Luận Văn Thạc Sĩ Về Phương Pháp Tương Tác Lưu Chất Và Phân Tích Kết Cấu

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp tương tác lưu chất và kết cấu phân tích hiện tượng vẫy, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Đào Duy Trường
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Phạm Minh Vương
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật
• Đề tài: Phương Pháp Tương Tác Lưu Chất Và Kết Cấu - Phân Tích Hiện Tượng Vẫy
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về tương tác lưu chất và kết cấu, cùng với phương pháp biên nhúng (IBM). Hiện tượng tương tác lưu chất và kết cấu (FSI) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, liên quan đến sự tương tác giữa các môi trường liên tục. Lực tác động từ lưu chất lên kết cấu đàn hồi sẽ dẫn đến biến dạng của kết cấu, từ đó ảnh hưởng đến dòng chảy. Các ứng dụng của FSI rất đa dạng, từ ngành hàng không đến y tế. Việc thiếu hiểu biết về FSI đã dẫn đến nhiều sự cố nghiêm trọng trong quá khứ. Nghiên cứu này nhằm phát triển một mô hình tính toán FSI mới, kết hợp giữa phần mềm ABAQUS và chương trình DFM-IBM. Mục tiêu là khảo sát đặc tính dao động của các kết cấu linh hoạt dưới tải trọng của lưu chất.

II. Lý thuyết của tương tác lưu chất và kết cấu

Chương này trình bày các lý thuyết và phương trình cơ bản trong bài toán tương tác lưu chất và kết cấu. Các phương trình kết cấu được mô tả dưới dạng ma trận, trong đó lực từ dòng lưu chất được tính toán và đưa vào phương trình động học của kết cấu. Sử dụng phương pháp ẩn trong ABAQUS cho phép giải quyết bài toán một cách hiệu quả. Bên cạnh đó, các phương trình dòng và khái niệm trong phương pháp IBM cũng được giới thiệu. Phương pháp IBM giúp giảm thiểu thời gian tạo lưới, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong mô phỏng. Việc áp dụng phương pháp này vào các bài toán CFD sẽ giúp nghiên cứu sâu hơn về FSI và mở ra nhiều hướng ứng dụng mới.

2.1 Các phương trình kết cấu

Phương trình đáp ứng động của kết cấu được biểu diễn dưới dạng ma trận, trong đó lực tác động từ dòng lưu chất là một yếu tố quan trọng. Sử dụng phương pháp ẩn, các bước thời gian được xác định để đảm bảo tính chính xác trong quá trình tính toán. Các yếu tố như ma trận khối lượng và độ cứng cũng được đưa vào xem xét. Phương pháp này không chỉ giúp giải quyết bài toán mà còn kiểm soát độ chính xác của kết quả thông qua việc theo dõi thặng dư cân bằng trong từng bước thời gian.

2.2 Các phương trình dòng và khái niệm trong phương pháp IBM

Phương pháp IBM dựa trên lưới tọa độ Đề Các, cho phép giải các phương trình Navier-Stokes một cách hiệu quả. Lợi thế của phương pháp này là không cần tạo lưới phức tạp, giúp tiết kiệm thời gian và công sức. Các phương trình liên tục, bảo toàn mô men và năng lượng được trình bày rõ ràng, tạo cơ sở cho việc phát triển chương trình CFD. Phương pháp IBM đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu và phần mềm, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của nó trong việc mô phỏng FSI.

III. Kết nối ABAQUS với chương trình DFM IBM

Chương này mô tả quy trình kết nối giữa phần mềm ABAQUS và chương trình DFM-IBM. Việc lập trình tương tác giữa hai phần mềm này là một nhiệm vụ quan trọng trong nghiên cứu. Các hàm tính tải trọng và quản lý dữ liệu được phát triển để đảm bảo việc truyền dữ liệu chính xác. Giải thuật trao đổi dữ liệu giữa hai chương trình là một phần không thể thiếu, giúp tối ưu hóa quá trình tính toán. Qua đó, kết quả mô phỏng có thể được so sánh với các phương pháp giải số khác, từ đó đánh giá độ chính xác và hiệu quả của mô hình.

3.1 Lập trình tương tác với phần mềm ABAQUS

Lập trình tương tác với ABAQUS được thực hiện thông qua các hàm cụ thể, bao gồm hàm tính tải trọng DLOAD và hàm quản lý dữ liệu URDFIL. Giải thuật trao đổi dữ liệu được thiết lập để đảm bảo việc truyền tải thông tin giữa hai chương trình diễn ra mượt mà. Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình tính toán mà còn đảm bảo độ chính xác của các kết quả mô phỏng. Việc sử dụng ngôn ngữ lập trình FORTRAN trong phát triển các chương trình này giúp tăng cường khả năng linh hoạt và hiệu quả trong quá trình tính toán.

