CAPITOLO 4
CO-SIMULAZIONE TRA STAR-CCM+ E ABAQUS
Il presente lavoro di tesi è realizzato sfruttando il metodo della co-simulazione tra STAR-CCM+ e Abaqus. La tecnica di co-co-simulazione è implementata nelle seguenti versioni:
• STAR CCM+ 8.04.007; • Abaqus 6.12.
In questo capitolo vengono illustrati i passi necessari ad impostare il modello e le procedure utilizzate nella co-simulazione.
4.1 Preparazione dei modelli fluidodinamico e
strutturale
Sono elencati di seguito i passi da seguire nella preparazione dei modelli:
1. Sviluppare il modello fluidodinamico in STAR-CCM+ indipendentemente dal problema aeroelastico, lasciando fissi i contorni che in quest'ultimo sono caratterizzati da spostamento superficiale. In alternativa è possibile utilizzare un modello di morphing con un dato spostamento o una data velocità in modo da simulare gli spostamenti veri;
2. Applicare condizioni al bordo provvisorie sulla temperatura sui contorni solidi d'interesse per problemi termici.
3. Sviluppare il modello strutturale in Abaqus, indipendentemente dal problema aeroelastico, avendo cura di identificare le interfacce fluido-struttura utilizzando lo strumento di creazione superficie.
4. Verificare il modello utilizzando carichi di pressione o flusso termico provvisori sull'interfaccia fluido-struttura ragionevolmente simili a quelli attesi dalla co-simulazione.
Assicurata la convergenza dei due modelli separatamente, e la corretta definizione di essi, si rimuovono i carichi provvisori e si sostituiscono le condizioni al bordo provvisorie con quelle effettive della co-simulazione.
4.2 Preparazione del modello in STAR-CCM+
Per impostare la co-simulazione in STAR-CCM+ è necessario scegliere il modello co-simulation all'interno del Physics continuum come mostrato in figura 4.1.
Fig 4.1 : Interfaccia di Star-ccm+ dove è possibile scegliere il modello di co-simulazione
Le proprietà della co-simulazione vengono definite attraverso una finestra d'interfaccia che si attiva una volta attivata la co-simulazione. Tramite questa finestra, come si può vedere dalla figura 4.2, è possibile impostare:
• frequenza dello scambio dati; • superfici d'accoppiamento;
• comando per eseguire Abaqus; • posizione dell'input file di Abaqus.
Fig 4.2 : Finestra d'interfaccia grafica della co-simulazione in STAR-CCM+
Tutte queste caratteristiche devono essere coerenti con quanto specificato nell'input file di Abaqus.
Per le analisi che coinvolgono il movimento dell'interfaccia, i due software si scambiano informazioni riguardanti sforzi e spostamenti. Per consentire alla
superficie di accoppiamento di muoversi in accordo con gli spostamenti importati, la funzione di movimento della mesh su STAR-CCM+, detta
morphing, deve essere attivata. In particolare, per la superficie di
accoppiamento, è necessario specificare all'interno del menù Physics
Conditions il metodo co-simulation come mostrato in figura 4.3.
Fig 4.3 : Attivazione del morphing per la superficie di accoppiamento
4.3 Preparazione del modello in Abaqus
In Abaqus si realizza il modello strutturale avendo cura di individuare la superficie di accoppiamento per la co-simulazione.
definire i parametri della co-simulazione.
L'input file di Abaqus è un file in formato ASCII con estensione .inp, formato principalmente da due parti. La prima è il model input, dove vengono fornite le informazioni proprie del modello quali geometrie, materiali etc.; la seconda è l'history input, dove sono presenti le informazioni sulle procedure di analisi. L'history input può essere composto da più paragrafi ognuno dei quali inizia con *step e termina con *end step.
