CFX Berlin - Modellerstellung

Modellerstellung

Grundlage einer numerischen Strömungsberechnung ist ein zwei- oder dreidimensionales CAD-Modell der zu untersuchenden Bauteile oder Bauteilgruppen. In ANSYS können bestehende CAD-Modelle importiert und simulationsgerecht aufbereitet werden. Alternativ können neue CAD-Modelle mit Hilfe der ANSYS-Software erstellt werden. Im zweiten Schritt der numerischen Strömungsberechnung werden der Strömungsraum und die berücksichtigten Bauteile vernetzt, das heißt, in viele kleine Teilvolumina aufgeteilt. Je feiner diese Aufteilung, desto genauer, aber auch aufwändiger ist die Lösung.

Bild CAD-Importschnittstellen
ANSYS bietet CAD-Schnittstellen zu den gängigen Systemen
Bild ANSYS CAD-Import
ANSYS bietet CAD-Schnittstellen zu allen gängigen Systemen
Bild: Schaufeldesign mit ANSYS BladeModeler
ANSYS BladeModeler ist eine Spezialsoftware für das Design von beschaufelten Geometrien
Bild: Nase Rechengitter
Beispiel unstrukturiertes Rechengitter für eine menschliche Nase mit Rachenraum

ANSYS bietet für diese beiden ersten Arbeitsschritte einer numerischen Simulation leistungsfähige Programme, welche sich durch Benutzerfreundlichkeit und intuitive Bedienung, technisch ausgereifte und robuste Algorithmen sowie einen hohen Grad an Automatisierung auszeichnen.  

Geometrie

Die Erstellung beziehungsweise Aufbereitung eines CAD-Modells für eine numerische Simulation erfordert spezielle Fähigkeiten des CAD-Systems, um den spezifischen Anforderungen unterschiedlicher Berechnungsverfahren gerecht zu werden. So muss zum Beispiel oftmals eine übermäßige Detaillierung der CAD-Modelle entfernt werden (Defeaturing) oder nicht vorhandene Details müssen hinzugefügt werden (beispielsweise Schließen von Schweißspalten). Hierzu stehen Ihnen innerhalb von ANSYS die Programme ANSYS DesignModeler, ANSYS SpaceClaim Direct Modeler sowie für den Import eine Vielzahl von Geometrie-Schnittstellen zur Verfügung.

Beispiel Rennwagen
Darstellung Geometrie, Rechengitter und Lösung für einen Rennwagen

ANSYS DesignModeler

Der ANSYS DesignModeler ist von Grund auf für die Erstellung und Aufbereitung von CAD-Modellen für strömungsmechanische und strukturmechanische Berechnungen entwickelt worden. Integriert in die ANSYS Workbench ist der DesignModeler hervorragend geeignet, um effizient und zuverlässig Designvarianten auf Grundlage parametrisierter CAD-Modelle zu erstellen und strömungs- und strukturmechanisch zu optimieren.

Bestehende CAD-Modelle können in den folgenden Formaten importiert und bearbeitet werden:

  • ACIS (*.sat, *.sab)
  • Autodesk Inventor Reader (*.ipt, *.iam)
  • ANSYS BladeGen (.bgd)
  • CATIA V4/V5 Reader (*.model, *.exp, *.session, *.dlv,*.CATPart, *.CATProduct)
  • Creo Parametric (ehemals Pro/ENGINEER) Reader (*.prt, *.asm)
  • GAMBIT (*.dbs)
  • Parasolid /STEP/IGES ((*.x_t, *.xmt_txt, *.x_b, *.xmt_bin,*.stp, *.step,*.igs, *.iges)
  • JT Open (*.jt)
  • Monte Carlo N-Particle (*.mcnp)
  • NX Reader (*.prt)
  • SolidWorks Reader (*.sldprt, *.sldasm)

Weitere Fähigkeiten des ANSYS DesignModelers sind:

  • Vollständig parametrisierte Erstellung von 2D/3D-Modellen (Linien/Schalen/Volumen)
  • Extraktion des Strömungsvolumens aus vorhandenen Bauteilgruppen
  • Benennung von CAD-Flächen und -Volumen
  • Export der Geometrie in Parasolid, STEP, IGES und ACIS
  • Verwaltung eines gemeinsamen CAD-Modells für unterschiedliche Simulationen in der ANSYS Workbench (Strömungs-/Strukturmechanik, Elektromagnetik)
Bild Laufkatze im ANSYS DesignModeler
Screenshot ANSYS DesignModeler mit Modell einer "Laufkatze"
Screenshot DesignModeler v145
CAD-Aufbereitung mit dem ANSYS DesignModeler
Bild Geometrieaufbereitung
ANSYS-Software bietet vielfältige Möglichkeiten zur Geometrieaufbereitung

