ANSYS 14.5 Sürümü Yenilikleri Yapısal Mekanik

Transkript

1 ANSYS 14.5 Sürümü Yenilikleri Yapısal Mekanik Ercenk Aktay FİGES İzmir Bölgesi Yapısal Analizler Yöneticisi Değerli okuyucularımız, Bu yazımızda, ANSYS in 2012 sonbaharında piyasaya sürülen en güncel versiyonu 14.5 in içerdiği yapısal mekanik tarafındaki güncellemeler hakkında sizleri bilgilendirmeyi amaçladık. Bu güncellemeler arasından öne çıkanları derledik. 1. Büyük ve Karmaşık Modellerin Analizlerindeki Yenilikler Sonlu elemanlar dünyasında birçok kullanıcı için büyük ve karmaşık modeller üzerinde analizler yapmak artık standart hale gelmiştir. Bu nedenle; geometriden, sonuçların alınmasına kadar olan aşamalarda yapılan işlemler için harcanan zamanın azaltılması ve kullanılabilirliğin arttırılması oldukça önemlidir. a. Geometri İmport İşlemlerinde Hızlanma: ANSYS 14.5 te gelen Workbench Geometry Type import seçeneği sayesinde, büyük modellerin analiz ortamına alınması ve çözüm ağının oluşturulması işlemleri, 10 kata kadar hızlandırılmıştır (Şekil 1). b. Kontak Bağlantı Matrisi ANSYS 14.5 te gelen Connection Matrix özelliği sayesinde, montajı oluşturan alt parçaların birbirleri ile yapmış olduğu kontak durumları daha net şekilde anlaşılabilmektedir (Şekil 2). Şekil 1. Designmodeler Import detay seçenekleri. c. Model Kurulumu Filtreleme ve Görsel İpuçları Modelin okunabilirliğini arttırmak için; yüklemeler, sınır koşulları gibi seçeneklerde, rassal renklendirme alt seçeneği kullanıcının hizmetine sunulmuştur (Şekil 3). Böylelikle, birbirine yakın bölgelerdeki unsurlar, analizci tarafında rahatlıkla ayırt edilebilmektedir. Şekil 3. Filtre ve renk kodu seçenekleri. Şekil 2. ANSYS WB Bağlantı Matrisi. 16

2 e. Otomatik Submodeling Bilindiği üzere submodeling tekniği, büyük modellerin belirli bir kısmının daha detaylı incelenmesi gerektiği durumlarda, çözüm süresinden büyük ölçüde tasarruf edilmesini sağlayabilen, oldukça verimli bir analiz metodu olarak öne çıkmaktadır sürümüne kadar ANSYS WB de makrolar aracılığı ile faydalanılabilen bu yöntem, 14.5 sürümünde, artık tamamen otomatik kurulum kullanılarak gerçekleştirilebilmektedir (Şekil 5). Şekil 4. Obje Jeneratörü. d. Obje Jeneratörü ANSYS 14.5 sürümü ile birlikte gelen Obje Jeneratörü sayesinde; sınır koşulları, sonlu elemanlar ağı, temas ve geometri dalındaki herhangi tür bir öğe, analiz modeli kurulumunu basitleştirmek amacıyla named selection lar üzerinden çoğaltma işlemine tabi tutulabilmektedir (Şekil 4). f. HPC ve GPU Gelişmeleri Çözücü olarak Sparse Solver tercih edilmesi durumunda, analiz zamanını azaltmak için birden fazla GPU dan faydalanabilmek, ANSYS 14.5 te artık mümkün hale getirilmiştir. Şekil 6 daki grafikte, sarı kutucuk içerisinde özellikleri verilmiş olan 2 GPU lu Linux iş istasyonunda kontur dağılımı verilmiş olan türbin modelinin ANSYS 14.5 üzerinde koşulması ile elde edilmiştir. Test cihazı üzerinde 8 adet CPU ve Distributed ANSYS çözücüsü ile sırasıyla 0, 1 ve 2 GPU destekli çözümler