Чрезвычайная сложность геометрии турбинных лопаток и необходимость точной ее передачи для получения достоверных результатов моделирования делает проектирование лопатки непростой задачей. Язык параметрического проектирования ANSYS APDL для программ ANSYS Mechanical был основным средством расчета турбинных лопаток для многих представителей данной отрасли благодаря широкому функциональному набору, проработанности и возможности применения мощных сценарных инструментов. Однако среда Workbench была значительно доработана в течение нескольких последних релизов, и теперь продукт имеет серьезные преимущества в области моделирования турбинных лопаток. Данные преимущества заключаются в модернизации системы обмена данными между расчетными приложениями, появлении новых возможностей моделирования для определенных задач и улучшений в области построения сеток.

Производитель газовых турбин Chromalloy получил значительную выгоду от перехода на среду ANSYS Workbench. Компания является крупнейшим независимым поставщиком услуг по ремонту, поверхностной обработке и производству утвержденных FAA (федеральное авиационное агентство США) комплектующих аэродинамических профилей и других важнейших компонентов для турбодвигателей гражданской и военной авиации. Недавний расчет турбинной лопатки при помощи ANSYS Workbench был осуществлен вдвое быстрее по сравнению с традиционными методами. Кроме того, построенной в ANSYS Workbench модели потребовалось значительно меньшее время на вычисления.

Одним из основных преимуществ ANSYS Workbench для Chromalloy явилась возможность передачи данных между широким набором систем инженерного анализа, входящих в программный пакет ANSYS. Обычно инженеры используют стационарный тепловой расчет для определения температурного поля лопатки. Затем они передают эти данные в статический прочностной расчет и используют напряженно-деформированное состояние для модального анализа. Модель, построенная в ANSYS Workbench, может также использоваться для численного гидродинамического расчета (CFD, computational fluid dynamics) с помощью программы ANSYS FLUENT. В настоящее время инженеры Chromalloy используют собственные средства для создания граничных условий, но в будущем они планируют перейти на CFD для большей точности.

Схематичное представление проекта в среде ANSYS Workbench экономит время зп счет визуализации общей структуры всего расчетного проекта. Пользователю достаточно просто "перетащить" нужный расчетный модуль из списка в схему проекта. Расчетные модули содержат все необходимые компоненты и позволяют пользователю создать всю систему сверху вниз. Необходимые для передачи данных связи формируются автоматически. Формирование связи путем "перетаскивания" в схеме проекта позволяет осуществлять обмен данными между различными физическими задачами и импортировать нагрузки из расчета в расчет.

Расчет часто требует возможностей, которые в CAD-системах либо вообще отсутствуют, либо не реализованы в надлежащем виде. Среда ANSYS Workbench содержит элементно-ориентированный редактор трехмерных моделей, называемый ANSYS DesignModeler, который может использоваться для создания параметризованных геометрических моделей с нуля, либо для подготовки существующих CAD-моделей для анализа. ANSYS DesignModeler обладает обширным набором функций, ориентированных именно на имитационное моделирование, включая создание параметризованных геометрических моделей, редактирование CAD-моделей, автоматическую их доработку и исправление, а также специализированные инструменты для моделирования течений, прочностного и других видов анализа.

CAD-модели обычно предназначены для точного представления замысла конструктора и часто не содержат дополнительных элементов, необходимых для численного моделирования. Благодаря ANSYS DesignModeler эти дополнительные элементы легко добавить. Например, с помощью функции проекции можно спроецировать кривую на поверхность, ограничив область, к которой можно приложить нагрузку или задать на ней сгущение сетки.

CAD-модели часто содержат больше деталей, чем требуется для моделирования, что может значительно увеличить время вычислений. ANSYS DesignModeler предоставляет множество возможностей для упрощения геометрии, таких как удаление CAD-объектов, слияние сложных тел в одно и группировка тел в макроэлементы. Операции слияния поверхностей и ребер позволяют легко упростить модель, устранив ненужные детали и границы, что ускоряет вычисления. Операции "сшивания" и соединения гарантируют необходимую связность в моделях с зазорами и перехлестами. Например, функция удаления поверхности повышает эффективность построения сетки путем удаления ненужных поверхностей. Функция слияния поверхностей используется для объединения отдельного "островка" с окружающей поверхностью. Булевы операции объединяют составные поверхности в одну для устранения ненужных деталей и, как следствие, для повышения эффективности расчета.

