Исследование системы автоматизированного проектирования ANSYS

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Ижевский государственный технический университет

имени М.Т. Калашникова»

Кафедра «Нанотехнологии и микросистемная техника»

Курсовая работа по дисциплине:

«САПР микро- и наносистем» на тему:

«Исследование САПР ANSYS»

Выполнил:

студент группы М03-491-1А.В. Войтекунас

Проверил:

К.т.н. доцентС.Ф. Егоров

2016

Введение

К группе универсальных CAE-систем относятся программные средства численного анализа, охватывающие широкий круг задач, связанных с изучением различных физических процессов в прикладных и научныхзадачах. Наиболеераспространены системы, использующие решение систем дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных элементов(МКЭ), хотя используются и системы, основанные на методах конечных разностей и конечных объемов.Существующие CAE-системы можно подразделить на инженерные и научные. Первые, как правило, ориентированы на решение определенного класса задач (например, механики - CosmosWorks, электричество и магнетизм - CosmosEMS и др.).

Научные исследовательские пакеты, например, ANSYS, COMSOLMultiphysics, FlexPDE, обладают большей гибкостью и позволяют решать задачи в самых различных областях. Диапазон применения таких пакетов очень широк. Наряду с решением научных физических задач они находят применение в машиностроении, электронике, авиа- и ракетостроении, химии, биологии и других прикладных научно-технических направлениях.

1. Ansys. Общие сведения

Программный комплекс ANSYS представляет собой многоцелевой пакет конечно-элементного анализа для решения сложных научных и технических задач. Разработчиком пакета ANSYS является компания ANSYS,

Inc., США. В настоящее время этот пакет лидирует среди универсальных исследовательских САЕ-систем с полным охватом явлений различной физической природы.

ANSYS позволяет: учитывать разнообразные конструктивные нелинейности; решать задачи при наличии больших деформаций; выполнять оптимизацию; использовать адаптивное перестроение сетки; создавать макрокоманды с помощью языка параметрического программирования(APDL) и т. д. Разнообразие решаемых в ANSYS задач обеспечивается наличием в нем семейства специализированных программ, направленных на решение отдельных классов задач.

Программа обеспечивает интеграцию и двухсторонний обмен данными практически со всеми CAD/CAE/CAM-системами. Наряду с APDL доступны средства программирования C++, С#, Javascripts, XML. Программные продукты ANSYS сертифицированы согласно следующим международным стандартам: TheISO-9000 series, Lloyd's Register'ssoftwarecertification, NAFEMSQAcertification, Britis hstandardBS 5750, TheTickITinitiative и др.

Состав пакета ANSYS

Пакет ANSYS имеет модульную структуру, включающую в себя набор специализированных программ. На основе этих модулей или их совокупности формируются инструменты анализа комплекса ANSYS, в частности: Multiphysics, Mechanical, EMAG, FLOTRAN, LS-DYNA. ANSYSMultiphysics позволяет проводить следующие виды анализа: структурный анализ (механика деформируемого твердого тела); тепловой анализ (равновесное состояние, теплопроводность, конвекция, излучение); динамический анализ жидкости (ламинарный поток, турбулентный поток, свободная, принудительная или смешанная конвекция); электромагнитный анализ(электростатический, магнитостатический, анализ гармоник, модальный анализ и другие).

ANSYS Mechanical - программа для выполнения проектных разработок, анализа и оптимизации: решение задач по определению прочности конструкций, теплопередачи и акустики. Эта программа позволяет определять перемещения, напряжения, усилия, температуры, давления идругие параметры, важные для оценки поведения материалов и прочности конструкций. Данная программа является подмножеством ANSYS/Multiphysics.

ANSYS Structural - осуществляет сложный прочностной анализ конструкций с учетом разнообразных нелинейностей, среди которых геометрическая и физическая нелинейности, нелинейное поведение конечных элементов и потеря устойчивости. Используется для точного моделирования поведения больших и сложных расчетных моделей. Данная программа является подмножеством ANSYS/Mechanical.

ANSYS Thermal - отдельная программа, выделенная из ANSYS/ Mechanical для решения тепловых стационарных и нестационарных задач.

ANSYS/Emag - программа для численного моделирования электромагнитных полей и решения задач, связанных с явлениями электричества имагнетизма.

