Виртуальный инжиниринг

Оптимизация расчетной сетки для задач моделирования литейных процессов в ProCAST

Очень часто возникает ситуация, когда при построении расчетной конечно-элементной сетки для крупногабаритных отливок получается очень большое количество элементов в модели, что сильно затрудняет последующий расчет. В результате требуется либо долгое ожидание завершения расчета, либо применение специальных расчетных кластеров для ускорения моделирования, что не всегда доступно для пользователей. В данной статье будет рассмотрен способ оптимизации сетки такого рода задач для максимального сокращения времени моделирования.

Как правило, проблема с большим количеством элементов возникает на крупногабаритном литье, где используются стержни большого объема, это такие отливки, как корпуса, колена, тройники и др. В этом случае происходит сильное измельчение элементов объемной сетки в зоне стержня, размер ячейки в этой зоне соответствует минимальному размеру ячейки в отливке. Для примера рассмотрим отливку «Клюз», изготавливаемую из стали 25Л методом литья в песчано-глинистые формы. Отливка имеет внешний диаметр трубы 250 мм, ее длина оставляет 900 мм, масса жидкого металла на форму – 85 кг.

Геометрия отливки «Клюз»

Геометрия данной модели такова, что для точного моделирования задачи гидродинамики и определения мест концентрации макро и микропористости, требуется построить сетку с размером ячейки в отливке 5 мм, а в форме – 25 мм. В результате, при построении объемной сетки с настройками по умолчанию получаем следующую картину расчетной сетки по сечению модели.

Картина объемной сетки модели в разрезе (исходный вариант)

Данная модель содержит 3 950 000 элементов, что уже является достаточно сложной задачей: моделирование с распараллеливанием на 8 потоков (Intel Xeon E5-2667 (3.29 ГГц), 32 Gb ОЗУ) заняло 2 часа и 8 минут.

Как видно, мелкая сетка сохраняется в отливке, в зоне стержня, а также в форме вокруг отливки. Такая точность в стержне совершенно не обязательна, поэтому вы можете увеличить переходный коэффициент (Transition Factor) для формы, чтобы увеличить размеры внутренних элементов. Для этого после подготовки и корректировки поверхностной сетки, откройте меню 3D Mesh – Volume Mesh, откройте расширенные опции, открыв вкладку Advanced Option.

Вид окна Tetra Mesh для построения объемной сетки

Здесь есть дополнительная функция Transition Factor, которая определяет коэффициент увеличения размеров внутренних объемных элементов относительно размеров ячейки поверхностной сетки. Постройте объемную сетку поочередно для отливки с Transition Factor 1 (для получения более точных результатов) и отдельно для формы, увеличив данный параметр до 1,5 – 2.

Использовав вышеизложенную методику на той же самой модели с той же поверхностной сеткой, нам удалось получить следующую картину объемной сетки.

Картина объемной сетки модели в разрезе (оптимизированный вариант)

Данная модель уже содержит 1 055 000 элементов, а расчет на том же самом компьютере с тем же количеством используемых ядер занял 1 час и 5 минут.

Таким образом, удалось добиться сокращения количества элементов в сетке в 3,7 раза, а времени моделирования – в 2 раза, при той же точности расчета, т.к. количество элементов для самой отливки не изменяется. В то же время, для более крупных отливок, эффект экономии расчетного времени будет еще более разителен.