FFD IM - Freudenberg Forschungsdienste SE & Co. KG

mung eines Tragflügels angeführt werden. Die durch die Strömung
hervorgerufene Druckverteilung um das Profil führt zu strukturmechanischen
Beanspruchungen im Flügel. Die damit verbundenen
Verformungen sind indes so gering, dass eine Rückwirkung auf die
Strömung in der Regel vernachlässigt werden kann. Die Lösung
unidirektionaler FSI-Probleme kann getrennt voneinander erfolgen,
indem die aus der Strömungssimulation berechnete Druckverteilung
einmalig als Randbedingung einer nachfolgenden strukturmechanischen
Berechnung dient. Insofern stellen unidirektionale
FSI-Probleme keine zusätzliche Herausforderung gegenüber der
Berechnung der beiden Einzelprobleme dar. Ganz anders sieht
dies im Falle einer starken oder auch bidirektionalen Kopplung
(vgl. Abb. 1) aus. Die Deformation der Struktur ist in diesen Fällen
bzgl. ihrer Rückwirkung auf die Strömung nicht mehr vernachlässigbar
und eine getrennte Betrachtungsweise der Teilprobleme damit
nicht mehr möglich.
Co-Simulation mit Abaqus
Mit der Einführung von
Abaqus/CFD im Jahre 2010
war es erstmals möglich, Strömungssimulationen
in der
Umgebung von Abaqus
durchzuführen. Da es sich bei
Abaqus/CFD um eine vollständige
Neuentwicklung handelt,
ist der Funktionsumfang im
Vergleich zu unserem zur Strömungssimulation
eingesetzten Hauptwerkzeug, Ansys-CFX, derzeit
stellenweise noch eingeschränkt. So ist der Einsatz von Abaqus/
CFD aktuell auf inkompressible Strömungen beschränkt. Auch hinsichtlich
der verfügbaren Modelle, z. B. zur Turbulenzbeschreibung,
oder bei der Vorgabe von Randbedingungen besteht noch an der
einen oder anderen Stelle Weiterentwicklungspotential. Seitens des
Softwareherstellers wird hieran jedoch mit Nachdruck gearbeitet.
Abb1: Schematische Darstellung eines FSI-Problems mit bidirektionaler
Kopplung
Über eine Kopplungsschnittstelle zu Abaqus/Standard bzw.
Abaqus/Explizit, den beiden strukturmechanischen Lösern, lassen
sich mit Abaqus/CFD bereits heute komplexe FSI-Probleme berechnen.
Dieser als Co-Simulation bezeichnete partitionierte Ansatz
besitzt für uns den entscheidenden Vorteil, dass er sich nahtlos in
den vorhandenen „Workflow“ von FFD/CAE integrieren lässt. So
können beispielsweise unsere eigenen Materialmodelle zur mechanischen
Beschreibung der bei Freudenberg eingesetzten Elastomere
in vollem Umfang weiter genutzt werden. Weiterhin ist durch die
vorhandene programminterne Koppelungsschnittstelle keine zusätzliche
(kostenplichtige) Kopplungssoftware erforderlich.
Berechnungsbeispiel Motorlager
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde zunächst das in
Abb. 2 dargestellte vereinfachte achsensymmetrische Motorlager
betrachtet. Statt des üblicherweise verwendeten umlaufenden
Ringkanals ist der Fluidraum unter der Tragfeder hier durch eine
Bodenplatte mit zentraler Lochblende abgeschlossen.
Fluid-Struktur-Interaktion FSI 13