Маппирование - для FSI

Будущее – за FSI расчётами! Ни для кого не секрет, что совместные расчеты, CFD + FE, становятся все более и более востребованными. Подобное моделирование, охватывающее и деформирование тел, и гидро-газодинамику, позволяет получить более точные и надежные результаты в областях авиастроения, автомобилестроения, биомеханике и многих других. В случае FlowVision эта технология реализуется в связке FlowVision с различными КЭ-комплексами, например, Abaqus, APM, Fidesys. На каждом расчётном шаге КЭ-комплекс передаёт деформированную геометрическую модель, и FlowVision моделирует для нее процесс течения. Геометрическая поверхность, по которой происходит обмен данными, называется поверхностью обмена, и это один из важнейших элементов в FSI взаимодействии.

Но что, если геометрическая модель обладает рядом ошибок или определенными дефектами? Есть несколько подходов к решению таких задач.

Первый подход – исправить геометрическую модель под требования FlowVision, которые описаны в документации. Это довольно ресурсоемкий процесс, который иногда подразумевает значительную модификацию геометрии модели и может занять много времени. А в некоторых случаях сделать это просто невозможно без потери особенностей задачи. Поэтому есть и второй подход – использовать маппирование поверхности.

• Почему возникают проблемы при импорте поверхности обмена?
• Что такое маппирование и зачем оно нужно?
• Каковы преимущества использования маппирования?
• Как включить маппирование?
• Какие параметры в настройке маппера можно и нужно изменять?

Почему могут возникать проблемы при работе с поверхностью обмена?

Основная причина – разные требования, предъявляемые к геометрической модели различными программными комплексами. FlowVision умеет работать с разными форматами геометрических моделей, но есть некоторые ограничения, а  именно: нельзя использовать геометрические модели с самопересечениями, перекрытиями и самое главное – незамкнутую поверхность.

Что такое маппирование и зачем оно нужно?

Чтобы избежать неприятностей при работе с совместными расчетами, можно воспользоваться специальной опцией FlowVision – маппирование. Разберёмся, что это такое.

Опция маппирование отображает одну поверхность на другую путем поиска соответствий между телесными углами элементов. На рисунке ниже показано, что при непосредственном обмене данные передаются через сеточную поверхность (рисунок слева), полученную из КЭ-пакета, а при обмене данными с маппированием – через специальную поверхность (рисунок справа), построенную на основе КЭ-геометрии. Иными словами, маппирующая поверхность – дополнительная поверхность, прослойка, через которую нагрузки из FlowVision передаются в Abaqus или другой прочностной код.

На рисунке: f_ji – нагрузки, передаваемые из i-ой ячейки на j-ую грань, f_jm – нагрузки, передаваемые из m-ой ячейки на j-ую грань, F_j – итоговая нагрузка, приходящаяся на j-ую грань.

Преимущества использования маппирования

Маппирование может помочь вам избежать неприятностей с КЭ-моделью при совместном расчете, но для корректного использования маппирующая поверхность должна соответствовать основным требованиям: быть замкнутой и не иметь самопересечений. Если же она не соответствует основным требованиям FlowVision, то вам нужно будет ее исправить. Это можно сделать в различных CAD-программах.

Сразу стоит предупредить: FlowVision не умеет чинить вашу геометрию, этим предстоит заняться вам

Говоря о преимуществах маппирования, выделим: 

• возможность задать подробную сетку для CFD расчёта

В КЭ-комплексе может использоваться грубая сетка, при этом в CFD-комплексе, где играет роль именно качество поверхности, можно использовать более точную сетку. В таком случае количество узлов одной поверхности не будет соответствовать количеству узлов другой поверхности. Для передаваемых данных – нагрузок или деформаций, будет происходить линейная интерполяция значений на узлы. Рассмотрим пример применения маппирующей поверхности в задаче аэроупругости крыла самолета в трансзвуковом потоке: для FSI расчета в КЭ-комплексе была подготовлена маппирующая поверхность с хорошим разрешением (на рисунке это модель справа). В свою очередь, сама модель, участвующая в прочностном расчете, не требует такого качественного представления (на рисунке модель слева). Использование такого подхода позволило:

• ускорить прочностной расчет за счет "грубой" КЭ-модели;
• повысить точность CFD-расчета во FlowVision за счет более качественной поверхности того же крыла (маппирующей поверхности).

• возможность использовать «сшитые» поверхности

Если КЭ-сетка является поверхностью с незамкнутыми элементами, то такие элементы будут интерполироваться с учетом граничных узлов и расположением узлов на маппирующей поверхности. Рассмотрим пример ниже – моделирование поверхности воздушного шара. Для КЭ-комплексов такая задача не представляет больших проблем – поверхность можно разбить обычными оболочечными элементами, а вот для FlowVision она не подойдет, так как она незамкнута. Решение достаточно простое – для FSI расчета в качестве поверхности обмена, используемой во FlowVision, можно задать точно такую же поверхность с одним отличием – внизу она будет «зашита». В конечно-элементном расчете будет использоваться собственная исходная поверхность (незамкнутая), а расчете FlowVision будет участвовать замкнутая поверхность, данные с которой передаются на КЭ-поверхность.

Подходящая поверхность для FlowVision:

• устранение дефектов геометрической модели

Последнее и самое важное: если КЭ-сетка обладает дефектами (самопересечения, перекрытия и т.д.), то можно задать маппирующую поверхность, не содержащую этих дефектов. Отличный пример, иллюстрирующий эту особенность – FSI расчет сердца, где используется общая поверхность всего сердца. Для проекта FlowVision была создана одна "идеальная" замкнутая поверхность без самопересечений, а в КЭ-проекте моделируется исходная поверхность, имеющая пересечения.

