5. Универсальный конечно-элементный программный комплекс ANSYS

Универсальные многоцелевые пакеты проектирования и анали­ за (ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, LS-DYNA, STAAD, GTSTRUDL и др.) строятся по модульному принципу с универсальными инфор­ мационными и управляющими связями между модулями. Это гиб­ кие и удобные системы численного моделирования для широкого круга отраслей производства, в том числе и строительства, позво­ ляющие выполнять полноценный анализ своих проектных разрабо­ ток и тем самым добиваться максимальной эффективности затрат на вычислительную технику и программные средства.

На примере программы конечно-элементного анализа ANSYS [5, 26, 80], разработанной Джоном Свенсоном и сотрудниками фирмы Swanson Analysis Systems Incorporated (SASI) в 1970 году и являющейся одной из самых мощных в мире, имеющей сертифи­ кат ISO 9001, покажем возможности такого рода программ. ANSYS работает в среде операционных систем самых распространенных компьютеров - от PC (в среде Windows) до рабочих станций и супер­ компьютеров, в последнем случае, главным образом, в операцион­ ной среде UNIX.

Универсальность программы заключается в том, что ее можно использовать при решении широкого круга технических задач:

прочности, теплофизики, гидро-газодинамики, электромагнетиз­ ма, аэроупругости, акустики, вибрации, а также можно решать свя­ занные задачи.

ANSYS выполняет сложный прочностной анализ конструк­ ций (статический, динамический) с учетом разнообразных нели­ нейностей, среди которых геометрическая и физическая нелиней­ ности, нелинейное поведение конечных элементов, потеря устой­ чивости конструкций. Используется для точного моделирования поведения больших и сложных расчетных моделей (например систе­ мы «здание - фундамент - основание»), является средством, с помо­ щью которого можно решать задачи оптимизации конструкций на стадии проектирования, а также контактные задачи.

Программа ANSYS содержит ряд специализированных моду­ лей, в частности для строительной отрасли:

♦CIVILFEM - для анализа строительных конструкций,

включающий библиотеку свойств строительных материалов, биб­ лиотек сечений, элементы и методики расчета армированных балок

иоболочек, предварительно напряженного бетона, нелинейный ана­ лиз бетонов, проверки бетонов, стальных элементов согласно зару­ бежным нормам, механику грунтов, модули по расчету дамб, мостов, нагрузок от транспортных средств.

♦ANSYS/LS-DYNA - для моделирования и исследования про­ цессов столкновений и аварий, разрушения конструкций, сложных объектов под воздействием статических и динамических нагрузок; для моделирования процесса землетрясения, а также технологиче­ ских процессов, болтовых и заклепочных соединений и других.

ANSYS имеет связь с CAD-системами: AutoCAD, Autodesk Mechanical Desktop, Microstation, Unigraphics, Pro/Engineer, Solid Works и др. и связь с САЕ-САМ-системами: NASTRAN, ABAQUS и другими.

Все типы расчетов, выполняемые программой ANSYS, основа­ ны на классических инженерных представлениях и концепциях. Со­ вокупность дискретных областей (элементов), связанных между собой в конечном числе точек (узлов), представляет собой матема­ тическую модель системы, поведение которой нужно анализиро­ вать. Основными неизвестными являются степени свободы узлов конечно-элементной модели. К степеням свободы в зависимости от типа анализа относятся перемещения, повороты, температуры, давления, скорости, потенциалы электрических или магнитных по­ лей; их конкретное содержание определяется типом элемента, кото­ рый связан с данным узлом. В соответствии со степенями свободы для каждого элемента модели формируются матрицы жесткости (или теплопроводности), масс, сопротивления (или удельной тепло­ емкости). Эти матрицы приводят к системам совместных уравнений, которые обрабатываются так называемыми «решателями». ANSYS содержит самый широкий набор методов решения среди конечно­ элементных пакетов, обеспечивающих быстрейшее решение задач любой размерности (от 1000 до 1000000 неизвестных и более).

По умолчанию для решения систем уравнений используется фронтальный решатель, в котором имеется так называемый Rank-n алгоритм, обеспечивающий параллельную обработку системы урав­ нений, т.е. вычисление основных неизвестных не порознь, а группа­ ми (на основе метода Гаусса).

В качестве альтернативы фронтальному решателю можно ис­ пользовать любой из итерационных решателей на основе трех итерационных методов: метода обусловленных сопряженных гра­ диентов, метода сопряженных градиентов Якоби и метода частич­ но сопряженных градиентов Холесского, которые сокращают вре­ мя решения и ресурсы компьютера при анализе больших моделей. С помощью алгоритмов прямого действия обычно получают «точ­ ное» решение системы, а итерационные решатели дают сходящее­ ся от итерации к итерации приближенное решение.

Решатель ПК ANSYS - воплощает новый уровень технологии расчетов, он снабжен «распознавателем» конечных элементов, дает возможность проводить анализ сложных задач, используя настоль­ ные рабочие станции, при этом для больших задач обеспечивается

на порядок более быстрое решение и большая экономия дисковой памяти.

Библиотека программы насчитывает более 110 конечных эле­ ментов. Многие из них снабжены опциями, позволяющими вносить новые подробности и детали в формулировку элемента, что значи­ тельно увеличивает объем библиотеки элементов. Конечные элемен­ ты предназначены для моделирования двумерных (2D) или трехмер­ ных (3D) моделей и могут рассматриваться как объекты, принимаю­ щие следующие геометрические формы: точка, линия, поверхность или объем.

В распоряжении пользователя имеются как линейные, так и квад­ ратичные (с промежуточными узлами в середине стороны) элементы.

Многие элементы прочностного и теплового анализа снабжены средствами определения ошибки решения, что используется в про­ грамме для вычисления той доли погрешности, которая связана, главным образом, с дискретизацией сетки.

В настоящее время наблюдается явно выраженная тенденция все большего усложнения используемых расчетных схем и увели-