Оценки безопасных условий ледового плавания судов с применением cae -систем
Скачать 2.57 Mb.
|
Параметры, характеризующие фрикционные характеристики взаимодействующих пар в результирующих моделях контакта
4.Гидродинамика тел во льдах 4.1.Моделирование гидродинамического воздействия с применением CAE-систем В преобладающей части задач, связанных с прогнозами ледового воздействия на гидротехнические сооружения, уровень ледовых нагрузок многократно превосходит силы от гидродинамического влияния. Поэтому для практических целей в подобных задачах часто вполне допустим приближённый учёт последних. Однако потребности в получении результатов повышенной точности диктуют необходимость конечноэлементного моделирования не только твердотельного контакта (лёд-судно, лёд-движители, лёд-лёд), но и гидродинамического воздействия. Оценка гидродинамических нагрузок является составной частью многих задач. Поэтому подходы к их численному решению активно совершенствуются на протяжении многих лет. К настоящему времени они успешно реализованы и апробированы в ряде CAE-систем [71,96]. К сожалению, эти пакеты в основном ориентированы на гидро и газодинамику, как правило, не имеют интерфейса с другими системами и ограничены в возможностях параллельных вычислений (SMP, MPP). По этим причинам автор в настоящей работе отдал предпочтение CAE-пакету LS-DYNA. Эта система позволяет в одной задаче описать взаимодействие тел и сред разных физических состояний (жидкое, газообразное, твёрдое). В зависимости от класса решаемых задач в CAE-системах используются различные материалы для моделирования жидкостей: упругий, упругопластический. В ряде пакетов разработаны особые материалы. Автор для описания воды со свободной поверхностью использовал специальный NULL-материал. Характер его поведения под нагрузкой аналогичен реакции вязкопластического материала с нулевыми компонентами девиатора напряжений [98]. Универсальность этого материала требует обязательного задания уравнения его состояния. LS-DYNA допускает применение уравнений состояния в различных видах. Литературные [108] и авторские источники позволили сформулировать его в форме Грюнайзена (Gruneisen):
где  – давление в воде, Па; – скорость звука в воде, м/с ( );
 – текущая плотность воды, кг/м3; – начальная плотность воды, кг/м3 ( ;табл. 13); – текущий объём воды, м3; – начальный объём воды, м3; – постоянная Грюнайзена ( ); – эмпирические коэффициенты ( );
 – начальная удельная внутренняя энергия воды, Дж/кг ( ).Расчётные физико-механические константы воды и её модель как материала приведены в табл. 13. Таблица 13 Расчётные характеристики и модель воды
В современных CAE-системах моделирование гидродинамики допустимо в различных формулировках жидкости. Можно использовать Эйлерову, Лагранжеву сетку конечных элементов или бессеточный способ, известный в литературе как метод сглаженных частиц (гидродинамика сглаженных частиц – smoothed particles hydrodynamic, SPH-метод) [101]. В случае Эйлеровой формулировки жидкость моделируется неподвижной конечноэлементной сеткой. При этом для описания взаимодействия Лагранжева тела (льдина, корпус судна, гребной винт) и Эйлеровой воды применяется специальный несимметричный алгоритм контактного взаимодействия – ЛАГРАНЖЕВО-ЭЙЛЕРОВО СВЯЗЫВАНИЕ (Lagrangian-Eulerian coupling). В системе LS-DYNA данный алгоритм описывает KEYWORD-карта *CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID. Автор использовал одну из его разновидностей, реализованную в виде метода штрафа. Данный метод основан на определении относительного перемещения между жидкостью (MASTER) и телом внутри её (SLAVE). По его величине в систему жидкость-тело добавляются силы, пропорциональные этому перемещению и воздействующие на структурные единицы модели. В