получить намного больше данных, быстро определить причину возник-новения проблем и добиться улучше-ния характеристик изделия. Благодаря внедрению численного моделирова-ния при проектировании, клиенты компании получают изделия лучшего качества в более короткие сроки.

МногодисциПЛинарный анаЛиз

� Линии тока и поле температур в глушителе.

Клиенты компании «Active Exhaust» выигрывают от более высокой производительности и коротких сроков проектирования.

www.ansysadvantage.ru ANSYS ADVANTAGE 29www.ansysadvantage.ru ANSYS ADVANTAGE 29

Процедура замены сердечного клапана, воспроизведенная при помощи многодисциплинарного численного моделирования, позволяет

избежать операции на открытом сердце.

C теноз аортального клапана, суживающий устье аорты, является наибо-лее распространенным заболеванием сердечного клапана. Данная болезнь встречается у 2% людей старше 65 лет. Симптомами этого хронического про-

грессирующего заболевания являются боли в груди, затрудненное дыхание и обмо-роки; в некоторых случаях, если не заменить клапан, может возникнуть острая сердечная недостаточность.

На протяжении 40 лет единственным способом лечения стеноза аортального клапана являлась хирургическая операция на открытом сердце, в ходе которой заменяется аортальный клапан и используется аппарат искусственного кровоо-бращения. Хирурги производят замену аортального клапана на механический или донорский клапан. При проведении операции, смертность среди пациентов моложе 70 лет составляет около 2%. Продолжительность жизни больных после замены кла-пана близка к показателям пациентов того же возраста, которые не страдают от данного заболевания.

Автор: Joёl Grognuz, руководитель группы многодисциплинарных расчетов, CADFEM, Ренан, Швейцария.

Число людей пожилого возраста, страдающих стенозом аортального кла-пана, постоянно увеличивается. Эти пациенты часто нуждаются в прове-дении традиционной замены клапана. Последние исследования показали, что уровень смертности при операции на открытом сердце среди людей старше 90 лет составляет 24%. В связи с этим, требуется использование менее инва-зивных методов замены аортального клапана. Транскатетерное протези-рование аортального клапана (ТПАК) (другое название – транскатетерная

МногодисциПЛинарныйанаЛиз


Производители стентов используют численное моделирование процесса имплантации стента и клапана для лучшего понимания процесса и действующих сил.

имплантация аортального клапана(ТИАК)) – относительно новый подход к традиционному лечению. Для этой про-цедуры клапан прикрепляется к стенту, вводится в артерию в паховой области и доставляется с помощью катетера в аорту. Затем стент саморасширяется таким образом, чтобы держать старый клапан открытым и обеспечить его без-опасную замену. Данный метод позво-ляет избежать операции на открытом сердце.

вопросЫ, возниКаЮЩие при исполЬзовании нового МетодаМетод ТПАК является сравнительно новым и недостаточно опробован-ным, в связи с этим, существует множе-ство вопросов. Какие силы действуют со стороны стенки аорты и крови на стент, и как долго он может выдержи-вать такие нагрузки? Является ли тре-ние между стентом и стенкой аорты достаточным, чтобы удерживать стент и клапан в необходимом месте в тече-ние длительного времени? Ответы на эти и другие вопросы могут позволить создавать более совершенные стенты и

помочь хирургам принимать более обо-снованные решения при выборе того или иного типа операции для каждого пациента.

Поскольку невозможно точно опре-делить силы, действующие на уже имплантированный стент, производи-тели используют численное моделиро-вание процесса имплантации стента и клапана. Это очень сложная задача, так как необходимо моделировать высо-конелинейные свойства нитинола – материала с эффектом памяти формы, который обычно используется при изго-товлении стентов. Нитинол является сплавом, состоящим приблизительно из 50% никеля и 50% титана и характери-зующимся высокой биосовместимостью и коррозийной стойкостью. Наиболее важной характеристикой данного сплава является его сверхупругость, позволяющая стенту саморасширятся после выхода из катетера.

При моделировании необходимо учитывать сжатие стента до операции, а также его расширение в аорте, когда он достигает необходимого местора-сположения. Сложной задачей также

является проведение двустороннего связанного расчета, который позво-ляет учитывать силы, действующие на стент со стороны крови и стенки аорты. В связи с большими перемещениями нового клапана, в гидродинамическом расчете необходимо использовать тех-нологии перестраиваемых и деформи-руемых сеток.

первЫЙ успеШнЫЙМногодисЦиплинарнЫЙрасЧет операЦии тпаК Инженеры CADFEM GmbH смогли пре-одолеть описанные выше трудности. Они выполнили первый расчет опе-рации ТПАК, который учитывал воз-действие потока крови на стент после расширения. Для моделирования тече-ния крови использовался гидроди-намический комплекс ANSYS Fluent. Благодаря встроенным возможно-стям перестраиваемых сеток удалосьдостоверно учитывать большие переме-щения сердечного клапана в процессе моделирования. Инженеры использо-вали ANSYS Mechanical для моделиро-вания стента и сердечного клапана,

� Деформация стента под действием потока крови, полученные при моделировании.

� Моделирование работы сердечного клапана с помощьютехнологии FSI.



