“Продольный спуск судна на воду в ALE постановке. Работы с FSI и многофазными средами. Workbench LS-DYNA ACT.” При решении некоторых сильно связанных задач механики и гидродинамики использование традиционных FSI подходов, объединяющих несколько вычислительных кодов может оказаться не эффективно. Большие деформации или динамическое перестроение сеток для выполнения гидро-газодинамических расчетов при подвижных границах расчетной области может потребовать дополнительных вычислительных мощностей и привести к неустойчивости решения. В докладе описывается решение задачи продольного спуска атомного ледокола на воду в LS-DYNA. Решение выполняется методом конечных элементов в эйлеровой постановке. Используется явный решатель механики. Рассматриваются возможности моделирования многофазных жидкостей при подобных расчетах.

1. ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»
Моделирование продольного спуска судна на воду
Новожилов Юрий
Yury.Novozhilov@cadfem-cis.ru

2. 2© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
• В первом приближении прочность судна не интересует
• Необходимо определить отсутствие касания судном дна
• Также интересует конечная скорость и буксировочное сопротивление
Продольный спуск ледокола с прикрепленными к нему понтонами

3. 3© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Обоснование методики

4. 4© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Погружение клиновидного симметричного профиля в несжимаемую
жидкость
• Скорость движения клина 2 м/c
• Плотность жидкости 1000 кг/м3
• Ускорение свободного падения 9.81 м/с2
Тестовая задача

5. 5© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
• Подготовка CAD геометр к расчету
- SapceClaim – прямое моделирование геометрии
• Построение декартовой сетки
- ANSYS Meshing – построение и параметризация сеток
• Постановка задачи
- Workbench LS-DYNA ACT – современный интерфейс для работы с LS-DYNA
• Решение задачи на системе с распроданной памятью
- LS-DYNA – многоцелевой решатель численного анализа физических процессов
• Обработка результатов
- LS-PrePost – специализированный пре/постпроцессор для LS-DYNA от LSTC
Инструменты решения задачи

6. 6© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
• Клин
- недеформируемое тело
- лагранжева сетка
• Жидкостный домен
- эйлерова сетка
Постановка задачи

7. 7© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Рассмотрим уравнение динамического равновесия
(1)
- оператор Гамильтона - тензор жесткости
- плотность - вектор ускорения
Вектор ускорения в эйлеровых координатах переписывается так:
(2)
- вектор скорости - локальное ускорение
- конвективное ускорение
Из (1) и (2) следует: (3)
Эйлеров домен для моделирования жидких сред
w  
 
 dV
w
dt

( )
dV V
w V V
dt t

    

V
V
t


( )V V 
( )
V
V V
t
 
 
     
 

8. 8© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
В (2) разделим тензор напряжений на шаровую часть и девиатор
(4)
Пологая жидкость несжимаемой ньютоновской сдвиговые напряжения
запишем как , где - динамическая вязкость.
Таким образом (4) сводится к уравнению Навье-Стокса:
(5)
Эйлеров домен для моделирования жидких сред
( )
V
p T V V
t

 
       
 
T
2
V 
2
( )
V
V V p V
t
 
 
       
 

9. 9© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
• Плотность 1000 кг/м3
• Коэффициент Грюнейзена 0.28
• Скорость звука 1483 м/с
LS-DYNA Aerospace Working Group
Modeling Guidelines Document
Version 12-1 dated June 1, 201
Модель материала «вода»

10. 10© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Поле распределения плотности для эйлерова домена
Анализ результатов – модуль вектора скорости

11. 11© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Логвинович Г.В. Гидродинамика течений со свободными границами. -
Киев: Наукова думка, 1969.
Скорость в брызговой струе ≈ 8,5 м/с
Анализ результатов – модуль вектора скорости

12. 12© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Прикладная задача

13. Ледокол с прикрепленными понтонами
• недеформируемое тело
• лагранжева сетка
Стапель
• недеформируемое тело
• лагранжева сетка
Жидкостный домен
• эйлерова сетка
13© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
КЭ модель

14. 14© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Лагранжев и эйлеров сеточный домены

15. 15© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
• Между судном и стапелем есть нелинейный контакт с трением
- Коэффициент трения 0.035
• Судно скользит с начальной скоростью
- движение судна от состояния покоя до контакта с жидкостью не моделируется
- к моменту контакта со свободной поверхностью воды судно разгонится
скорости в 1.6 м/с
Дополнительные граничные условия и нагрузки

16. 16© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Результаты расчета

17. 17© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
ALE решатель LS-DYNA может использоваться для моделирования
процессов погружения твердых тел в жидкость
Отсутствие деформации сетки для эйлерова домена дает высокую
стабильность и скорость расчета
Точность подобных расчетов верифицирована многими экспериментами и
теоретическими выкладками
Решение задач гидродинамики следует выполнять в специализированных
CFD пакетах, таких как ANSYS Fluent, ANSYS CFX
C составе LS-DYNA также идут два полноценных CFD решателя для
сжимаемых и несжимаемых течений
Итоги и выводы

18. Новожилов Юрий
yury.novozhilov@cadfem-cis.ru
LS-DYNA, ANSYS Composite PrepPost, Mechanical и HPC
www.cadfem-cis.ru
www.youtube.com/user/CADFEMCIS
sc.cadfem-cis.ru
vk.com/MagicDrivenProductDevelopment
LinkedIn.com/in/YuryNovozhilov
Спасибо за внимание!