SOLIDWORKS SIMULATION: Siła sprzężenia analizy przepływu i analizy strukturalnej

SOLIDWORKS Flow Simulation jest jednym z produktów analitycznych SOLIDWORKS pozwalającym na obliczenia przepływów, w tym aerodynamiki zewnętrznej, metodą objętości skończonych. Jest to zaawansowane pod względem numerycznym narzędzie pozwalające przenieść na ekran komputera skomplikowaną fizykę wielu zjawisk w znajomym interfejsie oprogramowania SOLIDWORKS. Jest on w pełni asocjatywny, co w kontekście całego procesu projektowania, przyspiesza kolejne iteracje w zespole oraz zapewnia szybkie i optymalne zakończenie zadania.

Połączenie mocy obliczeniowej.

Mówiąc półżartem: „symbioza” między SOLIDWORKS Flow Simulation, a SOLIDWORKS Simulation pozwala na zmierzenie się z, nawet niezwykle, złożonymi problemami stawianym inżynierom w najróżniejszych branżach. Flagowymi przykładami może być wyznaczanie nieznanych współczynników konwekcji, możliwość przeprowadzenia analizy naprężeń termicznych z uprzednio zimportowanego pola temperatur lub, jak w niniejszym przykładzie, analiza strukturalna w oparciu o rozkład ciśnień uzyskanych w drodze analizy aerodynamiki zewnętrznej.

Skrzydło modelarskie ze sklejki balsowej

Modelarstwo jest często uważane za hobby „elitarne”. Najpewniej jednym z powodów na taki obraz opinii publicznej są potencjalne koszty, jakie może ponieść modelarz w wyniku nieumiejętnego opracowania konstrukcji i konsekwentnego spadnięcia samolotu. W omawianym zagadnieniu zostanie przedstawiona funkcjonalność oprogramowania na przykładzie skrzydła modelarskiego ze sklejki balsowej, którego struktura widoczna jest na zdjęciu poniżej:

Rys. 1 Elementy składowe struktury skrzydła

Skrzydła drewniane najczęściej kryte są płótnem. Ze względu na trudną dostępność danych wytrzymałościowych płócien, dla potrzeb niniejszej analizy, zastąpiono je poszyciem duraluminiowym (pomijając sensowność takiej konstrukcji). Celem zapobiegnięcia dostawania się przepływu wewnątrz skrzydła, domknięcie końcówki zamodelowano w sposób uproszczony. Celem niniejszej analizy będzie przedstawienie metodologii weryfikacji naprężeń w dźwigarach (są to komponenty przenoszące zginanie) oraz weryfikacja przemieszczeń końcówki skrzydła.

Analiza sił aerodynamicznych działających na skrzydło

Dzięki umożliwieniu użytkownikowi Flow Simulation sekwencyjnego wprowadzania informacji na temat badania już na etapie jego tworzenia (okienko „Wizard”), analityk buduje bazę danych domyślnych przyspieszającą proces obliczeniowy. Ponieważ ośrodkiem w którym poruszają się statki jest powietrze, zostało one dodane jako płyn wykorzystywany w badaniu. Wybrano opcję analizy zewnętrznej oraz pominięcia objętości wewnętrznych. Parametry termodynamiczne pozostawiono na wartościach domyślnych, a w ustawieniach prędkości nadano składową X o wartości 40 m/s. Odpowiada ona prędkości niewiele mniejszej niż przelotowa Cessny 150.

Rys. 2 Przedstawienie kąta natarcia profilu wraz z ustawieniami prędkości

Zdefiniowawszy badanie nałożono tzw. „cele obliczeniowe”. Gdyby chcieć je zdefiniować, można by powiedzieć, że są to wirtualne czujniki (takie jak termopary, siłomierze, prędkościomierze itp.). W omawianym przykładzie zdecydowano się na dodanie globalnych celów obliczeniowych w postaci ciśnienia spiętrzenia, temperatury, prędkości i jej poszczególnych składowych wraz z siłami aerodynamicznymi.

Przechodząc do siatki – zagadnienie przepływu wokół profilu lotniczego jest złożone pod względem fizycznym. W wyniku lepkości ośrodka powietrze opływając skrzydło zatrzymuje się od prędkości 40 m/s do zerowej w cienkiej warstwie przylegającej bezpośrednio do profilu. Warstwa ta nosi nazwę „warstwy przyściennej” i stanowi pewne wyzwanie przy nakładaniu na model siatki dyskretyzacyjnej. Siatka musi w tym rejonie spełniać wymogi jakościowe bazujące na parametrze y+, który jest funkcją lepkości kinematycznej, prędkości ścinania i odległości od profilu. Ponieważ celem publikacji jest przedstawienie funkcjonalności programu zdecydowano się na jedynie powierzchowne zagęszczenie siatki w miejscu występowania warstwy przyściennej.

