Программные комплексы высокопроизводительных вычислений для решения проблемно-ориентированных вычислительно-трудоемких задач

Широкое распространение современной вычислительной техники за последние 15-20 лет существенно изменило процесс инженерной деятельности. Появление на рынке программного обеспечения современных комплексов автоматизированного проектирования (computer aided design, CAD и computer aided engineering, CAE) позволяет ускорять процессы проектирования и исследования различных конструкций, в том числе и машиностроительных изделий. Использование современных методов вычислений, реализованных в комплексах CAD и CAE, дает возможность проводить исследования различных характеристик проектируемых объектов, что позволяет изменять конструкцию этих объектов без создания экспериментальных образцов и не прибегать к длительной и дорогостоящей процедуре натурных экспериментов. Важно при этом отметить, что пользователь комплексов CAD и CAE (проектировщик или инженер) осуществляет только постановку решаемых задач и, при необходимости, управляет процессом расчетом - ему не требуется заниматься реализацией необходимых методов вычисл ений, поскольку эти методы уже содержатся в используемых комплексах. Более того, для решения вычислительно-трудоемких задач, требующих для своего анализа большого объема вычислений, комплексы CAD и CAE берут на себя вопросы эффективного использования высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем.

Тем самым, эффективное практическое применение высокопроизводительных вычислительных систем может быть обеспечено при широком использовании программных комплексов высокопроизводительных вычислений для решения проблемно-ориентированных вычислительно-трудоемких задач. К сожалению, в рамках одного учебного материала невозможно рассмотреть все комплексы CAD и CAE - их количество является достаточно большим (к тому же, в большинстве случае, даже общее знакомство с тем или иным программным комплексом требует проблемно-ориентированных знаний). Достаточно подробной перечень комплексов CAD и CAE содержится в [6]. В данном разделе в качестве учебного примера рассматривается программный комплекс FlowVision, предназначенный для моделирования трехмерных течений жидкостей и газов в областях сложной формы, а также для визуализации этих течений методами компьютерной графики. [12.2,12.3,12.6]. Следует понимать, что приводимый материал по комплексу FlowVision является ознакомительным и сводится к демонстрации решения сравнительно простой прикладной задачи. Для более полного рассмотрения комплекса FlowVisionмогут быть использованы работы [124.2,12.3].

Комплекс FlowVision предоставляет возможности решения следующего класса задач:

• 3D стационарные, нестационарные, сжимаемые и несжимаемые потоки жидкости;
• ламинарные и турбулентные потоки;
• свободная поверхность;
• горение предварительно перемешанных/неперемешанных газовых смесей;
• сопряженный теплообмен;
• сопряженное моделирование движения жидкости с различными математическими моделями в различных областях;
• граничные условия, зависящие от времени;
• задание вращения отдельных элементов конструкции;
• модель зазора;
• обмен информацией с программами конечно-элементного анализа, такими как ANSYS, ABAQUS, NASTRAN и др.

12.1. Состав и назначение основных модулей программного комплекса FlowVision

Логическая структура FlowVision как у большинства пакетов прикладных программ для численного моделирования формально делится на 3 модуля, называемых препроцессором, солвером и постпроцессором.

Построение геометрической основы задачи (расчетной области), реализуется с помощью внешних программ и затем импортируется в Flow Vision. FlowVision работает только с трехмерной геометрией, поэтому двумерные модели необходимо рассматривать как частный случай трехмерных.

Препроцессор выполняет следующие функции:

• Задание физико-математической постановки задачи: выбор модели для внутренних точек расчетной области (задание конкретного вида уравнений, значений коэффициентов), а также задание на границах расчетной области граничных условий, а для нестационарных задач - начальных условий.
• Задание начальной сетки и критерия адаптации.

Солвер позволяет задать параметры, управляющие расчетом. К таким параметрам относятся: шаг по времени, выбор схемы аппроксимации уравнений по пространству и по времени, частота автосохранения и др.

Постпроцессор служит для вывода и представления визуализации полученных в результате расчетов данных. В FlowVision используется большой набор методов визуализации, которые классифицируются по типу представляемых математических величин: скалярная величина, скалярное поле, векторное поле (скорости), а также по используемой геометрии (трехмерной или двумерной). Важно, что данные могут выводиться на любом этапе расчета, и это позволяет отслеживать динамику моделируемого процесса.

12.2. Алгоритм моделирования в программном комплексе FlowVision

Основными этапами моделирования в комплексе FlowVision являются:

• создание геометрии (расчетной области) задачи с использованием пакета Solid Works;
• экспорт/импорт созданной геометрии из SolidWorks в FlowVision;
• выбор математической модели (набора уравнений), необходимой для формализованного описания жидкости данной задачи;
• задание начальных и граничных условий;
• построение равномерной конечно-объемной расчетной сетки с последующей ее адаптацией для более детального разрешения течения;
• проведение расчета;
• визуализация результатов.

