FSI - Решение задач взаимодействия жидкости и конструкций
В последние годы сильно возрос интерес к решению сложных многодисциплинарных задач (задач мультифизики) требующих одновременного моделирования различных физических явлений с учетом их взаимного влияния друг на друга.
К такого рода задачам относятся задачи взаимодействия жидкости и конструкций (Fluid Structure Interaction), имеющие важное значение в различных отраслях промышленности и науки. Примерами таких задач являются:
в авиации: аэрогидроупругость элементов конструкции, бафтинг и флаттер крыла летательных аппаратов или лопаток турбореактивных двигателей, взлет и посадка гидросамолетов с учетом поведения конструкции, аварийное приземление и приводнение вертолетов с использованием эластичных пневмобаллонов и многие другие задачи
в судостроении: аэрогидродинамика судов на воздушной подушке с эластичными юбками или ограждениями, прочность конструкции корпусов скоростных судов при волновом ударе,
гидроупругость водометного движителя, в том числе, при щелевой кавитации, сход судна со стапелей в воду, падение грузов в воду
в автомобильной и шинной промышленностях: аквапланирование колеса, моделирование работы эластичных уплотнений, динамические нагружение и деформация спойлеров и других выступающих частей, срабатывание автомобильной подушки безопасности и др.
в двигателестроении, производстве турбомашин, ветряков: сопряженный теплообмен и термопрочность, деформация лопаток турбин и компрессоров потоком газа и центробежной силой, масляные уплотнения
в строительстве: ветровая нагрузка на высотные здания и сооружения, прочность остекления и пр.
Для решения задач взаимодействия жидкости и конструкций компания ТЕСИС предлагает новый продукт - FSI, осуществляющий интеграцию прочностных программных комплексов
и программы решения задач аэро-гидродинамики FlowVision.
FSI на основе интегрирации FlowVision и Abaqus
FSI позволяет моделировать взаимодействия жидкости и конструкций в нестационарной постановке, решать междисциплинарные задачи гидро- и аэроупругости,
в том числе, для 2-х фазной среды (вода + воздух), учитывать сильное и слабое взаимодействие между жидкостью и конструкцией, включая сопряженный теплообмен и термопрочность.
Интеграция Abaqus и FlowVision осуществляется на основе их прямого сопряжения. Двухстороннее пррямое сопряжение Abaqus - FlowVision позволяет отказаться от использования сторонних программ или промежуточных программных структур, таких, как MpCCI,
решающих задачу интерполирования решения с конечно-элементной (КЭ) сетки, использующейся в Abaqus, на конечно-объемную сетку, использующейся во FlowVision, и обратно.
При этом используется уникальная возможность программного комплекса FlowVision - автоматическая генерация конечно-объемной расчетной сетки
с подсеточным разрешением криволинейной границы расчетной области, образованной конечно-элементной сеткой.
Для сопряжения решений, генерируемых обоими программными комплексами, используется явный метод расщепления. В рамках этого метода весь процесс расчета разбивается на небольшие шаги по времени.
Программный комплекс Abaqus моделирует кинематику и деформацию конструкции в течении каждого такого шага по времени под воздействием нагрузки, полученной из программного комплекса FlowVision.
Перемещения узлов КЭ сетки, приходящие в FlowVision из Abaqus на каждом шаге по времени приводят к изменению области течения (конечно-объемной сетки) в FlowVision и вычислению новых гидродинамических характеристик течения.
Цикл расчетов и обменов информацией между Abaqus и FlowVision повторяется в течение всего процесса моделирования.
Преимуществом такого подхода является полностью консервативный перенос физических величин с одной сетки на другую и минимум ошибок аппроксимации.
Пользователю требуется сделать минимум действий для настройки совместного решения задачи как в Abaqus, так и во FlowVision.
FSI на основе интегрирации FlowVision и APM WinMachine
Решать задачи взаимодействия жидкости и конструкции можно с помощью отечественных программных решений.
APM WinMachine – это CAE-система автоматизированного расчёта и проектирования машиностроительных конструкций и оборудования.
Расчетная среда APM позволяет проводить:
статический расчёт
расчёт устойчивости
расчёт собственных частот и вынужденных колебаний
расчёт трещиностойкости
усталостный расчёт
расчёт с учетом геометрической и физической нелинейностей, а также расчёт контактного взаимодействия
расчёт слоистых композитов и конструкций из них
Для решения мультифизичных задач применяется комплекс APM Multiphysics, позволяющий проводить тепловой и прочностной анализ твёрдых тел, а также одно/двух сторонний сопряженный анализ течений жидких и газовых сред и твердых тел, в том числе, сопряженный анализ процессов теплообмена.
