ピストンコンプレッサ・ボール型流体バルブ：CONVERGEによるAbaqus連成・流体構造連成シミュレーション事例
皆さま、こんにちは。
IDAJの水島です。
「CONVERGE」の最新バージョンでは、統合有限要素法解析プログラム「SIMULIA Abaqus Unified FEA」との連成解析が可能になりました。
流体力によって構造物が変形し、流路が変わって流れ場が変わり、また変形量が変わり・・・といった流体-構造関連振動は、古くから工学的に重要な現象であり、1940年にアメリカで発生したタコマ橋崩壊事故はあまりに有名です。秒速20メートルの風に吊り橋の橋桁が共振して崩壊し、その過程が動画として記録されていたために様々なメディアで取り上げられています。
シミュレーション分野で言うと、構造解析と流体解析はここ50年ほどの間に、別々に発展してきました。さらに、数十年前からは、いくつかのシミュレーションソフトウェアを組み合わせて、流体-構造連成解析が行われるようになり、解析事例が多数公開されていますが、複数のソフトウェアを連携する場合、多くの困難がともなったことも事実だったと考えています。
連成時の課題には、このようなものがあったのではないでしょうか？
・異なるソフトウェア間で接続する手間がかかる
・メッシュサイズ、時間刻み幅の不一致による不具合が発生した
・流体メッシュ作成が困難なので、移動範囲を限定せざるを得なかった
・詳細形状での解析をあきらめ、簡易化せざるを得なかった
これまでの一般的なCFDソフトウェアでは、あらかじめ移動範囲や移動方向を考慮し、内部流体メッシュが壊れないかを想定しながら設定する必要がありました。これが流体-構造連成解析の適用範囲を狭め、実用的な運用を阻んでいた大きな原因の一つではないでしょうか？
CONVERGEは、流体計算を実施しながら内部流体メッシュを作成するため、表面形状が交差しない限りはメッシュが必ず自動作成され、流体計算を行うことができます。これによって、他の一般的なソフトウェアでは不可能であった解析対象や複雑な移動境界問題へも適用でき、CFDの可能性を広げることができると考えています。
CONVERGEでは、流体構造連成解析機能のことをFSI（Fluid Structure Interaction）と呼びますので、本ブログもその呼び名で統一させていただきます。
ここからは、CONVERGEのFSI事例をいくつかご紹介します。
CONVERGEだけで実施するFSI解析（1） ～剛体要素～
CONVERGEのみでFSI解析を実施した事例です。
構造物を剛体としてモデル化し、移動・回転の自由度を考慮して運動を解いています。
こちらは、ピストンコンプレッサの例です。吸気側、吐出側それぞれにバルブがついており、作用する流体力でバルブが開き、バルブに接続されているバネ力が復元力となっています。このバルブの移動量が、力のつり合いによって成り行きで決まっている点がポイントです。
ボール型の流体バルブももちろん考慮することができます。こちらの事例では、インジェクタシステム全体はGT-SUITEでモデル化し、コントロールバルブの挙動はCONVERGEで解いて連成しています。
CONVERGEだけで実施するFSI解析（2） ～ビーム要素～
こちらもCONVERGEのみでFSI解析を実施した事例ですが、2つのリードバルブを1次元ビーム要素と仮定してCONVERGE内部で構造物の変形量を求めています。右側のリードバルブは片持ち梁、左側のリードバルブは両端固定の梁要素としています。
どのような動きでも解析できるという特長が生かせていますし、AMRという解適合格子機能によって、速度勾配が大きい時にのみ細かいメッシュが自動配置されていることもわかります。必要な時に必要な箇所にのみ細かいメッシュを配置することができ、効率よく精度の高い計算を行うことができます。
CONVERGE-Abaqusによる流体構造連成解析
Abaqusを動的にカップリングすることによって、構造物のより一般的な変形や接触などを考慮した流体構造連成解析が実現できます。構造物内部の解析も行いますので、ゴムや樹脂材料などの非線形材料を考慮した構造物との連成解析も可能です。
以下の例は、構造物後方に配置した梁が流体励起振動を起こす事例で、論文結果との比較を行っており、梁の変形量がよい精度で予測できていることを示しています。
CONVERGEとAbaqusとのメッシュトポロジーが異なっていても、また、時間刻み幅が異なっていても、Cosimulation APIが両者を補間しますので、特別な設定は不要です。CONVERGEのライセンスとAbaqusのライセンスをお持ちであれば実行可能で、その他サードパーティーのツールを導入していただく必要はありません。
CONVERGEを使った流体構造連成解析は、以下のような課題への適用を想定することができます。
【適用課題例】
・航空機分野：翼の振動、フラッター、変形
・自動車分野：燃料タンク、流体バルブ
・化学分野：ミキサー
・重工分野：タービン、各種圧力動作弁
・医療分野：血管、人工ポンプ
・その他
CONVERGEのFSI事例をご紹介いたしました。少しでもご興味のある事例や、ご自身のご業務に対してどのように適用すれば良いかなど、ご相談程度で結構ですので弊社までお気軽にお問い合わせください。
本テーマも含め、CONVERGEのご紹介セミナーを開催中です。ぜひご視聴ください。
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