RD-E：2202 SPHを用いた着水

試験体の水のプールへの着水を検討します。



図 1.

シミュレーション結果は実験結果と解析的結果と比較されます。着水オブジェクトは、三角柱の剛体としてモデル化します。水は、SPH要素を用い、サイレント境界条件を可能にするために流出条件を指定してモデル化します。

使用されるオプションとキーワード

入力ファイル

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モデル概要

問題は単純な試験体の水の中への落下から成り、ヘリコプターの着水をシミュレートします。

単位： mm, ms, KN, GPa, kg

三角柱の試験体の水上への衝突がシミュレートされ、結果は質的に2と共に、また、Politecnico di Milanoにより得られた実験データとも比較されます。 1

ex22_fig1
図 2. 問題のデータ
試験体に用いられる材料は線形弾性材料則（/MAT/LAW1）に従い、以下の特性を持ちます：
材料特性
値
初期密度
7.8 x 10-6 kg.mm-3
ヤング率
206.9 GPa
ポアソン比
0.3
水の材料則は、線形強化ガス（/EOS/STIFF-GAS）を含む流体力学的粘性流体則（/MAT/LAW6）で、以下の特性を持ちます：
材料特性
値
初期密度
1 x 10-6 kg.mm-3
運動粘性
0 GPa
ガンマ
6.1
P0
1e-4 GPa
Psh
0 GPa
p*
0.36885 GPa

衝突三角柱は、平均メッシュサイズが15mm x 15mmのシェル要素を使用してモデル化されています。計算を短縮するために、剛体化されており剛体のメイン節点に加速度計があります。剛体のメイン節点に質量が追加されるため、三角柱の総質量は27kgになります。

水は、面心立方メッシュと21mmの平滑化長さ「ho」を持つSPH粒子を使用してモデル化されます。各SPHの重量はm=2.61gです。SPH粒子メッシュは、HyperWorksで、面心立方ピッチ= 15、材料密度1.0e-6 k g m m 3 MathType@MTEF@5@5@+= feaagKart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr 4rNCHbGeaGqiVu0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaamaabaabaaGcbaWaaSGaaeaaca WGRbGaam4zaaqaaiaad2gacaWGTbWaaWbaaSqabeaacaaIZaaaaaaa aaa@3AB3@ のSPHパネルを使用して生成できます。HyperWorksは、SPHプロパティ/PROP/SPHを自動的に作成します。これにより、222005個のSPH要素が生成されます。水の大きさは、モデルのサイズとシミュレーションのCPU時間を減らすために試験体の形状に合わせられます。SPH解析の場合、通常、空気はモデル化されません。

境界の設定

Z方向の初速度11m/sは、三角柱の剛体のメイン節点で定義されます。三角柱にも重力がかかります。

流出サイレント境界/SPH/INOUT、Ityp=3は、SPH水要素の中の距離2 x hoにあるサーフェスを使用して定義されます。水の中の距離2 x hoにサーフェスが置かれます。サーフェスは図 3に緑色で示され、その法線ベクトルが領域内部を指すように向けられます。

rad_ex_fig_22-2
図 3. SPH流出サーフェスのサイレント境界（NRF）（緑色）

衝突三角柱とSPH水の間の流体-構造接触は、/INTER/TYPE7スライディングペナルティ接触インターフェースを使用してモデル化されます。衝突三角柱がメインサーフェスで、SPH要素がセカンダリ節点です。接触板厚ギャップは、Gapmin=3として定義されます。SPH粒子がタンク内にある場合など、接触板厚ギャップが重要な状況では、Gapmin=1/2 *（シェルの板厚 + SPH直径）を定義するか、ソリッド要素の場合はGapmin=1/2 *（SPH直径）を定義します。

結果

SPH粒子は、HyperViewのMASS要素としてサポートされています。それらの表示タイプとサイズは、HyperViewのPreferences > Visualizationを使用して設定することができます。この例では、/H3Dオプションを使用して、アニメーションの結果を直接h3dファイルに出力しています。水中の圧力をプロットすることができます。

図 4 は、11m/sという衝突速度で、くさびが水に着水するときの圧力の変化を示しています。


図 4. 切断面の圧力の結果

加速度出力

加速度を測定するために、三角柱剛体のメイン節点に加速度計が定義されています。加速度の値はgに変換され、実験値 1とVon Karmanによる解析解の両方と比較されました。2 シミュレーションの加速度は、テストデータがフィルタリングされたのと同じCFC 60（-3db）フィルター周波数を使用してフィルタリングされています。

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図 5. 衝突速度11m/sでの三角柱の減速度

SPHの結果は実験結果とも解析解とも非常に近くなっています。シミュレーションは、OUTLETオプション/SPH/INOUTを用いたSPHアプローチが、数値的な問題なく垂直方向の着水イベントを正しくモデル化できることを示しています。

1 CAST Deliverable 5.5.1 Generic Water Impact Tests performed at Politecnico di Milano (Polytechnic University of Milan)
2 Olivier Pastore Study and modelization of rigid bodies impact during sea landing phase; Annex 1 Von Karman's Theoretical Models, T. Miloh et al. May