Bi-Direktionale Schnittstellen

ANSYS bietet eine hervorragende Anbindung an gängige CAD-Programme. Damit ist gewährleistet, dass Ihre CAD-Modelle ohne durch Austauschformate verursachte Übertragungsfehler in die Berechnung übernommen werden. Desweiteren bieten diese Schnittstellen die Möglichkeit Parameter der Konstruktion zwischen CAD und ANSYS bi-direktional auszutauschen. Vom Konstrukteur parametrisierte Abmessungen können so in der Berechnung optimiert werden um anschließend das CAD-Modell zu aktualisieren.

CAD-Modelle können in ANSYS über folgende bi-direktionale Schnittstellen eingebunden werden:

  • Autodesk Inventor Associative Geometry Interface (*.ipt, *.iam)
  • CATIA V5 Associative Geometry Interface (*.CATPart, *.CATProduct)
  • Creo Elements/Direct Modeling (*.pkg, *.bdl, *.ses, *.sda, *.sdp, *.sdac, *.sdpc)
  • Creo Parametric (ehemals Pro/ENGINEER) Associative Geometry Interface (*.prt, *.asm)
  • NX Associative Geometry Interface
  • Solid Edge (*.par, *.asm, *.psm, *.pwd)
  • SolidWorks Associative Geometry Interface (*.sldprt, *.sldasm)

ANSYS SpaceClaim DirectModeler

Der ANSYS SpaceClaim DirectModeler ist für die schnelle Konzeptionierung und Geometriebearbeitung bei enger Anbindung an die ANSYS-Simulationslösungen entwickelt worden. Ausgestattet mit einer modernen, übersichtlichen Oberfläche bietet der ANSYS SpaceClaim DirectModeler die Möglichkeit, 3D-Modelle komplexer Produkte in kürzester Zeit zu erstellen. 3D-Modelle werden dabei auf Grundlage von Skizzen und Flächen interaktiv durch die Funktionen "Ziehen", "Füllen" und "Kombinieren" erstellt und modifiziert.

Bestehende CAD-Modelle folgender Formate können importiert und bearbeitet werden:

  • ACIS (*.sat, *.sab)
  • AutoCAD (*.dwg, *.dxf)
  • Autodesk Inventor (*.ipt, *.iam)
  • CATIA V4/V5 (*.model, *.exp, *.session, *.dlv,*.CATPart, *.CATProduct)
  • JT Open (*.jt)
  • NX (*.prt)
  • Pro/ENGINEER (*.prt, *.asm)
  • Rhino (*.3dm)
  • SketchUp (*.skp)
  • SolidWorks (*.sldprt, *.sldasm)
  • Parasolid/STEP/IGES/STL ((*.x_t, *.xmt_txt, *.x_b, *.xmt_bin,*.stp, *.step,*.igs, *.iges, *.stl)
  • VDA-FS (*.vda)
Space Claim v145 Screenshot Valve
Screenshot ANSYS SpaceClaim DirectModeler

ANSYS BladeModeler/BladeEditor

Der ANSYS BladeModeler und der ANSYS BladeEditor sind speziell für den parametrisierten Entwurf und die Optimierung beschaufelter, rotationsperiodischer Strömungsgeometrien entwickelt worden. Diese Werkzeuge erlauben es, Laufräder, Leiteinrichtungen und die zugehörigen Strömungsvolumen für Axial-, Diagonal- und Radialmaschinen in kürzester Zeit auf Grundlage einer Meridiankontur und des Schaufelwinkelverlaufs zu entwerfen. Die Integration in die ANSYS Workbench ermöglicht die automatisierte Vernetzung der entworfenen Geometriemodelle für eine anschließende strömungsmechanische und strukturmechanische Berechnung.

Bild: Schaufeldesign mit ANSYS BladeModeler
ANSYS BladeModeler ist eine Spezialsoftware für das Design von beschaufelten Geometrien

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Vernetzung

Neben der Auswahl der Berechnungsverfahren hat die Vernetzung einen großen Einfluss auf die Ergebnisqualität und den Berechnungsaufwand (Zeit, Speicherbedarf) sowohl von strömungsmechanischen als auch strukturmechanischen Simulationen. Grobe Rechengitter erzielen schnelle Ergebnisse, bilden aber unter Umständen nicht alle Eigenschaften der Geometrie (Verrundungen, Fasen, Spalte) beziehungsweise der Lösung (Geschwindigkeits-/Spannungsgradienten) hinreichend genau ab. Zu feine Netze wiederum können den Berechnungsaufwand nach oben treiben und eine numerische Berechnung zu kostspielig werden lassen. ANSYS-Software bietet dem Anwender alle dem aktuellen Stand der Technik entsprechenden Vernetzungsalgorithmen und erlaubt es dadurch, den für spezifische Modelle und Projektanforderungen jeweils bestmöglichen Kompromiss zwischen Genauigkeit, Rechenzeit und manuellem Vernetzungsaufwand zu finden.