результате движение тела и жидкости становится согласованным. Лагранжева вода характеризуется деформируемой сеткой конечных элементов. Сильное искажение сетки замедляет скорость вычислений вплоть до неприемлемых пределов. Кроме того это может привести к появлению нефизических эффектов в процессе расчёта. Поэтому применение такого подхода ограничено кругом задач с относительно небольшим формоизменением среды (например, начальные стадии удара тела о воду). В этом случае могут быть использованы различные алгоритмы контактного взаимодействия [31]. Автор в настоящем анализе применил несимметричный алгоритм типа УЗЛЫ-ПОВЕРХНОСТЬ без разрушения (*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE, табл. 11). При этом соблюдалась следующая подчинённость: узлы конечноэлементной сетки воды – подчинённые (SLAVE), внешние сегменты сетки льдины – главные (MASTER). При использовании SPH-метода среда представляется совокупностью узлов (частиц), не связанных конечноэлементной сеткой. Частицы имеют различные свойства (координаты, массу, плотность, скорость, температуру и пр.) и взаимодействуют между собой. Закон взаимодействия (сглаживающее ядро) назначается пользователем априорно. Для воды в качестве такого закона используется распределение Гаусса или кубический сплайн [13]. Вид контакта жидкости и тела аналогичен Лагранжевой формулировке. Адекватность результатов моделирования по всем видам формулировок очень чувствительна к величине используемой вязкости среды. При этом необходимо учитывать, что расчётная вязкость не является строгим аналогом вязкости воды (динамической или кинематической). Величина и способ задания расчётной вязкости определяется видом формулировки. Так для Эйлеровой воды этот параметр стремится к табличной величине кинематической вязкости воды. Применение аналогичного значения для Лагранжевой воды может привести к нереальным явлениям в процессе расчётов. В этом случае вязкость приходится увеличивать на порядок и более. Кроме этого в Эйлеровой и Лагранжевой формулировках эта характеристика вводится с помощью специального параметра, явно не связанного с заданными физико-механическими константами воды (табл. 13). Этот параметр предназначен для контроля безэнергетических форм деформации элементов – HOURGLASS ENERGY [98]. SPH-формулировка требует ввода через эмпирические коэффициенты дополнительной искусственной объёмной вязкости – BULK VISCOSITY [98]. При моделировании эксперимента, на котором отрабатывался приемлемый алгоритм гидродинамического воздействия на твёрдое тело, автором были использованы все упомянутые выше формулировки воды. Суть эксперимента заключалась в фиксировании траектории вертикального движения льдины при её падении с определённой начальной скоростью в аквариум с водой. Аквариум представлял прямоугольный параллелепипед с размерами столба воды 0,2 х 0,2 х 0,1 м. В качестве аналога льдины в этом эксперименте был использован брусок полиэтилена высокого давления (0,10 х 0,05 х 0,02 м). Данный материал традиционно используется для имитации льда [78]. Учитывая, что контакт полиэтилена и стенок сосуда отсутствовал, можно пренебречь прочими ошибками, сопутствовавшими такой замене. В Лагранжевой и Эйлеровой формулировках вода и льдина моделировались восьмиузловыми элементами объёмного типа с одноточечной схемой интегрирования по объёму. Размер ребра элемента воды – 0,005 м, льдины – 0,01 м. Общее количество элементов модели составило 32100 ед. (рис. 69). При использовании SPH-метода начальное расстояние между соседними узлами-элементами модели составило 0,005 м. Льдина была представлена аналогично предыдущим формулировкам. Общее количество элементов немногим превысило 35400 ед. (рис. 70). Сравнение результатов эксперимента и расчётов показано на рис. 71.
