Najnowsze funkcjonalności środowiska Simcenter FLOEFD 2021.1
Firma Siemens przeznacza bardzo duże środki na rozwój swoich środowisk obliczeniowych. Dlatego najnowsze funkcjonalności środowiska Simcenter FLOEFD 2021.1, przeznaczone do analiz CFD dla konstruktorów pracujących w środowisku NX lub Solid Edge, zostały znacząco udoskonalone. Aby zwiększyć efektywność pracy konstruktora i wyposażyć go w nowe narzędzia dostępne z tego samego interfejsu, dział rozwoju odpowiadający za środowisko FLOEFD postanowił wyposażyć je od wersji 2021.1 w dwa ważne moduły. Są to obliczenia elektromagnetyczne oraz wytrzymałościowe, ściśle powiązane z istniejącym już środowiskiem CFD.
Funkcjonalności środowiska Simcenter FLOEFD 2021.1 w zakresie symulowania efektu prądu przemiennego i elektromagnetyzmu
Jako pierwsze omówimy rozwiązywanie do symulowania efektu prądu przemiennego i elektromagnetyzmu (w zakresie niskich częstotliwości). Solwer elektromagnetyczny pozwala na analizę pól elektromagnetycznych wraz z rozkładem temperatur poprzez uwzględnienie strat omowych i strat w żelazie (rdzeniu) spowodowanych prądem przemiennym oraz zjawiskami elektromagnetycznymi. Współpraca solwerów CFD i EM odbywa się poprzez wymianę pól mocy (straty omowe i w żelazie) oraz temperatury (rys. 1).
Rys.1 Zastosowanie solwera EM do zjawisk prądu przemiennego oraz zjawisk elektromagnetycznych w środowisku Simcenter FLOEFD 2021.1
Ciekawą funkcjonalnością w zakresie elektromagnetyzmu jest możliwość definiowania cewek. Mogą one być pełne lub splotowe (wiązka drutów). Prąd przemienny może być ustawiony jako sinusoidalny, opcjonalnie z tłumieniem i przesunięciem fali, funkcja impulsowa (liniowa i wykładnicza), oscylacje nieharmoniczne – rys. 2.
Rys.2 Definicja cewek w zakresie analiz elektromagnetycznych oraz rodzaj ich wymuszenia
Simcenter FLOEFD w zakresie analiz elektromagnetycznych wykorzystuje metodę elementów skończonych do rozwiązania równania dla potencjału magnetycznego. W tej metodzie, region problemu jest dzielony na siatkę trójkątnych elementów, a potencjał w każdym elemencie jest aproksymowany przez prostą funkcję. Najprostszą funkcją jest liniowa zmiana w zakresie elementów pierwszego rzędu. Elementy wysokiego rzędu wykorzystują wielomiany wysokiego rzędu i dodatkowe węzły do reprezentacji potencjału – rys.3.
Rys.3 Siatka obliczeniowa dla solwera EM opartego o elementy czworościenne pierwszego i drugiego rzędu.
Solwer elektromagnetyczny posiada bardzo bogatą bazę materiałów dostępnych do realizacji tego typu zjawisk. W skład bazy wchodzi około 300 materiałów – rys. 4.
Rys.4 Baza materiałowa dla EM
Solwer przeprowadzając obliczenia elektromagnetyczne, wykonuje zadanie najczęściej na bazie materiału nieliniowego. Realizacja tego zadania wymaga od solvera uwzględnienia pewnej liczby iteracji Newtona do uzyskania zbieżności rozwiązania. Solwer EM w środowisku Simcenter FLOEFD 2021.1 posiada bardzo interesujące rozwiązanie dotyczące wykonania obliczeń poprzez uwzględnienie materiału nieliniowego jako aproksymację liniową przy użyciu początkowego nachylenia krzywej B-H materiału. Rozwiązania liniowe są przydatne do oszacowania rozwiązania, ponieważ wymagają krótszego czasu rozwiązywania niż rozwiązania nieliniowe (nie są wykonywane iteracje Newtona). Aby uzyskać szybsze rozwiązanie, można wybrać liniowy typ materiału, nawet jeśli model zawiera materiały nieliniowe. Rozwiązanie nie uwzględnia jednak nasycenia – rys. 5.
Rys. 5. Zakres aproksymacji materiałów w zakresie analizy liniowej przez solwer EM
Dostępne są dwa typy rozwiązania zadania przez solwer elektromagnetyczny:
- Nieliniowa metoda zbieżności: Newtona-Raphsona.
Metoda ta jest stosowana dla nieliniowych typów rozwiązań. W każdym kroku metody rozwiązywany jest zbiór równań liniowych metodą gradientu sprzężonego (CG).
- Successive Substitution. ( Sukcesywna zamiana)
Jeśli problem nieliniowy ma trudności z osiągnięciem zbieżności za pomocą metody Newtona-Raphsona, można zamiast niej zastosować metodę Successive Substitution. Metoda Successive Substitution jest wolniejsza niż metoda Newtona-Raphsona, ale na ogół daje większą pewność osiągnięcia zbieżności.
Maksymalna iteracja Newtona określa limit liczby iteracji rozwiązania nieliniowego. Domyślnie jest to 50 iteracji. Solwer zostanie przerwany, jeśli rozwiązanie nie osiągnie zbieżności w ciągu maksymalnej liczby kroków Newtona. Tolerancja Newtona określa maksymalny procent dopuszczalnej zmiany w polu od jednego kroku Newtona do następnego. Proces rozwiązania iteracyjnego kończy się, gdy tolerancja zostanie osiągnięta. Domyślna wartość 1% jest ogólnie akceptowalna. W razie potrzeby można zmniejszyć tolerancję, aby uzyskać dokładniejsze rozwiązanie, ale spowoduje to wydłużenie czasu rozwiązywania. Tolerancja Newtona ma zastosowanie tylko do problemów nieliniowych.