Bild Hexa-Smoothing
ANSYS-Software enthält leistungsstarke Glättungsalgorithmen für hexahedrale Rechengitter
Bild Grid Rohrgeometrie
unstrukturiertes Rechengitter für komplexe Rohrgeometrie
Screenshot TurboGrid
ANSYS TurboGrid - der automatisierte Vernetzer für beschaufelte, rotationsperiodische Strömungsvolumen
Bild Rechengitterbeispiele
Beispiele für die Flexibilität hybrider Rechengittererzeugung mit ANSYS-Software
Beispiele für Elementtypen
Beispiele für mögliche Elementtypen
Bild Rechengitter Radialkolbenpumpe
hybrides Rechengitter für eine Radialkolbenpumpe
Bild: hexahedrales Rechengitter Strömungsprofil
Beispiel blockstrukturiertes hexahedrales Rechengitter für ein Rotorblatt

ANSYS Meshing

ANSYS Meshing erzeugt automatisiert qualitativ hochwertige, unstrukturierte Rechengitter mit Dreiecks-, Vierecks-, Tetraeder-, Prismen-, Pyramiden- und Hexaeder-Elementen auch für komplexe Geometrien. Dabei erkennt ANSYS Meshing automatisch relevante Eigenschaften der Geometriemodelle (Spalte, Krümmungen) und verfeinert dort das Netz bis zu einem definierten Kriterium. Dadurch ist eine ausreichende Netzfeinheit auch bei automatisierter Vernetzung einer komplexen Geometrie gegeben. Aufgrund des hohen Automatisierungsgrades und der Integration in die ANSYS Workbench eignet sich ANSYS Meshing hervorragend zur Durchführung von automatisierten Sensitivitätsanalysen und Optimierungen auf Basis von parametrisierten Geometriemodellen.

Prismen-Schichten: Oftmals weist das Ergebnis der Berechnung starke Gradienten in wandnormaler Richtung auf. Beispiele hierfür sind die Grenzschichten in Strömungen und die Spannungsgradienten in Bauteilen an Krümmungen und Kerben. Tetraeder-Elemente sind kaum geeignet, diese Gradienten effizient, das heißt mit einer akzeptablen Anzahl an Elementen, wiederzugeben. ANSYS Meshing bietet deshalb die Möglichkeit, automatisiert Prismen-Elemente an den Wänden zu erzeugen. Dabei wird das Oberflächengitter normal zur Wand extrudiert, wobei ANSYS Meshing eigenständig darauf achtet, dass sich ein gleichmäßiger Übergang von Prismen- zu Tetraeder-Elementen ergibt.

Krümmungsabhängige Vernetzung: ANSYS Meshing bietet die Möglichkeit, die Netzauflösung automatisch an die lokale Krümmung von Kurven und Flächen anzupassen. Damit wird eine möglichst exakte und effiziente Auflösung des Rechengitters gewährleistet.

Erkennung von Spalten und tangentialen Ausläufen: ANSYS Meshing erkennt bei der Vernetzung automatisch Engstellen und verfeinert dort das Netz bis zu einer gegebenen Anzahl von Elementen über der Spalthöhe. Der Benutzer wird dadurch von der manuellen Definition der Elementgröße an diesen Stellen befreit. Tangentiale Ausläufe werden bis zu einem definierten Abbruch-Kriterium vernetzt.

Bild: Nase Rechengitter
Beispiel unstrukturiertes Rechengitter für eine menschliche Nase mit Rachenraum
Bild Grid Rohrgeometrie
unstrukturiertes Rechengitter für komplexe Rohrgeometrie

ANSYS Extended Meshing

ANSYS Extended Meshing umfasst die Programme ANSYS ICEM CFD und ANSYS TGrid. Damit können sowohl unstrukturierte Netze (Tetraeder-/Prismenelemente) als auch blockstrukturierte Netze (Hexaederelemente) erzeugt werden. Aufgrund der vollständigen Integration von ANSYS ICEM CFD in die ANSYS Workbench kann ANSYS Extended Meshing automatisiert im Rahmen von Sensitivitätsanalysen und Optimierungen eingesetzt werden. Desweiteren bietet die Integration von TGrid in ANSYS Fluent die Möglichkeit, Neuvernetzungen während der strömungsmechanischen Berechnung durchzuführen (bewegte Netze).