Rys. 3 Siatka dyskretyzacyjna

Po uruchomieniu symulacji mamy możliwość zapoznania się z wachlarzem wyników dzięki intuicyjnym funkcjom wyświetlania Flow Simulation. Mamy możliwość zapoznania się z wynikami w danym przekroju, na danej powierzchni, utworzenia izomapy, animacji linii prądu, wykresów związanych z celami obliczeniowymi, parametrów objętościowych, parametrów powierzchniowych i wielu innych. Dla przykładu, na poniższych zdjęciach został zaprezentowany rozkład ciśnienia spiętrzenia w jednym z przekrojów poprzecznych skrzydła oraz linie prądu w widoku od krawędzi natarcia. Doskonale widać pojawiającą się wirowość na krańcach skrzydła będącą wynikiem gradientu ciśnień na górnej i dolnej powierzchni. Efekt ten nosi nazwę „wirów zaskrzydłowych”.

Rys. 4 Mapa ciśnienia spiętrzenia w przekroju poprzecznym skrzydła

Rys. 5 Wiry zaskrzydłowe

Wykonawszy zasadniczą część zadania przejść możemy do eksportu wyników z Flow Simulation do modułu Simulation. Możemy to zrobić w zakładce Narzędzia > Flow Simulation > Tools > Export Results to Simulation. W dalszym kroku przeprowadzona zostanie analiza strukturalna (liniowa statyczna) pozwalająca na weryfikację projektu skrzydła. Wybór analizy liniowej statycznej podyktowany jest chęcią zbadania stanu lotu ustalonego. Gdyby chcieć uwzględnić nagłą zmianę kąta natarcia należałoby przeprowadzić badanie dynamiczne (naprężenia w przypadku obciążenia dynamicznego są zwielokrotnione odpowiednio do odwrotności podwojonego współczynnika tłumienia konstrukcji – w praktyce konstrukcja może być wytężona nawet dziesięciokrotnie bardziej!).

Rys. 6 Eksport wyników do Simulation

Po utworzeniu nowego badania Simulation wpierw, aby odzyskać wyniki z analizy aerodynamicznej, należy wejść we właściwości badania i je zimportować. Nałoży to na konstrukcję obciążenia odpowiadające rozważanemu przypadkowi lotu. Pozostało jedynie zdefiniować połączenia (na potrzeby rozważanej symulacji zastosowano relacje wiązane) oraz umocowania. Na końcu dźwigarów najczęściej montowane są okucia – w przypadku skrzydła jednoobwodowego najczęściej wykorzystywany jest do tego dźwigar przedni i środkowy. Okucia współpracują ze sworzniami pozwalającymi na szybki montaż i demontaż. Reakcje na przeciwokuciach pojawiają się w postaci sił na kierunkach prostopadłych do osi sworzni, tym samym ich obecność należałoby modelować poprzez odebranie odpowiednich translacyjnych stopni swobody. Dla potrzeb uproszczenia oraz ze względu na brak informacji na temat orientacji sworzni końcowe ściany dźwigarów zostały utwierdzone. Jest to rozwiązanie akceptowalne pod warunkiem, że utwierdzona ściana jest myślowym przekrojem dźwigaru oddalonym wystarczająco od okucia. Po przypisaniu warunków brzegowych należy utworzyć siatkę i przeprowadzić symulację.

Rys. 7 Właściwości badania statycznego

Rys. 8 Utwierdzenie ścian dźwigara

Naprężenia w jednym z najbardziej wytężonych przekrojów dźwigara wynoszą niecałe 14 MPa. Narzędzia sondy użyto w pewnej odległości od umocowania ze względu na nierealistyczną (numeryczną) koncentrację naprężeń. Biorąc pod uwagę, że sklejka balsowa jest w stanie przenieść naprężenia dochodzące do wartości 20 MPa otrzymaliśmy wartość znacznie mniejszą. Ze względu na słabą jakościowo siatkę dyskretyzacyjną należałoby jednak powtórzyć badanie na siatce drobnoziarnistej z zastosowaniem sterowania lokalnego w miejscach zainteresowania, lub przeprowadzić badanie adaptacyjne. Przemieszczenie końcówki skrzydła wynosi niecałe 20 cm i odpowiada rzeczywistej pracy podobnych skrzydeł pracujących w konstrukcjach modelarskich.

Rys. 9 Wartość naprężenia w dźwigarze

Rys. 10 Mapa przemieszczeń

Model użyty w symulacji jest zmodyfikowaną wersją modelu z ogólnodostępnej bazy GrabCad

Post: SOLIDWORKS SIMULATION: Siła sprzężenia analizy przepływu i analizy strukturalnej