유체-구조 연동해석을 위한 힘/모멘트가 보존되는 효율적인 압력 맵핑 기법 개발 = Development of Force/Moment Conserving and Efficient Pressure Mapping Technique for FSI Analysis
저자
발행사항
인천 : 인하대학교 대학원, 2023
학위논문사항
학위논문(박사)-- 인하대학교 대학원 : 항공우주공학과 2023. 2
발행연도
2023
작성언어
한국어
발행국(도시)
인천
형태사항
160 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 김정호
UCI식별코드
I804:23009-200000662978
소장기관
In most fluid-structure interaction analyses, interface modeling between a fluid model and a structural model is very important, and specialized knowledge of CFD (Computational Fluid Dynamics) and CSM (Computational Structural Mechanics) is required for FSI analysis. Also, when transferring pressure results from the CFD model to the CSM model, approximate values through interpolation are used in common. If this approximation is inaccurate, the total forces and moments in the CFD model will differ from those in the CSM model, and the two models will not have homogeneity in terms of loading. Therefore, to equalize the resultant force, many nonlinear iterations and remeshing are usually performed during the FSI analysis, which takes a lot of time. To reduce this tremendous time consumption, pressure mapping algorithm was developed and verified to apply the pressure of the CFD cell in the form of a concentrated load to the nodes of the surrounding CSM elements using the equation of the plane to satisfy the force and moment equilibrium at once. At this time, a ray tracing algorithm was applied to improve the performance of the search algorithm for finding CSM elements around the CFD cell, and Intel's embree library was used for this purpose. In addition, this pressure mapping solver was implemented to perform structural analysis by linking it with ICARUS, an in-house finite element analysis solver, through pipe communication, and a framework that could be linked with ABAQUS, a general commercial software, was also constructed. To verify this algorithm, a simple shape, a flat plate, and a pipe with internal flow were selected, and a more complex shape, an airfoil, was selected as an example. In the flat plate example, when a matched-grid is used and uniform pressure is applied to the surface, uniform nodal pressure can be obtained by mapping CFD pressure to the CSM nodes. In the flow inside the pipe, a uniform pressure field is applied inside the pipe, and a nearly uniform pressure distribution is obtained by mapping the pressure to the structural nodes. In the airfoil example, the shape is more complex, so the pressure distribution around the airfoil is more complex than in the previous two examples. Nevertheless, when this pressure was mapped to the structural model, the pressure distribution was quite similar to the CFD analysis result, and force and moment were conserved even when the interface shape of CFD and CSM was different. Through these three verification examples, we confirmed the accuracy and effectiveness of this algorithm. And to confirm that this algorithm can be used in practical examples and has compatibility with other analysis tools, pressure mapping was performed on a cruising business jet. Then, it is confirmed that forces and moments are conserved and the mapped pressures are similar to those of the CFD analysis. In addition, the landing simulation where this algorithm can be best used was briefly explained and the applicability was discussed.
더보기대부분의 유체-구조 연동해석 시엔 유체 모델과 구조 모델 사이의 경계면 모델링이 상당히 중요하며, 연동해석을 위해서 CFD (Computational Fluid Dynamics)와 CSM (Computational Structural Mechanics)에 대한 통합적이면서도 전문적인 지식이 필요하다. 또한 CFD 모델에서 압력 결과를 CSM 모델로 전달할 때, 주로 보간을 통한 근사값을 사용하게 된다. 이 근사값이 부정확하다면 CFD 모델에서의 총 힘과 모멘트는 CSM 모델에서의 총 힘과 모멘트와 달라져 두 모델은 하중에 대한 상사성을 갖지 못한다. 그래서 일반적으로 합력을 같게 하기 위해 연동 해석 중에 많은 비선형 반복과 remesh가 진행되며 이는 많은 시간을 필요로 한다. 이러한 시간 소모를 줄이고자 본 연구에서는 단번에 힘과 모멘트 평형을 맞출 수 있도록 평면의 방정식을 이용해 CFD 셀의 압력을 주변의 CSM 요소의 절점에 집중하중의 형태로 가하게 하는 압력 맵핑 알고리즘을 구현하고 이를 검증했다. 이때 CFD 셀 주변의 CSM 요소를 찾는 탐색 알고리즘의 성능을 향상시키기 위해 ray tracing 알고리즘을 적용했고 이를 위해 Intel사의 embree 라이브러리를 사용했다. 그리고 이렇게 개발한 압력 맵핑 API(Application Programming Interface)를 in-house 유한요소 해석 솔버인 ICARUS와 파이프 통신으로 연결하여 구조 해석을 진행할 수 있도록 구현했고, 일반 상용 소프트웨어인 ABAQUS와 연동할 수 있는 프레임워크도 구성했다. 이 알고리즘을 검증하기 위해 간단한 형상인 평판과 내부 유동이 있는 파이프를 선정하고, 더 복잡한 형상인 에어포일을 예제로 선정했다. 평판 예제에서는 matched-grid를 사용하고 면에 균일한 압력이 가해지는 상황에서 이 압력을 구조 절점에 맵핑하면 균일한 절점 압력을 얻을 수 있었다. 파이프 내부 유동에서는 균일한 압력장이 파이프 내부에 가해지게 되었고, 이 CFD 압력을 CSM 절점에 맵핑하여 거의 균일한 압력 분포를 얻었다. 에어포일 예제에서는 형상이 더 복잡하여 에어포일 주변의 압력 분포는 앞의 두 예제보다 복잡했다. 그럼에도 이 압력을 구조 모델에 맵핑 했을 때 압력 분포는 CFD 해석 결과와 상당히 유사했고 CFD와 CSM의 경계면 형상이 차이가 있을 때에도 힘과 모멘트가 보존되었다. 세 가지 검증 예제를 통해 이 알고리즘의 정확도와 효용성을 확인했다. 그리고 이 알고리즘이 실무 예제에서 사용할 수 있는 지와 다른 해석 툴과의 호환성을 갖는지를 확인하기 위해 순항 중인 비즈니스 제트에 대해 압력 맵핑을 수행했고 힘과 모멘트가 보존되는 것과 맵핑 된 압력이 CFD 해석 결과와 유사하다는 것을 확인했다. 또한 이 알고리즘이 가장 잘 쓰일 수 있는 착륙 시뮬레이션에 대해 간략히 설명하였고 적용 가능성에 대해 논의를 진행했다.
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