【行業新聞】Ansys 校園方案協助大學進行有限元分析

 

1. Ansys 學術方案 協助大專院校進行最先進的模擬研究

Ansys 學術方案 (Ansys Academic Program) 提供各種物理場的工程模擬軟體，同時提供各種用途的軟體規格與合理的價格方案，適用於教學、研究、大量HPC計算。

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2. 使用 Ansys 多物理場有限元模擬 (FEA) 進行研究

美國加州大學洛杉磯分校 (UCLA) 的研究人員正在進行由加州能源委員會 (CEC) 資助的開創性研究，以分析天然氣管道在與地震斷層線相交時（甚至在不相交時）對它們構成的地震風險。該研究影響了該州近 4000 萬居民，因此需要模擬軟體協助進行深入研究。

在過去，土木工程師曾在類似的研究中使用計算機輔助設計 (CAD) 或有限元分析 (FEA) 建模，但加州大學洛杉磯分校 (UCLA) 土木與環境工程系的 Yousef Bozorgnia 教授是領先地位研究生和博士後團隊，他們使用 Ansys 的多物理場有限元模擬，進行地震模擬最佳化。

在多物理場模擬中，有限元分析(FEA)的可能性通過讓研究人員能夠在需要時跨工程學科進行模擬，例如在研究結構力學和流體流動之間的相互作用時，所有模擬都在一個統一的環境中進行。

 

3. Ansys 與高速計算中心的共同支持

透過 Ansys 學術方案 (Ansys Academic Program) 為大學提供可用於課堂和研究的經濟實惠的模擬軟體，Ansys 軟體同時具備易於使用的內建工具，客製化生成腳本，高性能計算能力 (HPC)，因此 Bozorgnia 教授和他的團隊選擇使用 Ansys Mechanical 進行結構分析。

Ansys 也介紹該研究團隊使用德克薩斯高級計算中心 (TACC) 強大的高速計算資源(HPC)；在 Ansys 軟體和高速計算中心的支持下，讓 Bozorgnia 教授和他的團隊可執行數百萬次迭代的地震模擬，只需花費比過往的地震分析方法所需更少的時間與金錢成本。

 

4. 地震是複雜的有限元分析

此次的研究題目是一個由嵌入土壤的數千英里管道組成的大型基礎設施，用於量化全州天然氣管道的地震風險。

此設施管道尺寸差異很大，直徑從 8 英寸到 44 英寸不等，厚度從 0.2 英寸到 1.2 英寸不等。

• 大量的幾何和地質變數增加了分析的複雜性

1. 如果地震導致斷層線破裂，相交的天然氣管道會發生什麼？
2. 根據具體輸氣管道的尺寸和物理特性判斷，有多少管道是埋在土壤裡的？
3. 此外，管道以什麼角度穿過斷層，其又是什麼類型的斷層線？
4. 它可能是一條走裂斷層（如著名的聖安德烈亞斯斷層，兩塊岩石或土地水平滑過彼此)。但它也可能是反向、推力或一般斷層；每條都涉及在不同的方向和不同的角度垂直移動。
5. 除了斷層位移的變量外，其他需要考慮的情況還包括滑坡和土壤液化。在滑坡過程中，大量土壤直接流向管道，該管道會發生什麼情況？
6. 此外，根據土壤的物理特性，如質地、結構和孔隙度，地震會導致土壤“液化”，從而產生可能擾亂管道的流動。

• 結合所有變量需要考慮超過一百萬次分析

為了處理需要這種百萬次迭代的複雜性，Bozorgnia 教授和他的團隊運用 Ansys Mechanical 使用有限元對天然氣管道和土壤進行建模，同時使用 TACC 的高性能計算 (HPC) 功能為每個場景運行大量模擬。

受多支撐激勵的 3 公里天然氣管道變形的 Ansys Mechanical 模型，模擬地震的影響 10 秒。

 