поскольку данный комплекс позволяет моделировать эффект памяти формы и описывать ортотропные свойства клапана. Ортотропные свойства дают возможность одновременно учи-тывать как жесткость клапана при натяжении, так и его спо-собность легко сгибаться. Среда ANSYS Workbench позволяет выполнять двусторонние нестационарные связанные рас-четы прочности и гидродинамики. Расчет выполнялся для промежутка времени от 0 до 0.3 секунд.

Для описания свойств сплава с эффектом памяти формы инженеры CADFEM GmbH использовали модель сверхупруго-сти при постоянной температуре, так как у них не было доста-точно данных для учета влияния изменений температуры. В модели происходит фазовый переход при сжатии стента. При создании расчетной сетки использовались оболочечные элементы. Вначале, для более быстрого получения результа-тов, стенка аорты моделировалась как абсолютно жесткая. Инженеры использовали тип контакта «Bonded» для связи нового клапана и стента. На границе стент – стенка аорты использовался тип контакта «Frictional». При моделирова-нии вязкости крови как функции скорости сдвига, использо-валась неньютоновская модель Carreau. Для моделирования прокачки крови сердцем использовалась соответствующая зависимость массового расхода крови. Под действием потока крови клапан открывается и закрывается.

Моделирование поМогает хирургаМ и производителяМ стентовРезультаты моделирования позволили определить давление и характер взаимодействия на границе стент – стенка аорты. Данные расчетов могут быть полезны при оценке способно-сти конкретного стента прочно закрепить клапан. При про-ектировании нового стента, компьютерный анализ позволяет избежать избыточного давления на любую область стенки аорты. Моделирование позволило получить кривые напря-жения-деформации по Мизесу для нескольких точек модели стента, которые могут использоваться для расчета усталост-ной долговечности стента. Также удалось определить силы в местах соединения клапана со стентом. Модель дает возмож-ность оценить артериальное давление пациента после опе-рации, что является важным аспектом при проектировании стента. В данном случае систолическое артериальное давле-ние составило 175 миллиметров ртутного столба.

Специалисты CADFEM GmbH выполнили расчет для ком-пании Admedes Schuessler GmbH, ведущего производителя нитиноловых саморасширяющихся компонентов и стентов ТПАК. Данное исследование доказало адекватность исполь-зования численного моделирования для операций ТПАК. С помощью расчетов были получены результаты, позволяю-щие оптимизировать стенты для пациентов с различными особенностями, например, с уплотнениями стенки аорты. Следующим шагом уточнения модели является учет гибкости аорты с использованием анизотропной модели гиперупруго-сти в ANSYS Mechanical.

Результаты моделирования показали потенциал использо-вания многодисциплинарных расчетов при проектировании стентов и проведении хирургических операций. Без исполь-зования численного моделирования, подобная информация могла быть получена только в процессе накопления опыта при проведении реальных хирургических операций.

� Моделирование работы сердечного клапана с помощью технологии FSI.

� Результаты моделирования позволили определить давление и характер взаимодействия на границе стент – стенка аорты .

� Деформация стента под действием потока крови, полученные при моделировании.


Связанные расчеты помогают создавать надежные и мощные микроволновые компоненты.

В условиях глобальной конкуренции предприятия аэро-космической и оборонной отраслей должны разра-батывать высокотехнологичные изделия быстрее и

дешевле. Инженерам-проектировщикам необходимо соз-давать антенны и микроволновые компоненты, отвеча-ющие многочисленным требованиям. В новых изделиях должны постоянно уменьшаться размеры, повышаться мощ-ность, сокращаться стоимость и увеличиваться надежность. В результате, более компактные антенны и микроволновые компоненты работают при более высоких уровнях мощно-сти и частот. При этом возникает риск того, что повышенныетемпературы будут существенно влиять на характеристики изделия. Традиционно проектированием электроники и

Более компактные антенны и микроволновые компоненты работают при более высоких уровнях мощности и частот.

Автор: Amedeo Larussi, ведущий инженер-проектировщикэлектронных систем,Raytheon Corporation, Голета, США.

МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫЙ АНАЛИЗМИКРОВОЛНОВЫХКОМПОНЕНТОВ



определиться с программным обеспе-чением для выполнения связанных расчетов. В результате, был выбран программный комплекс ANSYS HFSS, позволяющий проводить связанный электромагнитно-тепловой анализ. Специалисты Raytheon начали активно использовать данный программный продукт при проектировании микро-волновых систем и получили отличные

ПУТЬ К МНОГОДИСЦИПЛИНАРНЫМ РАСЧЕТАМСпециалисты Raytheon Corporation давно были заинтересованы в про-ведении связанных электромаг-нитно-тепловых расчетов, однако до недавнего времени у них не было эффективных инструментов для реше-ния этой задачи. В 2002 году руко-водство компании поставило задачу

расчетом тепловых процессов занима-ются различные группы специалистов, каждая из которых выполняет специ-фические требования и использует свои инструменты для анализа. Обычно взаимодействие между такими рас-четными группами достаточно ограни-чено, что часто приводит к серьезным ошибкам при проектировании изделий.

