Symulacja zachowania farby w spadającym pojemniku metodą CEL w Abaqus/Explicit

Wprowadzenie – dlaczego CEL w Abaqus/Explicit

Modelowanie zachowania cieczy w warunkach dynamicznych, takich jak uderzenia czy gwałtowne hamowanie, jest trudne nie tylko z powodu dynamiki, ale też konieczności jednoczesnego opisu ruchu cieczy i odpowiedzi struktury.

W klasycznych analizach MES stosuje się podejścia kinematyczne Lagrange’a lub Eulera:

Lagrange: siatka podąża za materiałem – dobrze sprawdza się dla ciał stałych, ale przy cieczach prowadzi do silnych zniekształceń siatki.

Euler: siatka nieruchoma – umożliwia realistyczny opis przepływu cieczy, ale nie pozwala naturalnie modelować deformujących się struktur.

W analizach fluid–structure interaction żadne z podejść stosowane samodzielnie nie wystarcza. Tu z pomocą przychodzi metoda Coupled Eulerian–Lagrangian (CEL) w Abaqus/Explicit:

ciecz modelowana jest w domenie Eulerowskiej,

struktura (pojemnik, pokrywa, podłoże) w domenie Lagrange’a,

oddziaływanie obu domen obsługiwane automatycznie przez General Contact.

Kluczową cechą CEL jest oddzielenie geometrii od materiału w domenie Eulerowskiej. Siatka Eulerowska nie odwzorowuje kształtu cieczy, lecz śledzi jej objętość poprzez Eulerian Volume Fraction (EVF), definiując granice fazowe ciecz–powietrze i aktualną lokalizację materiału.

Rys. 1 Schematyczne przedstawienie spadającego pojemnika wypełnionego farbą

W artykule metoda CEL zostanie pokazana na przykładzie uproszczonego drop-testu pojemnika wypełnionego farbą akrylową. Analiza ma charakter koncepcyjny i jakościowy, koncentrując się na:

oli domeny Eulerowskiej,

inicjalizacji materiału przez EVF,

interakcji Eulerian–Lagrangian,

interpretacji wyników CEL w Abaqus/CAE.

Pozostałe aspekty, jak zaawansowane parametry materiałowe czy kalibracja modeli, ograniczono do niezbędnego minimum, aby utrzymać koncentrację na kluczowych funkcjach metody.

Opis przypadku testowego i założenia analizy

Przedmiotem analizy jest drop-test pojemnika z farbą, wybrany jako przypadek demonstracyjny metody CEL w Abaqus/Explicit. Scenariusz pozwala pokazać kluczowe mechanizmy: ruch cieczy w domenie Eulerowskiej, interakcję z deformującym się pojemnikiem oraz rolę pola Eulerian Volume Fraction (EVF), bez nadmiernego komplikowania modelu.

Analizowany obiekt:

pojemnik 10 L z tworzywa HDPE, częściowo wypełniony farbą akrylową o niskiej lepkości,

spadek z wysokości 1 m na sztywne, nieodkształcalne podłoże.

Aby skrócić czas obliczeń, analiza rozpoczyna się tuż przed uderzeniem, nadając pojemnikowi i farbie początkową prędkość odpowiadającą swobodnemu spadkowi. Zabieg ten nie zmienia charakteru zjawisk w fazie kontaktu, a znacząco poprawia efektywność obliczeń – standardowa praktyka w analizach Explicit.

Założenia modelu:

pojemnik ulega odkształceniom sprężysto-plastycznym, ale nie ulega zniszczeniu,

materiał farby dobrano pod kątem stabilności i czytelnej interpretacji EVF,

podłoże modelowane jako idealnie sztywne.

Analiza prowadzona jest w układzie mm–tonne–MPa, typowym dla dynamicznych symulacji w Abaqus/Explicit, co zapewnia spójność parametrów materiałowych i poprawną interpretację wyników.

