Для решения задач взаимодействия жидкости и конструкций (Fluid Structure Interaction) компания ТЕСИС предлагает новый продукт - FSI, осуществляющий интеграцию прочностных программных комплексов
и программы решения задач аэро-гидродинамики FlowVision.
Совместный FSI-расчет без программ-посредников доступен для следующих конечно-элементных пакетов:
SIMULIA Abaqus
MSC Nastran
APM WinMachine
FIDESYS
Области применения FSI в различных отраслях:
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 автомобильной и шинной промышленностях:
- аквапланирование колеса
- моделирование работы эластичных уплотнений
- динамические нагружение и деформация спойлеров и других выступающих частей
- срабатывание автомобильной подушки безопасности
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 двигателестроении, производстве турбомашин, ветряков:
- сопряженный теплообмен и термопрочность деталей и агрегатов
- деформация лопаток турбин и компрессоров потоком газа и центробежной силой
- масляные уплотнения
в медицине:
- моделирование работы сердечно-сосудистой системы
- движение/деформации сердечных клапанов
- моделирование стентов
- работа АВК (аппаратов вспомогательного кровообращения)
в строительстве:
- ветровая нагрузка на высотные здания и сооружения
- прочность остекления и пр.
FSI на основе интеграции 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 интеграции 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 моделирования 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
Численное моделирование внешнего обтекания спортсмена, pdf: 3,7МБ
ТЕСИС
В работе описывается моделирование процесса внешнего обтекания подвижного спортсмена с целью определения его интегральных характеристик при различных режимах набегающего потока и режимах его движения.
Численное моделирование выполнено с помощью программного комплекса FlowVision, построенного на решении набора уравнений, описывающих движение жидкости и/или газа в расчетной области, в том числе уравнений сохранения массы, импульса и энергии, уравнений состояния, уравнений моделей турбулентности.
Учитываются подвижные границы расчетной области, изменяющаяся геометрическая форма которых моделирует фазы движения спортсмена, при прохождении трассы. Решение системы уравнений выполняется на декартовой сетке с локальной адаптацией в области высоких градиентов давлений
или сложной геометрической формы границы расчетной области. Используется метод конечных объемов, с расщеплением по физическим процессам. Разработанная методика была апробирована на примере спортсменов, совершающих прыжки на лыжах с трамплина, в рамках подготовки к Олимпиаде в Сочи в 2014 году.
Сравнение результатов численного и натурного эксперимента показало хорошую корреляцию.
Технология моделирования состоит из следующих этапов:
1) разработка постановки задачи внешнего обтекания спортсмена в обращенной постановке, где неподвижный объект исследования обтекается набегающим потоком, со скоростью, равной скорости движения объекта
2) разработка технологии изменения геометрической формы границы расчетной области в зависимости от фазы движения спортсмена; разработка методики численного моделирования, включающей в себя определение дискретизации по времени и пространству за счет выбора шага интегрирования и измельчения объемной расчетной сетки
3) проведение серии расчетов с использованием геометрических и динамических данных спортсмена.
Описанная методика универсальна и применима для любых других видов спорта, биомеханических, природных и подобных им технических объектов.
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.
в авиации:
в автомобильной и шинной промышленностях:
в судостроении:
в двигателестроении, производстве турбомашин, ветряков:
в медицине:
