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제목 [기본] ABAQUS를 활용한 FSI(Fluid-Structure Interaction) 기술 소개 #1 날짜 2016.04.08 10:11
글쓴이 KCC 조회 1525

안녕하세요. 한국CAE컨설팅 SIMULIA Team입니다.

SIMULIA에서 제공하는 다물리 솔루션은 아래와 같이 크게 3개의 영역으로 나누어 볼 수 있습니다.

1.png
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1. Abaqus Multiphysics

?? - Abaqus에서 제공하는 다양한 영역의 물리현상을 시뮬레이션 할 수 있는 기능으로 Thermal-mechanical, Structural-acoustic, Thermal-electrical 등이 대표적인 해석 영역이 될 수 있습니다.

2. Extended Multiphysics

?? - Abaqus의 확장된 다물리 해석 기능으로 CEL, SPH, CFD 해석이 포함됩니다.

3. Multiphysics Coupling

?? - Co-simulation Engine을 이용하여 Abaqus 솔버 사이의 coupling 해석(Native FSI capability) 또는 타사의 CFD 코드와 coupling(Coupling with third-party CFD codes)을 할 수 있는 기능이 포함됩니다.


오늘은 SIMULIA 의 Abaqus를 사용한 다물리(Multiphysics) 해석 기능 중 하나인 Multiphysics Coupling을 이용한 Fluid-Structure Interaction(FSI) 해석에 대해서 설명드리겠습니다.


2.png

Multiphysics Coupling 방법은 Co-simulation Engine을 이용한 방법과 MpCCI를 이용한 Independent code coupling interface 방법으로 나누어 볼 수 있습니다.

1. Co-simulation Engine (CSE)

?? - Co-simulation Engine library를 이용한 coupling 방법입니다.

?? - Abaqus 솔버 사이의 coupling과 STAR-CCM+와 coupling이 대표적이며 Co-simulation이라고 지칭합니다.

2. Independent code coupling interface

?? - MpCCI를 이용한 coupling 방법으로 Fluent와의 coupling 해석이 대표적입니다.


이 중 FSI 해석 관련 기술은 Co-simulation Engine을 이용한 방법이며 아래에서 보다 상세히 다루도록 하겠습니다.


Target Application

FSI 해석은 유동 흐름과 구조물 간의 상호관계를 고려하는 시뮬레이션을 목표로 하며, 시간 영역에 대한 응답 특성(정상 상태 포함)을 확인할 수 있습니다. 아래는 대표적인 FSI 해석 영역 및 해석 프로세스 입니다.

3.png
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?? - Static Stress/Displacement analysis

?? - Dynamic (implicit and explicit)

?? - Heat transfer (steady-state and transient)

?? - Coupled temperature-displacement (implicit)

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그러나 아래와 같은 해석 영역에 대해서는 FSI 해석을 수행할 수 없는 부분이니 참고하시기 바랍니다.

1. Vibroacoustics

?? - 주파수 영역에서 해석을 진행하는 것이 보다 효율적

2. Beam, Truss 등 1차원 요소 모델

3. Injection molding, casting, superplastic forming

?? - Fluid/Structure 경계면이 변화하는 경우

4. Rupture, penetration, fragmentation

?? - 유체 영역의 위상 변화


FSI Workflow

SIMULIA에서 제안하는 FSI workflow는 아래와 같습니다.

4.png

Step 1 : 구조 모델 검증 (Abaqus-only)

?? - 구조 해석용 모델 준비

?? - Fluid-structure interface로 지정할 부분에 pressure/heatflux 하중을 가정하여 부여

?? - pressure/heatflux는 유체로부터 구조물에 전달이 예상되는 값

?? - 구조 해석만을 진행하여 해석 모델의 오류나 수렴성 확인

Step 2 : 유동 모델 검증 (Abaqus/CFD 또는 third-party CFD code)

?? - 유동 해석용 모델 준비

?? - Fluid-structure interface로 지정할 부분을 wall boundary로 지정

?? - Interface wall에 예상되는 구조물의 표면 온도 또는 moving 옵션 등을 부여

?? - 유동 해석만을 진행하여 해석 모델의 오류나 수렴성 확인

Step 3 : Interconnect

?? - 구조물에 가정한 하중 및 유체 wall boundary에 부여한 조건 제거

?? - Fluid-structure interface 설정 및 두 솔버 사이에 교환할 variable 설정(변위, 온도, 압력 등)

Step 4 : Run

?? - FSI 해석 실행

Step 5 : Result

?? - 결과 확인

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Code-Coupling

Co-simulation은 구조와 유동 방정식의 해를 각자 구하고 그 결과를 fluid-structure interface하중 및 경계 조건으로 서로에게 부여하는Staggered (Partitioned) solution approach 방법을 이용하고 있습니다.

5.png?

따라서 FSI 해석 중 fluid-structure interface에서는 두 솔버의 해를 서로에게 mapping 및 데이터 교환이 이루어 지게 됩니다.

이 때, mapping과 데이터 교환은 Co-simulation Engine Library를 이용하여 수행이 되며 Library는 Abaqus 설치시 자동으로 설치됩니다.

이와 관련된 부분에 대해서 사용자는 데이터 교환 및 mapping이 이루어지는 시점 및 데이터 종류만 선택하시면 됩니다.

6.png
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유동 mesh 측면에서는 Aribitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method, Moving/deforming mesh (MDM) technology 등의 기능을 이용하여 구조물의 대변형과 회전에 따른 유동 mesh의 변형을 고려하여 FSI 해석을 진행할 수 있습니다.

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요약

FSI 해석은 다물리 해석의 한 분야로 유동의 흐름이 구조물의 변형에 영향을 미치고 그 변형이 유동의 흐름에 다시 영향을 미치게 되는 현상에 대한 해석분야입니다.

이러한 해석을 수행하기 위해 SIMULIA는 구조와 유체에 대한 해석을 독립적으로 수행하고 그 결과를 서로에게 mapping 및 데이터 교환하는 방법을 이용하고 있습니다(Staggered solution approach).

이러한 coupling 해석 방법은 크게 Native FSI capability와 Coupling with third-party CFD codes로 나누어 볼 수 있습니다.

다음에는 앞서 말씀드린 두 가지 coupling 해석 방법에 대해서 소개드리겠습니다.


-?SIMULIA S/W?및 기술문의 : bhchoi@koreacae.com (070-4187-0214, 010-9274-3496)


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