gerçekleştirilmiştir. Dikkat çekicidir ki; 1 ve 2 GPU kullanımının çözüm süresine yaptığı ilave katkı, her üç çözümde de kullanılan 8 CPU nun yaptığı ana işten hiç de aşağı kalmamaktadır (Şekil 6). g. Sonuç Dosyalarının Boyutunda Azalma ANSYS 14.5 te, asal gerilmelerin hesaplanıp sonuç dosyaları içerisinde depolanmasından ziyade, söz konusu gerilmelerin talep anında hesaplanmaları metodu benimsendiği için, özellikle dinamik analizlerin sabit disk ihtiyacı, yaklaşık yüzde 50 oranında azalmıştır (Tablo 1). Şekil 5. Submodeling Proje Şematik Penceresi. ARGE DERGİSİ 17

3 site Prepost (ACP) modülünün kompozit katı model yaratma yeteneği de bir basamak daha ileriye taşınmıştır. Şöyle ki; ACP, eldeki kabuk sonlu elemanlar ağını ve kompozit katman tanımlamalarını esas alarak katı elemanları yaratabilmekte, böylelikle katı parçanın bir nevi birebir eşleniğini yaratmış olmaktadır (Şekil 7). Eğim, katman sayılarında azalma ve bunun gibi kompozit kalınlığını değiştirecek olan, modellemesi zorlu etmenler de bilahare bu modelleme tekniğinde kolaylıkla modele dâhil edilebilmektedir. Bunun haricinde kompozitlerden ve izotropik malzemelerden oluşan parçalar, ayrıca tek bir modelin içerisinde birbirlerine entegre de edilebilinmektedirler (Şekil 8). Şekil 8. Kompozit ve isotropik parçaların montajı. Şekil 6 Çift GPU ile performans artışı. Tablo 1 Modal ve harmonik analizlerde sonuç dosyaları büyüklüğündeki değişim. h. Daha Hızlı Sonuç Görüntüleme Çok sayıda parça ve eleman sayısı içeren modellerin post processing hızı yüzde 40 arttırılabildiğinden dolayı, result set tabanlı animasyonları oluşturmak, eski sürümlere kıyasla oldukça az zaman almaktadır. Şekil 7. Katı kompozit basınçlı kap Boyutlu Kompozitlerin Modellenmesi Kalın kesitli yapılarda, kabuk teorisinin temel varsayımları, temel geçerliliklerini ciddi derecede yitirmektedir. Bu yüzden, bu türden kompozit yapıları incelerken de tabakalı kabuk teorisinin kullanılmasında ısrar etmek, analiz sonuçlarında önemli hataların ortaya çıkmasına yol açabilmektedir. Dolayısıyla bu nitelikteki yapıları, kabuk elemanlardan ziyade, 3 boyutlu elemanlar kullanarak modellemek ciddi bir gereksinim olarak öne çıkmaktadır. ANSYS 14.5 sürümünün çıkışı ile ANSYS Compo- 3. WB Mechanical ın Özelleştirilmesi ANSYS in, çok çeşitli sektörlerde ARGE yapan işletmelerin oldukça geniş bir spektruma yayılabilen ihtiyaçlarını, yıllardır başarıyla karşılayabiliyor oluşunun altında yatan en önemli neden, ileri düzey bir "low-end" programdan beklenenleri, kurulduğu günden bu yana neredeyse eksiksiz yerine getirebilmiş olmasıdır. Ancak, bazen uygulama spektrumunun ucundaki niş bir problem bile, sık tekrarlanmak durumunda kalındığı zaman, artık hızla çözüm almak için bir metot geliştirmenin daha ideal hale geldiği bir uygulama alanına pekâlâ dönüşebilmektedir. Bu nedenle müşterilerinin ihtiyaçlarını her zaman karşılayabileceği iddiasında olan low-end bir benzetim programının, gerektiğinde standart yeteneklerin ötesinde kullanılabilir