Uporabniki SOLIDWORKS-a morda že poznajo simulacije, ki so vgrajene v SOLIDWORKS CAD okolje, kot so SOLIDWORKS Simulation in SOLIDWORKS Flow Simulation. Te simulacije se uporabljajo za reševanje inženirskih problemov z metodo končnih elementov (FEA) in računsko dinamiko tekočin (CFD). Ta orodja so lahko odličen uvod v računalniško podprto inženirstvo (CAE) na splošno, izkušenemu uporabniku pa omogočajo tudi precej natančne napovedi obnašanja izdelka že med njegovim razvojem.
Če potrebujete zmogljivosti, ki presegajo ta osnovna orodja, je naslednji korak blagovna znamka SIMULIA podjetja Dassault Systèmes. SIMULIA je najbolj znana po programu Abaqus/CAE, namizni rešitvi z zmogljivim solverjem za metodo končnih elementov, ki se pogosto uporablja zaradi svojih zmogljivosti pri reševanju močno nelinearnih problemov. Danes so orodja SIMULIA na voljo tudi na platformi 3DEXPERIENCE, kjer omogočajo dostop do virov za reševanje velikih simulacij v oblaku ter do različnih reševalnikov za številna področja.
Slika 1. Jez na reki, analiziran s SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer.
Ta članek se osredotoča na zmogljivosti CFD v okolju 3DEXPERIENCE s SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer vlogo ter predstavlja primere uporabe, ki so zanimivi tako za uporabnike SOLIDWORKS-a kot tudi za uporabnike drugih CAD-sistemov.
Kaj je SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer?
SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer je vloga na platformi 3DEXPERIENCE, ki omogoča dostop do več aplikacij, ki skupaj tvorijo zmogljiv in vsestranski programski paket za CFD simulacije. Včasih lahko slišite tudi oznako izdelka oziroma tako imenovani »trigram« X4N.
Med najpomembnejše aplikacije sodijo:
- Fluid Model Creation
- Fluid Scenario Creation
- Physics Results Explorer
- Simulation Manager
Pri običajnem poteku dela se geometrija CAD-modela prenese v aplikacijo Fluid Model Creation, kjer se izvede poenostavitev geometrije in izdelava računske mreže. Nato se v aplikaciji Fluid Scenario Creation izvede preostala priprava simulacije: določitev robnih pogojev, nastavitev izhodnih podatkov za spremljanje ključnih rezultatov in prilagoditev nastavitev reševalnika. Na koncu se rezultati interpretirajo in obdelajo v aplikaciji Physics Results Explorer.
V praksi vse to poteka v enotnem in povezanem uporabniškem vmesniku znotraj 3DEXPERIENCE platforme. Glede na kontekst ukaza, ki ga uporabnik aktivira, se samodejno odpre ustrezna aplikacija, zato uporabniku praviloma ni treba skrbeti, katero aplikacijo mora uporabiti.
Primer postopka priprave simulacije
Oglejmo si na kratko postopek priprave simulacije.
Geometrijo lahko v okolje 3DEXPERIENCE prenesemo na več načinov. 3DEXPERIENCE platforma ima konektor za SOLIDWORKS, ki zagotavlja asociativno povezavo s CAD modelom. Ti konektorji so na voljo tudi za druge CAD programe, kot sta Creo in Inventor. Če je potrebno, lahko geometrijo preprosto prenesemo tudi s STEP datoteko ali drugim nevtralnim CAD formatom.
Slika 2. Uvoz CAD-modela v platformo 3DEXPERIENCE.
Ko je model naložen na platformo, lahko uporabnik začne pripravo simulacije v aplikaciji Fluid Scenario Creation.
Podobno kot pri namiznih simulacijskih SOLIDWORKS izdelkih je na voljo pomočnik, ki uporabnika po korakih vodi skozi glavne nastavitve simulacije, vključno z določitvijo ustrezne fizike in materialov, nastavitvijo robnih pogojev in drugih nastavitev.
Slika 3. Fluid Scenario Creation.
S klikom na zavihka »Model« ali »Mesh« v pomočniku se uporabnik preklopi na pripravo računske mreže. Programska oprema običajno privzeto uporablja mrežo s prevladujočimi heksaedri in podporo elementom mejnega sloja, na voljo pa so tudi druge možnosti, kot sta tetraedrska in swept mreža.
Slika 4. Fluid Model Creation.
Ko so vsi koraki v pomočniku označeni z zeleno barvo, je simulacija pripravljena za zagon. Po končanem izračunu se programska oprema samodejno preklopi v Physics Results Explorer za obdelavo rezultatov. Enak rezultat dosežemo s klikom na zavihek »Results« v pomočniku.