Для решения совместных задач APM и FlowVision используется коннектор «Abaqus Direct Coupling».
Коннектор обеспечивает двунаправленную связь (Two-Way Coupled Fluid Structure Interaction) между расчётными комплексами: из APM поступают данные о деформации модели и расчёте теплообмена внутри конструкции, а из FlowVision - результаты гидро-газодинамического расчёта нагрузок на конструкцию с учётом теплообмена между конструкцией и жидкостью.
Пример: Моделирование течения жидкости и теплообмена связкой FlowVision – APM WinMachine
В задаче рассматривается течение горячей жидкости в стальной трубе под высоким давлением.
Под действием давления происходят механические деформации проточной части трубы и, как следствие, увеличение массового расхода жидкости.
Кроме того, перепад температур между внешней частью трубы и проточной частью вызывает температурные деформации конструкции. Таким образом, примененный подход связанного моделирования позволяет комплексно оценить деформации конструкции и рассчитать изменение расхода жидкости.
Познакомьтесь с видеоуроком по FSI моделированию в связке Apm + Flowvision
Примеры решения задач взаимодействия жидкости и конструкций
Применение технологии FSI при расчете наземной антенны спутниковой связи, pdf, 231КБ
ТЕСИС
Корректно определить суммарные ветровые нагрузки на рефлектор антенны и на элементы его конструкции возможно при применением технологии FSI (fluid-structure interaction).
Проведенное численное моделирование с использованием технологии FSI напряженно-деформированного состояния конструкции
при различных вариантах нагружения показало эффективность SIMULIA Abaqus и FlowVision HPC для решения инженерных задач подобного рода.
Моделирование сильного взаимодействия между жидкостью и конструкцией в авиационных приложениях, pdf: 407КБ
ТЕСИС (доклад на Седьмой Международной выставке и научной конференции по гидроавиации "Гидроавиасалон-2008", г.Геленджик)
Представлен подход к построению модели для численного моделирования динамики движения упругого тела (гидро-аэроупругость).
Подход основан на двухстороннем прямом сопряжении программы FlowVision (моделирование течения жидкости, нагрузок на элементы конструкции) и
программы Abaqus (мОделирование напряженно-деформированного состояния элементов конструкции и динамики движения упругой конструкции в целом).
Рассматривается приводнение вертолета с эластичными баллонетами. Внешние силы, действующие на упругие элементы конструкции – вес и гидродинамическая сила со стороны воды.
Методика позволяет получить полную информацию о физических процессах, как в части аэрогидродинамики летательного аппарата, так и о напряженно-деформированном состоянии конструкции и принимать решения на основе комплексного анализа...
Анализ задач взаимодействия «жидкость — конструкция» с использованием программных комплексов Abaqus и FlowVision, pdf, 220КБ
ТЕСИС
Подход к моделированию задач взаимодействия «жидкость — конструкция» (Fluid Structure Interaction, FSI) основан на двустороннем взаимодействии между прочностным кодом Abaqus
и аэрогидродинамическим кодом FlowVision.
Предложенное решение позволяет обеспечить двустороннюю передачу данных между Abaqus и FlowVision.
Точность аппроксимации уравнений сохраняется как в областях расчета динамики жидкости и прочности конструкции, так и на границе взаимодействия.
В качестве примера представлено моделирование работы манжетного уплотнения, находящегося на подвижном штоке.
Анализ акустического шума автомобильной шины при помощи программных комплексов LMS Virtual.Lab Acoustic, Abaqus и FlowVision, pdf: 125КБ
ТЕСИС
Рассмотрены основные механизмы генерации звука автомобильной шиной и подходы к его анализу с использованием современных программных комплексов инженерного анализа LMS Virtual.Lab Acoustic, Abaqus, FlowVision.
Показано, как при помощи программных комплексов Abaqus и FlowVision можно производить анализ и расчет источников аэродинамического звука и вибраций,
а в программном комплексе LMS Virtual.Lab Acoustic рассчитывать акустическое поле в окружающем пространстве, вызванное этими источниками.
Моделирование работы эластичного уплотнения двери автомобиля.
Моделирование течения и расчёт тепловых напряжений в выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания.
Главный офис: 127083, Россия, Москва, ул. Юннатов, дом 18, 7-й этаж, оф.705,
схема проезда Представительство в Нижнем Новгороде: ул. Ульянова, 10А,офис 60, тел./факс: (831) 435-1477
Представительство в Санкт-Петербурге: Митрофаньевское ш., д.2, к.1, лит.К, офис 15 (БЦ «Адмирал», 3-й этаж)
тел./факс: (812) 380-8295, станция метро "Балтийская"
