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Partitionierte FSI Kopplung
Dr. Ulrich Heck, Pankaj Daga, Martin Becker
DHCAE Tools GmbH
Ralf Paßmann
SynOpt GmbH
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• Vorstellung
• Hintergrund
• FSI-Kopplungsmöglichkeiten
• Workflow FSI Kopplung OpenFOAM mit
Abaqus
• Validierung
• Ausblick
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DHCAE Tools GmbH, Krefeld
Engineering:
CFD/FEA-
Dienstleistung
mit OpenFOAM/
CalculiX
Software
Standard/
kundenangepasst:
GUIs (CastNet),
Erweiterungen
Support
Training:
OpenFOAM/
Erweiterungen
CFD/FEA-Lösungen basierend auf
Open-Source-Löser Technologie
This offering is not approved or endorsed by ESI Group, the producer of the OpenFOAM®
software and owner of the OPENFOAM® and OpenCFD® trade marks.
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Abaqus-Kooperation SynOpt
Vorteil für Abaqus Anwender:
• Verwendung von OpenFOAM als Advanced CFD-Solver
• Kopplungsfunktionalität zwischen OpenFOAM und Abaqus
• Thermische Kopplung
• Druckkräfte aus OpenFOAM als RB in Abaqus
• FSI
• Einfache Erweiterung von Fällen durch editierbare inp-Dateien
• Schnelle und hochwertige CFD/FEA-Vernetzung für Abaqus
Funktionalität in CastNet:
• Erweiterung der Funktionalität FEA für
Abaqus
• Hintergrund: CalculiX verwendet das
gleiche Inputformat wie Abaqus
• Input auf Basis von inp-Files
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• Imperial College – OpenCFD (ESI Group)
• Funktionalität High-End CFD Spektrum kompressible / inkompressible Systeme
mit / ohne Wärmetransport inkl. CHT
Mehrphasen (VOF, Euler-Lagrange, Euler-Euler)
• Toolbox Auf Erweiterbarkeit ausgelegt
C++ Code Aufbau
OpenFOAM – Toolbox für CFD
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Lösungen für Filteranwendungen
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FSI-Kopplungsmöglichkeiten
• Partitionierte Kopplung:
getrennte Lösung von Strömungs- und Strukturraum
• Monolithische Kopplung:
Aufstellung einer Gesamtmatrix und parallele
Lösung von Strömung und Struktur
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monolithische Kopplung
• Inkompressibles Fluid/
weiche Struktur
• Hyperelastisches Material
• Hochdynamisch f~100-
200Hz
• Wandkontakt
Fehler: Druck/Fluss ~ 10 %
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Partitionierte Kopplung
• OpenFOAM als CFD Löser
• Abaqus/CalculiX als Strukturlöser
Vorteil OpenFOAM:
– Flexible Solverstruktur
– Mappingtools
Zielsetzung:
– Statische Anwendungen
– Verwendung von OpenFOAM-Funktionalität
– Erweiterbar auf transiente Anwendungen
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CastNet: Case setup (CFD/CSM) Vernetzung, RBs
OpenFOAM (CFD)
Strömungsfeld
Druck/Wandschubspannung
Kräfte übertragen
Abaqus(CSM)
Verschiebung
Konvergiert (Kräfte/Verschiebung)?
Ja
Gitter-
update
Nein
Datenkonvertierung (vtk)-Post-process: Paraview
FS
I-K
opplu
ng (
Pyth
on-S
kripting)
Monitoring R
unG
ui
FSI Workflow
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Druck / Wandschubspannung
• Bestimme Druck / Wandschubspannung
an FSI-Interface
• Mappe Werte auf Mittelpunkte vom
triangulierten FSI-Interface (OpenFOAM:
sampling)
• Integriere Dreiecksfläche für Kräfte
• Verteile Kräfte auf Knoten
• Berechne Verschiebung mit Abaqus
P, WssP, Wss
P, WssP, Wss
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Verschiebung
Verschiebungen:
• CFD Gitter in der Regel feiner als
Strukturgitter
• Interpolationsverfahren
• Baryzentrische Interpolation:
• Wichtung über Flächeninhalte
• besondere Beachtung der
Randpunkte
P3
P2 P1
P
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Kopplung
• Relaxationsmöglichkeiten:
– Kräfte
– Verschiebungen
• Verschiedene Neuvernetzungsoptionen:
– Vollständig
– Partiell
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surfaceMeshTriangulate
Nächste FSI Iteration
Verschiebungen von Abaqus
Gitter updatesnappyHexMesh
Yes
No
Vorteil
große Verschiebungen können realisiert werden
Barycentric
Interpolation
Altes Gitter
Qualitäts Check?
pointMotionU
moveDynamicMesh
pimpleDyMFoam
Neuvernetzung
Gitterupdate
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Neuvernetzung Strömungsraum
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Partielle Neuvernetzung
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Durchlässige Schalenelemente
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Validierung
ErgebnisseMok
OpenFOAM-Abaqus
Verschiebung A 0.061m 0.06047m
Verschiebung B 0.0225m 0.021557m
Daniel Pinyen Mok: „Partitionierte
Lösungsansätze in der Strukturdynamik und
der Fluid-Struktur-Interaktion“, Dissertation,
2001.
Ergebnisse Mok
OpenFOAM FSI-Kopplung
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Verschiebung
Ux von Punkt
A[x10−3
Verschiebung
Uz von Punkt
A [x10−3
Benchmark
FSI I (Turek)
0.0227 0.8209
ABAQUS+
OpenFOAM
0.02269 0.803
Validierung Turek FSI-1 (statisch)
Stefan Turek and Jaroslav Hron:
Proposal for numerical benchmarking of fluid-
structure interaction between an elastic object and
laminar incompressible flow
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Technische Anwendungen
Extrusionswerkzeug
Strömungsbereich:
Ca. 4 Mio Fluid Zellen
Strukturbereich:
Ca. 25 000 Quad Elemente
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• FSI-setup für OpenFOAM
und Abaqus in einer Setup-
Datei
• Problemspezifische
Vernetzung
• CFD: Boundary-Layer
Vernetzung
• Abaqus: Element von
2. Ordnung
• Automatisierter Workflow
Vernetzungs-/ Case-Setup-Tools
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Zusammenfassung
• Partitionierte FSI-Kopplung statischer Anwendungen
• für Schalen und Solids
• Mit Remeshing (vollständig/partiell)
• Überprüft für Literaturbeispiele und kommerzielle FSI Lösungen
• Mit CalculiX: Vollständig Open-Source (eingeschränkte FE-Funktionalität)
• Mit Abaqus: Komplexe nicht-lineare Effekte