Например, тепло, выделяемое микроволновыми компонентами, может увеличить тангенс диэлектри-ческих потерь некоторых материа-лов. В результате, выделяется еще больше тепла и возникает риск аварий-ной ситуации. В наихудших случаях выход изделия из строя может приво-дить к невыполнению поставленной задачи и даже человеческим жертвам. Многодисциплинарное моделирование, включающее связанные электриче-ские, тепловые и прочностные расчеты, позволяет получить значительно более точные результаты и, соответственно, избежать отказов изделий и суще-ственно улучшить их характеристики. Компания Raytheon Corporation, рабо-тающая в области обороны и безопасно-сти, использует многодисциплинарные расчеты при проектировании своих изделий, что позволяет повысить их надежность, сократить время выхода продуктов на рынок, а также контро-лировать затраты на производство и проектирование.

� На фотографиях показаны повреждения микроволонового соединения в результате пробоя.

� Модель соединения в ANSYS HFSS.

Воздушный зазор 0.005"

Алюминиевая подложка 0.015"

Микрополосковая линия

Микрополосковый вход

Соединительная лента (толщиной 0.0005")

Герметизирующая вставка из стекла 7070

Центральный контакт из ковара, покрытый золотом

Фторопласт

Бериллиевая медь и центральный контакт из ковара

Алюминий


результаты. В 2007 году возникла необ-ходимость учета вибрационных и гидро-динамических явлений при расчетах. Поскольку ANSYS HFSS интегрирован в среду ANSYS Workbench, это позволяет с легкостью проводить связанные мно-годисциплинарные расчеты, например, с использованием ANSYS Mechanical и ANSYS Fluent.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ В СОЕДИНЕНИИВ одном из последних проектов мощ-ный сигнал принимался антенной

и поступал на схему возбуждения. Несмотря на то, что над проектом работали группы специалистов по электрическим и тепловым рас-четам, произошел электрический пробой в месте соединения коаксиаль-ного кабеля с дорожкой. Вскоре после включения, соединение вышло из строя из-за чрезмерного нагрева. Для решения данной проблемы инженеры провели расчет изделия в ANSYS HFSS, позво-ляющем точно моделировать микро-волновые компоненты. Программный продукт ANSYS HFSS основывается на

методе конечных элементов и автома-тически измельчает расчетную сетку в необходимых областях, что позволяет получить точные результаты за корот-кое время.

В начале расчета инженеры импор-тировали исходную геометрию изде-лия. Затем были заданы электрические свойства материалов, такие как про-ницаемость, тангенс угла диэлектри-ческих потерь и электропроводность ковара, алюминия, меди, бериллия и фторопласта. После этого назнача-лись граничные условия, описывающие характеристики полей на поверхно-стях области решения и интерфейсах. Инженеры задавали области, в кото-рых энергия входила и выходила из изделия. С помощью ANSYS HFSS про-водился трехмерный расчет электро-магнитных полей в области решения. При этом диэлектрические свойства материалов зависели от температуры. Расчет показал, что при температуре 25°C напряженность электрического поля в области пробоя не превышала 1.5x106 В/м (в воздухе при аналогичных условиях электрический пробой проис-ходит при 2.952x106 В/м).

СВЯЗАННЫЕ ЭЛЕКТРО-ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫВ условиях реальной эксплуатации тем-пература окружающей среды влияет на диэлектрические свойства матери-алов, что, в свою очередь, сказывается на тепловыделении микроволновых компонентов. Данная взаимозависи-мость учитывалась в рамках связанного нестационарного электро-теплового расчета, выполненного с помощью ANSYS HFSS и ANSYS Mechanical в среде ANSYS Workbench. На нижней поверх-ности задавались граничные усло-вия охлаждения при естественной конвекции. Полученное поле темпера-тур использовалось для проведения ста-тического прочностного расчета.

В ANSYS Workbench, эксперимен-тально полученные температурные поля передавались в ANSYS Mechanical для расчета тепловых напря -жений. Прочностной расчет показал высокий уровень напряжений и деформаций (порядка 22 мкм) во внутреннем соединении. По резуль-татам теплового анализа, уровень температур достигал 86°C на соеди-нении, что приводило к более низкому

Инженеры использовали возможности интеграции в ANSYS Workbench для получения электромагнитных и тепловых взаимозависимостей.

�Расчет электрического поля при температуре 25°C.

�Расчет электрического поля при температуре 86°C.

Расчет электРоники

Корпус из ковара

Стекло

Воздух

Воздушный зазорПодложка

Соединительная лента

Микрополосковыйэлемент

ПАДЕНИЕНАПРЯЖЕНИЯ

Корпус из ковара

Стекло

Воздух

Воздушный зазорПодложка

Соединительная лента

Микрополосковыйэлемент

ПАДЕНИЕНАПРЯЖЕНИЯ


напряжению пробоя. Специалисты провели повторный расчет компо-нентов при температуре 86°C, используя соответствующие диэлектри-ческие свойства, и обнаружили, что при данной температуре напряженность электрического поля в исследуемой области превышала значение электри-ческого пробоя в воздухе 2.45x106 В/м.

Моделирование помогло инженерам Raytheon Corporation понять причину возникновения неисправности и вне-сти соответствующие изменения в про-ект, чтобы избежать подобных проблем в будущем. Электромагнитный расчет проводился при исходной температуре, затем электромагнитные потери пере-давались в тепловой расчет и определя-лось их влияние на температуру. После этого полученное поле температур передавалось обратно в электромагнит-ный расчет для моделирования соответ-ствующих электромагнитных потерь. Такой циклический процесс продол-жался до достижения постоянного зна-чения температуры. После изменения используемых в изделии материалов, моделирование показало стабильную работу устройства, и это было подтверж-дено физическими испытаниями.

Моделирование показало стабильную работу устройства, что также было подтверждено физическими испытаниями.

� Многодисциплинарный анализ позволил рассчитать электрический пробой. слева показаны повреждения изделия, справа – результаты моделирования.

Воздушный зазор

Корпус

http://www.youtube.com/CADFEMCIS/


Cегодня компаниям необходимо, чтобы все сотрудники имели доступ к данным и программному обеспече-нию, однако предоставление персонального компью-

тера или ноутбука каждому сотруднику требует больших затрат. Доступ к удаленному рабочему столу может осущест-вляться с использованием так называемого тонкого клиента с поддержкой протокола PCoIP – компактного компьютера со специализированной локальной операционной системой, без жесткого диска и пассивным охлаждением. Тонкий кли-ент является надежным и простым устройством для работы в терминальном режиме. Компания Teradici, разработчик про-токола PCoIP, создает технологии, позволяющие пользовате-лям комфортно работать с устройством. Такие устройства характеризуются незначительным влиянием на окружаю-щую среду, выделяют сравнительно малое количество тепла и потребляют немного электроэнергии. Через сеть Интернет из любой точки мира удаленные пользователи могут полу-чить доступ к удаленному рабочему столу, размещенному в центрах хранения и обработки данных или высокопроизводи-тельных удаленных рабочих станциях.

Тонкие клиенты с поддержкой протокола PCoIP компак-тны, поэтому их внутренняя температура должна находиться в оптимальном рабочем диапазоне. Обычно тонкие клиенты находятся в непосредственной близости от пользователя, поэтому температура корпуса также должна быть комфорт-ной для работы. В связи с этим, инженеры компании Teradici используют ANSYS Icepak для оценки и оптимизации охлажде-ния устройства с целью обеспечения безопасного диапазона температур.

Понимая, что тепловыделение будет основной проблемой при проектировании, инженеры решили использовать программный комплекс ANSYS.

Инженеры компании Teradici улучшили конструкцию тонкого клиента с поддержкой протокола PCoIP, так называемого компактного компьютера, с помощью ANSYS Icepak.

Расчет электРоники

Авторы: Steve Dabecki, директор департамента проектирования микросхем, Kevin Betts, ведущий инженер Teradici Corporation, Бёрнаби, Канада.

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ КОРПУСА КОМПАКТНОГО КОМПЬЮТЕРА


РАСчЕТ ТЕПлОвОГО СОСТОЯНИЯЧтобы обеспечить температуру процес-сора PCoIP в рабочем диапазоне, вну-тренняя температура тонкого клиента не должна превышать 100°С. Кроме того, температура корпуса устройства должна быть не более 45°C, чтобы не вызывать дискомфорт при прикосно-вении. В связи с многочисленными обращениями клиентов, специалисты Teradici решили уменьшить размеры корпуса, используя свой богатый опыт в проектировании полупроводников и аппаратных средств. Понимая, что тепловыделение будет основной про-блемой при проектировании, инженеры решили использовать программный комплекс ANSYS.

Самым простым способом дости-жения необходимых уровней темпера-туры являлось размещение радиатора на процессоре и применение актив-ного охлаждения. Однако использова-ние естественной конвекции является предпочтительным, так как это позво-ляет отказаться от вентилятора и обеспечить бесшумную работу устрой-ства. Специалисты провели тепловой расчет всей системы с помощью модуля ANSYS Icepak, предназначенного для оценки теплового состояния элек-тронных устройств на основе методов вычислительной гидрогазодинамики. Это позволило оценить различные кон-струкции корпуса. Модель включала в себя микросхему Flip-Chip, импорти-рованную в формате MCM, и печатную плату, кроме того, для расчета исполь-зовались различные варианты корпу-сов. Конструкции корпусов отличались размерами, размещением вентиляци-онных отверстий и внутренними источ-никами тепла.

ИМПОРТ МОдЕлЕйИнженеры Teradici использовали стан-дартные инструменты для проекти-рования микросхем и импортировали модели микросхем в Icepak с помощью ALinksfor EDA. Конструкция микро-схемы Flip-Chip моделировалась как миниатюрная восьмислойная печатная плата. С помощью Icepak учитывался механизм передачи тепла, выделяе-мого кристаллом через медные дорожки к шариковым выводам, припаянным к основной печатной плате.

� Модель подложки процессора в ANSYS Icepak.

� Модель печатной платы тонкого клиента в ANSYS Icepak с медными дорожками. на печатной плате расположены подложка микросхемы процессора с кристаллом в виде 2D источника тепла, две микросхемы оперативной памяти, микросхема Flash-памяти и аппаратный аудиокодек.