Rys. 2 Początkowa pozycja pojemnika z farbą nad powierzchnią podłogi

Architektura modelu Coupled Eulerian–Lagrangian

Analiza typu Coupled Eulerian–Lagrangian opiera się na wyraźnym rozdzieleniu modelu na dwie uzupełniające się domeny obliczeniowe: Eulerowską i Lagrange’owską. Każda z nich pełni odmienną funkcję numeryczną i odpowiada za inny aspekt fizyki analizowanego zjawiska.

Lagrange’owska: pojemnik, pokrywka i podłoże; siatka podąża za materiałem, umożliwiając śledzenie przemieszczeń, odkształceń i naprężeń w strukturze. W analizowanym przypadku pojemnik ulega znacznym odkształceniom, ale zachowuje integralność materiału.

Eulerowska: farba; siatka nieruchoma, a materiał przepływa między elementami, co pozwala stabilnie modelować ruch cieczy, rozlanie i rozbryzg bez degradacji jakości siatki.

Należy podkreślić, że domena Eulerowska nie odwzorowuje rzeczywistego kształtu cieczy. Stanowi ona wyłącznie przestrzeń numeryczną, w której obecność farby opisana jest za pomocą pola Eulerian Volume Fraction (EVF). Rozkład EVF w elementach domeny Eulerowskiej definiuje aktualne położenie, objętość i granice fazowe cieczy w trakcie symulacji, a jego ewolucja w czasie odzwierciedla dynamikę przepływu.

Oddziaływanie pomiędzy cieczą a strukturą realizowane jest poprzez mechanizm General Contact, który w analizach CEL automatycznie obsługuje interakcje pomiędzy materiałem Eulerowskim a powierzchniami Lagrange’owskimi. Algorytm kontaktu przenosi ciśnienia i impulsy generowane przez ciecz na ścianki pojemnika oraz wpływa na pole prędkości materiału w domenie Eulerowskiej. Dzięki temu nie ma potrzeby definiowania klasycznych par kontaktowych ciecz–struktura, co znacząco upraszcza konfigurację modelu.

Tak zdefiniowana architektura — z jednoznacznym podziałem ról pomiędzy domeny oraz centralną rolą pola EVF — stanowi podstawę dalszych etapów analizy, w szczególności doboru modeli materiałowych oraz definicji geometrii i siatki.

Rys. 3 Schemat geometrii Eulerowskiej oraz Lagrange w modelu CEL

Modele materiałowe

W analizie typu Coupled Eulerian–Lagrangian zastosowano dwa różne modele materiałowe, odpowiadające dwóm domenom obliczeniowym: Eulerowskiej (farba) oraz Lagrange’owskiej (pojemnik). Dobór modeli podporządkowano stabilności obliczeń i czytelnej interpretacji wyników.

1. Farba – domena Eulerowska

Farba akrylowa została zamodelowana jako lepka ciecz Newtonowska, opisana w domenie Eulerowskiej za pomocą pola Eulerian Volume Fraction (EVF). Zachowanie objętościowe cieczy odwzorowano przy użyciu równania stanu typu Us–Up, umożliwiającego stabilne modelowanie odpowiedzi ciśnieniowej podczas dynamicznego uderzenia.

Przyjęte parametry materiałowe (referencyjne):

Gęstość: ρ = 1.20E-09 t/mm³

Equation of State Us–Up: C₀ = 1460 mm/s, s = 1.8, γ₀ = 0

Lepkość dynamiczna: μ = 3.0E-09 MPa·s

2. Pojemnik – domena Lagrange’owska

Pojemnik i pokrywka wykonane są z HDPE i opisane sprężysto-plastycznym modelem Johnsona–Cooka z kryterium uszkodzenia ciągliwego. Model ten pozwala uchwycić odpowiedź struktury w warunkach obciążeń dynamicznych, bez zakładania zniszczenia pojemnika.

Przyjęte parametry materiałowe HDPE:

Gęstość: ρ = 9.2E-10 t/mm³

Właściwości sprężyste: E = 1000 MPa, ν = 0.42

Johnson–Cook: A = 25 MPa, B = 80 MPa, n = 0.4, m = 1

Ductile Damage: fracture strain = 0.7, displacement at failure = 0.5 mm

Uwagi praktyczne

Materiał Eulerowski przypisywany jest poprzez pole EVF w kroku Predefined Fields.

