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eNews 2008/05/27 :ADINA FSI : 血球或彈性球體在流場中之互動/FSI模擬(1/2):結構模型設定

附註 : 本篇內容參考中原大學機械所 楊昇穎 "質點應用於流道的實驗與分析", 模型設定由崴昊科技教育訓練協助完成.

簡介
本期為大家介紹如何以ADINA FSI模擬彈性球體(如血球)在流場中(如血管)因流體帶動, 產生之相互碰撞及運動行為. 這樣模式可以應用在許多不同的領域中. 此處我們只對ADINA FSI的設定做原則性的介紹.

本模型模擬的重點為:
1.
彈性球體在流場中, 隨著流體的帶動而漂流.
2. 模型中有3個彈性球體, 其相互之間會有撞擊的互動. 且其撞擊行為屬彈性而非剛體.
3.
彈性球體與流場邊界亦有撞擊的互動. 流場邊界為剛體.
4. 當球體之間或球體對流場邊界產生碰撞時, CFD求解器須自行調整網格,不可因網格扭曲而產稱生發散.

求解模式為2D的暫態(Dynamic Transient). 使用的軟體及模組為ADINA FSI. 圖1所示為該模型的基本架構示意

圖1 模型的基本架構示意

建立結構模型
使用ADINA的FSI時, ADINA允許我們將結構及流體的模型分開建立並設定. 此處我們說明結構部份的建立原則步驟.

結構模型建立的必要項目為

1. 建立或讀入幾何模型.
2. 求解設定
3. 建立材料參數及 Element Group.
4. 建立Contact Control, Contact Group 及Contact Surface: 含球體及外壁(Wall)
5. 建立外壁(Wall)邊界條件
6. 建立球體網格
7. 建立Wall之 Rigid Contact Surface網格
8. 建立 Contact Pair
9. 設定FSI界面.
10. 存檔

此處我們挑選幾個比較特殊的步驟加以詳述

求解設定
在讀入幾何後, 開始輸入其它參數及建模之前, 一般的建議是先作求解之設定. 這是因為很多的選項, 如界面,材料或其他參數, 通常會依求解設定不同而有所改變. 有很多的選項也要有正確的求解設定才會出現. 在此題目, 主要的求解設定為.

1.設定分析種類(Analysis Type)為Dynamics Implicit
2.打開FSI選項

注意除非有結構的外力或是跟時間有關的位移, 否則Time Step及Time Function以流體為主要依據. 圖2所示為各求解設定在ADINA-AUI中之選單位置.


圖2 
各求解設定在ADINA-AUI中之選單位置

材料參數
注意由於此處我們採用Dynamics分析,結構材料參數必需輸入正確的密度. 其他參數依一般慣例即可.

建立Contact Control, Contact Group 及Contact Surface: 含球體及外壁(Wall)
在ADINA建立contact的界面時, 有幾個步驟必需依次序設定完成,分別是
  • Contact Control : 接觸界面互動的數學模式, 計算方法等. 一般使用預設值即可
  • Contact Group : Contact元素的數學模式,(2D或3D亦在此選取). 此即為Contact元素的Element Group. Contact Surface Offset(Gap)也在此設定.
  • Contact Surface : Contact表面的鋪設. ADINA可以用許多方便的方法設定, 例如可以自動選取某一幾何的Body的所有表面作為Contact Surface. 如果沒有幾何Body存在, 也可以先在Element Group表面(自動)建立Element Face Set後, 以Element Face Set來設定Contact Surface.
  • Contact Pair : 就是定義Contact Surface間的互動關係, 將可能會接觸的Contact Surface定義聯接, 使得ADINA在計算Contact時會把這些互動都考慮進去.
圖3 所示為上述的Contact設定的選單界面位置

圖3 Contact設定的選單界面位置

守先我們設定Contact Group 1. 之後所有的Contract Surface都會用這個Contact Group.注意此處我們將Contct Surface Offset設定為0.1(圖4), 使得所有屬於Contact Group 1的Contact Surface都會往外推 0.1的厚度. 這是為了結構避免之間因碰撞而接觸, 始得流體的空間完全消失而造成網格的破壞, 所以留下一個極小的空隙. 只要此空隙很小, 一般來說對結果影響並不大. 而其大小, 建議可以設為流體及結構最小網格大小的0.4~0.5左右.


圖4 Contact Group與 Contact Surface Offset設定


此處我們需要定義5個Contact Surface(如圖5所示), 分別是
1. 球體1的表面 (Ball 1)
2.
球體2的表面 (Ball 2)
3. 球體3的表面 (Ball 3)
4. 外壁1的表面 (Wall 1)
5. 外壁1的表面 (Wall 2)

圖5 Contact Surface設定之位置與編號

建立外壁(Wall)邊界條件
此處必需記得設定所有外壁邊界條件皆為Fixed. 如果Wall沒有設定為Fixed, 會因球體碰撞或其它外力而始的Wall與流體的邊界分離.

建立Wall之 Rigid Contact Surface網格
由於我們所設定的Wall並沒有一般的元素, 所以無法像設定其它Contact Surface的設定一樣讓ADINA在元素表面設Contact Surface. 不過ANSYS允許我們,當Contact Surface是Rigid時,可以直接在幾何上舖設Contact Surface而無需有一般的元素存在. 也就是Rigid 的Contact Surface可以只直接設定在沒有Element的幾何上, 但是相對的, 如果將Rigid Contact Surface設在沒有Element的幾何上, 用戶必需記得作Mesh Rigid Contact Surface的動作, 如圖6所示.


圖6 建立Wall之 Rigid Contact Surface網格 (Mesh Rigid Contact Surface)
 
建立 Contact Pair
如前所述, Contact Pair 是定義Contact Surface間的互動關係. 在ADINA中, 所有的Contact互動都必需一一定義, 沒有定義的互動, ADINA並不會自動搜尋. 本模型我們一共需定義意下的Contact Pair. 其中CS為Contact Surface的縮寫.

1. Ball 1 (CS 1) vs Wall 1
(CS 4)
2. Ball 2 (CS 2) vs Wall 1 (CS 4)
3. Ball 3 (CS 3) vs Wall 1 (CS 4)
4. Ball 1 (CS 1) vs Wall 2 (CS 5)
5. Ball 2 (CS 2) vs Wall 2 (CS 5)
6. Ball 3 (CS 3) vs Wall 2 (CS 5)
7. Ball 1 (CS 1) vs Ball 2 (CS 2)
8. Ball 1 (CS 1) vs Ball 3 (CS 3)
9. Ball 2 (CS 2) vs Ball 3 (CS 3)

設立 FSI 界面
FSI界面是結構與流體互動的界面. 此處我們依以下邊號順序建立FSI界面

1. Ball 1 (使用其表面的Lines)
2. Ball 2
(使用其表面的Lines)
3. Ball 3 (使用其表面的Lines)

注意以上的編號是跟流場模型的FSI界面相對應的,也就是流場的FSI界面1將與結構的FSI界面1互動.

存檔
以上建檔完畢後,必需先寫出dat檔備用, 如圖7所示.待流場的建模完成並寫成流場的dat檔,兩者必需一起使用在FSI求解.


圖7 寫出結構模型的dat檔

建立流體模型
以上內容說明如何建立此模型的結構部份. 流場部份, 請看第二部份 : 血球或彈性球體在流場中之互動/FSI 模擬 (2/2) : 流場模型設定.

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