Инженерные программы: Собственные разработки

Серия вебинаров о вычислительной гидродинамике в рамках форума "Инженерные системы 2022"

Инженерные программы:
Собственные разработки и решения

Инженерные программы:
Трансфер технологий

Измерительные приборы и
оборудование

ГлавнаяИнженерные программы: Собственные разработки

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 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.

FSI: взаимодействие FlowVision и Abaqus через модуль MPM

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.

Явная процедура сопряжения FlowVision и Abaqus

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.

FV APM

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.

Подробнее смотрите здесь.





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.

Оптимизация дульного тормоза артиллеристского орудия c использованием программных комплексов FLOWVISION и IOSO, pdf: 1849КБ
ЦНИИ «Буревестник», г. Нижний Новгород, ЗАО «СИГМА Технология», г. Москва, ТЕСИС
Поскольку применение дульного тормоза (ДТ) существенно уменьшает отдачу орудия, оптимизация формы ДТ может значительно улучшить характеристики орудия. Задача определения оптимальной формы многокамерного дульного тормоза решалась с использованием CAD-системы SolidWorks, CFD–системы FlowVision и интеграционно-оптимизационной платформы IOSO. Разработанная методика позволяет проводить оптимизацию ДТ в автоматическом режиме, что обеспечивает уменьшение трудозатрат и машинного времени, необходимых для разработки новых конструкций дульного тормоза. Проведенное исследование по оптимизации дульного тормоза артиллеристского орудия показывает, что разработанная методика позволяет находить геометрические параметры, при которых обеспечивается улучшение характеристик ДТ относительно исходного варианта.
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.
Применение технологии FSI при расчете наземной антенны спутниковой связи

Другие материалы по этой теме вы найдёте в разделах:
- Опыт использования FlowVision в задачах взаимодействие «жидкость — конструкция»
- Опыт использования Abaqus в задачах взаимодействие «жидкость — конструкция»


© ТЕСИС, сайты: www.tesis.com.ru; www.flowvision.ru; flowvisioncfd.com;
Тел./факс: +7(495) 612-4422, 612-4262, info@tesis.com.ru, написать письмо, подписаться на новости
Политика конфиденциальности

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"