Nově na MKP výpočty – postřehy uživatele

Dlouho byl vývoj programu Ansys podřízen výpočetní technice jak z hlediska výkonu, tak i rozhraní mezi uživatelem a počítačem. Pokrok počítačových technologií a rozšiřování oblasti řešených úloh vedly zejména od konce minulého století k významným vývojovým krokům. Poslední roky historie programu jsou velmi bouřlivé jak v oblasti vývoje vlastního, tak i strategicky nakupovaného know-how. Akvizicemi nabyté společnosti přinesly firmě Ansys znalosti a zkušenosti, uživatelům pak nástroje, které jimi byly vyžadovány (Ansys je neobsahoval nebo nebyly tak propracované). Jedná se konkrétně o akvizice firem Autodyn, CFX a Fluent.

Ansys 12

Vedle prosté programátorské práce vyžaduje vývoj analytického softwaru, jakým Ansys je, nástroje numerické matematiky, teoretické základy (např. teoretickou mechaniku a mechaniku kontinua), znalosti z oblasti materiálového inženýrství (od konstrukčních ocelí až po TNT) a v neposlední řadě verifikaci výsledků výpočtů stvrzenou technickým experimentem. O velkých nákladech na vývoj takto odborného softwaru nemůže být pochyb, a tak nákupy potřebných technologií jsou logickými kroky. Realizované akvizice vedly k neobvykle dvouletému odkladu vydání nové verze. Zatímco verze 10 a 11 uživatele „pouze zasvětila" do existence prostředí Workbench, tak poslední dvanáctá verze mimo jiné přináší velkou řadu novinek, vylepšení i radikálních změn, včetně revolučního Workbench 2.0. Jejich výčet a popis by v ucelené podobě dosahoval stovek stran.

Ansys 12 byl českým uživatelům představen na konci dubna tohoto roku v Brně na odborném semináři pořádaném firmou SVS-FEM. Během šestihodinové přednášky pan Erke Wang z firmy CAD-FEM GmbH prezentoval hlavní novinky programu Ansys zejména pro oblasti strukturálních úloh, ale nevyhnul se i méně „hmatatelným" oblastem, jakými je proudění či elektromagnetismus. Velká oblast programem řešitelných úloh, a tedy i zákoutí programu, zůstala nezmíněna. Souhrou okolností právě v předvečer konání brněnské prezentace bylo pro uživatele celosvětově zpřístupněno stahování instalačních souborů finální verze.

Jak na výpočty v novém desetiletí

Program Ansys je možné ovládat ve dvou prostředích. Historicky starší prostředí, tj. klasický Ansys (podle komunikačního jazyka nově nazývaný Ansys Mechanical APDL) je od vzniku původní unixovské platformy v principu neměnný. Ovládací prostředí ve stylu Windows bylo vyvinuto společně s programem DesignSpace a ve dvanácté verzi je označováno Workbench 2.0. Druhá verze nepřináší pouze vylepšené rozhraní mezi uživatelem a počítačem, ale jedná se o robustní aplikaci, jež slouží jako pre- a postprocesor řešených úloh. Ansys Mechanical APDL a Workbench 2.0 fungují na sobě nezávisle, přičemž používají stejné části programu, např. řešiče. Druhá verze se liší od předchozí nejen vzhledem, ale výrazně zasahuje do postupů práce výpočtáře.

Ve Workbench, nebo v APDL?

Použitím Workbench i APDL prostředí je výpočtář schopen docílit téhož výsledku, avšak však odlišnými kroky („jinými kliknutími myší"), nástroji či nastaveními parametrů. Ansys Mechanical APDL má stále přece jen o něco více možností, a tak některé funkce nelze ve Workbench 2.0 vůbec spustit nebo jsou realizovány jinými způsoby. Ve Workbench 2.0 si uživatel nepřivolá svá oblíbená a léty prověřená makra napsaná v parametrickém jazyku APDL, které např. zpracování výsledků výpočtů automatizují a obrovským způsobem urychlují rutinní činnosti. Stejně tak si ve Workbench 2.0 nespustíte specializovanou nástavbu pro řešení úloh rotujících částí Rotordynamics.

Naopak řada funkcí (postupy tvorby modelu), jež bylo nutno v APDL prostředí řešit uživatelskými makry nebo na modelu manuálně vytvářet, jsou ve Workbench „automatizovány" či ukryty pod funkčními tlačítky (pro znalého uživatele jsou zřejmé činnosti, které musí program na pozadí provádět). Intuitivnost prostředí Workbench 2.0 je větší a např. rychlost tvorby konečnoprvkové sítě či práce s CAD daty je rychlejší než v klasickém Ansysu. Navíc jeho vlastnosti jsou takové, že se uživatel může více soustředit na řešení úlohy a jejich podstatu (tj. pohybovat se v intencích pružnosti a pevnosti atd.) než na tvorbu modelu občas realizovanou bez zjevného vztahu mezi strojovou řečí programu a fyzikou, jak je tomu místy v původním Ansysu. A tak - když už fyzika je opět fyzikou - mohou uživatelé bez obav zaměřit svou pozornost na rychlé dynamické děje, např. exploze (Autodyn), proudění plynů (CFX), zkoumat dynamické interakce těles, zejména lodí s kapalinou (AQWA) a řešit nepřebernou řadu úloh v dalších produktech pod jednotnou hlavičkou Ansys 12.

Malá exkurze po dvanácté verzi

Workbench 2.0 je zastřešující název pro skupinu několika „procesů". Vstupní branou při jeho spuštění je Workbench 2.0 Framework, který je manažerem a zároveň schematickým editorem projektů - simulací. Pomocí drag and drop funkcí se na ploše definují jednotlivé simulace. Vedle sebe může být umístěn bezpočet úloh, přičemž unikátnost myšlenek vložených do vývoje Workbench 2.0 tkví v tom, že projekty nesestávají z izolovaných úloh, ale v tom, že výstupy jednoho výpočtu (posuvy, napětí...) jsou následně použity jako vstupy (okrajové podmínky) pro úlohy navazující. V Ansys APDL je samozřejmě možné řešit sdružené problémy již po řadu let, avšak předností Workbench 2.0 je elegantnost jejich definice. Jediná MKP síť může být základem pro několik úloh lišících se okrajovými podmínkami (rozdílné zatížení, vazby), ale také pro úlohy fyzikálně odlišné (např. lineární statika, modální analýza či teplotní úloha). Vzájemné závislosti, tj. výstupy a vstupy mezi jednotlivými úlohami, jsou znázorňovány spojnicemi a stav úlohy, tj. zda jsou všechna potřebná data pro spuštění výpočtu naplněna, znázorňují piktogramy. Schematický editor projektů zároveň hlídá, zda úlohy, jež uživatel zamýšlí řešit, jsou v požadované posloupnosti řešitelné, a automaticky nabízí správné kroky. Uživatelé určitě ocení, že Ansys Workbench 2.0 pracuje v metrických i anglosaských jednotkách jak základních, tak odvozených.

Postup výpočtu

Realizace nejzákladnější simulace ve Workbench začíná nastavením vstupních dat (Engineering Data), tvorbou nebo úpravou 2D/3D geometrie (Geometry) a pokračuje vytvořením sítě elementů (Mesh), aplikováním okrajových podmínek, nastavením a spuštěním vlastního výpočtu (Setup a Solution). Zpracování výsledků se provádí v postprocesoru výsledků (Results). Komplexnější úloha může zahrnovat např. simulaci proudění (CFX) a na ni navazující transientní teplotní analýzu. Simulace je zakončena strukturální analýzou, přičemž jednotlivé dílčí kroky a provázanost vstupů a výstupů hlídá program. Jakákoli změna v libovolné části schematické struktury analýzy generuje uživateli informaci, že je potřeba úlohu (všechny úlohy) v projektu aktualizovat, tj. přepočítat. Přes veškerá softwarová opatření hrozí uživateli to, že předčasně spustí několikahodinový výpočet ve fázi probíhajících úprav - ale to už je daň vlastnostem programu, stejně jako nejspíš nikdy nebude k dizpozici např. příkaz krok zpět.

Pokud importovaná geometrie není ideální pro tvorbu konečnoprvkové sítě nebo je potřeba ji nejdříve vytvořit, je k dispozici přímé propojení správce projektů s programem Design Modeler. Jedná se o samostatnou aplikaci (i co se týče licencování), protože může být substituována ve firmě užívaným CAD systémem. V poslední verzi obsahuje řadu nových nástrojů pro úpravu 3D geometrie, jejichž účelem je připravit modelová data tak, aby na této geometrii vytvořená síť elementů měla tu nejlepší kvalitu (tj. aby generátor sítě nemusel vytvářet např. nežádoucí shluky elementů na chybné nebo zbytečně detailní geometrii).