5. 為什麼要選擇 Ansys 軟體進行地震模擬

在開始該項目之前，Bozorgnia 教授透過研究專家們進行投票，來仔細考慮要使用哪種軟體。

Bozorgnia 教授說“我們諮詢研究人員後得到的反饋是: Ansys 比同類軟體更易於使用。顯然 Ansys 的準確性和生產力也很重要，而優先對我們來說，學習和上手使用它的時間十分有限，這是我們選擇 Ansys 的關鍵，事實證明這是正確的選擇也讓我們非常高興。”

除了易於使用之外，Bozorgnia 教授的團隊還發現 Mechanical 中的實體元素選擇（尤其是彎頭元素）可以有效地對整個管道的非線性形狀進行建模。相比之下，一些研究人員可能會使用殼元素準備類似的模型，但該選項只會捕捉管道的外部。

通過多種元素可供選擇，使用者可以對跨越不同長度和尺寸（包括厚度）的管道進行建模。Mechanical 的非線性功能還使他們能夠通過在模型中沿管道放置非線性彈簧，來檢查管道與周圍土壤之間的相互作用。

在創建了多個管道模型後，該團隊通過應用大量應力和應變來分析和考慮每個變量的所有變量。根據模擬結果，他們可以準確預測哪些條件可能導致管道破裂以及何時破裂，同時觀察可能發生的任何其他潛在損壞情況。

 

以傳統方式，團隊需要一到兩週的時間從頭開始編寫腳本語言，以準備和完成一個模型。如今，該團隊使用與 MATLAB 代碼生成集成的 Mechanical 在 10 到 30 分鐘內完成了一個模型。同樣，高效能計算電腦也大大加快了分析時間。

此外，借助該軟體的遠程求解管理功能 (Remote Solve Manager, RSM)，該團隊能夠在距離計算中心將近 1,400 英里的 UCLA 校園內執行大量計算和模擬。

Bozorgnia 教授表示，這使團隊能夠在現場進行研究，同時受益於高效能計算電腦，這些電腦共同提供了數千個中央處理單元 (CPU) 核心。

 

6. 未來將持續使用 Ansys 軟體進行更具影響力的強大項目

Bozorgnia 教授預計將在2023 年底完成最後階段，一個天然氣管道和地震斷層線位置的交互式資料庫，通過對團隊的所有發現和管道組合進行編目，各方將能夠進入管道位置並發現最近的斷層線和風險。

在此同時，他們還展開另一個大項目，那就是檢查在南加州運行的輸水管道的地震風險。與第一個項目類似，Bozorgnia 帶領團隊分析輸水管道和穿越地震斷層。儘管輸水管道的特性和內容與天然氣管道不同，但該團隊採用相同的技術、模擬和有限元對所有變量進行建模和分析。該小組還為這項研究創建了一個單獨的交互式資料庫，預計在 2023 年中後期完成。

在天然氣管道數據庫中輸入管道位置時，軟體將根據數據庫中的可變情況（包括與斷層線的接近程度）顯示故障概率。同樣，在輸水數據庫中，輸入一個位置將顯示附近與斷層線相交的主要輸電管道，根據接近程度和風險以紅色、黃色或綠色著色。這兩個數據庫都將具有相當大的影響力。該團隊預計，個人和國家機構（如 CEC）以及使用天然氣或水的公用事業公司都將使用這兩個平台。

Bozorgnia 教授說：“這些機構和公司可以加強他們的地震設施設施，因此加州居民在水和天然氣方面的風險將更小，整個項目的受益者將是生活在加州的數百萬人，尤其是在南加州，約有 1300 萬居民。” 

 

7. Ansys 將持續協助研究團隊完成今後的探索

Bozorgnia 教授的團隊將在行業內的期刊論文中分享團隊的研究和成果，然而這不代表結束。

Bozorgnia 教授說“這是學術研究的一部分：如果有一個我們沒有使用過的功能並且我們想要解決一個複雜的問題，我們總是必須嘗試新事物，我們正在解決一個非常現實的問題，因此我們始終將嘗試新的模擬軟體和技術，尋找分析數據的新方法，而 Ansys 極大地幫助我們解決了 Ansys Mechanical 中 55 英寸複雜的現實世界基礎設施問題的模擬結果。“

 

 

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