� Упрощенная расчетная сетка для печатной платы и компонентов.


� Исходная модель в Icepak: расчет естественной конвекции с радиатором на процессоре и без корпуса.

Модель печатной платы также была импортирована в Icepak. Так же, как и для микросхемы, тепловой расчет печат-ной платы в Icepak проводился с учетом ее топологии. Из-за недостатка времени, в модели не учитывалось джоулево тепло. Инженеры планируют выполнить расчет целостности сигнала и цепей питания в ANSYS SIwave для получения элек-трических характеристик печатной платы с учетом джоуле-вого нагрева. Связанный электротепловой расчет обеспечит более высокую надежность устройства, с точки зрения тепло-вого режима и целостности сигнала и питания.

Предварительный анализЛюбая гидрогазодинамическая задача требует создания рас-четной сетки. Выбор сеточного генератора ANSYS Meshing стал ключевым фактором для сокращения необходимого количества элементов сетки и максимально быстрого выпол-нения расчетов. Самая мелкая расчетная сетка строилась в критических областях модели для более точного расчета есте-ственной конвекции. Упрощение геометрии до прямоуголь-ных объемов позволило еще больше уменьшить количество элементов сетки.

В первоначальных тепловых расчетах тепловыделя-ющие компоненты моделировались как 2D источники тепла, расположенные на печатной плате с заданной рас-сеиваемой мощностью, либо как объемные компоненты с заданной рассеиваемой мощностью. Основным источ-ником тепла являлся процессор PCoIP, расположенный в центре модели печатной платы.

В одну из последних моделей печатной платы инженеры добавили шестиреберный алюминиевый радиатор для про-цессора PCoIP. Добавление корпуса устройства в расчет-ную модель, очевидно, повысило бы температуру кристалла микросхемы, однако инженерам было необходимо поддержи-вать внутреннюю температуру ниже 100°C. В связи с этим, они добавили вентиляционные отверстия в корпус для улуч-шения циркуляции воздуха, что, в свою очередь, улучшило охлаждение кристалла и других внутренних компонентов. Однако это привело к появлению локальных перегревов на самом корпусе. Для определения оптимального расположе-ния вентиляционных отверстий, необходимо было провести расчет большого количества вариантов конструкции корпуса.

Параметрическая оПтимизацияБыл проведен анализ различных вариантов конструкции системы и параметров, включая расположение и размер вен-тиляционных отверстий, толщину и материал корпуса, разде-ление тепловых потоков между корпусом и печатной платой, рассеиваемую мощность компонентов, температуру окру-жающей среды и др. Возможности параметризации в Icepak позволяют управлять большинством указанных параметров и легко проводить серии расчетов.

Уменьшение помех также является одной из решаемых задач при проектировании корпуса. В идеале, вся система, включая внешние разъемы, должна помещаться в «клетку Фарадея» для минимизации электромагнитных помех. Однако при этом не обеспечивается необходимый отвод тепла. Используя возможности параметризации Icepak, специали-сты выполнили серию расчетов, позволяющих определить оптимальные размеры и размещение отверстий в корпусе � Пример параметризации в ANSYS Icepak.

Расчет электРонИкИ


Специалисты компании Teradici высоко оценили преимущества использования технологий ANSYS при проектировании нового корпуса.

� совмещение фотографии прототипа устройства с изображением, полученным с помощью тепловизионной камеры.

� Результаты теплового расчета в Icepak, показыващие рассеивание тепла через кабели и тепловыделяющие элементы на печатной плате.

� Векторы скоростей (а) и поле температур (В) в сечении, проходящим через центр корпуса.

устройства. Такой подход позволяет рассмотреть сотни вариантов конструкции кор-пуса и впоследствии проанализировать полученные данные.

сравнение результатов расчетов с эксПериментальными даннымиДля проверки точности расчетов в Icepak на 3D принтере изготовили несколько прототипов компактного компьютера с различными вариантами конструкции кор-пуса, а с помощью тепловизионной камеры измерялась температура микросхем на печатной плате и внешней поверхности корпуса. Инженеры заметили, что провода эффективно отводили тепло от корпуса тонкого клиента. Металлические разъемы, установленные на печатной плате, также хорошо отводили тепло от корпуса, темпе-ратура которого не превышала 45°C.

Для увеличения точности рас-четов в Icepak, инженеры привели расчетную модель в соответствие с разработанным прототипом, включив в нее провода и разъемы. Результаты такого моделирования в Icepak полно-стью совпали с измерениями. Хорошее совпадение обеспечило уверенность в точности моделирования и позволило отказаться от создания прототипов для других вариантов корпуса.

теПловая конвекция в корПусеДанные о тепловых потоках внутри и снаружи корпуса позволили опти-мально расположить вентиляционные отверстия. Были рассмотрены различ-ные варианты корпуса с горизонталь-ным и вертикальным расположением отверстий. Конвективное охлаждение и тяга, создаваемая при вертикальном расположении отверстий, позволяют обеспечить необходимый тепловой режим работы компьютера при неболь-ших размерах отверстий.

