Anwenden von mit Autodesk CFD berechneten Fluidrandreaktionen auf eine Simulation Mechanical-Spannungsberechnung

Die Interoperabilität zwischen Autodesk® Simulation CFD und Autodesk® Simulation Mechanical unterstützt Fluid-Struktur-Interaktion (FSI). Insbesondere ist diese Implementierung eine Art von unidirektional gekoppelter Multiphysics-Analyse. Sie wenden die Reaktionen am Fluidrand (d. h. die Ergebnisse von statischem Druck) einer CFD-Simulation als Lasten auf ein Strukturanalysemodell an. Die Software wandelt den statischen CFD-Druck (an den Fluid-Bauteil-Grenzen) in Kräfte an Knoten im mechanischen Modell um.

Die Netze müssen nicht identisch sein, jedoch müssen beide Netze auf der gleichen CAD-Geometrie basieren. Der Interoperationsprozess überprüft, ob das CFD-Modell und das Mechanical-Modell eine übereinstimmende CAD-Geometrie aufweisen. Die Vernetzungsanforderungen für CFD und Strukturanalysen können sich erheblich unterscheiden. Die Zuordnung des auf die Elementflächen eines Netzes wirkenden Drucks zu den auf die Knoten eines ungleichen Netzes wirkenden Kräften bietet erhebliche Modellierungsflexibilität. Dieser Vorgang ermöglicht es Ihnen, den für den jeweiligen Analysetyp am besten geeigneten Typ von Netz zu verwenden.

Die folgenden Simulation Mechanical-Analysetypen unterstützen FSI-Arbeitsabläufe unter Verwendung von Autodesk CFD-Ergebnissen:

Anmerkungen:
  1. Für linear statische Spannungsanalysen enthält die Tabelle Lastfall-Multiplikatoren im Dialogfeld Analyseparameter eine Spalte namens Fluidreaktion. Sie können die Reaktionskräfte aus einer Autodesk CFD-Analyse als Last in mehreren Lastfällen und mit unterschiedlichen Multiplikationsfaktoren anwenden.
  2. Wenn Sie in Simulation Mechanical eine nichtlineare Analyse ausführen, müssen Sie mit der Lastkurve 1 die Größe der Fluidreaktionskräfte als Funktion der Zeit steuern. Verwenden Sie die Lastkurve 2 und höher, um andere angewendete Lasten zu steuern.

Die Simulation CFD-Fluidströmungsanalyse kann stationär oder transient sein. Wenn die CFD-Analyse transient ist, müssen Sie jedoch einen einzelnen Zeitschritt auswählen, dessen Ergebnisse auf das Simulation Mechanical-Modell angewendet werden.

Derzeit ist Fluid-Struktur-Interaktion zwischen CFD und Mechanical auf 3D-Modelle beschränkt, die auf CAD-Volumenkörpergeometrie basieren.

Beispiel

Hier ist ein Beispiel für eine unidirektionale FSI. Bestimmen Sie, ob ein Produkt, in diesem Fall ein Lampenmast, der Windlasten bei Extremwetter standhält. Schließen Sie in das CAD-Modell einen Fluidbereich ein, der den obererdigen Abschnitt des Lampenmasts umfasst.

Importieren Sie das CAD-Modell in Autodesk CFD. Definieren Sie das Fluid als Luft. Geben Sie eine Fließgeschwindigkeit von 150 Meilen pro Stunde (unsere Windgeschwindigkeit) an der Fluideinlassfläche an. Führen Sie die erforderliche Vernetzung durch, richten Sie eine stationäre Strömungsanalyse ein, und führen Sie die Simulation aus.

Abbildung 1: Ergebnisse der CFD-Analyse für statischen Druck

Importieren Sie die gleiche CAD-Geometrie nach Simulation Mechanical, unterdrücken Sie jedoch das Bauteil, das die Luft darstellt. Schränken Sie den unteren Teil des Masts (untererdiger Abschnitt) ein. Geben Sie die Quelle der Fluidreaktionskräfte an: die CFD-Studie und das Entwurf-Szenario. Führen Sie die erforderliche Vernetzung durch, richten Sie eine lineare statische Spannungsberechnung ein, und führen Sie die Simulation aus.

Abbildung 2: Ergebnisse der Mechanical-Analyse der von Mises-Spannung und des Verschiebungsbetrags.

