CFX Berlin - Lösertechnologie

Lösertechnologie

Den Kern der ANSYS-Software bilden einzigartige und erprobte Programme, welche durch ein optimiertes Zusammenspiel von fortschrittlichen Technologien eine außerordentliche Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und Flexibilität erreichen.

Zu den eingesetzten Technologien gehören:

  • explizite und implizite Lösung der strukturdynamischen Bewegungsgleichung auf Grundlage der Finiten-Elemente-Methode (FEM),
  • explizite Lösung der Bewegungsgleichung für Starrkörper (Mehrkörpersimulation)
  • herausragende Paralleleffizienz, mit der die vorhandene Rechnerstruktur optimal ausgenutzt wird,
  • umfangreiche Kontakt- und Materialmodelle und
  • weitreichende Möglichkeiten zur Anpassung an spezielle Anforderungen.

Überblick

Mit Hilfe der strukturmechanischen Berechnung soll das Verhalten von Bauteilen und Bauteilgruppen mit Hilfe des Computers realitätsnah berechnet werden. Dazu muss der Anwender folgende Arbeitschritte durchführen:

  • Geometrie und Gitter: Der Anwender bereitet das CAD-Modell für die Berechnung vor. Die zu berücksichtigenden Bauteile werden ausgewählt, gegebenenfalls vereinfacht und mit der gewünschten Genauigkeit vernetzt. Mehr dazu finden Sie im Bereich Modellerstellung.
  • Modellbildung: Im Rahmen der Modellbildung entscheidet der Nutzer, mit welchen Materialeigenschaften die Bauteile abgebildet werden sollen und wie die Bauteile miteinander interagieren. Außerdem legt er die entsprechenden Rand- und Anfangsbedingungen fest. Mehr dazu finden Sie im Bereich Physikalische Modelle.
  • Löser: Der zu verwendende Löser wird anhand der Aufgabenstellung ausgewählt. Zur Auswahl stehen innerhalb der ANSYS-Software implizite und explizite Löser zur Berechnung der elastischen und plastischen Verformung von Bauteilen beziehungsweise deren Eigenfrequenzen sowie explizite Löser zur Berechnung von Starrkörperbewegungen. Alle Löser überführen die strukturdynamische Bewegungsgleichung durch Diskretisierung und Linearisierung in ein algebraisches Gleichungssystem. Dieses Gleichungssystem mit bis zu mehreren Millionen Freiheitsgraden ist durch dünnbesetzte Matrizen gekennzeichnet und kann direkt oder iterativ gelöst werden.

Untenstehend erfahren Sie genauer, wie diese einzelnen Schritte in der ANSYS-Software implementiert wurden.

Video: Ermittlung des Beullastfaktors einer Rohrschelle mit ANSYS
Video: Ermittlung des Beullastfaktors einer Rohrschelle mittels FSI-Simulation in der ANSYS Workbench

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Implizite Verformungsberechnung

Eine implizite Berechnung der Bauteilverformung erfordert eine Lösung der diskretisierten strukturmechanischen Bewegungsgleichung nach den Knotenverschiebungen. Dieses Verfahren erlaubt große Zeitschritte, ist jedoch numerisch aufwändig, da die Steifigkeitsmatrix invertiert werden muss. Zur Lösung dieses Problems bieten sich direkte oder iterative Lösungsverfahren an. Direkte Lösungsverfahren sind exakt, stabil und schnell, erfordern jedoch einen hohen Speicherbedarf zur Invertierung der Steifigkeitsmatrix. Iterative Verfahren benötigen weniger Speicher. Sie nähern sich einer Näherungslösung ausgehend von einer Startlösung schrittweise an.

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Explizite Verformungsberechnung

Eine explizite Berechnung der Bauteilverformung löst die diskretisierte strukturmechanische Bewegungsgleichung nach den Beschleunigungen der Knoten und integriert diese anschließend in der Zeit, um die Verschiebungen zu erhalten. Dieses Verfahren erlaubt nur kleine Zeitschritte (CFL-Kriterium), ist jedoch numerisch bedeutend weniger aufwändig als das implizite Verfahren, da die Invertierung der Steifigkeitsmatrix entfällt. Das explizite Verfahren eignet sich besonders zur Berechnung stark dynamischer Vorgänge wie Explosionen, Crash- und Impact-Vorgänge.

 

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Explizite Mehrkörpersimulation

Die Mehrkörpersimulation (MKS) berechnet nicht die Verformung der Bauteile, sondern nur deren relative Lageänderungen (Rotation, Verschiebung) zueinander. Die Bewegungsgleichung der Bauteile wird dabei explizit nach der Beschleunigung gelöst. Anschließend wird eine Zeitintegration durchgeführt, um die zeitabhängige Geschwindigkeit und Position der Bauteile zu bestimmen.

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Erweiterungen

Die ANSYS-Software bietet über die Benutzeroberfläche eine Vielzahl an numerischen und physikalischen Modellen, die zusätzlich durch Parameter angepasst werden können. Statt fester Werte oder Koeffizienten kann an den meisten Stellen auch eine zum Beispiel zeitabhängige Funktion oder ein komplexer Ausdruck vorgegeben werden. Zusätzlich dazu kann auf die APDL (Ansys Parametric Design Language) zugriffen werden, um Berechnungsmodelle über die Möglichkeiten der Benutzeroberfläche hinaus zu bearbeiten.

Sollten diese Möglichkeiten nicht ausreichen, können eigene Berechnungsroutinen über vordefinierte Programmierschnittstellen auf die Variablen der Löser zugreifen und daraus berechnete Größen an diesen zurückgeben. Hierfür wird die Programmiersprache Fortran für sogenannte User Programmable Features benutzt.

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