Полезное дополнение 

В случае, если маппирующая поверхность не используется (Маппирование -> Включено = Нет), на поверхность обмена можно задать только одно граничное условие (ГУ). Подобное ограничение объясняется тем, что обмен данными происходит через поверхность, полученную из КЭ-комплекса напрямую. Если же опция маппирования включена, то на одну поверхность FlowVision можно назначать разные ГУ, а также строить супергруппы (очень удобно, если нужно получать данные по переменным непосредственно на деформируемом объекте или части объекта.

Как работать с маппированием?

Для того, чтобы использовать маппирование, Вам понадобится:

1. Проект Flowvision
2. Проект, созданный в КЭ-комплексе, настроенный для FSI-соединения (с прописанными строками ко-симуляции)
3. Геометрическая модель, аналогичная модели КЭ-проекта, но удовлетворяющая требованиям FlowVision, подготовленная заранее.

Если у вас есть "плохая" геометрическая модель, то прежде чем работать с ней во FlowVision, её необходимо преобразовать. Импортировав ее в любую CAD-систему, устранив все самопересечения и сшив границы между собой, получим CFD-поверхность, которую можно использовать во FlowVision. Включив маппирование для FSI-задачи, можно использовать эту геометрическую модель в расчёте.

1. Во вкладке Препроцессора Объекты создайте импортированный объект на основе подготовленной геометрической модели. Это будет ваша маппирующая поверхность.

2. Создайте на этом импортированном объекте модификатор Подвижное тело.
3. Создайте внешнюю связь любого типа.
4. В окне свойств для поверхности обмена выберите Подвижное тело.
5. Выберите Маппирование -> Включено = Да.
   

Теперь ваша поверхность из КЭ-проекта связана с маппирующей поверхностью. Данные с маппирующей поверхности будут интерполироваться на КЭ-сетку.

Пример проекта

Рассмотрим случай, когда в FSI расчёте используется сложная геометрическая модель, например, модель сердца человека. В КЭ проекте геометрическая модель создаётся сборкой: желудочки и предсердия являются отдельными объектами, а элементы сборки связываются между собой различными ограничениями и контактами. Но с точки зрения FlowVision такая поверхность является незамкнутой и обладает дефектами (самопересечениями и перекрытиями), которые категорически недопустимы.

Параметры маппирования

После создания внешней связи для каждой из автоматически созданных поверхностей обмена в окне свойств можно выбрать настройки маппирования. Во FlowVision 3.13.01 они выглядят следующим образом:

Включено: Да/Нет.
Опция позволяет включить маппирование или (при выборе Нет) не использовать его. По умолчанию указано Включено = Нет.

Поверхность: Начальная/Деформированная.
Этот параметр задает, будет ли для построения маппирующей поверхности (маппера) использоваться начальная или деформированная поверхность конечно-элементного объекта. При нулевом обмене КЭ-пакет отправляет во FlowVision две поверхности: исходную и текущую, деформированную под действием нагрузок. То есть, если в КЭ-комплексе был предрасчет или расчет запускается на продолжение, необходимо использовать деформированную геометрию. В остальных случаях можно использовать параметр Поверхность: Начальная.

Выбор поверхности очень важен, если FSI расчет стартует уже с деформированной геометрией

Перестроить маппер: Да/Нет.
Маппирующая поверхность строится в начале расчета. Если геометрическая модель подвижного тела, для которой был построен маппер, ему не соответствует, то маппер перестраивается. Иными словами, если поверхность, пришедшая из КЭ-комплекса на первом обмене, отличается от поверхности во FlowVision, маппер будет перестроен при включенной опции Перестраивать маппер = Да. Однако на практике такое встречается редко, поэтому рекомендуемое значение Нет.

Резюме

1. Маппирование – это опция для FSI расчётов, позволяющая использовать промежуточную – маппирующую – поверхность (а не непосредственную геометрическую модель, приходящую из КЭ-комплекса) для обмена данными между CFD и FE комплексами.
   
   
2. Включение этой опции обладает преимуществами:
   • Качество КЭ-геометрии не влияет на CFD расчёт. В CFD своя поверхность, со своим качеством сетки.
   • КЭ-поверхность может быть незамкнута. Используйте маппер с замкнутой поверхностью в соответствии со всеми требованиями к геометрическим моделям во FlowVision.
   • Дефекты КЭ-сетки не влияют на поверхность CFD расчета, так как маппирующая поверхность подготавливается таким образом, чтобы не содержать дефекты.
     
     
3. При настройке маппирования в FV используется два ключевых параметра:
   • Поверхность: Начальная или Деформированная. Выбор поверхности очень важен, если FSI-расчет стартует уже с деформированной поверхностью после предрасчёта в Abaqus. 
   • Перестроить маппер: Да или Нет. Если поверхность подвижного тела, пришедшая из КЭ-комплекса на первом обмене, отличается от поверхности во FlowVision, маппер будет перестроен при включенной опции Перестроить маппер = Да. Но такая ситуация достаточно редкая, поэтому рекомендуется использовать Перестроить маппер = Нет.

Более подробно о маппировании читайте в документации. А если потребуется помощь при создании проекта с маппированием, пишите нам на support@flowvision.ru.

Об авторе