ANSYS/LS-DYNA - программа, предназначенная для решения прочностных задач динамики при больших нелинейностях. Эта программа может использоваться для численного моделирования процессов формообразования материалов, анализа аварийных столкновений и ударов при конечных деформациях, включая пробивание, нелинейное поведение материала и контактное взаимодействие элементов конструкции.

ICEMCFD - комплексная система генерации любых типов расчетныхсеток, имеющая прямой интерфейс с CAD-системами (Pro/Engineer, Catia,Unigraphics, I-DEAS, SDRC, ICEMSurf).

CFX - программный комплекс, сочетающий возможности анализа гидрогазодинамических процессов, многофазных потоков, химической кинетики, горения, радиационного теплообмена и многихдругих. CFX обеспечивает прямой интерфейс к большинству CAD-систем и возможность проводить анализ совместно с ANSYS Multiphysics.

ANSYS Workbench - новое поколение программных продуктов, в основу которых положен объектно-ориентированный подход к инженерному анализу с использованием при этом возможностей решателей ANSYS. Эта среда инженерного анализа предоставляет широкие возможности по интеграции с CAD-системами (в том числе двунаправленную ассоциативную связь). Можно сочетать процесс проектирования вCAD-пакете с получением достоверных данных расчетов и проведением оптимизации конструкции.

Модуль параллельных вычислений Parallel Performancefor ANSYSпозволяет решать большие задачи как на кластерах вычислительных станций,так и на многопроцессорных станциях.

Интерфейс ANSYS

Интерфейс пакета ANSYS обеспечивает интерактивный доступ к функциям, командам, документации и справочным материалам программы.Исходные данные можно вводить как с помощью «мыши», так и с клавиатуры, либо сочетая эти два варианта.Интерфейс программы ANSYS включает следующие элементы(рисунок 1).

Рисунок 1 - Интерфейс программы ANSYS

1 - ANSYS MainMenu - главное меню ANSYS, служит для доступа ко всем операциям процессоров - препроцессора, процессора решения и постпроцессора.

- ANSYS UtilityMenu - меню утилит, служащее для доступа к командам, доступным из любого процессора. Это операции с файлами, управления выводом данных и другие.

- ANSYS Toolbar - панель инструментов. Служит для быстрого доступа к ряду команд, а также для размещения кнопок доступа к макросам, написанным пользователем.

- ANSYS Input - командное окно, служащее для ввода команд.Имеется возможность обратиться к списку введенных ранее команд. Команды можно извлекать из файла регистрации (log-файла) введенных ранее команд и/или входных файлов для последующего ввода.

- ANSYS Graphics - графическое окно, служащее для графического вывода объектов. Размеры окна можно изменять по своему усмотрению.

2 Виды анализа в ANSYS

К основным видам анализа в ANSYS относятся, в частности, следующие:

статический анализ (Static);

динамический модальный анализ (Modal);

динамический гармонический анализ (Harmonic);

переходный динамический анализ (Transient).

Статичеcкий анализ используется для определения напряжений и деформаций в условиях статического нагружения конструкций. Статический анализ подразделяется на линейный или нелинейный. При нелинейном статическом анализе можно имитировать пластичное и сверхпластичное поведение материалов, определять жесткость нагружения, задаваться большими деформациями и напряжениями, учитывать контактные поверхности.

Модальный анализ используется для вычисления частот и мод собственных колебаний конструкций одним из трех методов: методом Ланцоша, методом подпространств или редуцированным методом. Знание параметров собственных колебаний становится важным в условиях динамического нагружения и при моделировании вибраций и переходных процессов в конструкциях

Гармонический анализ используется для определения отклика конструкции на нагрузки, изменяющиеся по гармоническому закону во времени. Начальный период неустановившейся вибрации здесь не анализируется. Игнорируются также нелинейные эффекты и свойства материалов.

Переходный динамический анализ используется для определения отклика структуры на нагрузки, произвольно изменяющиеся со временем.В отличие от статического анализа, здесь могут быть учтены эффекты инерции, затухания и контакта. Последовательность динамического анализа переходных процессов предполагает введение начальных условий, то есть указание значений смещения и скорости в начальный момент времени; если начальные значения параметров не заданы, они по умолчанию обнуляются.Принципиально важной процедурой является введение изменяющейся с течением времени нагрузки.

