ANSYS

Tecniche avanzate di analisi in ANSYS WORKBENCH

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Tecniche avanzate di analisi quali il sub-modeling ed il sub-structuring sono generalmente dominio di utenti di ANSYS classico. Si discute qui di un problema concreto, in cui entrambe le tecniche sono state impiegate lavorando in ambiente WORKBENCH. I risultati sono incoraggianti, e suggeriscono l’utilizzo di questi metodi particolari in problemi analoghi, specie se ricondotti a modelli di grandi dimensioni.

 

In ambito strutturale, questa tecnica permette di studiare dettagli locali che, se trattati con la precisione dovuta entro il modello complessivo, porterebbero quest’ultimo a dimensioni proibitive. La tecnica consiste, praticamente, nel desumere dal modello complessivo – la cui discretizzazione è normalmente meno fitta – gli spostamenti al contorno del dettaglio locale che si vuole analizzare in modo più preciso. Tali spostamenti sono poi imposti al contorno del dettaglio locale, discretizzato in modo fine, intervenendo, ove necessario, con interpolazione. In ANSYS questa tecnica non è limitata al campo strutturale: nel caso di analisi termiche, ad esempio, può essere applicata al dettaglio locale (ed ivi interpolata) la mappa di temperature derivante da analisi termo-fluidodinamiche.

 

Il sub-structuring applica la tecnica della condensazione statica ad un gruppo di elementi prescelto, esprimendo i gradi di libertà di alcuni nodi, in funzione di altri selezionati a costituire una sorta di super-elemento, e quindi, in definitiva, riducendo il numero di gradi di libertà del sistema finale assemblato. Le due tecniche hanno ambiti applicativi e finalità diverse. Sono accomunate, sul piano pratico, perché consentono di limitare il numero delle equazioni dei sistemi finali assemblati, adeguando, quindi, le dimensioni dei modelli via via trattati alla capacità dell’hardware disponibile. È vero che la potenza dell’hardware a disposizione è rapidamente crescente; è vero anche che esiste un teorema (il teorema di Gauss) che indica come il numero di operazioni necessarie per risolvere un sistema di equazioni non varia se esso viene manipolato attraverso operazioni di condensazione statica (anche ricorsiva); è vero, però, che la facilità, oggi, di importare modelli dal CAD, e di realizzare automaticamente la discretizzazione, porta rapidamente a dimensioni comunque difficili da gestire. È vero anche che un’intelligente organizzazione dell’analisi mediante sottostrutturazione e/o sub-modelling (tecnica nota anche col nome di "zooming strutturale") può portare vantaggi considerevoli nel caso le analisi vengano ripetute e/o si agisca modificando, di volta in volta, solo dettagli locali del modello. Operativamente, l’integrazione delle suddette tecniche avviene tramite l’inserimento di appositi script in APDL (ANSYS Parametric Design Language) nell’albero di progetto di WORKBENCH.

 

Entrambe le tecniche sono state implementate su un modello rappresentante un serbatoio in pressione (fig. 1). L’analisi ha contemplato due diverse situazioni di carico:

• sollecitazione statica del serbatoio in condizioni di esercizio con verifica del cordone di saldatura della connessione flangiata alla valvola di sovrapressione;
• analisi armonica legata alle forzanti generate dal mezzo di trasporto sul serbatoio vuoto.

Nel primo caso è stata utilizzata la tecnica del sub-modeling: il sottomodello, fig. 2, è stato ottenuto isolando un’opportuna porzione dal modello globale. Nel secondo caso, la tecnica del sub-structuring è stata implementata per valutare il comportamento di un attuatore, montato a sbalzo su un’estremità flangiata, quando il serbatoio è sollecitato da una forzante trasmessa dagli appoggi durante il trasporto. Si accenna brevemente ai passi eseguiti nello svolgimento dell'analisi.

Fig. 1

Fig. 2

 

La geometria dell’insieme serbatoio-attuatore è stata importata dal CAD nativo in Design Modeler, tramite apposito plug-in, per eseguire alcune necessarie operazioni di defeaturing, creazione di multi-body part relativamente alla definizione del modello coarse e per operare gli opportuni tagli per l’identificazione del modello fine. Successivamente, i due modelli sono stati importati in Design Simulation. Le capabilities di interfaccia CAD-CAE sono a disposizione della quasi totalità dei CAD in commercio.

 

Nell’ambiente di simulazione si è proceduto al meshing e alla verifica dei contatti generati automaticamente. In figura 3 si riporta la mesh del modello coarse. Il modello è stato caricato applicando una pressione interna e l’accelerazione di gravità. La simulazione dell’intero assieme fornisce lo stato tensionale del modello globale; il relativo file di risultati è necessario per l’interpolazione degli spostamenti sui nodi di frontiera del sottomodello.

Fig. 3

Fig. 4

 

Il sottomodello è stato ottenuto dal modello globale attraverso opportune operazioni di taglio in Design Modeler: questa procedura assicura la necessaria continuità geometrica tra modello coarse e sottomodello poiché la sua posizione rispetto al sistema di riferimento globale non viene a modificarsi. Le dimensioni del sottomodello hanno consentito di adottare una mesh particolarmente accurata sul cordone di saldatura (fig. 4), ottenuta attraverso gli avanzati algoritmi di meshing a disposizione in WORKBENCH. I nodi appartenenti alle superfici di taglio del sottomodello sono chiamati nodi di frontiera; la tecnica del sub-modeling consiste nell’assegnare a questi nodi gli spostamenti calcolati durante la soluzione del modello coarse. Il trasferimento degli spostamenti nodali avviene tramite interpolazione e quindi non è necessario che i nodi di frontiera occupino le stesse posizioni spaziali del modello globale. Una named-selection contenente le superfici di taglio del modello fine costituisce il componente nodale dei nodi di frontiera. L’interpolazione degli spostamenti sui nodi di frontiera e l’applicazione degli stessi sul sottomodello è stata effettuata inserendo dei semplici script in APDL (commands) all’interno dell’albero di progetto (figura 5).

 

Command_1: copia e ridenominazione del file di risultati (rst) del modello globale, inserita a livello di post nell’analisi del modello globale.

Command_2: copia dei file creati nella command_1.

Command_3: creazione del file di interpolazione degli spostamenti sui nodi di frontiera e assegnazione degli stessi come file di input.

Fig. 5

 

Operando in questo modo, ANSYS WORKBENCH risolve il sottomodello ed esegue il post-processing normalmente. È buona norma confrontare gli stress sulla superficie di confine del modello fine con quelli calcolati nella stessa zona del modello coarse per verificare che le superfici di taglio siano sufficientemente lontane dalla zona di interesse, nel caso in questione il cordone di saldatura.

 

Un’analisi tramite sottostrutturazione richiede l’esecuzione dei seguenti tre passi (fig. 6):

 

In realtà il terzo punto non è necessario qualora, come nel caso in questione, il super-elemento sia impiegato per trasferire i carichi e per mantenere le informazioni di massa e rigidezza relative ai componenti sottostrutturati. Il passo di generazione consiste nell’identificare un set di nodi, detti nodi master, rappresentati dai nodi di interfaccia con gli elementi estranei alla sottostrutturazione e dai nodi destinati a cogliere e descrivere le caratteristiche dinamiche della geometria sottostrutturata. L’individuazione di questi ultimi è stata effettuata eseguendo un’analisi modale e scegliendo i nodi master nelle zone soggette a maggior spostamento. I componenti dei nodi master sono stati creati tramite apposite named selection; i nodi master non di interfaccia appartengono a vertici creati tramite opportuni tagli in Design Modeler. Appropriate named-selection individuano le entità destinate alla sottostrutturazione. Il passo di generazione termina con la creazione di un file con estensione .sub. Il passo di simulazione crea il super-elemento (type MATRIX 50) dal file .sub e procede con il tipo di simulazione impostato.

 

Il passo di generazione e quello di soluzione sono stati implementati tramite appositi script in APDL:

 

Operando in questo modo, ANSYS WORKBENCH procede normalmente alla soluzione ed è possibile effettuare le normali operazioni di post-processing; le entità sottostrutturate sono evidenziate da tonalità monocromatica (fig. 7). Per ulteriori approfondimenti si rimanda alla guida avanzata di ANSYS, capitolo 9.

Fig. 7

Fig. 8

L’esperienza descritta apre nuovi orizzonti per un impiego razionale delle elevate potenzialità di ANSYS WORKBENCH e di un hardware sempre più evoluto che permette di importare nell’ambiente di simulazione modelli di grandi dimensioni (dal serbatoio del diametro di 3 metri al cellulare completo delle schede elettroniche) e di procederne al meshing (megaDOF!); tramite le tecniche descritte è possibile focalizzare l’analisi sui componenti effettivamente oggetto di studio senza rinunciare al contributo in termini di massa e rigidezza dei "componenti al contorno" con conseguente oggettivo miglioramento dell’approssimazione della simulazione.