Materiał Lagrange’owski przypisywany jest klasycznie do części pojemnika.

W postprocessingu analizę cieczy opiera się głównie na EVF, a odpowiedź struktury na przemieszczeniach i naprężeniach.

Geometria i siatka

Analiza typu Coupled Eulerian–Lagrangian wymaga przygotowania dwóch odmiennych typów geometrii i siatek: Lagrange’owskiej dla elementów konstrukcyjnych oraz Eulerowskiej dla domeny przepływu cieczy. Każda z nich pełni inną funkcję numeryczną i podlega innym zasadom modelowania.

1. Domena Eulerowska

Domena Eulerowska stanowi nieruchomą przestrzeń obliczeniową, w której przemieszcza się farba. Nie odwzorowuje ona rzeczywistego kształtu cieczy, lecz obszar, w którym jej obecność definiowana jest poprzez pole Eulerian Volume Fraction (EVF).

Zalecenia modelowe:

domena obejmuje cały pojemnik oraz dodatkowy margines (ok. 20–30 mm), umożliwiający swobodne rozlanie cieczy,

początkowa objętość farby definiowana jest za pomocą bryły referencyjnej (solid), wykorzystywanej wyłącznie do generacji pola EVF,

po wygenerowaniu EVF bryła referencyjna zostanie wyłączona z obliczeń (Exclude from Simulation).

Rys. 4 Geometria domeny Eulerowskiej (czerwona) oraz bryła referencyjna farby (różowa)

2. Geometria Lagrange’owska

Pojemnik i pokrywka zamodelowane są jako deformowalne części powłokowe wykonane z HDPE. Podłoże stanowi sztywne ciało typu rigid, pełniące wyłącznie rolę powierzchni kontaktu.

Podstawowe wymiary pojemnika:

pojemność: 10 L

grubość dna: 4 mm

grubość ścian bocznych: 4 mm

grubość pokrywki: 3 mm

Geometria pojemnika została uproszczona tak, aby wiernie odwzorować jego globalną sztywność i podatność na odkształcenia, bez wprowadzania zbędnych detali konstrukcyjnych.

3. Mesh

Poprawne przygotowanie siatki ma kluczowe znaczenie w analizach CEL ze względu na różne role obu domen obliczeniowych.

Domena Lagrange’owska:

Pojemnik i pokrywka zmeshowane są elementami powłokowymi S4R, zapewniającymi wydajne modelowanie dużych odkształceń w analizach dynamicznych. Podłoże typu rigid posiada siatkę powierzchniową wykorzystywaną wyłącznie do obsługi kontaktu.

Domena Eulerowska:

Domena przepływu farby zmeshowana jest regularną, jednorodną siatką elementów EC3D8R. Taki układ minimalizuje dyspersję numeryczną i poprawia stabilność śledzenia objętości cieczy. Zagęszczona siatka w rejonie pojemnika zwiększa dokładność odwzorowania przepływu oraz interakcji ciecz–struktura.

Rys. 5 Widok siatki domeny Eulerowskiej i elementów Lagrange’owskich w modelu CEL
Bryła referencyjna farby nie jest meshowana.

Tip praktyczny: Pole Eulerian Volume Fraction (EVF) jest generowane dla konkretnej, istniejącej siatki domeny Eulerowskiej. W przypadku zmiany siatki po wygenerowaniu EVF konieczne jest ponowne utworzenie pola EVF, aby zachować poprawne przypisanie materiału do elementów.

Procedura analizy, obciążenia i interakcje

Analiza drop-testu została przeprowadzona z wykorzystaniem procedury Dynamics, Explicit, optymalnej dla zagadnień charakteryzujących się dużymi deformacjami, krótkimi czasami zdarzeń oraz silną interakcją ciecz–struktura, typową dla analiz CEL.

