RD-E：5000 INIVOLと流体構造連成（コンテナ落下）

この例題の目的は、複合材料ALE要素内のさまざまな材料の初期体積率用の/INIVOL、無限平面用の/SURF/PLANE、およびLagrangeコンテナを使用した流体構造連成（FSI）を紹介することです。

使用されるオプションとキーワード

ソリッド要素（/BRICK）
材料則（/MAT/LAW51 (MULTIMAT)および/ALE/MAT）
ALEグリッド速度（/ALE/GRID/DONEA）
ALE LAW51用のMUSCLスキーム（/ALE/MUSCL）
プロパティ（/PROP/TYPE14（SOLID））
荷重（/INIVEL）
初期体積の定義（/INIVOL）
無限平面（/SURF/PLANE）
流体構造接触（/INTER/TYPE18）

入力ファイル

必要なモデルファイルのダウンロードについては、モデルファイルへのアクセスを参照してください。

モデル概要

構造コンテナを完全に囲む六面体メッシュを作成します。六面体メッシュのメッシュサイズは構造メッシュのサイズの1/2にする必要があります。理想的には、衝撃方向では、六面体メッシュを構造メッシュサイズの1/4にすることも必要です。簡単にするために、このモデル内の六面体メッシュは1/4メッシュサイズのガイドラインには準拠していません。

一部水の入ったコンテナの1mの高さからの落下をシミュレートします。コンテナには水と空気が入っています。

境界条件

六面体メッシュの各外側面は、側面に垂直な方向の変位を避けるように拘束されます。例えば、六面体メッシュの上部と下部はz並進自由度で拘束されます（図 2）。他の4つの側面に対しても同じことが行われます。1mから落下した場合の衝撃時の速度は4429mm/sになります。シミュレーションは衝撃の直前から開始されるため、4429mm/sの初速度がコンテナと流体六面体メッシュに適用されます（図 2）。

単位： mm、s、Mg、N、 MPa

1つの/MAT/LAW51カードで、3種類の相を定義できます。2つの相は、水と空気です。

空気は次の特性で定義されます。

E.O.S（状態方程式）で使用される基準密度: 1.2e-12
空気の初期密度: 1.2e-12
単位体積あたりの初期エネルギー: 0.25
流体力学的キャビテーション圧力: -1e-20
流体力係数C41: 0.4
流体力係数C51: 0.4

水は次の特性で定義されます。

水の初期密度: 1e-9
流体力学的キャビテーション圧力: -1e-20
流体力係数C03: 0.10
流体力係数C13: 2250（液体の弾性率）; /LAW/MAT51材料の場合は、それがALEモデルであることを示すために/ALE/MATも定義する必要があります。

Euler_Lagrange連成（CEL）インターフェース

流体と構造間の接触を定義するために、次のように、粘弾性ペナルティ定式化/INTER/TYPE18インターフェースが定義されます：

メインはLagrange構造です。
セカンダリはALE流体節点です。

ギャップはインターフェースギャップです。推奨値は、1.5 *接触部分に対する法線方向に沿った流体要素のサイズです。(1)

S t f a c = \frac{ρ \cdot v^{2} \cdot S_{e l}}{G a p}

ここで、

$ρ$

（最も高い）流体密度

$υ$

速度。

非圧縮モデル（着水やスロッシングなど）の場合は、そのイベントの速度を使用します。
圧縮性だが、超音速ではない場合は、材料中の音速を使用します。
圧縮性で遷音速（Mach 0.8～1.0）の場合は、項 $ν^{2}$ を右記に置き換えます； $v \cdot c$
ここで、

$υ$

材料の音速

$c$

空気中の音速
圧縮性で超音速の場合は、そのイベントの速度を使用します。
爆発の場合は、Chapman Jouguet速度を使用します。

$v \cdot c$

Lagrange要素の表面積平均

$G a p$

上で定義したインターフェースギャップ

この例題の場合：(2)

G a p = 1.5 f l u i d \begin{matrix}  \end{matrix} e l e m e n t \begin{matrix}  \end{matrix} s i z e = 1.5 \times 2.5 = 3.75 [mm]

(3)

S t f a c = \frac{ρ \cdot v^{2} \cdot S_{e l}}{G a p} = \frac{1 \times 10^{- 9} \times 4429^{2} \times (5 \times 5)}{3.75} = 0.131

シミュレーションの反復とモデリング

/INIVOLを使用したコンテナの充填

/INIVOLを使用すれば、このパートで水位線を定義できます。

(1)	(2)	(3)	(4)	(5)
/INIVOL/`part_ID`/`inivol_ID`
`inivol_title`
`surf_ID`	`ALE_PHASE`	`FILL_OPT`	`ICUMU`	`FILL_RATIO`
`surf_ID`	`ALE_PHASE`	`FILL_OPT`	`ICUMU`	`FILL_RATIO`
同様	同様	同様	同様	同様
`surf_ID`_n	`ALE_PHASE`	`FILL_OPT`	`ICUMU`	`FILL_RATIO`

/INIVOLでは、初期体積率の最終設定を取得するための初期背景複合材料ALEメッシュの連続充填アクションが使用されます（3つのコンテナと3つのALE相）。最初は、体積が/MAT/LAW51フィールドで定義された最初の材料で満たされます。この場合は、最初の材料が空気であるため、六面体メッシュ全体がまず空気で満たされます。次に、コンテナパートIDからサーフェスが定義されます。

/SURF/PART/998
Vessel_Surf_Part
 85

コンテナパートのサーフェス法線が外側を向いているため、FILL_OPT = 1を使用してコンテナ内に水（相3）を満たします（サーフェスの法線方向とは逆向きの側面の充填）。

/INIVOL/86/10003507
INIVOL                 
#  Surf_ID ALE_PHASE  FILL_OPT     ICUMU          FILL_RATIO
       998         3         1         0                 1.0

これで、ALEメッシュがコンテナの外側では/MAT/LAW51からのALE材料1（空気）で、コンテナの内側では材料3（水）で満たされます。最後に、平面/SURF/PLANEを定義して充填高さを定義します。この平面の法線は上を向いているため、FILL_OPT = 0を使用して平面上に空気（相2）を満たします（法線方向の側面の充填）。

#  Surf_ID ALE_PHASE  FILL_OPT     ICUMU          FILL_RATIO
      9999         2         0         0                 1.0

初期充填をチェックするために、Engineファイルで次のアニメーションオプションを使用できます。

/ANIM/ELEM/DENSITY
/ANIM/ELEM/VFRAC

モデルをコンター表示し、切断面を使用して内側を確認することも、図 4のようなアイソサーフェスを使用することもできます。

/ALE/MUSCL - 反拡散テクニック

/ALE/MUSCLは流体間のインターフェースのより良いローカライズを可能とし、数値的な拡散性はかなり小さくなります。この例題では、Betaにデフォルトを使用します。

/ALE/GRID/DONEA - ALEグリッド速度

これにより、J. Doneaグリッド定式化がアクティブになります。この定式化では、特定のグリッド節点の速度が隣接するグリッド節点の速度と変位に依存します。

エンジン制御

/DT/BRICK内でALEの時間ステップスケールファクター0.5を使用して計算を安定させ、/UPWM/SUPG内でfac=1.0を使用することをお勧めします。このオプションは、ALE材料速度がソリッドフェイスに対して垂直でない場合にデカルトグリッド内の速度場を改善します。

結果

コンテナ内の水の動きを確認するには、結果タイプ‟密度”のアイソサーフェスプロットを行います。HyperViewで単純な平均化手法が使用されている場合は、結果がより滑らかになります。

シミュレーションの最後で水がコンテナの側面で跳ね上がり始めていることにも注目してください。