Анализ результатов моделирования с очевидностью указывает на адекватность решения в Эйлеровой формулировке воды. Замеры вертикальной координаты движения льдины до момента первого максимального всплытия с высокой корреляцией описываются модельной зависимостью (кривая А на рис. 71). В Лагранжевой постановке движение льдины до желаемой точки не было просчитано (кривая В на рис. 71). Уменьшение временного шага интегрирования ниже разумного предела для вычислительной техники автора сделало дальнейшие расчёты невозможными. Тем не менее, полученные данные позволяют судить о приемлемости этой модели только в начальной стадии падения льдины (примерно до момента времени 0,2 с). С момента времени 0,25 с при смещении льдины на 0,115 м от исходного положения начинается её всплытие, что далеко от реальности. Ещё более худший результат демонстрирует SPH-модель воды (кривая С на рис. 71). При этом глубина наибольшего погружения льдины примерно вдвое меньше эмпирической, а время до момента первого максимального всплытия – втрое. Применимость модельной кривой распространяется до момента времени около 0,1 с. Анализ расчётных гидродинамических нагрузок на льдину в SPH-формулировке воды показал наличие в среде дополнительной выталкивающей силы. Попытки автора скомпенсировать эту силу уменьшением массы частиц (кривая D на рис. 71) или неучётом гравитации воды (кривая Е на рис. 71) несколько улучшили модель, но достоверность результатов не была достигнута. Однако более детальное рассмотрение данной модели показало её адекватность в описании поведения свободной поверхности жидкости и в значениях сил на стенках сосуда. Для сравнения автор провёл дополнительное моделирование обрушения столба воды. Результаты решения данной задачи по аналогичному методу опубликованы в [4]. Сходимость их с авторским моделированием удовлетворительна (рис. 72). Сказанное подтверждает наличие какого-то противоречия в CAE-системе LS-DYNA в отношении SPH-формулировки жидкости, что требует её дальнейшего изучения.
Качественная картина характера падения льдины более наглядна для Лагранжевой и SPH-моделей воды, так как они явно демонстрируют характер поведения свободной поверхности воды (рис. 73).
Таким образом, на данном этапе моделирования применительно к проблемам, исследуемым в настоящей работе, надёжность прогноза гидродинамического воздействия следует ожидать при использовании Эйлеровой формулировки воды и контактного алгоритма ЛАГРАНЖЕВО-ЭЙЛЕРОВО СВЯЗЫВАНИЕ. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
,
,
,
Похожие:
 | Общие правила плавания и стоянки судов в морских портах Российской Федерации и на подходах к ним Омский институт водного транспорта (филиал) фбоу впо «Новосибирская государственная академия водного транспорта» |  | Отчет о научно-исследовательской работе Разработка критериев оценки качества очистки внутренних поверхностей трубопроводов систем теплоснабжения жилого фонда г. Красноярска... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Обеспечить усвоение учащимися особенностей экономико-географического положения, природных условий и природных ресурсов района, акцентировать... | | Объединение специалистов по охране труда прошлое, настоящее, будущее Президент Межрегиональной Ассоциации содействия обеспечению безопасных условий труда «эталон» |
| Рабочая программа по дисциплине «Элементы систем автоматики судов» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Задачи автоматизированного проектирования 4 развитие cad/cam/cae-систем 10 Остальные, так называемые косвенные проектные работы, занимающие примерно одну треть общего времени на конструирование, могут быть... |
| Положение о режиме работы гоу сош №1173 Положение разработано для регламентирования безопасных условий воспитательно-образовательного процесса и четкой организации труда... | | О назначении ответственных лиц за организацию безопасной работы В целях обеспечения здоровых и безопасных условий труда и проведения учебно – воспитательного процесса, во исполнение ст ст. 212,... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Распределение обязанностей в работе по созданию безопасных условий труда и предупреждению детского травматизма между членами администрации... | | 1 История развития спортивного плавания Построить график рекордов... Кафедра теории и методики спортивного и синхронного плавания, аквааэробики, прыжков в воду и водного поло |
| 1 История развития спортивного плавания Построить график рекордов... Кафедра теории и методики спортивного и синхронного плавания, аквааэробики, прыжков в воду и водного поло | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель урока: Добиться усвоения учащимися условий плавания тел на основе изученного понятия об архимедовой силе |
| Задачами контрольно-пропускного режима в образовательном учреждении... Оу и создание безопасных условий для обучающихся и работников оу и других лиц, находящихся в здании и на территории оу | | Процедуры контроля судов государством порта Ссылаясь на статью 15 (j) Конвенции о Международной морской организации, касающуюся функций Ассамблеи в отношении правил и руководств,... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... В связи с установлением электронного прибора учета посещения обучающихся и работников школы, а также в целях создания безопасных... | | Город окружного значения нижневартовск В целях эффективной организации образовательного процесса, обеспечения безопасных условий для жизнедеятельности школы, в соответствии... |