1. Krok analizy (Step)

Symulacja realizowana jest w jednym kroku dynamicznym. W celu oceny zachowania zarówno cieczy, jak i struktury, zdefiniowano następujące wielkości wynikowe:

EVF (Eulerian Volume Fraction) – podstawowa wielkość do analizy ruchu, rozlania i rozbryzgu farby w domenie Eulerowskiej,

S, Mises oraz LE – miary naprężeń i odkształceń w pojemniku, umożliwiające ocenę odpowiedzi strukturalnej,

PEEQ – skumulowane odkształcenie plastyczne, pozwalające zidentyfikować obszary lokalnego uplastycznienia,

przemieszczenia i prędkości – wykorzystywane do analizy globalnej dynamiki ruchu pojemnika,

bilans energii – służący do weryfikacji stabilności numerycznej analizy,

reakcje sił podłoża – umożliwiające ocenę impulsu uderzenia oraz charakteru kontaktu.

Rys. 6 Konfiguracja wielkości Field Output i History Output w analizie CEL

2. Load – warunki początkowe i brzegowe

Kluczowe warunki początkowe i brzegowe zastosowane w symulacji obejmują:

grawitację działającą na wszystkie komponenty modelu (pojemnik, pokrywkę oraz materiał Eulerowski),

brak więzów dla pojemnika i pokrywki, umożliwiający swobodny spadek,

początkową prędkość odpowiadającą swobodnemu spadkowi z wysokości 1 m, przypisaną zarówno elementom Lagrange’owskim, jak i domenie Eulerowskiej,

pełne unieruchomienie (ENCASTRE) sztywnego podłoża.

Zastosowanie początkowej prędkości pozwala skrócić czas obliczeń bez wpływu na charakter zjawisk zachodzących w fazie uderzenia.

Rys. 7 Definicja początkowej prędkości w domenie Eulerowskiej odpowiadającej swobodnemu spadkowi z 1m wyrażonej w mm/s.

3. Interaction – kontakt

Oddziaływania pomiędzy wszystkimi komponentami modelu realizowane są za pomocą General Contact, który automatycznie obsługuje:

kontakt Lagrange–Lagrange (pojemnik ↔ podłoże),

kontakt Lagrange–Euler (pojemnik ↔ farba),

kontakty wewnętrzne i samozderzenia.

Przyjęte parametry kontaktu:

zachowanie normalne: Hard Contact,

zachowanie styczne: Frictionless dla większości interakcji,

wyjątek: kontakt pojemnik ↔ podłoże, współczynnik tarcia μ = 0.2.

Tip praktyczny: w analizach CEL zazwyczaj nie stosuje się tarcia pomiędzy domeną Eulerowską a Lagrange’owską, ponieważ może ono pogarszać stabilność symulacji, nie wpływając istotnie na realizm odwzorowania przepływu cieczy.

4. Fields – Eulerian Volume Fraction

W analizach Coupled Eulerian–Lagrangian materiał w domenie Eulerowskiej nie jest przypisywany bezpośrednio do geometrii, jak w klasycznych modelach Lagrange’owskich. Jego początkowe położenie definiowane jest poprzez pole Eulerian Volume Fraction (EVF) w kroku Predefined Fields.

Początkowy rozkład farby określany jest na podstawie bryły referencyjnej, która reprezentuje rzeczywistą objętość cieczy w chwili rozpoczęcia analizy. Bryła ta nie bierze udziału w obliczeniach mechanicznych i służy wyłącznie jako odniesienie geometryczne. Na jej podstawie narzędzie Volume Fraction Tool generuje pole EVF, przypisując poszczególnym elementom domeny Eulerowskiej wartości z zakresu od 0 do 1.

Wygenerowane pole EVF wykorzystywane jest następnie do przypisania materiału Eulerowskiego w kroku Predefined Fields. Od tego momentu ruch, rozlanie i interakcje farby z pojemnikiem wynikają bezpośrednio z ewolucji pola EVF w trakcie symulacji.

Rys. 8 Generowanie pola Eulerian Volume Fraction (EVF) na podstawie bryły referencyjnej farby

Rys. 9 Przypisanie materiału w Predefined Fields

Postprocessing i interpretacja wyników

Postprocessing w analizach typu Coupled Eulerian–Lagrangian koncentruje się na wizualizacji kluczowych zjawisk zachodzących podczas drop-testu: ruchu cieczy w domenie Eulerowskiej oraz reakcji strukturalnej pojemnika w domenie Lagrange’owskiej.