IV. Bài toán kiểm tra

Chương này trình bày hai bài toán kiểm tra để xác nhận độ chính xác của phương pháp được phát triển. Bài toán đầu tiên liên quan đến kết cấu dầm công xôn, trong khi bài toán thứ hai mô phỏng hiện tượng flutter. Các kết quả thu được từ mô phỏng được so sánh với số liệu thực nghiệm và các phương pháp giải số khác. Qua đó, độ tin cậy của chương trình tính toán tương tác lưu chất và kết cấu được khẳng định. Các kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có ứng dụng thực tiễn trong thiết kế kết cấu chịu tải trọng từ lưu chất.

4.1 Mô tả bài toán

Mô tả chi tiết về các bài toán kiểm tra được thực hiện, bao gồm điều kiện biên, thông số hình học và các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng. Việc thiết lập bài toán một cách chính xác là yếu tố quyết định đến độ tin cậy của các kết quả thu được. Các thông số như tải trọng, điều kiện biên và tính chất vật liệu sẽ được phân tích kỹ lưỡng để đảm bảo tính chính xác trong mô phỏng.

V. Kết luận

Chương cuối cùng tổng kết những kết quả đạt được trong nghiên cứu và nhấn mạnh tầm quan trọng của phương pháp tương tác lưu chất và phân tích kết cấu trong thực tiễn. Nghiên cứu đã phát triển một mô hình tính toán mới, kết nối giữa hai phần mềm, mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Các kết quả mô phỏng không chỉ khẳng định tính chính xác của phương pháp mà còn cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này. Việc áp dụng thành công các phương pháp mới sẽ góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và an toàn cho các kết cấu trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ I. TÊN ĐỀ TÀI: PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG TÁC LƯU CHẤT VÀ KẾT CẤU - PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG VẪY NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp biên nhúng (IBM) và chương trình tính toán khí động học DFMIBM.  Nghiên cứu phương pháp và giải thuật kết nối chương trình ABAQUS với DFMIBM.  Các trường hợp kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính toán tương tác lưu chất và kết cấu. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013 III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/12/2013 IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ PHẠM MINH VƯƠNG Tp.năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ kí) (Họ tên và chữ kí) TS. PHẠM MINH VƯƠNG TS. VŨ CÔNG HÒA TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG (Họ tên và chữ kí) 2 LỜI CÁM ƠN Trước hết, tôi xin chân thành cám ơn công ty DFM-engineering đã hỗ trợ và tạo điều kiện trong quá trình nghiên cứu. Đặc biệt, tôi cũng vô cùng biết ơn người hướng dẫn của tôi là Tiến sĩ Phạm Minh Vương về sự giúp đỡ nhiệt tình cũng như những lời khuyên rất bổ ích. Tôi cũng muốn cám ơn tất cả mọi người trong công ty DFM-engineering đã ủng hộ và giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu. Bên cạnh đó, tôi muốn cám ơn đến Tiến sĩ Frédéric Plourde và Tiến sĩ Lê Thị Tuyết Nhung đã cung cấp tài liệu quý giá cũng như định hướng nghiên cứu trong đề tài này. Tiếp theo tôi muốn cám ơn đến các thầy cô trong khoa Khoa Học Ứng Dụng, Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh về những kiến thức mà tôi đã học được trong quá trình học chương trình cao học tại đây. Những kiến thức đó không chỉ giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này mà còn giúp ích công việc của tôi sau này. Cuối cùng, tôi muốn cám ơn đến gia đình của tôi. Không có sự hỗ trợ, động viên và giúp đỡ của mọi người trong gia đình thì tôi sẽ không thể nào hoàn thành tốt luận văn này. Xin chân thành cám ơn tất cả mọi người. HCM, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn ĐÀO DUY TRƯỜNG 3 TÓM TẮT Nghiên cứu này trình bày một phương pháp mới để mô phỏng tương tác lưu chất và kết cấu