Sistemske zahteve
Tri doslej omenjene aplikacije so povezane z oblakom, vendar zahtevajo lokalno namestitev namiznih komponent. Zahtevnejša opravila, kot so izdelava mreže, preračun in obdelava rezultatov, je mogoče prenesti na računske vire v oblaku. Kljub temu je priporočljivo uporabljati sodobno inženirsko delovno postajo z operacijskim sistemom Microsoft Windows, da lokalna priprava in delo potekata brez težav.
Do aplikacije Simulation Manager lahko dostopamo prek spletnega brskalnika. Omogoča uporabne administrativne funkcije, kot je spremljanje simulacijskih opravil in njihovega napredka med preračunom ter prepoznavanje datotek z rezultati, ki zasedajo veliko prostora. Uporabnik lahko v tej aplikaciji tudi izbriše samo rezultate ali pa celotno simulacijo.
Licenciranje
Osnovna vloga SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer vključuje »vgrajeno licenco«, ki omogoča reševanje z do 8 procesorskimi jedri, bodisi v oblaku ali pa lokalno, brez dodatnih stroškov.
Če uporabnik potrebuje več kot 8 procesorskih jeder ali več pomnilnika RAM, kot ga zagotavlja osnovna instanca, lahko za povečanje licenčne računske zmogljivosti uporabi tokene ali kredite.
Krediti so porabni vir, ki se prodaja v paketih, medtem ko so tokeni vir tipa »floating«, ki si ga lahko deli celotna organizacija. Pri občasnih oziroma neenakomernih obremenitvah so krediti skoraj vedno smiselnejša izbira. Če pa obstaja stalna potreba po veliki računski zmogljivosti, so tokeni cenovno učinkovitejši.
Slika 5. Izbira števila procesorskih jeder CPU za izračun v oblaku.
V obeh primerih bo programska oprema pri izbiri večje instance ali določitvi več simulacij, ki se bodo reševale vzporedno, prikazala potrebno število tokenov oziroma ocenjeno porabo kreditov. Izdelava mreže in obdelava rezultatov sta v vseh primerih »brezplačni« ter ne porabljata kreditov in ne zahtevata tokenov.
Sedaj, ko smo uredili osnovne informacije o delovanju sistema, si poglejmo razloge za uporabo rešitve, kot je SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer.
Primeri uporabe SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer
V nadaljevanju bomo predstavili primere uporabe SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer na platformi 3DEXPERIENCE, pri čemer se bomo osredotočili predvsem na aplikacije, ki jih z bolj osnovnimi CFD-programi, kot je SOLIDWORKS Flow Simulation, ne bi bilo mogoče izvesti oziroma bi bile nepraktične.
Odprti kanali oziroma problemi »proste površine«
Tokovi v odprtih kanalih oziroma problemi »proste površine« vključujejo stik med tekočino in plinom. Takšni problemi so zelo pogosti pri aplikacijah upravljanja vode – na primer pri pretoku vode skozi odprt akvadukt ali delno napolnjeno cev, pa tudi pri pomorskih aplikacijah, kot je napovedovanje upora ladijskega trupa. V CFD-simulacijah se za te probleme najpogosteje uporablja numerična metoda, kot je pristop »Volume of Fluids«.
SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer razširja zmogljivosti SOLIDWORKS Flow Simulation pri problemih »proste površine« na več ključnih področjih:
- večja zmogljivost,
- podpora površinski napetosti in kapilarnemu pojavu,
- podpora posebnim robnim pogojem.
Prvič, kombinacija novejše generacije CFD reševalnika in zmogljivih oblačnih računskih virov pomeni, da se problemi s prosto površino z zmerno ali visoko kompleksnostjo pogosto rešijo precej hitreje kot v SOLIDWORKS Flow Simulation. Animacija jezu na reki, prikazana na začetku tega članka, je bila na privzeti instanci v oblaku izračunana v približno 40 minutah.
Drugič, pomembna omejitev SOLIDWORKS Flow Simulation je, da ne omogoča modeliranja površinske napetosti. SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer omogoča modeliranje tako površinske napetosti kot kapilarnega pojava. To prikazuje preprost demonstracijski primer, v katerem je »slamica« vstavljena v posodo s tekočino brez drugih posebnih nastavitev, tekočina pa se zaradi kapilarnega pojava dvigne po slamici.
Slika 6. Preprost primer kapilarnega pojava.
Tretjič, programska oprema ponuja številne posebne robne pogoje, ki so uporabni pri problemih odprtih kanalov. Med njimi je vhod »floating elevation«, ki odpravlja problem vzajemne odvisnosti pri napovedovanju vodne gladine na vhodu sistema. Na voljo je tudi vgrajena podpora za generiranje valov pri pomorskih aplikacijah.