Obliczenia wytrzymałościowe w zakresie liniowym
Drugą dużą funkcjonalnością są obliczenia wytrzymałościowe w zakresie liniowym, w której w skład wchodzą również obliczenia drgań własnych (swobodnych). Analiza wytrzymałościowa realizowana jest w zakresie materiałów izotropowych i ortotropowych. Simcenter FLOEFD wykorzystuje nieiteracyjny solwer elementów skończonych (FE) do analizy strukturalnej. Zakres typów analizy w solwerze FE obejmuje: statyczną odpowiedź na obciążenia, na rozszerzalność cieplną oraz na wymuszone odkształcenia, a także wspominane wyżej wyznaczanie wartości częstości własnych.
Właściwości materiałów, które już były dostępne w środowisku Simcenter FLOEFD są wzbogacone o opcje sprężyste w Engineering Data Base. Właściwości sprężyste mogą być ustawione jako stała lub jako tabelaryczna zależność od temperatury.
Simcenter FLOEFD generuje siatkę heksagonalną (elementy czworościenne) automatycznie. Wymagany jest tylko rozmiar elementu. Kontakty klejone pomiędzy różnymi regionami siatki są tworzone automatycznie. Istnieje możliwość wpływania na wielkość siatki przy użyciu trzech opcji, a przykładowo utworzoną siatkę przedstawia rys. 6.
Rys. 6. Metoda tworzenia siatki strukturalnej i możliwość jej edytowania wraz z efektem przykładowej siatki
Strukturalna siatka (domyślna) stosuje rozmiar elementu do wszystkich komponentów (obiektów). Jeśli komponenty są wykonane z tego samego materiału, łączone są za pomocą operacji Boole’a i siatka nie „czuje” granicy. Jeśli materiały są różne, siatki są automatycznie tworzone „węzeł w węzeł”. Jeżeli siatki na poszczególnych komponentach są różne, system automatycznie nadaje relację kontaktu klejonego – tworzone są automatycznie. Przykłady zastosowania rożnego podejścia do tworzenia siatek obliczeniowych przedstawiono na rys. 7.
Rys. 7. Siatka utworzona w środowisko Simcenter FLOEFD przy użyciu czterech metod
a) Elementy połączone ze sobą operacja Boole`a – ten sam materiał, b) Siatki połączone ze sobą w tym samych węzłach identycznie jak w punkcie 1 z tym, że mamy przypisane różne materiały; c) Różne materiały, różne siatki, automatycznie nadawana relacja klejenia, d)Lokalne zagęszczenie siatki w obrębie drugiego komponentu
W zakresie analiz strukturalnych istotnym aspektem przed wykonaniem obliczeń jest przypisanie odpowiednich warunków brzegowych. Warunki utwierdzeń oraz wymuszeń, które wspierają środowisko Simcetner FLOEFD zostały przedstawione na rys. 8-12.
Rys. 8. Warunek brzegowy typu Fixed oraz Sliding
Rys. 9. Warunek brzegowy typu Hinge oraz Advanced
Fixed – odbiera wszystkie stopnie swobody wybranej geometrii (punkty, wierzchołki, krawędzie, powierzchnie, bryły lub komponenty).
Sliding – ograniczenie przesuwu pozwala na dowolny ruch w płaszczyźnie wybranej geometrii (punktów, wierzchołków, krawędzi, powierzchni, brył i komponentów). Wymaga od użytkownika określenia osi, a wybrana geometria może obracać się wokół osi i przesuwać w płaszczyźnie normalnej do osi.
Hinge – ograniczenie przegubu pozwala na obracanie wybranej geometrii (punktów, wierzchołków, krawędzi, powierzchni, brył i komponentów) wokół osi. Wymaga określenia osi przez użytkownika, a ruch wzdłuż osi jest zabroniony.
Advanced – Zaawansowane ograniczenie pozwala na zarządzanie stopniami swobody we wszystkich kierunkach niezależnie. Wymaga od użytkownika ustalenia lub zwolnienia stopni swobody dla kierunków X, Y i Z. Wybrana geometria może zostać wstępnie przemieszczona w wybranych kierunkach, które są ustalone.
Rys. 10. Warunek brzegowy typu Siła przypisany do powierzchni lub krawędzi
Rys. 11. Warunek brzegowy typu Ciśnienie oraz Temperatura
Rys. 12. Warunek brzegowy typu Siła odśrodkowa (Centrifugal Force) oraz Moment (Torque)
Ostatnią ciekawostką, jaką chciałbym przedstawić, jest możliwość eksportowania projektu i wyników analizy. Projekt w Simcenter FLOEFD może zostać wyeksportowany do pliku Nastran np. dla środowiska Simcenter 3D. Siatka Simcenter FLOEFD podczas przenoszenia danych radzi sobie z jakobianami rzędu 1e-10. Solwer Nastran jest wymagający w stosunku do jakości siatki FEM i filtr jakobianów może być użyty do generowania siatek zawierających elementy o wyższych jakobianach. Przykład przeniesionych danych i zaczytanych w środowisku np.: Simcenter 3D z środowiska Simcenter FLOEFD został przedstawiony na rys. 13.
Mam nadzieję, że przedstawione funkcjonalności środowiska Simcenter FLOEFD 2021.1 okażą się przydatne w codziennej pracy.
Opracował: Marek Rudy