biến đổi theo thời gian. Trong đó, một chương trình giải bài toán kết cấu bằng phần tử hữu hạn sẽ được kết nối với một chương trình giải bài toán khí động học bằng sai phân hữu hạn. Chương trình tính toán khí động học được tích hợp phương pháp biên nhúng thay vì sử dụng phương pháp tạo lưới theo biên dạng. Bài toán động học kết cấu được giải bằng phương pháp ẩn và giải thuật trao đổi dữ liệu giữa hai chương trình là phương pháp phân chia. Trong luận văn này, hai trường hợp kiểm tra độ chính xác của phương pháp được trình bày bao gồm kết cấu dầm công xôn và kết cấu ống trụ-tấm. Tất cả các kết quả sẽ được so sánh với số liệu thực nghiệm và các phương pháp giải số khác. Từ khóa: Tương tác lưu chất kết cấu, phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn,động học kết cấu, hiện tượng flutter, phương pháp biên nhúng. ABSTRACT This study presents a new numerical approach of time-dependent fluid-structure coupling using a finite element structural solver and a finite difference aerodynamic solver. In this approach, an Immerged Boundary Method formulation is used instead of using body-fitted mesh as interface between fluid and solid. As a result, a reference system can be defined following the moving boundaries while the structure is deformed. The structure solution is dynamic implicit solver and the general algorithm for transferring data between two codes is partitioned approach. In this thesis, two test cases of beam and cylinder-beam are presented in order to validate the numerical scheme. The results obtained are in line with previous experimental and numerical finding. Keywords: Fluid-structure interaction, Finite volume, Finite element, Dynamic implicit, Flutter, Immersed Boundary Method. 4 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng tất cả những nội dung được nêu trong phần đóng góp khoa học của luận văn này là của chính tôi và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu của một tác giả nào khác; các ý tưởng tham khảo và các trích dẫn từ kết quả nghiên cứu công bố trong các công trình khác đều được nêu rõ trong luận văn. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được trình bày trong luận văn này đều được phản ánh một cách trung thực. Các chương trình phần mềm đều do tôi thực hiện. HCM, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn ĐÀO DUY TRƯỜNG 5 MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ . 3 LỜI CAM ĐOAN . 5 DANH SÁCH BẢNG . 8 DANH SÁCH HÌNH ẢNH . 9 Chương 1: Giới Thiệu . Tương tác lưu chất kết cấu và phương pháp biên nhúng. Mục tiêu nghiên cứu . 13 Chương 2: Lý thuyết của tương tác lưu chất và kết cấu .1 Các phương trình kết cấu .2 Các phương trình dòng và khái niệm trong phương pháp IBM .1 Các phương trình dòng .2 Một số khái niệm trong phương pháp IBM.3 Lý thuyết phương pháp IBM .1 Các phương trình liên quan .2 Phương pháp IBM phần tử ảo .3 Điều kiện biên Dirichlet.4 Điều kiện biên Neumann .4 Phương pháp mô phỏng tương tác lưu chất và kết cấu .1 Phương pháp nguyên khối .2 Phương pháp phân chia . 26 Chương 3: Kết nối ABAQUS với chương trình DFM-IBM .1 Lập trình tương tác với phần mềm ABAQUS .1 ABAQUS/CAE và ABAQUS Scripting Interface .2 Lập trình tương tác với phần mềm ABAQUS .1 Hàm tính tải trọng DLOAD .2 Hàm quản lí dữ liệu URDFIL .2 Giải thuật trao đổi dữ liệu .1 Trao đổi tọa độ lưới từ ABAQUS đến chương trình tính toán CFD .2 Truyền lực từ chương trình tính toán CFD đến ABAQUS .3 Vận tốc trên biên của kết cấu trong miền lưu chất .3 Giải thuật chính kết nối ABAQUS và chương trình tính toán CFD . 34 Chương 4: Bài toán kiểm tra 1.2 Mô tả bài toán .3 Thiết lập bài toán . 39 Chương 5 Bài toán kiểm tra 2 .1 Tính chất của dòng lưu chất .2 Tính chất của kết cấu .3 Điều kiện tương tác .4 Định nghĩa miền lưu chất .5 Điều kiện biên .3 Các kết quả mô phỏng .1 Tính toán và mô phỏng CFD .2 Kiểm tra và tính toán động học kết cấu (CSD) .3 Tính toán và kiểm tra tương tác lưu chất kết cấu (FSI) . 