Междисциплинарный анализ. К задачам междисциплинарного анализа (coupled-fieldanalysis) относятся задачи, включающие одновременное протекание физических процессов различной природы. Междисциплинарный анализ охватывает задачи, связанные с пьезоэлектрическим эффектом,индукционным нагревом, ультразвуковыми преобразователями; взаимодействием жидкости с твердотельной структурой, электростатическими и магнитостатическими взаимодействиями, другими приложениями (рисунок 3).

Рисунок 2 -Результат определения собственных мод резонатора (частотный анализ)

А б

Рисунок 3 - Примеры междисциплинарного анализа в ANSYS:

а - пьезоэлектрический актюатор; б - микронасос

Решение задач междисциплинарного анализа может выполняться двумя способами. Первый - последовательный, когда результаты решения передаются с выхода одного расчетного модуля на вход другого. При этом предполагается, что результатом решения первой задачи являются параметры нагружения для следующей задачи. Второй способ использует совместное решение, когда требуется привлечение специальных типов конечных элементов, учитывающих все необходимые для анализа составной проблемы степени свободы и виды нагружения. Только совместный способ решения сложной проблемы дает точный результат в случае сильных нелинейностей (рисунок 4).

Рисунок 4 - Поток данных в последовательном сопряженном анализе (непрямой способ)

2.1 Этапы проведения анализа в ANSYS

Решение задач в ANSYS включает в себя три этапа: препроцессорную подготовку (Preprocessing), получение решения (Solving) и постпроцессорную обработку (Postprocessing) (рисунок 5).

Рисунок 5 -Этапы проведения анализа в ANSYS

Препроцессорная подготовка

На стадии препроцессорной подготовки выполняется выбор типа расчета, построение модели и приложение нагрузок. При построении модели задаются,выбираются координатные системы и типы конечных элементов, указываются физико-механические свойства материалов, создается твердотельная модель и генерируется сетка конечных элементов.

В программе ANSYS существует три разных способа построения геометрической модели: импорт модели из CAD системы; твердотельное моделирование; непосредственное создание конечно-элементной модели в интерактивном режиме.

После того как построена твердотельная модель, создается ее конечно-элементный аналог (то есть сетка узлов и элементов). Библиотека конечных элементов программы ANSYS содержит большое число различных типов элементов (в последних версиях около сотни), каждый из которых определяет, среди прочего, применимость элемента к той или иной задаче(прочностной, тепловой, магнитные и электрические расчеты, гидродинамика или связанный анализ), характерную форму элемента (например, линейную, плоскую, в виде бруска), а также размерность (2D или 3D) элемента. Кроме того, в соответствии с задачей приводятся свойства материалов,которые могут быть линейными, нелинейнымии (или) анизотропными.

В программе ANSYS предусмотрено четыре способа генерации сетки: использование метода экструзии (выдавливания), создание упорядоченной сетки, создание произвольной сетки (автоматически) и адаптивное построение (рисунок 6).

Рисунок 6 -Модель до и после адаптивного построения сетки

Приложение нагрузок и получение решения

Следующая за построением модели стадия - стадия решения задачи.Она включает в себя задание вида анализа и его опций, нагрузок, шага решения и запуск на счетконечно-элементной задачи.

Тип анализа выбирается на основе условий нагружения и реакции системы, которую предполагается получить. Так, например, если нужно найти собственные частоты и формы колебаний, то следует выбрать модальный анализ. Опции анализа дают возможность уточнить параметры проводимого расчета.

Под нагрузками понимаются как внешние и внутренние усилия, таки граничные условия в виде ограничений на перемещения. Большинство этих нагрузок может быть приложено или к твердотельной модели (в ключевых точках, по линиям и поверхностям), или к конечно-элементной модели (в узлах и к элементам).

Запуск на счет выполняется после задания всех параметров командой SOLVE. Программа решателя обращается за информацией о модели и нагрузках к базе данных и выполняет вычисления. Результаты записываются в специальный файл и в базу данных расчета. При этом в базе данных может храниться только один набор результатов, тогда как в файл могут быть записаны результаты для всех шагов решения.

2.2 Типы файлов, создаваемых и используемых ANSYS

Файлы используются для передачи данных из одного модуля пакета ANSYS в другой, для создания базы данных и для сохранения выходных результатов работы. Эти файлы включают файлы базы данных, результатов, графических объектов и другие записи. Создаваемые программой файлы имеют формат ASCII (то естьмогут легко читаться и редактироваться) или двоичный формат. По умолчанию бинарные файлы создаются программой ANSYS с использованием внешнего формата (IEEEStandard), обеспечивающего обработку данных различными аппаратными средствами.

