تعامل سازه و سیال و انجام تحلیل جامداتی در انسیس

تعامل سیال - سازه چگونه کار می کند و چرا مهم است؟؟

تعامل سیال - سازه چیست؟

تعامل سیال و سازه (FSI) برهمکنش جریان سیال با یک سازه جامد است. وزش باد که پره توربین را می‌چرخاند، بدنه قایق هنگام برخورد با امواج، یا هوایی که از روی پنل جلویی یک خودروی فرمول 1 عبور می­کند، همه از جمله مثال­ هایی برای تعامل سیال و سازه می‌­باشند. هر زمانیکه یک سیال و یک سازه به هم می­رسند، FSI رخ می­دهد.

در انسیس برای انجام تحلیل سازه و سیال می توان محیط های انسیس فلوئنت و انسیس مکانیکال را با هم جفت کرد.

چگونه FSI می­تواند بر طراحی و عملکرد محصول تأثیر بگذارد؟

شبیه‌سازی‌های FSI به مهندسان کمک می‌کند با پیش‌بینی برهم‌کنش‌های بین جریان سیال و سازه­‌های جامد، از آسیب‌هایی که می‌تواند بر عملکرد تأثیر بگذارد و منجر به شکست محصول شود، جلوگیری کنند.

درک FSI برای طراحی بسیاری از محصولات حیاتی است. در نظر نگرفتن اثر یک سیال بر روی یک جامد یا بالعکس می‌تواند منجر به زیاد/کم برآورد کردن عملکرد محصول شود. در نتیجه، طراحی نهایی محصول ممکن است منجر به نتایج غیرمنتظره و نامطلوبی از جمله صداهای آزاردهنده تا شکست کامل محصول شود.

در طراحی یک پل، هواپیما یا توربین گاز، درک اینکه چگونه تعامل سیالات و سازه­‌ها بر پروژه شما تأثیر می­گذارد، نیاز به راه حلی دارد که به طور دقیق هر دو رفتار را پیش بینی و ادغام کند.

برای آموزش تعامل سازه و سیال FSI در انسیس، دوره‌ی آموزش انسیس با محوریت تعامل سازه و سیال شامل ۱۳ جلسه و ۱۲٫۳ ساعت آموزش به زبان فارسی و با تدریس مهندس بابائی پیشنهاد می‌شود.

کاربردهای FSI

طراحی هواپیما: با پرواز هواپیما، جریان هوا در اطراف بال باعث تغییر شکل بال می­شود (که به نوبه خود، نحوه جریان هوا را تغییر می­دهد و همین امر تغییر شکل بال را تشدید می­کند). حل FSI در طراحی بال هواپیما، به طور چشمگیری عملکرد آیرودینامیکی هواپیما را افزایش می­دهد.

مدل­سازی جریان خون: برای ارزیابی اثرات رگ‌های خونی مسدود شده در آنوریسم، FSI چگونگی تأثیر فشار خون و سرعت جریان بر توانایی رگ برای کشش و تغییر اندازه را توضیح می‌دهد.

پیش­بینی صدا: وقتی جریان هوا از روی خودرو عبور می‌کند، سطوحی مانند کاپوت و آینه‌های جانبی می‌توانند ارتعاش کنند و باعث شنیده شدن صدا در داخل خودرو شوند. با در نظر گرفتن این FSI ها، مهندسان می­توانند طراحی­‌های خود را به منظور کاهش نویز و افزایش راحتی مسافران، بهینه کنند.

نقش شبیه سازی چند فیزیکه در FSI

قبل از اینکه FSI فرصتی برای به خطر انداختن محصول شما داشته باشد، می­‌توانید از طریق شبیه­ سازی مولتی فیزیکی آن را پیش بینی کرده و از وقوع آن جلوگیری کنید.

برای مثال، اگر می‌خواهید ببینید که چگونه تغییرات آشفتگی و فشار ممکن است بر یکپارچگی یک توربین برق آبی تأثیر بگذارد، تجزیه و تحلیل شما باید شامل داده‌هایی باشد که توسط نرم­افزارهای Ansys Fluent و Ansys Mechanical شبیه ­سازی شده است. زمانی که این نرم ­­افزارها بطور مستقل استفاده می­شود، هرکدام از این نرم­افزارهای شبیه ­سازی داده­ های مخصوص به خود را در اختیار کاربر قرار می­دهند. اما هنگامی که این دو نرم ­افزار از طریق Ansys Workbench با یکدیگر ادغام می‌شوند، دقیق‌ترین پیش‌بینی را در مورد تأثیر این دو فیزیک روی یکدیگر ارائه می­دهند.

فناوری پیشرفته نگاشت مش در Workbench تضمین می‌کند که داده‌ها از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به تجزیه و تحلیل المان محدود (FEA) ترجمه می­شود بدون اینکه نیاز باشد آن ها را به صورت دستی وارد یا کدی نوشته شود. این کاهش در ورودی ­های دستی، به طور قابل توجهی خطاها را کاهش می­دهد زیرا شما شبیه­ سازی­های CFD و FEA را تنظیم می­کنید و همه چیز را به یک محیط واحد منتقل می­کنید.

آیا به شبیه سازی FSI یک طرفه نیاز دارید یا دوطرفه؟

رویکردهای مدل‌سازی بسته به درجه وابستگیِ فیزیکیِ بین سیال و جامد و سطح دقت مورد نیاز می‌تواند متفاوت باشد. برای کاربردهایی که شامل حرکت بدنه صلب و انتقال حرارت مزدوج می‌شود، می­توان تغییر شکل‌ها را نادیده گرفت و مسئله را به طور کامل در حلگر CFD بررسی کرد.

هنگامی که تنش‌ها و تغییر شکل‌ها باید در نظر گرفته شوند، شبیه‌سازی‌های سیال و سازه به منظور انتقال داده‌ بین حلگرهایشان، از طریق شبیه­ سازی­های FSI یک‌طرفه یا دوطرفه با یکدیگر جفت می‌شوند.

نحوه انجام یک شبیه­ سازی FSI یک طرفه

شبیه­ سازی­‌های یک طرفه با اتصال شبیه ­سازی­های CFD و FEA به راحتی در Workbench انجام می­شود. این کار از طریق یک کار کشیدن و رها کردن ساده (Drag-and-Drop) انجام می­شود که به طور خودکار هندسه و سلول­‌های شبیه­‌سازی شما را به هم متصل می­کند.

نحوه انجام یک شبیه ­سازی FSI دو طرفه

شبیه ­سازی‌­های دو طرفه با اتصال شبیه­ سازی­‌های CFD و FEA از طریق اتصال سیستمی (System Coupling) اجرا می­شوند. تبادل دو طرفه داده که از طریق Workbench امکان پذیر شده است، باعث می­شود که مسئله به یک شبیه سازی همزمان و ساده تبدیل شود.