Slika 7. Preliv jezu z vhodom »Floating Elevation«.
Če uporabnik potrebuje prilagojeno funkcionalnost, je mogoče v jeziku JavaScript napisati uporabniško definirane podprograme (User Defined Subroutines), ki določajo obnašanje robnih pogojev.
Mešanje več komponent z absorpcijo ali produkcijo
Večkomponentni tokovi so poenostavljeno povedano tokovi, pri katerih se v isti fazi vnašata in spremljata dve ali več različnih tekočin oziroma komponent.
Orodja, kot npr. SOLIDWORKS Flow Simulation, so v številnih primerih povsem sposobna simulirati takšno obnašanje. Poseben primer pa nastopi, ko se mora določena komponenta absorbirati ali nastajati zaradi interakcije s stenami modela ali drugo geometrijo. V takšnem primeru je možnost določanja hitrosti absorpcije ali produkcije na izbranih območjih izjemno uporabna funkcionalnost SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer vloge.
Slika 8. Absorpcija plinske komponente skozi stene.
Zgornji primer predstavlja poenostavljen demonstracijski model gorivne celice, pri katerem absorpcija ene od komponent predstavlja katalitično reakcijo, ki bi potekala na stenah celice.
Problem velikosti
Nekateri problemi so preprosto preveliki, da bi jih bilo mogoče v razumnem času rešiti na običajni računalniški strojni opremi. V takšnih primerih je zelo uporaben dostop do zmogljivejših instanc, ki so v času pisanja tega članka omogočale do 144 procesorskih jeder.
Med tipične primere sodijo analiza velikih sestavov in sistemov, rotirajočih strojev ter dolgotrajnih toplotnih ali mešalnih procesov.
Slika 9. Primer rotirajočega stroja.
SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer je bil preizkušen tudi pri reševanju problemov z več kot 100 milijoni računskih celic pri uporabi najzmogljivejše instance s 144 jedri. Pri prehodnih problemih, ki trajajo zelo dolgo, povečanje števila jeder omogoča tudi potencialno skrajšanje časa reševanja na obvladljivo raven.
Zelo natančne napovedi upora
Pri napovedovanju upora teles s pomočjo CFD sta pomembni dve glavni komponenti: oblikovni upor (»form drag«) in torni upor (»skin drag«).
Natančno določanje oblikovnega upora je razmeroma preprosto in običajno zahteva ustrezno zajemanje celotne oblike geometrije in območja sledi za telesom ter uporabo ustreznega modela turbulence.
Doseganje visoke natančnosti pri določanju tornega upora je zahtevnejše. To je še posebej pomembno za povečanje učinkovitosti aerodinamičnih in hidrodinamičnih aplikacij, kot so letala, ladje in rotirajoči stroji, na primer črpalke in rotorji.
SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer ima na tem področju več ključnih prednosti. »Body fitted« oziroma konformno mreženje omogoča natančno in učinkovito zajemanje oblike CAD geometrije z minimalnim številom računskih celic. Specializirani elementi mejnega sloja uporabniku omogočajo uporabo stenskih funkcij ali neposredno reševanje viskoznega podsloja, kar je ključno pri določanju tornega upora. Preklop med pristopoma se izvede samodejno glede na višino prve celice in pripadajočo vrednost »y+«.
Slika 10. Body Fitted Mesh v SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer.
V SOLIDWORKS Flow Simulation, ki za mreženje uporablja kartezični mrežni sistem z izrezanimi celicami (cut cells), se lahko pojavita dve težavi. Prvič, takšen sistem mreženja je odličen za geometrijsko enostavne dele, kakršni so pogosti pri aplikacijah hlajenja elektronike. Pri organsko oblikovanih delih pa je lahko potrebna precejšnja lokalna zgostitev mreže, da je geometrijo sploh mogoče ustrezno zajeti.
Slika 11. Kartezična mreža »Cut Cell« v SOLIDWORKS Flow Simulation.
Kot je razvidno iz povečane slike, je kljub uporabi lokalnih nastavitev mreže na sprednjem robu aeroprofila še vedno prisotna določena geometrijska diskretizacijska napaka. Poleg tega zaradi odsotnosti namenskih elementov mejnega sloja ni praktičnega načina za popoln zajem viskoznega podsloja, če je to potrebno. Teoretično bi programska oprema pri dovolj veliki zgostitvi mreže prešla na neposredno reševanje podsloja, vendar to zaradi narave uporabljene tehnologije mreženja pri realnih 3D-problemih v praksi ni izvedljivo.