53 Chương 6: Kết luận . 60 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ . 62 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO . 63 8 DANH SÁCH BẢNG Bảng 4.1: Tổng quan thông số hình học của bài toán kiểm tra 1.2: Tính chất vật liệu của kết cấu .1: Tổng quan thông số hình học của bài toán kiểm tra 2.2: Các thông số thiết lập cho bài kiểm tra CFD .3: So sánh kết quả của trường hợp CFD.4: Các thông số trong bài toán CSD .5: So sánh kết quả của trường hợp CSD1 .6: So sánh kết quả của trường hợp CSD2 .7: Các thông số thiết lập cho bài kiểm tra FSI . 54 9 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Hai phương pháp tạo lưới khác nhau.1: Vị trí của các loại điểm trong phương pháp IBM .2: Phương pháp giảm bất ổn định số.3: Sơ đồ xác định các biến dòng tại điểm ảo G trong miền ba chiều.4: Sơ đồ phương pháp nguyên khối và phương pháp phân chia .5: Phân loại một số phần mềm giải bài toán FSI .1: ABAQUS/CAE và ABAQUS Scripting Interface .2: Biểu diễn lực bề mặt của hàm DLOAD .3: Lưới tứ giác trên bề mặt kết cấu .4: Lưới ở biên kết cấu trong chương trình tính toán CFD .5: Trao đổi dữ liệu giữa hai tọa độ lưới .6: Áp lực trên bề mặt kết cấu trong hai chương trình tính toán CFD và ABAQUS .7: Áp lực ban đầu và áp lực được quy đổi trên một phần tử .8: Vận tốc tại biên kết cấu trong miền lưu chất .9: Sơ đồ giải thuật chính kết nối hai chương trình tính toán CFD và CSD .1: Tổng quan hình học trong bài toán kiểm tra 1 .2: Lưới của 2 miền lưu chất và kết cấu trong bài toán kiểm tra 1 .3: So sánh chuyển vị của dầm tại ρ=1.0 kg/m3 và Re=200 giữa kết quả của Slone và công việc hiện tại .4: So sánh chuyển vị của dầm tại ρ=10.0 kg/m3 và Re=200 giữa kết quả của Slone và công việc hiện tại .5: So sánh chuyển vị của dầm tại ρ=10 kg/m3 với 3 hệ số nhớt khác nhau .6: Sự phân bố của vận tốc qua một mặt cắt XY .7: Sự phân bố của vận tốc qua một mặt cắt YZ tại 75% chiều dài của dầm .1: Kích thước tổng thể miền tính .2: Kích thước chi tiết của kết cấu .3: Điều kiện biên của miền lưu chất .4: Điều kiện biên của miền kết cấu.5: Biểu đồ lực nâng và lực cản trong tính toán CFD .6: Phân bố vận tốc (m/s) tại 4 thời điểm trong một chu kì 2π .7: Dòng xoáy tại 4 thời điểm trong một chu kì 2π .8: So sánh kết quả của trường hợp CSD3 giữa ABAQUS và Turek .9: So sánh kết quả của chuyển vị trường hợp FSI.10: So sánh kết quả lực nâng và lực cản của trường hợp FSI .11: Phân bố áp lực tại 4 thời điểm khác nhau trong một chu kì dao động 2π .12: Phân bố vận tốc (m/s) tại 4 thời điểm khác nhau trong một chu kì dao động 2π .13: Dòng xoáy tại 4 thời điểm khác nhau trong một chu kì dao động 2π . 59 11 Chương 1 Giới thiệu Trong chương này, tổng quan về tương tác lưu chất và kết cấu sẽ được giới thiệu. Trong đó bao gồm các nghiên cứu đã được công bố và tình hình nghiên cứu phát triển của lĩnh vực này. Bên cạnh đó, tổng quan về tương tác lưu chất kết cấu kết hợp với phương pháp biên nhúng cũng được giới thiệu. Cuối cùng là mục tiêu nghiên cứu cũng như các kết quả đạt được trong nghiên cứu này. Tổng quan Hiện tượng tương tác giữa lưu chất và kết cấu (FSI) là kết quả của tương tác giữa những môi trường liên tục. Lực của lưu chất (khí hoặc chất lỏng) tác dụng trên biên của kết cấu đàn hồi. Kết cấu này sẽ bị biến dạng và ảnh hưởng đến dòng lưu chất. FSI có nhiều ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: hiện tượng flutter trên máy bay, turbine, dòng nước trong ống, máu trong các van tim, v.v…Việc thiếu kiến thức về FSI đã gây ra những tại nạn cực kì nghiêm trọng trong quá khứ (sự sụp đổ của cây cầu Tay ở Scotland năm 1897, cũng như cây cầu nổi tiếng Tacoma gần Seattle năm 1948, và tòa nhà cooling ở Anh năm 1965).