Interação fluido-estrutura (FSI) com contato mecânico em simulação
- Alvaro Filho
- há 23 horas
- 5 min de leitura
Muitas aplicações, como vedações, juntas, válvulas e bicos, implicam a interação fluido-estrutura (FSI) em conjunto com o contato mecânico entre corpos sólidos. Devido à natureza altamente não linear dos contatos, muitas vezes tendemos a negligenciar a respectiva modelagem de contato, especialmente em aplicações multifísicas, como a FSI. Para uma série de aplicações, ser capaz de modelar o contato mecânico junto com a interação fluido-estrutura é até mesmo o principal facilitador para fazer uma simulação física significativa.
Resolva aplicações multifísicas acopladas desafiadoras de maneira direta
Sensor e bocal da câmera, um design inteligente
Para que câmeras e sensores produzam uma imagem ou sinal nítido, eles exigem uma lente limpa. Como muitos dos instalados em automóveis são expostos à sujeira e detritos, a limpeza regular é essencial. Isso geralmente é feito com a ajuda de um spray líquido de um bico.
Você vê abaixo um design simples, mas inteligente, de um sensor e bico de câmera. Ele consiste em apenas três partes: um conector, uma luva de borracha e um bico.
Projeto de um sensor e bico de limpeza de câmera
Modelagem de contatos mecânicos entre corpos sólidos e elásticos, introdução de um novo modelo
A luva de borracha veda o conjunto e atua como uma válvula. Para ilustrar isso, foi feito um modelo 3D no Simcenter STAR-CCM+. O conector, assim como o bico, são assumidos como rígidos, enquanto a luva é modelada como um corpo elástico. O contato entre luva e conector, assim como luva e bico está incluído. Isso é possível graças à capacidade de agora modelar o contato mecânico com quaisquer peças de geometria tesselada.
A animação abaixo mostra o processo de montagem das três peças:
Primeiramente, o conector é empurrado na manga de borracha.
Em seguida, a luva de borracha é apertada entre o bico e o conector, selando assim o conjunto.
Contato mecânico modelado com peças de geometria tesselada: exemplo de processo de montagem
Uma vez instalada, a luva fecha dois furos radiais no conector (veja a imagem à esquerda). Assim que o sistema de limpeza é ativado, uma bomba é ligada. A bomba pressuriza o líquido, e a luva se deforma por causa da pressão do líquido. Isso abre um caminho de fluxo abaixo da luva (conforme mostrado à direita).
Um modelo inspirado na válvula de bicicleta Dunlop
A válvula de bicicleta desenvolvida pela Dunlop 1891 funciona exatamente assim. Na imagem abaixo, você pode ver os furos radiais no corpo da válvula cobertos por uma fina luva de borracha.
Válvula de bicicleta – Desenvolvida pela Dunlop em 1891 (source: https://en.wikipedia.org/wiki/Dunlop_valve)
Simulação FSI com contato mecânico – um exemplo de aplicação
A abordagem pragmática
O modelo do sensor e do bico da câmera provou ser muito útil para ilustrar como o design funciona. Mas e quanto ao valor de engenharia? Por exemplo, quanto líquido sairá do bico por unidade de tempo considerando que a bomba do sistema de limpeza pode gerar um diferencial de pressão de 1,0 bar?
Vamos abordar essa questão de forma pragmática.
Primeiramente, é aplicada uma carga de pressão de 1,0 bar na superfície interna da luva, e a deformação é calculada.
Em seguida, o caminho do fluxo é extraído considerando a manga deformada.
Em uma simulação de fluxo subsequente, um diferencial de pressão de 1,0 bar é aplicado, e o campo de fluxo é calculado.
O vídeo abaixo mostra os resultados dessa abordagem: a vazão mássica média é de cerca de 1,93 g/s.
Exemplo 1: a abordagem pragmática
Simulação FSI com contato mecânico
A abordagem acima é problemática e pode levar a decisões de engenharia erradas. Por quê? Na realidade, a deformação da luva impacta o fluxo, enquanto o fluxo impacta a deformação da luva.
Para aumentar a precisão e o valor de engenharia do modelo, deve-se levar em conta o acoplamento bidirecional entre fluido e estrutura. Como o modelo de fluxo e o modelo de estrutura são parte da mesma simulação Simcenter STAR-CCM+, isso é direto e nem requer co-simulação.
O vídeo abaixo mostra os resultados usando simulação FSI com contato mecânico. A pressão na entrada está sendo aumentada de 0,0 bar para 1,0 bar durante um período de 1,0 s, depois disso a pressão é mantida constante em 1,0 bar. A taxa média de fluxo de massa entre 1,0 s e 1,5 s é de cerca de 1,76 g/s.
Exemplo 2: simulação FSI acoplada bidirecional com contato mecânico
O modelo acoplado bidirecional revela quão significativo é o impacto da suposição de modelagem por trás da abordagem pragmática. A deformação da luva de borracha é muito diferente, assim como o campo de fluxo. Não apenas isso, a abordagem pragmática também superestima a taxa de fluxo de massa em cerca de 10%.
Algo particularmente fascinante é observar como o fluxo de alta velocidade sob a luva realmente suga a ponta da luva radialmente para dentro. Claro, esse é um efeito que não pode ser capturado na abordagem pragmática.
Simulação FSI com contato mecânico, precisão imbatível
Modelagem de um bico de limpeza de sensor/câmera. Simulação FSI com contato mecânico
A aplicação do sensor e do bico da câmera demonstra como o novo recurso de modelagem de contato agrega valor ao Simcenter STAR-CCM+ de três maneiras diferentes.
Primeiro, ele permite que você calcule como a luva de borracha se deforma durante o processo de montagem. Isso é útil, mas, para ser justo, você também pode fazer isso com outros produtos.
Segundo, o fato de o modelo fazer parte do Simcenter STAR-CCM+ significa que você o usou de forma multidisciplinar. Isso foi demonstrado com a abordagem pragmática. Uma carga de pressão de 1,0 bar foi aplicada para calcular a deformação da luva, ou mais especificamente, para calcular o caminho do fluxo. Em seguida, a solução de fluxo foi calculada. Aqui, o fato de o modelo de estrutura e o modelo de fluxo fazerem parte da mesma simulação torna esse fluxo de trabalho direto. Por exemplo, não há necessidade de exportar e importar nenhum dado.
Terceiro, como o modelo de fluxo e o modelo de estrutura são parte da mesma simulação, você pode modelar com precisão o acoplamento bidirecional entre fluido e estrutura sem a necessidade de qualquer co-simulação. Isso é realmente o que torna esse recurso tão empolgante. É o valor agregado que ele fornece por ser parte do Simcenter STAR-CCM+ e o fato de que ele permite que você resolva aplicações multifísicas acopladas desafiadoras de maneira direta.
Há um futuro brilhante pela frente para todas essas câmeras de veículos autônomos por aí! E da próxima vez que você encher aquele pneu furado, você pensará em FSI com contatos mecânicos.
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