Druga pomembna prednost SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer pri problemih, kjer je potrebna visoka natančnost, je večje število turbulentnih modelov. Medtem ko SOLIDWORKS Flow Simulation ponuja samo k-ε model, SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer pa vključuje tudi priljubljeni splošnonamenski model SST k-ω ter model Spalart-Allmaras, ki se pogosto uporablja pri številnih letalskih in vesoljskih aplikacijah.
Slika 12. Razpoložljivi modeli turbulence.
Glede na naravo simulacije, režima pretoka in industrijske standarde lahko uporabnik izbere najprimernejši turbulentni model za svojo aplikacijo ter tako izboljša natančnost rezultatov, ki bi bila lahko zaradi uporabe neustreznega modela slabša.
Multifizikalni postopki
Druga zanimiva možnost, ki je na voljo v okolju 3DEXPERIENCE SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer, je multifizika. Kot smo že omenili, je na voljo več reševalnikov za različna področja, uporabniški vmesnik med različnimi orodji pa je razmeroma standardiziran.
To omogoča številne možnosti, saj je rezultate ene študije oziroma vrste študije mogoče prenesti v drugo in tako izvesti multifizikalne simulacije. V primerjavi z učenjem več različnih programskih paketov je prehajanje med CFD in FEA simulacijo uporabniku precej enostavno.
Slika 13. CAD-model, simulacija tekočine in strukturna simulacija.
V zgornjem primeru je cilj analizirati napetosti in deformacije jezu na reki zaradi obremenitve, ki bi jo povzročile poplavne razmere. CAD model je bil najprej uvožen v SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer in analiziran kot simulacija »Volume of Fluids« oziroma proste površine.
Končni cilj tega postopka je bil prenesti izračunane tlake tekočine s površin jezu v povezano strukturno analizo v aplikaciji SIMULIA Structural Mechanics Engineer.
Slika 14. Želen prenos tlaka.
Za izvedbo tega postopka je bilo na želenih površinah jezu definirano območje »Port Region«, ki omogoča povezavo pripadajočega polja z naslednjo simulacijo.
Slika 15. Definicija območja Port Region.
Ko je območje Port Region definirano, je mogoče tlačno polje preprosto uvoziti v strukturno analizo kot obremenitev. Obe analizi je mogoče rešiti zaporedno in tako izvesti »enosmerno« analizo interakcije med tekočino in konstrukcijo oziroma FSI.
Omeniti velja, da je mogoče prenesti tudi druge fizikalne pojave, na primer temperaturne gradiente iz termične CFD simulacije v strukturno analizo za napoved toplotnih napetosti ali celo podatke iz drugih reševalnikov, kot je elektromagnetna analiza.
Povzetek in zaključek
3DEXPERIENCE SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer predstavlja pomemben korak naprej na področju CFD preračunov v primerjavi z osnovnejšimi orodji, kot je SOLIDWORKS Flow Simulation. Z uporabo najnovejše tehnologije reševalnikov, razširljivih oblačnih računskih virov in specializiranih robnih pogojev omogoča analizo problemov, ki bi bili sicer nepraktični – na primer tokov s prosto površino in površinsko napetostjo, večkomponentnega mešanja z absorpcijo ali produkcijo ter zelo natančnega določanja upora, pri katerem sta potrebni telesu prilagojena mreža in napredni modeli turbulence.
Potek dela v okolju 3DEXPERIENCE je preprost – od uvoza geometrije prek izdelave mreže in reševanja do obdelave rezultatov. Hkrati omogoča prilagodljivost pri izbiri računske zmogljivosti z uporabo tokenov ali kreditov. Zaradi kombinacije enostavne uporabe in velike računske zmogljivosti je rešitev primerna za velike sestave, dolgotrajne simulacije in multifizikalne postopke kot je interakcija med tekočino in konstrukcijo.
Kljub temu SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer ni nujno očitna izbira za vse primere uporabe. Še vedno obstajajo zelo dobri razlogi za uporabo CFD orodja, ki je neposredno vgrajeno v CAD okolje, kadar potrebujemo predvsem hitre preglede konstrukcije med razvojem in hitro iteriranje, kjer nam ni pomembnih zadnjih nekaj odstotkov natančnosti. Tehnologija mreženja v SOLIDWORKS Flow Simulation je prav tako izjemno primerna za specifične naloge, kot je hlajenje elektronike. Čeprav lahko SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer rešuje tudi takšne analize, je lahko za njihovo pripravo potrebno več časa in priprave geometrije.
Za inženirje, ki želijo preseči zmogljivosti namiznega CFD-ja ali izkoristiti naprednejše fizikalne modele, predstavlja SOLIDWORKS Simulation CFD Engineer učinkovito rešitev z natančnostjo, razširljivostjo in različnimi reševalniki, potrebnimi za napredne analize na številnih področjih uporabe.