Инженеры Chromalloy используют функцию операций с телом из инструментария ANSYS DesignModeler для вырезания части модели и перемещения ее в другое место. Функция скрытия поверхности позволяет убрать из виду внешние поверхности, открывая внутренние поверхности для удобства работы с ними.

Среда ANSYS Workbench предлагает значительные преимущества в функциональном наборе для создания сеток, которые сокращают затраты времени на построение сетки для сложной геометрической модели. Технологии ANSYS Workbench обеспечивают надежное построение качественных четырехугольных и тетраэдрических сеток даже для самых замысловатых геометрических моделей. Пользователь может создавать чисто гексаэдрические сетки, используя несколько различных методов построения в зависимости от типа модели. По усмотрению пользователя возможно создание как чисто гексаэдрической сетки, так и сетки с преобладанием гексаэдрических элементов.

Помимо тетраэдрических и гексаэдрических сеток существует возможность создания гибридных сеток с гексаэдрическими и тетраэдрическими областями и телами. Для этих моделей можно строить сетки как совпадающие, так и несовпадающие в местах соединения. Инструмент локальной настройки сетки на ребре или поверхности позволяет легко управлять размерностью сетки. Инструмент задания совпадения сетки позволяет создать на заданной поверхности сетку, в точности совпадающую с сеткой на другой подобной поверхности. Также существует возможность создания структурированной криволинейной сетки.

Имеется два основных подхода к осуществлению анализа в ANSYS Workbench. Первый подход предполагает объединение возможностей ANSYS Mechanical APDL и ANSYS Workbench Mechanical для осуществления теплового и прочностного анализа, а также анализа мод колебаний. Инженеры из Chromalloy проводят тепловой расчет в ANSYS Mechanical APDL, используя теплофизические данные из их собственного программного кода. После этого производится формальный тепловой расчет модели в ANSYS Workbench Mechanical для импортирования температур из ANSYS Mechanical APDL. Тепловая задача решается при интерполированных граничных условиях с учетом только теплопроводности. Полученные результаты затем используются в ANSYS Workbench в качестве исходных данных для прочностного анализа и модального анализа.

Второй подход состоит в том, чтобы полностью решить задачу средствами пакета ANSYS Workbench Mechanical, с использованием командных вставок для осуществления теплового расчета. Все виды анализа, описанные в первом подходе, осуществляются при помощи команд, представляющих из себя адаптированные под ANSYS Workbench макросы языка APDL. Прочностной расчет и модальный анализ колебаний выполняются аналогично первому подходу.

Прочностной расчет может осуществляться при сочетании обыкновенных и управляемых командами граничных условий. Тепловые граничные условия напрямую передаются из теплового расчета. Контакт между лопаткой и диском обычно моделируется добавлением элементов контакта к модели диска. Чтобы получить напряжения, необходимо решить отдельную прочностную задачу с контактом с трением.

Пример из недавней практики инженеров Chromalloy демонстрирует, как все упомянутые возможности могут помочь при выполнении расчета газовой турбины. Команда специалистов построила модель турбинной лопатки в среде ANSYS Mechanical APDL, потратив примерно полторы недели непосредственно на создание сеточной модели в 5 миллионов узлов. В среде ANSYS Workbench процесс создания модели той же самой лопатки занял всего четыре дня, причем при равной точности размерность модели составила всего 1,5 миллиона узлов. Наложение граничных условий для теплового и прочностного расчетов обычным способом занимало три часа, а с помощью ANSYS Workbench - всего 30 минут. Вычислительное время прочностного расчета для линейной задачи без контактных элементов с помощью традиционной модели составляло полтора дня против двух часов для модели в ANSYS Workbench. Добавление контактных элементов увеличивало вычислительное время для традиционной модели до четырех дней, для модели в ANSYS Workbench - до одного дня. Данная задача наглядно сочетает неоспоримые преимущества применения ANSYS Workbench для расчета турбинных лопаток....