Comment simuler l'interaction fluide-structure à l'aide de 3DEXPERIENCE

Les outils de simulation de la plateforme 3DEXPERIENCE permettent aux concepteurs et aux ingénieurs de résoudre les problèmes d'interaction fluide-structure (FSI). Grâce à des fonctionnalités avancées de maillage, à des solveurs performants et au cloud computing, la simulation 3DEXPERIENCE peut optimiser votre processus de conception de produits.

Le poste d'ingénieur en dynamique des fluides, spécialisé en dynamique des fluides, associé à celui d'ingénieur en mécanique des structures, spécialisé en analyse par éléments finis, permet de simuler les interactions fluide-structure. L'utilisation conjointe de ces deux outils permet d'éliminer les approximations de votre conception lorsque vous devez gérer des contraintes couplées résultant à la fois des charges structurelles traditionnelles et des interactions avec les fluides.

Qu'est-ce qu'un ingénieur en dynamique des fluides ?

Le rôle d'ingénieur en dynamique des fluides (FMK) sur la plateforme 3DEXPERIENCE s'appuie sur la dynamique des fluides computationnelle (CFD) avancée pour simuler l'écoulement des fluides et le transfert thermique, et évaluer les performances réelles des conceptions de produits. Parmi les principales fonctionnalités de cette simulation basée sur le cloud, on trouve un maillage haute fidélité qui reproduit les couches limites avec une plus grande précision, ainsi que divers modèles de simulation, tels que Spalart-Allmaras pour la modélisation de la turbulence.

Qu'est-ce qu'un ingénieur en mécanique des structures ?

Le rôle d'ingénieur en mécanique des structures (SSU) consiste principalement à évaluer l'intégrité structurelle des produits à l'aide du solveur Abaqus, qui a fait ses preuves dans l'industrie, au sein d'un environnement cloud unifié. Plutôt que d'être limité par les ressources du système, ce rôle permet aux utilisateurs de décharger le calcul des simulations vers le cloud 3DEXPERIENCE afin de résoudre rapidement des problèmes complexes.

Comment simuler l'interaction fluide-structure

En combinant ces fonctionnalités, la plateforme 3DEXPERIENCE excelle dans les applications fluide-structure en permettant une intégration transparente des simulations fluides et structurelles. L'utilisation de 3DEXPERIENCE permet à votre équipe de passer rapidement d'un domaine de simulation à l'autre et de valider pleinement vos conceptions.

Intégration d'une analyse structurelle et d'une analyse des flux sur 3DEXPERIENCE

Configuration de l'analyse des flux

Une analyse des écoulements externes est réalisée sur un panneau d'affichage soumis à des vents soufflant sur la grande face avant du modèle. L'objectif est de simuler une forte rafale de vent et ses effets sur le panneau, afin de s'assurer qu'il résiste à des conditions défavorables.

Conditions initiales du fluide

Une condition d'entrée de vitesse est définie dans la direction X de manière à ce que le fluide se déplace à 40 m/s et vienne frapper la face avant du panneau publicitaire. À l'extrémité opposée du domaine de calcul, une pression manométrique statique de 0 N/m² est définie afin que le fluide se déplace correctement dans la simulation.

Définition d'une condition initiale pour une entrée de vitesse

Pour simuler le mouvement de l'air autour du panneau d'affichage, une condition de glissement est définie sur les côtés du panneau, là où souffle le vent. La condition par défaut « sans glissement » est appliquée à la base afin de représenter la base ancrée au sol de la structure qui soutient le panneau.

Mise en place de cloisons coulissantes pour le bureau

Maillage du domaine fluide

Dans ce cas, un maillage à dominante hexagonale est utilisé pour simuler avec précision le domaine fluide. De plus, un maillage grossier comportant trois couches limites supplémentaires est défini afin d'obtenir des résultats plus précis le long de la frontière entre les fluides et les solides.

Le domaine fluide maillé

Utilisation des régions portuaires

Étant donné que les résultats de l'analyse CFD relatifs à la pression du fluide doivent être utilisés pour l'analyse structurelle, une « zone de port » est définie, ce qui permet aux utilisateurs de coupler la séquence d'étapes structurelles avec celle de l'écoulement. Ce couplage permet à la simulation d'interaction fluide-structure de s'exécuter de manière transparente grâce à l'échange simultané de données entre la simulation de l'écoulement et la simulation structurelle.

Définition des zones de port pour un transfert de données fluide

Si les zones de port n'ont pas été définies avant de lancer l'analyse, les utilisateurs peuvent exporter les résultats, en l'occurrence les valeurs de pression manométrique, à partir des surfaces une fois l'analyse terminée.

Résultats de l'étude sur l'écoulement

Une fois l'étude configurée et la simulation lancée, les résultats sont disponibles pour consultation. Différents types de graphiques peuvent être générés afin d'obtenir des informations clés sur l'étude. Par exemple, les graphiques de section de pression manométrique et les graphiques de lignes de courant de vitesse permettent de visualiser rapidement ce qui se passe en fonction des conditions d'entrée.

Graphique de la vitesse du fluide pour l'étude du panneau publicitaire

Configuration de l'analyse structurelle

Une fois l'analyse d'écoulement terminée, les résultats peuvent être transférés vers une simulation structurelle sous forme de charges appliquées. Si la zone portuaire a été définie dans l'analyse d'écoulement, les utilisateurs peuvent sélectionner directement ce modèle de simulation d'écoulement spécifique.

En conséquence, la pression manométrique est attribuée aux surfaces définies dans la zone des orifices.

Utiliser une région portuaire existante pour relier les études  

Si la région portuaire n'a pas été définie, les utilisateurs peuvent recourir à l'option « Données spatiales cartographiées » pour utiliser les données de pression manométrique précédemment exportées.

Études cartographiques sans définition de la région portuaire

Validation de la cartographie de l'étude

Dans les deux cas, l'option « Tracer les données » permet aux utilisateurs de vérifier si les données sont correctement mappées. Si ce n'est pas le cas, vous pouvez revenir à l'étude d'écoulement pour ajuster la zone du port, puis réexporter les données.

Représentation de la région portuaire sur la maquette

Résultats de l'étude structurelle

Une fois l'étude configurée et la simulation lancée, les résultats sont disponibles pour consultation. Différents types de graphiques peuvent être générés afin d'obtenir des informations clés sur l'étude. Par exemple, la contrainte de von Mises et la pression hydrostatique peuvent être représentées graphiquement pour illustrer rapidement ce qui se passe en fonction des conditions d'entrée.

Contrainte de von Mises représentée graphiquement à l'issue de l'étude

Comparaison entre 3DEXPERIENCE et la simulation sur ordinateur de bureau

Les résultats obtenus à l'aide des outils de simulation 3DEXPERIENCE sont comparables à ceux des versions de bureau de SOLIDWORKS Flow Simulation et SOLIDWORKS Simulation. Cela fait de chaque ensemble d'outils une solution viable pour tester vos modèles.

Cependant, les outils de simulation de 3DEXPERIENCE offrent des fonctionnalités plus performantes pour les études complexes d'interaction fluide-structure et peuvent tirer parti du cloud computing haute performance. De plus, toutes les activités de simulation sont reliées, suivies et gérées grâce à la gestion des données 3DEXPERIENCE.

Quoi qu'il en soit, les ingénieurs peuvent s'assurer que leurs conceptions sont suffisamment robustes et simuler l'interaction des fluides avec leurs structures afin de déterminer la conception optimale.

Pour en savoir plus sur l'utilisation de 3DEXPERIENCE SIMULIA pour la simulation, cliquez ici.