выводыANSYS Icepak и его возможности пара-метризации оказались чрезвычайно полезными при исследовании раз-личных вариантов конструкции кор-пуса тонкого клиента, а также поиске оптимального способа уменьшения внутренней температуры устрой-ства и внешней температуры кор-пуса. С помощью ANSYS Icepak удалось провести расчет процесса слож-ного теплообмена в системе, включая теплопередачу в процессоре PCoIP (от кристалла через подложку в печатную плату), а также теплоотвод через кор-пус. Моделирование позволило быстро рассмотреть различные варианты ори-ентации корпуса и расположения вен-тиляционных отверстий.

Специалисты компании Teradici высоко оценили преимущества исполь-зования технологий ANSYS при проек-тировании нового корпуса для тонкого клиента. Использование численного моделирования позволило сократить количество изготавливаемых прототи-пов и больше сконцентрироваться на создании более компактного и эффек-тивного корпуса изделия. Источник www.teradici.com/zeroclient


Расчет системы охлаждения калибРовочной головки осциллогРафа

Автор: Matt Richter, инженер отдела научно-исследовательских разработок, Keysight Technologies, Санта-Роза, США.

Oсциллограф – цифровое устройство, которое отобра-жает и измеряет форму волны электрического сигнала. Высокопроизводительные осциллографы, способные

измерять сигналы очень высокой частоты, чаще всего исполь-зуются в аэрокосмической, оборонной и научной областях.

Компания Keysight Technologies является ведущим про-изводителем измерительного оборудования с уникаль-ными характеристиками, позволяющими решать сложные метрологические задачи. Например, осциллограф Infiniium 90000 Q-Series – единственный прибор, способный измерять сигналы частотой выше 60 ГГц, что дает возможность инже-нерам выполнять измерения для новейших оптоволокон-ных приемо-передатчиков и других систем, обеспечивающих высокоскоростную передачу данных.

В процессе проектирования самого быстрого в мире осциллографа, работающего в режиме реального вре-мени, специалисты компании Keysight Technologies решили

36 мм

Поток

� Стандартная конфигурация системы охлаждения.


С помощью численного моделирования был оптимизирован тепловой режим калибровочной головки самого быстрого в мире осциллографа.


разработать новый калибровочный генератор, чтобы обеспечить высокую точность измерений. Разработка кали-бровочного генератора Agilent N2806A была связана с рядом проблем элек-трического, механического и теплового характера. При проектировании инже-неры Keysight использовали программ-ный продукт ANSYS CFX, что позволило создать удачный прототип изделия с первого раза.

Основной проблемой при проек-тировании было охлаждение корпуса калибровочной головки. Выносная головка содержит две интегральные схемы, выделяющие 3.2 Вт в корпусе размерами 35х42х15 мм и площадью поверхности 5250 мм2. В связи с малыми размерами корпуса, выделяемое схе-мами тепло приводит к значительному нагреву устройства, что вызывает дис-комфорт при работе. В корпусе нахо-дится алюминиевая основа, радиатор и пазы для монтажа интегральных схем. Для решения проблемы охлаждения инженеры решили использовать тепло-обменник с перекрестным потоком, несмотря на то, что ранее подобная кон-фигурация не использовалась. Создание физического прототипа обычно требует не менее восьми недель, и для завер-шения проекта в срок первый прото-тип должен быть успешным. В качестве альтернативы созданию прототипов, специалисты Keysight использовали программный комплекс ANSYS CFX для моделирования конфигурации с пере-крестным потоком. Вначале прово-дился расчет только воздушного потока и определялся перепад давления. Затем выполнялся тепловой анализ, в резуль-тате которого было получено поле тем-ператур. В итоге, изготовленный на

основе полученных результатов прото-тип оказался успешным.

аналиЗ РаЗличных ПРоектов системы охлажденияДо проведения моделирования в CFX специалисты компании Keysight с помощью эмпирических вычислений оценили, будет ли достаточно есте-ственной конвекции для охлаждения корпуса. В данном случае, повыше-ние температуры составило 86°C, что намного превышало требования про-екта (повышение температуры на 15°C – максимальный уровень, при котором возможна комфортная работа с устройством). Для охлаждения головки было необходимо использо-вать вынужденную конвекцию, однако для этого нужно было также определить оптимальную конфигурацию системы охлаждения. Обычно специалисты Keysight размещали вентилятор сверху, при этом поток воздуха был направ-лен вниз на радиатор, а воздух выходил по бокам. Такая компоновка системы охлаждения требовала довольно боль-шой высоты корпуса и не позволяла оптимально разместить разъемы.

В связи с этим, специалисты Keysight рассмотрели различные про-екты систем охлаждения с пере-крестным потоком. В данном случае внутренние стенки формируют криво-линейный канал, направляющий поток вдоль поверхности радиатора. Такой подход позволяет уменьшить высоту корпуса и оптимально разместить разъ-емы. Поскольку ранее специалисты не работали с подобной конфигурацией, численное моделирование сыграло ключевую роль в создании оптималь-ного проекта. При традиционном под-

ходе, создание физического прототипа заняло бы от 6 до 8 недель, а неудачный первый прототип привел бы к суще-ственным затратам и задержке в выпол-нении проекта.

