Acoplamento CFD-FEA no Simcenter – reduzindo pressão e tensões
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Para que os engenheiros colaborem eficazmente em aplicações multidisciplinares, é crucial poder transferir resultados de forma rápida, fácil e confiável de um modelo de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para um modelo de Elementos Finitos (FE) de mecânica estrutural. Com o Simcenter STAR-CCM+, você pode transferir resultados de simulação para o Simcenter 3D (acoplamento CFD-FEA) utilizando um formato de dados comum
Modelar a complexidade de aplicações multifísicas
A engenharia mecânica é um ramo da engenharia que combina princípios da física e da matemática aplicadas à engenharia com a ciência dos materiais, para projetar, analisar, fabricar e manter sistemas mecânicos. (Fonte: Wikipedia)
De acordo com a definição acima, a engenharia mecânica trata do projeto e da análise de sistemas mecânicos. Mas, antes mesmo de ser possível projetar ou analisar qualquer sistema mecânico, é imprescindível um conhecimento detalhado das condições de operação e das cargas de serviço esperadas.
Exemplo de um desastre de engenharia recente
A incapacidade de prever as condições operacionais e as cargas de serviço levou a inúmeros desastres de engenharia. Um exemplo bastante recente é o naufrágio do navio MOL Comfort no Oceano Índico, ocorrido em 17 de junho de 2013.
O acoplamento CFD-FEA pode ajudar a prever cargas de serviço e condições de operação para aplicações multifísicas. Continue lendo este blog para descobrir como usar os resultados de um modelo CFD para definir as cargas de serviço de um modelo de elementos finitos de mecânica estrutural.
Acoplamento CFD-FEA para a estrutura do casco de um barco
Uma embarcação com comprimento total de 5,5 m e peso total de 1600 kg (800 kg referentes apenas à embarcação) navega a 5 m/s através de uma série de ondas com altura de 1 m. O objetivo é analisar, de forma prática, a deflexão do painel inferior do casco.
Simulação CFD de um pequeno barco em ondas. O campo de pressão no casco fornece a entrada fundamental para uma simulação de acoplamento CFD-FEA
Acoplamento CFD-FEA para analisar a deflexão de forma prática
Os modelos de dinâmica de fluidos e mecânica estrutural são frequentemente construídos por analistas diferentes. Um processo que permita um acoplamento suave e eficiente entre CFD e FEA é fundamental.
Do ponto de vista da física, é razoável assumir que a deflexão dos painéis é pequena em comparação com o movimento de corpo rígido da embarcação. Portanto, podemos assumir que a deflexão dos painéis não terá um impacto significativo no fluxo.
Em outras palavras, podemos assumir que a deflexão dos painéis está acoplada unidirecionalmente na direção fluido-estrutura. A pressão do fluido deflete os painéis, mas a deflexão dos painéis não afeta o fluxo.
Mantenha-se integrado com o acoplamento CFD-FEA no ambiente Simcenter
Configure seu modelo CFD no Simcenter STAR-CCM+
A primeira parte do processo consiste em configurar o modelo de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) no Simcenter STAR-CCM+. Aqui, assumimos que o barco é rígido e, portanto, podemos modelá-lo como um corpo com seis graus de liberdade (6DOF). A massa, o centro de massa e os momentos de inércia do barco são entradas para o modelo 6DOF e podem ser obtidos do modelo de elementos finitos da estrutura.
Exporte os resultados da sua simulação para o arquivo de dados do Simcenter
Enquanto o barco navega pelas ondas, o Simcenter STAR-CCM+ exporta a pressão exercida no painel inferior do casco para um arquivo. Não qualquer arquivo, mas um Arquivo de Dados do Simcenter com a extensão .scd5.
O Simcenter STAR-CCM+ exporta a pressão do painel na malha nativa de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) e a frequência de amostragem corresponde ao tamanho do passo de tempo do solver de fluxo. Portanto, para o modelo em questão, o arquivo de dados do Simcenter exportado pode ser considerado uma fonte de dados persistente com a maior fidelidade possível no espaço e no tempo.
Importe a pressão no Simcenter 3D
Em seguida, o engenheiro de CFD entrega o arquivo de dados do Simcenter aos analistas de mecânica estrutural. Essa equipe importa a pressão do casco para o Simcenter 3D. Após a importação, o Simcenter 3D armazena a pressão no arquivo de simulação como uma tabela de campos.
A estrutura do barco é considerada rígida. Portanto, uma restrição de fixação é aplicada sempre que o painel inferior se conecta à estrutura. A pressão do fluido importado é definida como uma carga e interpolada automaticamente no espaço e no tempo. O solver utilizado é o Simcenter Nastran Solution 401.
Um acoplamento CFD-FEA eficiente
A animação abaixo mostra o painel inferior do casco da perspectiva de um mergulhador durante cerca de um terço do período da onda.
Na parte esquerda da animação, podemos ver a pressão do fluido calculada com a ajuda do modelo CFD Simcenter STAR-CCM+.
Na parte direita, podemos ver a deflexão do painel do modelo Simcenter Nastran 401.
A integração CFD-FEA entre o Simcenter STAR-CCM+ e o Simcenter 3D tornou-se fácil e viável através do formato de dados comum do Simcenter (.scd5)
Prever cargas de serviço e condições de operação
Aumente a velocidade com a troca eficiente de dados entre os produtos Simcenter.
O exemplo acima demonstra como um método de acoplamento CFD-FEA pode ajudar a prever cargas de serviço e condições operacionais para aplicações multifísicas. Além disso, demonstra também que a capacidade de exportar resultados de simulação do Simcenter STAR-CCM+ para o arquivo de dados do Simcenter para posterior importação no Simcenter 3D é extremamente valiosa.
Execute um fluxo de trabalho produtivo e eficiente
É verdade que acoplar uma simulação de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) a uma simulação de Elementos Finitos (EF) de mecânica estrutural por meio de um arquivo não é nada revolucionário. No entanto, o fluxo de trabalho apresentado tem alguns pontos sutis a serem considerados:
A pressão do fluido é exportada para o arquivo de dados do Simcenter na malha nativa de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) a cada passo de tempo do solver de fluxo. O resultado é uma fonte de dados persistente com a mais alta fidelidade possível no espaço e no tempo.
O arquivo de dados do Simcenter é importado para o Simcenter 3D uma única vez. Em seguida, os dados são interpolados no espaço e no tempo para o modelo Simcenter Nastran 401. Portanto, caso o analista de mecânica estrutural queira investigar um projeto diferente da estrutura (uma estrutura diferente), não há necessidade de iterar novamente com o analista de fluxo, nem mesmo para reimportar a pressão do casco.
Os dois pontos acima podem parecer sutis, mas são essenciais para um fluxo de trabalho produtivo e eficiente. O arquivo de dados do Simcenter é o único componente que precisa ser trocado entre o analista de fluxo e o de estrutura. Portanto, a interação e a troca de resultados de simulação necessárias são reduzidas ao mínimo absoluto.
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