В качестве демонстрации применения комплекса FlowVision рассматривается задача моделирования течения смазочно-охлаждающей жидкости по каналам расточной борштанги токарного станка [12.7]. Целью исследования является определение температуры в зоне резания, а также получение картины распределения давления и векторного поля скоростей в проточных областях борштанги и детали.

12.3. Моделирование течения смазочно-охлаждающей жидкости по каналам расточной борштанги

Известно, что применение смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) при обработке глубоких отверстий на токарных станках играет очень важную роль и зависит от свойств обрабатываемого материала, скорости и глубины резания, требований к качеству обработанной поверхности, способа подачи жидкости и других условий [12.1].

При глубоком растачивании подвод СОЖ и отвод стружки осуществляется по специально предусмотренным каналам. Один из каналов располагается внутри инструмента и называется внутренним. Наружный канал создается между наружной поверхностью инструмента и поверхностью обрабатываемого отверстия в заготовке. Иногда при растачивании роль наружного канала выполняет отверстие в заготовке, с которым она поступает на операцию [12.1]. В данной задаче рассматривается наружный подвод СОЖ и внутренний отвод стружки.

Переходя к описанию модели, необходимо отметить, что импорт исходной геометрической модели в программу FlowVision может осуществляться непосредственно в виде конечно-элементной модели с использованием специальных приемов "препарирования". Область расчета модели для комплекса FlowVision создана в системе геометрического моделирования SolidWorks.

Поток СОЖ должен обладать необходимыми характеристиками, так как применение той или иной смазочной жидкости зависит от свойств обрабатываемого материала, скорости и глубины резания, требований к качеству обработанной поверхности, способа подачи жидкости и других условий. В качестве охлаждающей жидкости выбран продукт ECOCUT HFN 5 LE. ECOCUT HFN 5 LE - это смазочно-охлаждающая жидкость на основе высококачественного базового масла с повышенными антикоррозийными свойствами и стойкостью к старению. Специальный пакет EP присадок позволяет выдерживать высокие механические нагрузки и уменьшает трение и износ в процессе обработки металлов резанием. ECOCUT HFN 5 LE рекомендуется для обычных и тяжелых операций растачивания и шлифования стали, чугуна и цветных металлов. Данный продукт обладает пониженной испаряемостью и малым образованием тумана, что значительно способствует повышению культуры и безопасности производства.

Выбор исходных параметров задачи

Технические характеристики станка для обработки глубоких отверстий и физические свойства смазочно-охлаждающей жидкости взяты из специализированной литературы [12.1].

Параметры борштанги:

Геометрические параметры обрабатываемой детали:

Геометрические параметры расточной головки

Входные параметры:

Параметры смазочно-охлаждающей жидкости:

Плотность		830	[кг м-3]
Вязкость		0.00332	[кг м-1 с-1]
Теплопроводность	ж	8.04104	[Вт м-1 К-1]
Теплоемкость	Ср	2422	[Дж кг-1 К-1]

Число Рейнольдса: (для определения числа Рейнольдса в качестве характерного размера D взят минимальный диаметр проточной части).

Моделирование в программном комплексе FlowVision 3.0.5 выполняется в рамках модели турбулентного течения, так как Re <= 10³ 12.2.

Перед началом описания процесса решения задачи следует пояснить, что пользовательский интерфейс взаимодействия с FlowVision организован в форме, схожей с Проводником (Explorer) операционной системы Windows (см. рис. 12.1). В левой части окна FlowVision приводится иерархическая структура наборов параметров, которыми можно управлять при решении задачи - каждая группа параметров, как правило, описывает некоторое понятие и именуются в FlowVision папкой. В правой части окна FlowVision показываются параметры выбранной папки, где каждый параметр представлен на отдельной строке в формате "Имя_параметра Значение_параметра". Для задания или изменения значения параметра следует выделить поле значения параметра и осуществить ввод нового значения.

Рис. 12.1. Эскиз внутренней поверхности обрабатываемой детали

12.3.1. Создание геометрической модели

Геометрия модели создана в системе SolidWorks.

Создание твердотельной модели проточной части конструкции в программе SolidWorks происходило в три этапа:

1. создание эскиза (рис. 12.2-рис. 12.3):
   

   
   увеличить изображение
   Рис. 12.2. Эскиз внутренней поверхности обрабатываемой детали
   

   
   увеличить изображение
   Рис. 12.3. Эскиз борштанги
2. создание детали (рис. 12.4):
   

   
   увеличить изображение
   Рис. 12.4. Модель внутренней поверхности обрабатываемой детали
   

   
   увеличить изображение
   
   

   
   Рис. 12.5. Деталь борштанги и режущей головки
3. создание сборки и вычитание объемов: создание проточной части (того объема, который занимает жидкость) - см. рис. 12.5.

   Геометрическая модель области расчета загружена в FlowVision HPC в формате STL через меню/команду File/New (Файл/Создать). При загрузке геометрической модели автоматически создан соответствующий объем, который по умолчанию определился как Подобласть#0 - см. рис. 12.14.

   

   
   увеличить изображение
   Рис. 12.14. Подобласть#0