FSI-технологии ANSYS
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
 |
|
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
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
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. 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
|
|
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
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
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
|
|
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.
|
|