ilave yetenekler oluşturmaya olanak sağlayarak, tabiri caizse high end bir programa hızlıca dönüşebilmesi beklenir. High end uygulamalar oluşturma yönünde ANSYS ailesi içerisindeki programlardan en öne çıkanı; birçok firmanın kendi proseslerini kodlamak -yeni bir yük veya sınır koşulu yaratabilmek gibi- için uzun zamandır halihazırda doğal bir metot olarak kullanmakta olduğu ANSYS in APDL dilidir. ANSYS Workbench platformu tabanlı Mechanical arayüzü ise tıpkı APDL gibi, bu türden yerel prosesleri oluşturmaya epeydir imkan vermekteydi. Buna rağmen, uzman olmayan geliştiricilerin de ANSYS komutlarını rahatlıkla kullanabilmesine olanak sağlayabilecek kadar kullanıcı dostu bir ortam sunamıyordu. Bu nedenle, Mechanical arayüzü, özelleştirilmiş uygulamalar söz konusu olduğunda, APDL in esnekliğinin gerisinde bir araç olarak bilinegelmiştir. Sonuç olarak, çalışma alanla- 18

4 rının çok geniş olması yüzünden analiz ortamı olarak MAPDL ve WB in her ikisinin birden kullanıldığı işletmelerde, uzman seviyedeki bilgiye erişim verimli olarak gerçekleştirilemeyebilir. İşte tam da bu noktada, ANSYS 14.5 ile birlikte, ANSYS Customization Toolkit (ACT) bu açığı kapatmak adına geliştirilmiş olan bir araç olarak devreye girmektedir (Şekil 9). Şekil 10. Eliptik Çatlak Sonlu Elemanlar Ağı. Şekil 9. ACT modül oluşturma dilleri: Python ve XML. ANSYS, ACT nin devreye girişi vesilesi ile müşterilerinin kendi uzantılarını ekleyebileceği ve paylaşabileceği özel bir forum görevi görmesi beklenen ACT genişletmeleri kütüphanesini de devreye sokmayı planlamaktadır. Hatta geleceğin ACT tabanlı genişletme kütüphanesinin temelinin, şu an halihazırda aşağıdaki uygulamaların ANSYS Customer Portal dan indirilebilir olması ile çoktan atılmış olduğunu da söylemek yanlış olmaz: l Akustik l SE Bilgi l Morphing l Gelişmiş Post Proses l Beam Elemanlar İçin Post Process l WB ANSYS LS-Dyna 4. Kırılma Mekaniği Günümüzün yeni regülasyonlarının, yapısal analizlerde basit gerilme anlayışının ötesine geçilmesini gerektirmesi, üretim prosesleri ve yorulma ömrü esnasında oluşan çatlakların benzetim sonuçlarına olan etkilerinin de incelenmesini sıklıkla zorunlu kılmaktadır. Bir çatlağın, ürünün zamanından önce kırılmasına sebep olup olmayacağını veya bunun nasıl bir mekanizma ile gerçekleşeceğini tespit edememek, regülasyon kurumları tarafından reddedilmeye, hatta daha uç örneklerde, problemlerin kanuni mercilere kadar aksetmesine yol açmaktadır. Bu bağlamda, ANSYS 14.5 in sunduğu kullanıcı dostu yeni çatlak modelleme yetenekleri; Stress Intensity Factor, Energy Release Rate ve J-Integral gibi önemli çatlak karakteristiklerinin hesaplanabilmesini mümkün kılmaktadır. Eliptik Çatlaklar, merkez ve çatlak şeklinin boyutları gibi parametrelerin tanımlanabilmesi sayesinde basit bir şekilde geometriye yerleştirilebilir. Akabinde, çatlak bölgesindeki tüm ağ örme işlemleri ANSYS tarafından otomatik olarak gerçekleştirilmektedir (Şekil 10). Hem toplam hesaplama zamanını azaltabilmek hem de yoğun bir sonlu elemanlar ağı sayesinde analizi daha doğru şekilde gerçekleştirebilmek, çatlağın Submodel içerisinde de modellenebilmesi sayesinde mümkün olabilmektedir (Şekil 11). Şekil 11. Çatlak Modelleme ve Submodeling. 