ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММНОМ ПАКЕТЕ ANSYS

ВВЕДЕНИЕ.

В настоящее время большое развитие получили программы для решения широкого круга задач, ориентированных на моделирование систем различной физической природы. Это обусловлено появлением ПК, обладающих большим объемом памяти и высоким быстродействием центрального процессора, а также появлением многопроцессорных вычислительных систем позволяющих проводить распараллеливание задач по нескольким процессорам. Появление высокоуровневого программного обеспечения применительно к инженерным задачам существенно уменьшило затраты времени на их решение и увеличило точность полученных результатов благодаря снятию различного рода допущений при записи математической модели исследуемого объекта. Промышленными разработками по конечно-элементному анализу различных объектов являются WinMachine, DesignSpace, ANSYS, ELCUT. В пакете ANSYS представлено программное обеспечение, позволяющее исследовать электромагнитные поля электротехнических устройств.

Пакет ANSYS представляет собой совокупность программных кодов, построенных по методу конечных элементов (МКЭ) для решения большого круга инженерных задач. При помощи пакета ANSYS можно производить расчёты задач различной физической природы (прочность, распространение тепла, механика жидкостей и газов, электромагнетизм, гидравлика и т.д.). Пакет поставляется в различных конфигурациях, которые могут иметь ограничения как по характеру решаемых задач, так и по вычислительному потенциалу (ограничение на число конечных элементов, количество областей и т.д.). Самой универсальной версией пакета является ANSYS/Multiphysics, которая позволяет решать задачи не только по отдельным областям знания, но и связные задачи, например, проводить анализ: магнетизм – теплообмен, теплообмен – электричество и т.д. Для численного моделирования электромагнитных полей электротехнических устройств (ЭУ) достаточно пакета ANSYS/EMAG. На рис. В.1 представлен загрузчик ANSYS 10.0, используя который пользователь имеет возможность выбрать пакет в соответствии с типом решаемой задачи.

Для исследования электромагнитных процессов электротехнических устройств целесообразным является проведение математического моделирования на ПК с использованием программы ANSYS/Multiphysics, хорошо зарекомендовавшей себя на рынке информационных технологий.

С помощью дружественного графического интерфейса пакета ANSYS осуществляется диалоговый (интерактивный) режим работы пользователя и компьютера. Данный интерфейс представляет собой совокупность окон ввода/вывода и различных меню. Существует ещё и так называемый пакетный режим работы программы. В этом режиме все действия, начиная от построения модели до нахождения результатов решения и вывода их в текстовой или графической форме в файл, осуществляются автоматически по программе, написанной на языке APDL (ANSYS Parametric Design Language - язык параметрической разработки ANSYS). Этот режим хорош тем, что не требуется взаимодействие программы и человека. Таким образом, подготовленная задача может решаться, например, на удалённом компьютере, обладающем большой производительностью (суперкомпьютере), либо на кластере (несколько компьютеров, объединённых сетью). В любом режиме работы пакета создаваемое описание задачи записывается программой в файл базы данных задачи, который имеет расширение *.db. Результаты расчётов и промежуточные данные (матрицы системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ)) записываются в файлы с другими расширениями. Это следует помнить при резервировании результатов работы. Особенно это касается нелинейных задач, которые даже при большом числе конечных элементов (КЭ) требуют значительного времени для расчётов, измеряемого часами.

Работа с интерфейсом пакета ANSYS несколько отличается от работы с интерфейсом большинства других приложений под MS Windows и требует минимального навыка работы с ее графическим интерфейсом (с ее системой меню, окон, полос прокрутки, команд).

Работа в пакете ANSYS, как и в любой программе по компьютерному инжинирингу, делится на три основных этапа: препроцессирование или подготовка модели, решение задачи моделирования и постпроцессирование или анализ результатов. В этап препроцессирования входит построение геометрии модели, разбивка области моделирования выбранным типом конечных элементов, задание свойств материалов. Перед решением задачи моделирования задаются области с токовыми нагрузками (определяется плотность тока) и граничные условия. Постпроцессирование заключается в получении результатов расчётов: линий векторного магнитного потенциала (ВМП), вектора магнитной индукции, вектора напряженности магнитного поля и т.п., причем как для скалярных значений (модулей), так и для векторов. Все эти результаты можно вывести как в графическом виде, так и в виде таблицы распределения по узлам модели. Можно вычислить интегральные параметры, например индуктивность обмотки с током, интегральную электромагнитную силу, рассчитать магнитодвижущую силу (МДС).

В интерактивном режиме все действия по созданию модели записываются в LOG-файл сеанса, а также фиксируются в базе данных задачи в виде программы на языке APDL. Средствами языка являются: именованные переменные, массивы, выражения, функции, ветвления и циклы, макрокоманды, процедуры пользователя. Причем в этом языке разрешено использовать арифметические операции, операции сравнения, математические функции, DO-циклы и т.д. аналогичные языку FORTRAN. Открытая архитектура программы ANSYS позволяет писать подпрограммы на языке FORTRAN и связывать их с кодом программы.

Упрощённая структура пакета ANSYS изображена на рис. 1.1. Графический интерфейс представляет собой лишь оболочку для ввода команд в процессор. В данном случае процессор - это интерпретатор команд языка APDL. Каждому этапу работы с моделью соответствует свой процессор. В интерактивном режиме при работе с меню переключение между процессорами производится автоматически. В пакетном режиме заданный процессор активизируется определённой командой. Основные виды процессоров представлены в табл. В.1.

Рис. В.2. Упрощённая структура пакета

                                                                                           Таблица В.1

Основные виды процессоров

В папках (директориях) пакета ANSYS содержится множество других файлов. После инсталляции рассматриваемой версии пакета на жестком диске в каталоге программы (обычно это C:\ANSYS) создаются следующие основные подкаталоги:

BIN – подкаталог программных кодов;

CUSTOM - содержит файлы заголовков и библиотеки с кодом, необходимые для написания дополнительных модулей на языке Си и FORTRAN;

DATA - содержит различные файлы данных, поставляемые с пакетом, например подкаталог DATA\VERIF содержит тексты программ на языке APDL для проверки работоспособности пакета при расчёте различных проверочных (верификационных) задач. Формулировки данных задач приведены в справке программы в разделе Help\Table of Contens\Verification Manuals.

DOCU - справка по пакету;

GUI - содержит некоторые файлы описания графического интерфейса программы;

LIB - библиотека описания графического интерфейса программы;

MATLIB - библиотека свойств материалов.

При работе с пакетом ANSYS могут возникнуть вопросы теоретического (по теории полей и МКЭ) и практического (по интерфейсу с программой) характера. В этом случае можно воспользоваться опцией Help в меню утилит (UM). Например, основные положения теории электромагнитного поля, реализованные в МКЭ, можно посмотреть, используя опции UM > Help \ Help
Topics \ Electromagnetic.