Vorgang

Achtung: Es ist nicht erforderlich, identische Einheitensysteme in einem Autodesk CFD-Modell und dem entsprechenden Simulation Mechanical-Modell zu verwenden. Die Kraft- und Längeneinheiten sowie -größen der CFD-Ergebnisse werden automatisch konvertiert. Autodesk CFD unterstützt jedoch nicht die Längeneinheit µm. Vermeiden Sie daher, Mikrometer in einem CAD-Modell als Basis der CFD- und Simulation Mechanical-Analysen zu verwenden.
  1. Richten Sie in Autodesk CFD die Strömungssimulation ein, und führen Sie sie durch. In dieser Phase sind das Fluidbauteil und das Volumenbauteil aktiv.
  2. Für die Interoperabilität ist es nicht erforderlich, dass die beiden Simulationsprogramme auf demselben Computer installiert sind. Wenn sich Autodesk CFD und Mechanical auf verschiedenen Arbeitsstationen befinden, übertragen Sie die CFD-Modelldateien auf die Mechanical-Arbeitsstation. Um das Übertragen der erforderlichen Dateien zu erleichtern, archivieren Sie die Studie mit Ergebnissen. Kopieren Sie anschließend die *.cfz-Datei auf den Computer, auf dem die Analyse mit Mechanical erfolgt, und extrahieren Sie den Inhalt. Die *.cfz-Datei ist ein ZIP-Standardarchiv, das Sie mit Ihrem bevorzugten Verwaltungsprogramm für ZIP-Dateien verknüpfen können.
    Wichtig: Wenn Sie CFD und Mechanical auf derselben Arbeitsstation ausführen, beenden Sie Autodesk CFD, bevor Sie fortfahren. Durch Beenden von Autodesk CFD wird die Studie geschlossen, und alle Ergebnisdateien werden freigegeben, sodass Simulation Mechanical ordnungsgemäß auf sie zugreifen kann.
  3. Importieren Sie dasselbe CAD-Modell nach Simulation Mechanical. Unterdrücken Sie das Fluid-Bauteil, das in der Strukturanalyse nicht verwendet wird. Es werden nur Volumenbauteile berücksichtigt.
  4. Öffnen Sie im Dialogfeld Analyseparameter die Registerkarte Fluidreaktionen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese Registerkarte zu öffnen:
    • Klicken Sie auf Setup Lasten CFD-Ergebnisse Fluidreaktionen.
    • Klicken Sie auf Setup Modell einrichtenParameter, um das Dialogfeld Analyseparameter zu öffnen. Klicken Sie dann auf die Registerkarte Fluidreaktionen.
    • Klicken Sie im Browser mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Berechnungsart, und wählen Sie den Befehl Analyseparameter bearbeiten aus. Klicken Sie dann auf die Registerkarte Fluidreaktionen.
  5. Wählen Sie im Pulldown-Menü Quelle - Lasten die Option Autodesk CFD-Datei aus.
    1. Klicken Sie auf Durchsuchen, und navigieren Sie zu dem Ordner, der die CFD-Studie enthält. Wählen Sie die entsprechende *.cfdst-Datei aus, und klicken Sie auf Öffnen.
    2. Wählen Sie mithilfe des Pulldown-Menüs direkt unter dem Pfad und Dateinamen der Entwurfsstudie das Entwurf-Szenario aus dem CFD-Modell aus, das verwendet werden soll.
    3. Sie müssen angeben, welcher Schritt für die Reaktionen verwendet werden soll, wenn eine der folgenden beiden Bedingungen zutrifft. Wählen Sie im Dropdown-Menü Welcher Schritt soll verwendet werden? den Schritt aus. Diese Option wird nicht im Dialogfeld angezeigt, wenn nur ein Schritt für die Eingabe verfügbar ist.
      • Das ausgewählte Entwurf-Szenario ist eine transiente Strömungsanalyse, von der mehrere Schritte ausgegeben wurden.
      • Das ausgewählte Entwurf-Szenario ist eine stationäre Analyse, für die Sie das Speichern von Zwischenschritten ausgewählt haben.
  6. Klicken Sie im Dialogfeld Analyseparameter auf die Registerkarte Allgemein, und geben Sie die gewünschte Multiplikatoren in der Spalte Fluidreaktion für jeden Lastfall an.
  7. Führen Sie alle erforderlichen Schritte für Vernetzung und Modelleinrichtung aus. (Fügen Sie Abhängigkeiten hinzu, wenden Sie andere Lasten an, definieren Sie Materialeigenschaften, andere Lastfall-Multiplikatoren usw.)
  8. Führen Sie die Simulation aus.
  9. Zusätzlich zum Anzeigen von Spannungs-, Dehnungs- und Verschiebungsergebnissen können Sie die angewendeten Fluidreaktionslasten überprüfen. Klicken Sie auf Ergebniskonturen Sonstige Ergebnisse Reakt. Angewendete Kraft, und wählen Sie eine der verfügbaren Optionen aus:
    • Größe
    • X
    • Y
    • Z
    • Vektorplot
    Anmerkung: Durch die Lastzuordnung und -interpolation wird ein geringer Betrag an Abweichung zwischen den CFD-Wandkräften und den Mechanical-Reaktionskräften erzeugt. Diese Abweichung wird durch die unterschiedliche Größe, Form und Ausrichtung der Elementflächen von CFD-Netzen und Mechanical-Netzen verursacht. Die relativen Ergebnisse für Fluidrandkräfte weichen in der Regel nicht mehr als 10 oder 15 % voneinander ab.
    Tipp: Sie erzielen in der Regel bessere Ergebnisse, wenn das Mechanical-Netz enger als das CFD-Netz ist.
Übergeordnetes Thema: Interoperabilität mit Autodesk® CFD