5. Yapısal Analizlerde Harici Verilerin Aktarımı Birçok işletme için multifizik analiz kavramı, bir fizik ortamındaki verilerin bir başka fizik ortamına nokta bulut koordinatları ve değerlerini içeren text dosyaları aracılığı ile aktarıldığı zorlu bir işlemler serisini çağrıştırmaktadır. Böylesi çalışmalarda, söz konusu veriyi verimli şekilde güncel sonlu elemanlar ağı üzerine aktarma işleminin doğruluk derecesindeki belirsizlik ve prosedürel aşamalardaki emek ARGE DERGİSİ 19

5 Şekil 12. Bir pala üzerinde yüksek gradyanlı basınç konturu. yoğunluğu, büyük motivasyon kayıplarına neden olabilmektedir. Özellikle, eğer söz konusu veri aktarma işlemi yeterince hassas şekilde gerçekleştirilemezse, verilerin aktarılmış olduğu fizik ortamındaki nihai sonuçların doğruluğu, özellikle orijinal veride keskin gradyanların var olduğu çalışmalarda bir hayli sorgulanabilir bir hale gelebilmektedir. Böylesi zorlu özgün veri türüne bir örnek olarak, türbin palalarının etrafındaki kenarlar üzerindeki basınç gradyanları gösterilebilir. ANSYS 14.5, çoklu çekirdekle hesaplama yeteneklerinin veri taşıma ve transfer işlemlerinde kullanılabilmesine olanak vermektedir. Bu sayede, 6 ya da 7 civarında hızlanma faktörlerinin yakalanabildiği bir verimlilik artışı sağlamaktadır (Şekil 12). Ek olarak, kuvvet ve deplasmanlar gibi daha üst seviye türden verilerin aktarılabilmesi de mümkün hale getirilmiştir. ANSYS 14.5 te, veri aktarma interpolasyonu için Kriging ağırlıklı hesaplama çözümü kullanılabilmekte ve bu mevzubahis çözücüyü hızlandırmak amacıyla da çoklu çekirdek desteğinden faydalanılabilmektedir. Görece büyük elemanların ve 8 çekirdeğin kullanıldığı durumlarda, 6-7 kata kadar hızlanma elde edilmiştir (Tablo 2). 6. Kontak Modellerinin Kontrolü Günümüzde, yapısal mekanik alanında çalışan mühendis meslektaşlarımızın, büyük montajların analizlerinde yaptıkları incelemelerin detay ve komplekslik derinlikleri, diğer fizik dallarına nazaran yapısal mekanik SEA teknolojilerinin ne kadar güvene şayan bir olgunluk düzeyine eriştiğinin ispatıdır. Dolayısı ile böylesine bir güvenilirliğin getirdiği yükümlülüğün bir sonucu olarak; mekanizmalarda var olabilecek eklemler arası açıklıkların veya kompleks kontak etkileşimlerinin kontak sonuçlarına, zamana veya koordinatlara bağlı modellenmesi gibi mühendislik sektörünün ihtiyaçlarını karşılayabilecek türden uç yetenekler de ANSYS 14.5 sürümü ile analiz ortamına eklenmişlerdir. Kontak özellikleri, kullanıcı tarafından programlanabilir fonksiyonlar veya tabular giriş değişkenleri şeklinde; zaman, sıcaklık basınç vb. değerlerin birine veya birkaçına bağlı olarak tanımlanabilir (Şekil 13). Şekil 13. Kontak Özellikleri Fonksiyonu komut satırları. Tablo 2. Kriging Algoritması nın hesaplama hızına etkileri 20