Инженеры Keysight использовали численное моделирование для оценки различных вариантов проекта и под-тверждения эффективности системы охлаждения с перекрестным потоком. Ранее специалисты уже применяли инструменты ANSYS для тепловых и прочностных расчетов и решили исполь-зовать данный проект для оценки эффективности работы в ANSYS CFX. Программный комплекс CFX обладает схожим графическим интерфейсом и работает в среде ANSYS Workbench. Среда Workbench также хорошо инте-грируется с программой PTC® Creo® Elements/Direct™, которая активно используется компанией Keysight. Благодаря мощному сеточному гене-ратору, гибкому решателю и большому разнообразию физических моделей, специалисты Keysight смогли решить все поставленные задачи.

гидРодинамический и теПловой РасчетыОсновной проблемой системы охлажде-ния с перекрестным потоком является то, что расход воздуха через вентилятор будет уменьшаться из-за гидравличе-ского сопротивления, связанного с пере-направлением потока воздуха вдоль поверхности радиатора. Производитель вентилятора предоставил данные по расходу воздуха через вентилятор в зависимости от перепада давления, однако специалисты заранее не знали, какой получится перепад давления. С помощью ANSYS была создана модель,

� Используемая в проекте система охлаждения. Слева без крышки; справа крышка изображена прозрачной.

Гибридная микросхема

Поток (перенаправленный крышкой)

Радиатор

Кулер


позволившая определить перепад дав-ления в системе при различных расхо-дах. В связи с тем, что перепад давления оказался относительно большим, была создана вторая модель с каналом боль-шего поперечного сечения. Результаты моделирования показали, что во второй модели гидравлическое сопротивление было меньшим, а полученного расхода было достаточно для охлаждения кали-бровочной головки.

Для подтверждения полученных результатов инженеры провели рас-чет теплообмена, используя модель, содержащую 1,5 млн. ячеек. В расчете интегральные схемы моделировались как источники тепла. Расход воздуха, полученный в гидродинамическом рас-чете, задавался с помощью граничного условия Mass-Flow. Расчет теплооб-мена занимал около 15 минут на пер-сональном компьютере, и показал, что повышение температуры корпуса не превышало 15 градусов.

сравнение резУлЬтатов ЭксПеримента и расЧетаСпециалисты компании Keysight изго-товили прототип из имеющихся в наличии деталей, включая радиатор, вентилятор и пластиковую трубку. При изготовлении и прототипа инже-неры стремились максимально соот-ветствовать последней конфигурации проекта. Физические измерения пока-зали, что температура радиатора под-нималась на 9.5°C. Затем в ANSYS была создана модель изготовленного прото-типа и выполнен расчет в CFX. Согласно результатам моделирования, темпе-ратура радиатора увеличивалась на 9.5°C, что идеально соответствовало экспериментальным данным. Были

зафиксированы небольшие отличия в величинах перепада давления и рас-хода, но они находились в пределах погрешности измерений. Полученные результаты позволили убедиться в точ-ности проводимых расчетов.

Результаты моделирования позво-лили убедить руководство компании в правильности выбранной конфигура-ции системы охлаждения. По словам Брэда Дорра, менеджера научно-иссле-довательских проектов, «пользователям осциллографов Keysight необходима непревзойденная точность измерений для разработки инновационных изде-лий. При создании осциллографов серии 90000Q, специалистам Keysight потре-бовалось разработать высокоточный калибровочный генератор. Благодаря этому устройству можно убедиться, что осциллограф имеет наибольшую про-пускную способность, самый низкий уровень шумов и фазового дрожания сигнала, а также позволяет отображать сигналы в режиме реального времени. При проектировании калибровочного генератора N2806A использовался про-граммный комплекс ANSYS CFX для расчета и оптимизации системы охлаж-дения. В результате инженерам удалось создать надежное устройство, выполня-ющее требования проекта по тепловой устойчивости, целостности сигнала и удобству эксплуатации. Первый же про-тотип оказался успешным, что позво-лило компании Keysight создать первый в мире осциллограф, измеряющий сиг-налы с частотой выше 60 ГГц в режиме реального времени».

Результаты гидродинамического расчета.

Гидродинамическая модель.

Модель расчета теплового состояния.

Результаты расчета теплового состояния.

Инженерам удалось создать надежное устройство, выполняющее требования проекта по тепловой устойчивости, целостности сигнала и удобству эксплуатации.



Автор: Patrick Weber, инженер, Datron World Communications.

Применение ANSYS IcepAk для разработки систем радиосвязи


компания Datron World Communications занимается разработкой систем радиосвязи, для которых проблемы перегрева стоят особенно остро. В таких сложных системах происходит выделение большого количества тепла, кото-

рое необходимо рассеять в окружающую среду, иначе это может привести к пере-греву внутренних компонентов системы.

Раньше при разработке новых систем специалисты компании Datron произ-водили от пяти до десяти прототипов для решения тепловых задач. Сейчас инже-неры используют расчетные программы для теплового анализа на ранних этапах проектирования. Это позволяет уменьшить затраты на исправления и доработку конструкции устройства на первых этапах проектирования. Моделирование позво-ляет сохранить сотни тысяч долларов при разработке и прототипировании, а также получить компании Datron миллионы долларов в виде дохода, так как помогает вывести продукцию на рынок в более короткие сроки.

Исторически тепловой анализ конструкции устройства основывался на про-фессиональном опыте инженеров и интуиции. Это неизменно приводило к тому, что первоначальный прототип не обеспечивал необходимый тепловой режим изде-лия. Инженеры пытались изменить конструкцию, имея ограниченное количество

Применение ANSYS Icepak для теплового анализа систем радиосвязи позволило специалистам Datron World Communications сократить время разработки электронного устройства и уменьшить затраты на его разработку.


информации, полученной после физиче-ских испытаний прототипа. Без четкого понимания того, что вызывает перегрев термочувствительных компонентов, инженеры пробовали решить проблему нескольким способами, что приводило к увеличению количества прототипов. Стоимость разработки, изготовления и тестирования прототипов становилась чрезмерно высокой, при этом задержки выхода на рынок каждого нового про-дукта приводили еще к большим эконо-мическим потерям.

Сейчас инженеры Datron продви-нулись в решении тепловых вопросов, используя современные технологии CFD моделирования. Этот подход позво-ляет получить точные результаты, так как 3D модель полностью повторят про-ектируемое изделие. Численное и гра-фическое представление результатов расчета обеспечивают полное понима-ние характеристик системы.

Разработчики Datron испoльзуют ANSYS Icepak, оценив наиболее полез-ные возможности этого программ-

� Тепловое поле электронного узла с горячими точками на ферритовых фильтрах.

� Усовершенствованная конструкция электронного узла с принудительным воздушным охлаждением фильтров

РасчеТ элекТРоники

ного продукта: расчет естественной конвекции, неконформная сетка, импорт геометрии, имеющей криво-линейный контур, импорт топологии печатных плат и микросхем с переход-ными отверстиями. Инженеры начи-нают тепловой расчет, еще до проекти-рования самого устройства, используя примитивную геометрию и ориентиро-вочные тепловые потери. После того, как модель уточняется и появляется проект печатной платы, разработчики приступают к более точному модели-рованию. Ускорить процесс моделиро-вания помогают такие функции, как импорт топологии печатной платы, возможность импорта микросхем в стандартных корпусах, например, TO229, макрос радиатора, позволя-ющий настраивать различные пара-метры: число, форма ребер и рассто-яние между ними. Неконформная сетка вокруг термочувствительных компо-нентов позволяет уменьшить время расчета. Модель в ANSYS Icepak рассчи-тывается 20 минут, в то время как в других программных продуктах расчет занимает до 24 часов.

Тепловое моделирование помогло инженерам Datron добиться серьезных улучшений в разработке систем связи военного назначения и тепловых рас-четах. Используя традиционный метод «build-and-test», инженеры часто стал-кивались с необходимостью серьезного изменения конструкции устройства после проведения испытаний. Основной причиной изменения конструкции устройства было несоответствие тепло-вому режиму. Результаты, полученные после тепловых испытаний прототипа, соответствуют результатам моделиро-вания, а также удовлетворяют всем тре-бованиям к тепловому режиму работы устройства. В результате не потребова-лось изготовление новых прототипов, и продукт вышел на рынок раньше, чем при использовании в разработке метода «build-and-test».

Сегодня тепловое моделирование позволяет проверить и оптимизировать конструкцию устройства на ранних эта-пах проектирования. Таким образом, существенно сокращается время, необ-ходимое для того, чтобы вывести на рынок коммуникационных технологий совершенно новое устройство, а также уменьшаются затраты на исправления и доработку конструкции.


Консультационные услуги

• Обучение и сертификация• Техническая поддержка

• Инженерный консалтинг• Автоматизация и развертывание ЦОД

• Адаптация и интеграция инструментов• Создание вертикальных приложений

• Разработка методик и подходов• Инженерный аудит

Специалисты КАДФЕМ обладают высокой компетенцией в сфере численного моделирования и многолетним опытом оказания консультационных услуг:

Компания ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» является соучредителем и членом международной организации TechNet Alliance, объединяющей ведущих экспертов и специализированные инженерные компании, оказывающие консалтинговые услуги клиентам во всем мире.

www.cadfem-cis.ru


ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»111672, г. Москва,ул. Суздальская, д. 46, офис 203Тел.: (495) 644-06-08Факс: (495) 644-06-09

Вы можете связаться с нами по e-mail: [email protected]

Посетите ANSYS.COM/Ferrari, чтобы узнать больше о численном моделировании в Ferrari.

Победители требуют лучшего. В Ferrari это хорошо понимают.На их счету одни из лучших гоночных рекордов во всем мире.

Чтобы лучше справляться с крутыми поворотами на гоночныхтрассах, в Ferrari используют технологии численного моделирования ANSYS, чтобы оптимизировать ключевые показатели и системысвоих гоночных автомобилей, такие как система охлаждения тормозов и обтекаемость кузова.

Создавайте продукты, оправдывающие ожидания ваших клиентов™

Ferrari на круге почетавместе с ANSYS

Победы Ferrari. Моделирование в ANSYS.

Спонсор

ANSYS Advantage. Русская редакция №21 – Многодисциплинарный...

Documents

Transcript of ANSYS Advantage. Русская редакция №21 – Многодисциплинарный...