В программе ANSYS используется одна, центральная база данных для всего набора сведений, относящихся к модели и результатам решения.Сведения о модели (включая данные о геометрии твердотельной и конечно-элементной моделей, свойствах материалов и т. д.) записываются в базу данных на стадии препроцессорной подготовки. Нагрузки и результаты решения фиксируются процессором решения. Данные, полученные на основе результатов решения при их постпроцессорной обработке, записываются постпроцессором. Сведения, внесенные одним из процессоров, доступны при необходимости для других процессоров. Например, общий постпроцессор может считывать данные, относящиеся к решению и модели, а затем использовать их для постпроцессорных вычислений.

Постпроцессорная обработка

На этапе постпроцессорной обработки осуществляется обращение к результатам решения (значениям перемещений, температур, напряжений,деформаций, скоростей и тепловых потоков) и их интерпретация (графическое или табличное представление).

Существует две возможности обратиться к записанным в базу данных и в файл результатов данным для последующей постпроцессорной обработки. Первый - использовать постпроцессор общего назначения для ознакомления с определенным набором результатов, которые относятся ко всей модели или ее части. Второй - применить постпроцессор истории нагружения для выделения из массивов результатов нужных параметров, например, узловых перемещений или напряжений в элементе.

Постпроцессор общего назначения POST1 используется для отображения результатов любого вида расчета в ANSYS. В постпроцессореPOST1 массивы результатов можно делить на части, сортировать,комбинировать вместе с наборами данных, относящимися к другим шагам решения, создавать на их основе листинги или графические изображения(рисунок 7).

Рисунок 7 -Результаты расчета колебаний чувствительного элемента пьезоэлектрического микрогироскопа, представленные в постпроцессореPOST1

В постпроцессоре POST1 массивы результатов можно делить на части, сортировать, комбинировать вместе с наборами данных, относящимися к другим шагам решения, создавать на их основе листинги или графические изображения.

Постпроцессор истории нагружения POST26 (для результатов, зависящих от времени или каких-либо других независимых параметров) дает возможность представить результаты расчета, например, узловые перемещения, напряжения или реакции опор, в виде зависимостей от времени или от шагов нагружения. Эти зависимости могут быть представлены в графической или табличной форме (рисунок 8).

Рисунок 8 -График, построенный в постпроцессоре POST26

2.2 Применение ANSYS для проектирования элементов МЭМС

На рисунке 9 показан процесс проектирования устройства МЭМС с использованием ANSYS. Пакет ANSYS позволяет не только создать геометрическую модель устройства, провести анализ с помощью метода конечных элементов, но и построить поведенческую ROM-модель по результатам конечно-элементного анализа.

C помощью пакета ANSYS можно моделировать МЭМС,используя элементы с сосредоточенными параметрами - lumpedelements (рисунок 10).

Рисунок 9 -Использование ANSYS в проектировании МЭМС

Приведенные на рисунке 10 варианты представляют разные способы комбинирования моделей, в которых лишь часть структуры заменена элементами с сосредоточенными параметрами. В частности, на рисунке 10, в показана схема устройства, построенная с использованием метода подструктур (substructuring). Применение упрощенных моделей позволяет существенно снизить общее количество неизвестных при исследовании характеристик МЭМС.

а б

в г

Рисунок 10 -Комбинированные модели МЭМС в ANSYS: а - геометрическая модель электростатического преобразователя; б - конечно-элементная модель,включающая ROM-модели емкостных элементов; в - ROM-модель,использующая элементы с сосредоточенными параметрами; г - ROM-модель,использующая метод подструктур

Основные классы микросистемных компонентов, работа которых может быть исследована в ANSYS, приведены в таблице 1.

На рисунках 11-13 приведены примеры моделей различных элементовМЭМС, созданных в ANSYS.

автоматизированный микросистемный программа ansys

А б

Рисунок 11 -Модели миниатюрного бесклапанного пьезоэлектрического насоса с планарным (а) и поперечным (б) расположением вводов

А б

Рисунок 12 - Модели пьезоэлектрических вибрационных гироскопов:а - c металлическим резонатором; б - с трубчатым керамическим резонатором

а б

Рисунок 13 -Моделирование туннельных микрогироскопов в ANSYS

Размещено на Allbest.ru