Domena Eulerowska – farba

Przemieszczanie się farby obserwuje się głównie poprzez pole Eulerian Volume Fraction (EVF). Animacja EVF pozwala śledzić przepływ cieczy, jej rozlanie i rozbryzg po uderzeniu, co stanowi podstawowe narzędzie do interpretacji dynamiki cieczy.

Rys. 10 Pole EVF ilustrujące ruch i rozlanie farby w pojemniku podczas drop-testu.

Domena Lagrange’owska – pojemnik:

Odpowiedź struktury oceniana jest na podstawie rozkładu naprężeń zredukowanych S, Mises. Mapy te pozwalają zidentyfikować najbardziej obciążone obszary pojemnika i potwierdzić jego integralność podczas dynamicznego kontaktu z cieczą.

Rys. 10 Pole EVF ilustrujące ruch i rozlanie farby w pojemniku podczas drop-testu

Domena Lagrange’owska – pojemnik:<

Odpowiedź struktury oceniana jest na podstawie rozkładu naprężeń zredukowanych S, Mises. Mapy te pozwalają zidentyfikować najbardziej obciążone obszary pojemnika i potwierdzić jego integralność podczas dynamicznego kontaktu z cieczą.

Rys. 11 Rozkład naprężeń S, Mises w pojemniku w trakcie drop-testu.

Globalna charakterystyka układu:

Przebieg siły reakcji podłoża (RF2) w funkcji czasu pozwala ocenić impuls uderzenia oraz czas trwania głównej fazy kontaktu między pojemnikiem a podłożem.

Dodatkowo, analiza bilansu energii umożliwia obserwację transferu energii kinetycznej do energii wewnętrznej układu w trakcie uderzenia pojemnika o podłoże. Przebieg energii całkowitej zachowuje charakter monotoniczny i nie wykazuje niefizycznych fluktuacji, co potwierdza stabilność numeryczną analizy. Wykres energii stanowi uzupełnienie interpretacji animacji EVF oraz rozkładów naprężeń w pojemniku, dostarczając globalnego wglądu w dynamikę układu ciecz–struktura.

Rys. 12 Reakcja podłoża (RF2) w funkcji czasu podczas uderzenia pojemnika z farbą.

Rys. 13 Bilans energii w analizie CEL: energia kinetyczna i wewnętrzna układu w funkcji czasu.

Podsumowanie i wnioski

Analiza drop-testu pojemnika z farbą pokazuje praktyczne zastosowanie metody Coupled Eulerian–Lagrangian (CEL) w Abaqus/Explicit. Połączenie domeny Eulerowskiej i Lagrange’owskiej umożliwia realistyczne odwzorowanie ruchu cieczy oraz jej wpływu na deformowalną strukturę pojemnika.

Kluczowe obserwacje:

Dynamika cieczy: Pole EVF pozwala śledzić przemieszczanie farby, jej rozlanie i rozbryzg w czasie symulacji.

Interakcje ciecz–struktura: Deformowalny pojemnik reaguje na siły generowane przez farbę; analiza naprężeń umożliwia ocenę wpływu dynamicznych obciążeń bez ryzyka uszkodzenia struktury.

Stabilność i prostota konfiguracji: Mechanizm General Contact automatycznie obsługuje wszystkie interakcje Lagrange–Euler i Lagrange–Lagrange, co zwiększa stabilność obliczeń i upraszcza definicję kontaktu.

Przedstawiony przykład pokazuje kompletny workflow CEL – od przygotowania geometrii i siatek, przez przypisanie materiałów i definicję pola EVF, aż po analizę dynamiczną i interpretację wyników. Zachowanie regularnej siatki Eulerowskiej oraz zapewnienie odpowiedniego marginesu na rozbryzg cieczy mają kluczowe znaczenie dla stabilności i jakości symulacji. Metoda CEL znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie ciecz dynamicznie oddziałuje na deformowalne struktury, m.in. w opakowaniach, zbiornikach oraz produktach zawierających materiały płynne.

Post: Symulacja zachowania farby w spadającym pojemniku metodą CEL w Abaqus/Explicit