Elementy pro MKP sítě

Výpočtáři s nástupem „user-friendly" prostředí simulačních programů měli obavy o dostatek práce. Je pravda, že část činností z oblasti numerických simulací byla přenesena na MKP moduly CAD programů. Ale protože žijeme v době, kdy „všichni" potřebují mít jistotu a nejsou přípustná fatální selhání strojů a zařízení za provozu a výrobky musí být z různých hledisek lepší a optimalizovány, není nouze o objekty, které je nezbytné prověřit - spočítat. A i kdyby na profesionální uživatele programu Ansys nějaká krize měla dolehnout, tak nové obory techniky, ale i např. biomechaniky a medicíny se o jejich vytížení postarají. I samotná firma Ansys Inc. přispívá k všeobecnému pokroku i přísunu práce uživatelům tím, že do systému neustále přidává zcela nové materiálové modely, konečnoprvkové elementy aj., které rozšiřují možnosti programu.

Příkladem může být nový element Solid285 - tetraedr sloužící pro automaticky generované sítě výrobků z nestlačitelných materiálů nebo speciální elementy Pipe288, Pipe289 sloužící pro nelineární simulace těles tvaru trubky. Elementy umožňují příčnou deformaci a mohou být použity pro řešení velkých deformací. Skupina elementú CPT2xx je zase vhodná pro modely kostí nebo měkkých tkání člověka.

Čtyřstěny, zejména díky výkonu počítače a vstupním datům - 3D CAD modelům -, dominují pro lineární i nelineární výpočty a začínají se prosazovat i u explicitních úloh. Nadřazené restrikce či typ úlohy (aby řešení vůbec proběhlo) jsou věcnými důvody, proč je dbáno na kvalitu konečnoprvkové sítě. Nový Ansys pomocí nástroje multizone umí vygenerovat šestistěny i uvnitř složitého tělesa bez nutnosti jeho rozřezání do topologicky vhodných objemů. Jinou možností je mapovaná síť vytvořená na povrchu a do definované hloubky a vnitřní prostor tvoří volná síť z čtyřstěnů. Pro řešení kontaktních úloh a jejich dobrou konvergenci je velmi užitečná funkce, která vytvoří identické sítě na rozhraní dvou sousedících těles. Každý z produktů softwarového balíku (Ansys, SCF, Fluent) měl vlastní algoritmus a elementy pro generování sítí. Vývojáři je postupně integrují a přetvářejí (částečně už i ve dvanácté verzi), v následujících verzích by mělo dojít ke vzniku omezeného počtu generátorů rychle vytvářejících kvalitní sítě elementů.

Vylepšení ve Workbench

Ve Workbench 2.0 bylo vylepšeno zadávání okrajových podmínek, tabulky parametrů i postprocesor programu. Síla a posuvy mohou být umístěny do virtuálního bodu (remote point) a její reakce Ansys „přenese" na vybranou plochu (uživatelé APDL rozšifrují, jak toho dosáhne). Proměnné zatížení - tlak a teplotu - lze vložit na plochu, ať už jako funkční závislost nebo jako tabulku parametrů. Nový kontaktní algoritmus urychluje hledání kontaktů až dvousetnásobně, čímž se zkracuje výpočetní čas. Dále například byla zkvalitněna práce s prutovými a skořepinovými elementy (střednice elementu, offset elementu) tak, že se komfort práce i možnosti blíží Ansys APDL.

Závěr

Mezi uživateli programu Ansys, zejména po vzniku Workbench 2.0, budou vedle sebe existovat skupiny preferující to či ono prostředí. Pro ty, kteří léta pracovali v klasickém prostředí s nádechem Unixu, Workbench pravděpodobně už nebude tím „pravým Ansysem", u něhož měli vše pod naprostou kontrolou a Ansys pro ně nebyl „černou skříňkou". Noví uživatelé Ansys Mechanical APDL už možná ani nespustí, pakliže je nebude nic nutit dostat se za hranice možností současného Workbench 2.0. Předpokládám však, že většina výpočtářů bude maximálně využívat přednosti obou. Ve Workbench např. generátory sítě a v Ansys Mechanical APDL řešit násobně rychleji kontaktní úlohy a výsledky řešení ukládat jen pro kontaktní elementy.

Ansys 12 lze v mnoha ohledech označit za revoluční a dvouapůlletá odmlka je na vývoji programu opravdu znát. I když je nové prostředí výrazně více „klikací", nikterak není snížena potřeba znalosti řešené problematiky. Způsob práce, správa a nové ovládání programu experty na simulace chování technických objektů určitě neodradí, přitom je Ansys 12 otevřen i pro uživatele řešící problémy na inženýrské úrovni.

Výrobce: Ansys, Inc., USA

Poskytl: SVS-FEM, s. r. o.

Lubomír W. Novotný