7 - 2006

FSI-технологии ANSYS

Михаил Плыкин

Технология FSI

Примеры связанных расчетов

Полные возможности FSI

FSI-технология — будущее CAE-расчетов

При моделировании сложных физических процессов довольно часто возникает необходимость одновременно рассматривать все факторы, действующие на объект в данный момент. К таким задачам относятся, например, расчет вибрации лопаток в газотурбинном двигателе (вызванные упругими характеристиками детали и потоком газа) или ветровое нагружение строительных конструкций.

Технология FSI

В расчетном комплексе ANSYS начиная с версии 10.0 реализована связь между анализом напряженно-деформированного состояния (НДС) и гидродинамическим расчетом в виде технологии, именуемой Fluid-Structure Interaction (FSI). В качестве гидродинамического пакета используется ANSYS CFX,  а для расчета НДС — ANSYS Mechanical либо Multiphysics. В зависимости от постановки задачи применяется та или иная схема взаимодействия между решателями.

При так называемом одностороннем взаимодействии происходит однократная передача информации из одного решателя (расчета) в другой. Например, при расчете ветровых нагрузок на строительные конструкции деформации объекта минимальны, но в конструкции могут возникать довольно большие напряжения. В этом случае после расчета аэродинамики в ANSYS CFX полученное распределение давления по поверхности объекта передается в ANSYS, где используется в качестве исходной нагрузки для расчета НДС.

Подобная технология реализована также в среде ANSYS Workbench.

Характерная особенность этой технологии — то, что расчетные сетки на интерфейсных поверхностях могут не совпадать: ANSYS автоматически выполнит процедуру интерполяции. Для передачи данных пользователю необходимо указать лишь путь к файлу результатов ANSYS CFX (*.res).

Схема взаимодействия расчетных модулей показана на рис. 1. Имеется возможность передавать или поверхностные нагрузки из ANSYS CFX в ANSYS Mechanical, или перемещения из ANSYS Mechanical в ANSYS CFX.

Рис. 1. Схема одностороннего взаимодействия

Рис. 1. Схема одностороннего взаимодействия

В начало В начало

Примеры связанных расчетов

Рассмотрим работу одностороннего интерфейса на примере расчета воздействия потока на крыло самолета. Поверхностная геометрическая модель описывает несущую поверхность крыла, стрингеры и нервюры. Для анализа НДС использовались  элементы shell181, которые были применены для всей геометрии (рис. 2).

Рис. 2. Геометрическая модель крыла

Рис. 2. Геометрическая модель крыла

Для расчета течения на основе данной геометрии была построена модель, импортируемая в ANSYS CFX.

Расчетная сетка получена в модуле ICEM Hexa (рис. 3).

Рис. 3. Расчетная сетка для CFD

Рис. 3. Расчетная сетка для CFD

Расчет был произведен с использованием переходной модели турбулентности SST-Transitional turbulence model. Размерность модели составила 1,5 млн. гексаэдров. Угол атаки к набегающему потоку — 10°.

После расчета течения (рис. 4) поверхностное давление передавалось из CFX в ANSYS Workbench (в качестве одного из факторов нагружения). Происходила автоматическая интерполяция расчетных данных на существующую сетку (оболочечные элементы) и решение (рис. 5).

Рис. 4. Картина течения

Рис. 4. Картина течения

Рис. 5. Результаты расчета НДС (напряжения)

Рис. 5. Результаты расчета НДС (напряжения)

При  расчете запорной арматуры технология FSI позволяет одновременно учитывать нагрузки от течения среды, теплообмен в изделии и внешние нагрузочные факторы. На рис. 6 показан  один из возможных вариантов расчета: начинаем с построения CAD-модели, далее создаем расчетную сетку, выполняем CFD-расчет и анализ НДС с учетом распределения давления внутри клапана.

В такой постановке оптимально решение задач, в которых напряжения более существенны, нежели деформации, например анализ на ветровые нагрузки слабодеформируемых строительных конструкций.

Подобным образом передаются и температуры из ANSYS CFX (для интерполяции на модель) в ANSYS Mechanical.

Рис. 6. Пример расчета запорной арматуры

Рис. 6. Пример расчета запорной арматуры

В начало В начало

Полные возможности FSI

Двусторонний интерфейс  предполагает более «физический» подход к рассмотрению расчетной проблемы. Общая расчетная схема будет носить  нестационарный характер, однако временные шаги в ANSYS CFX и ANSYS Mechanical могут быть различными. Этим способом решаются задачи сопряженного теплообмена и термопрочностного анализа, флаттера несущих поверхностей и вибраций в лопаточных  машинах (рис. 7).

Для запуска ANSYS в данном режиме существует специальный режим интерфейса MFX-ANSYS-CFX, доступный из стандартного меню ANSYS Launcher.

Рис. 7. Схема взаимодействия решателей при двустороннем интерфейсе

Рис. 7. Схема взаимодействия решателей при двустороннем интерфейсе

Перед запуском необходимо определить все параметры задачи: отдельно в ANSYS CFX и в ANSYS Mechanical. Далее оба решателя работают поочередно.

В текущей версии для ANSYS CFX доступна функция распараллеливания при работе в данном режиме. Расчетные пакеты могут также работать  на разных вычислительных системах в целях ускорения  счета.

Подобный тип анализа находит применение во многих отраслях, начиная от биомедицинской инженерии и микромеханики и заканчивая газовыми турбинами и самолетами.

Кроме того, возможен такой тип взаимодействия, как заданное движение объекта. При  известных параметрах  колебаний лопаточных венцов (например, из расчета собственных форм колебаний) в ANSYS Mechanical можно задать подобное изменение формы в расчете ANSYS CFX. По результатам моделирования получается зависимость параметров течения от вибраций лопаток.

При расчете расходных характеристик клапанов в условиях изменения проходного сечения часто необходима перестройка геометрии и расчетной сетки. Возможности ANSYS CFX упрощают этот процесс. На рис. 8 показан пример расчета расходной характеристики  дроссельного клапана.

Рис. 8. Дроссельный клапан

Рис. 8. Дроссельный клапан

На рис. 9 представлена расчетная сетка в различные моменты времени. Для этого вводятся дополнительные переменные перемещения и определяется их зависимость от физического времени или от других параметров. В процессе нестационарного расчета происходит вычисление этих величин и соответствующее изменение параметров сетки.

Рис. 9. Вид расчетной сетки в различные моменты времени

Рис. 9. Вид расчетной сетки в различные моменты времени

В начало В начало

FSI-технология — будущее CAE-расчетов

Использование связанных решателей при современном уровне развития систем проектирования совершенно необходимо для получения достоверных результатов при расчете сложных физических явлений. Лопаточные машины, строительные конструкции, запорная арматура, теплообменное оборудование, биомеханика — вот лишь краткий перечень сфер применения FSI-технологии.

Интеграция в ANSYS  нескольких современных решателей позволяет более широко использовать этот расчетный пакет при проектировании.

В начало В начало

САПР и графика 7`2006