Unstrukturierte Vernetzung: Bei der unstrukturierten Vernetzung bietet ANSYS Extended Meshing gegenüber ANSYS Meshing einen erweiterten Funktionsumfang. Der Anwender kann hier die Netzauflösung und die Netzqualität lokal gezielt beeinflussen. Dabei können die Eigenschaften einzelner Knoten, Kanten und Elemente gezielt editiert werden.

Strukturierte Vernetzung: Die strukturierte Vernetzung basiert auf einer manuell zu erstellenden Blockstruktur, welche mit der Geometrie assoziiert wird. Der Aufwand zur Erstellung eines strukturierten Gitters ist im Vergleich zur unstrukturierten Vernetzung höher, allerdings bietet die blockstrukturierte Vernetzung im Allgemeinen eine höhere Elementqualität und eine höhere numerische Effizienz während der Berechnung. Damit eignet sich diese Vernetzung vor allem für transiente Berechnungen mit hoher Berechnungsdauer und/oder großer Elementzahl.

Remeshing mit TGrid in Fluent
ANSYS Fluent erlaubt Remeshing mit TGrid
Bild: Rechengitter Maschinenraum
Unstrukturiertes Rechengitter für einen Maschinenraum
Bild: hexahedrales Rechengitter Strömungsprofil
Beispiel blockstrukturiertes hexahedrales Rechengitter für ein Rotorblatt
Bild Hexa-Smoothing
ANSYS-Software enthält leistungsstarke Glättungsalgorithmen für hexahedrale Rechengitter
Bild: Beispiel Hybride Rechengitter
Beispiel Hybride Rechengittererzeugung für ein Flugzeugmodell

ANSYS TurboGrid

ANSYS TurboGrid ist der automatisierte Vernetzer für beschaufelte, rotationsperiodische Strömungsvolumen (Schaufelkanäle). Dieser Vernetzer erzeugt automatisiert qualitativ hochwertige Hexadernetze für Axial-, Diagonal- und Radialmaschinen unter Berücksichtigung von Radialspalten sowie Verrundungen an Naben und Deckbändern. Die Integration in die ANSYS Workbench ermöglicht eine enge Anbindung an ANSYS BladeModeler/BladeEditor und damit eine effiziente Vernetzung im Rahmen von Sensitivitätsstudien und Optimierungen.

Screenshot TurboGrid
ANSYS TurboGrid - der automatisierte Vernetzer für beschaufelte, rotationsperiodische Strömungsvolumen

TwinMesh - automatische Hexaedervernetzung für Rotationsverdrängermaschinen

Für die Vernetzung der rotierenden Bauteile im Arbeitsraum von achsparallelen, zweiwelligen Rotationsverdrängermaschinen hat CFX Berlin die Softwarelösung TwinMesh entwickelt. TwinMesh erzeugt automatisiert qualitativ hochwertige hexahedrale Rechengitter für die sich im Betrieb zeitlich ständig ändernden Strömungsvolumina im Innern einer rotierenden Verdrängermaschine. Zur  späteren Weiterverarbeitung im ANSYS CFX-Löser werden die Knotenverschiebungskoordinaten für alle Positionen der Drehbewegung, d.h. für vordefinierte Winkelstellungen berechnet und gespeichert. Die Software erlaubt die Erzeugung von Rechengittern in 2D und in 3D sowohl für gerade als auch für schräg verzahnte Rotoren. Gitterauflösung sowie Grenzschicht- und Spaltauflösung können dabei natürlich vom Anwender definiert werden. Der Import der Rotorkonturen erfolgt über das Format IGES. Mit Hilfe der in TwinMesh erzeugten Rechengitter können transiente Simulationen im ANSYS CFX-Löser durchgeführt werden.

TwinMesh - Automatisierte Erzeugung von strukturierten Rechengittern für achsparallele, zweiwellige Rotationsverdrängermaschinen
Bild: TwinMesh Gerotor Quality MinAngle
Qualitätskontrolle in TwinMesh: Darstellung der Element-Innenwinkel für das Rechengitter einer Gerotorpumpe für eine Rotorposition
Bild TwinMesh Gear Pump Quality Min Determinant
Qualitätskontrolle in TwinMesh: Ansicht der minimalen Determinanten für das Rechengitter einer Zahnradpumpe für eine Rotorposition

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