Il primo passo per preparare l'input file per la co-simulazione è quello di identificare lo step di analisi come uno step di co-simulazione ed associare ad esso gli opportuni controlli. Per fare ciò bisogna aggiungere le seguenti linee di comando al history input:
*CO-SIMULATION, NAME=<name>, PROGRAM=MULTIPHYSICS, CONTROLS=<control_name>
Dove <control_name> si riferisce alla definizione dei controlli della co-simulazione in cui vengono specificati gli schemi di accoppiamento e di rendezvous. La comunicazione tra STAR-CCM+ e Abaqus ha inizio durante lo step di simulazione e viene terminata quando il processo di co-simulazione è chiuso da entrambi i programmi. Abaqus può terminare il processo di co-simulazione quando viene raggiunta la fine dello step, oppure quando l'analisi non può procedere, a causa, per esempio, di problemi di convergenza.
Il passo successivo è quello di identificare le superfici di interfaccia e le grandezze da scambiare su di esse. Per importare le grandezze in Abaqus si usano le seguenti linee di comando:
*CO-SIMULATION REGION, TYPE=SURFACE, IMPORT <surface>,<field_identifier>
<surface>,<field_identifier>
Per esportare le grandezze da Abaqus si usa invece
*CO-SIMULATION REGION, TYPE=SURFACE, EXPORT <surface>,<field_identifier>
<surface>,<field_identifier>
dove <surface> è il nome della superficie d'interfaccia definita precedentemente in Abaqus, mentre <field_identifier> definisce le grandezze scambiate durante la co-simulazione. Nella tabella 4.1 vengono definite le corrispondenze tra le grandezze in Abaqus e quelle in STAR-CCM+ con le relative unità dimensionali.
Tab 4.1 : Corrispondenza tra le grandezze in Abaqus e STAR-CCM+ con le loro unità dimensionali
Nella tabella 4.2 vengono invece elencate le grandezze che possono essere importate o esportate per ogni tipologia di analisi disponibile in Abaqus.
Tab 4.2 : Elenco delle grandezze che è possibile importare od esportare da Abaqus per ogni tipo di procedura
d'analisi
La co-simulazione può essere eseguita sia con uno schema di accoppiamento in serie che con uno schema di accoppiamento in parallelo. Questa impostazione deve essere specificata all'interno dei controlli. In tale circostanza si determina la frequenza dello scambio di dati fra i due software.
Lo schema di accoppiamento in parallelo è chiamato algoritmo di accoppiamento di Jacobi. In questo schema Abaqus e STAR-CCM+ sono eseguiti simultaneamente e lo scambio di dati per aggiornare le rispettive soluzioni avviene all'intervallo di tempo specificato. Lo schema in figura 4.4 mostra a sinistra questo tipo di accoppiamento. Per specificare uno schema di accoppiamento di Jacobi si usano le seguenti linee di comando:
*CO-SIMULATION CONTROLS, NAME=<name>, COUPLING SCHEME=JACOBI
questo caso, in STAR-CCM+, nel definire la sessione di co-simulazione, deve essere selezionata l'opzione concurrent fra le proprietà nella Time-Marching
Sequence.
Nello schema di accoppiamento in serie, chiamato algoritmo di accoppiamento di Gauss-Seidel, le simulazioni sono eseguite in un ordine sequenziale. In questo caso uno dei due programmi viene eseguito prima dell'altro. Nella figura 4.4 a destra è mostrato questo tipo di accoppiamento. Per specificare uno schema di accoppiamento di Gauss-Seidel con Abaqus che guida la co-simulazione si usa:
*CO-SIMULATION CONTROLS, NAME=<name>,
COUPLING SCHEME=GAUSS-SEIDEL, SCHEME MODIFIER=LEAD
In questo caso fra le proprietà del Time-Marching sequence in STAR-CCM+ bisogna selezionare Abaqus Leads.
Se invece si vuole specificare uno schema di accoppiamento di Gauss-Seidel con STAR-CCM+ che guida la co-simulazione si usa:
*CO-SIMULATION CONTROLS, NAME=<name>,
COUPLING SCHEME=GAUSS-SEIDEL, SCHEME MODIFIER=LAG
In questo caso, in STAR-CCM+ si deve selezionare STAR-CCM+ Leads fra le proprietà nella Time-Marching sequence.
Fig 4.4 : Schema di accoppiamento in parallelo (sinistra) e schema di accoppiamento in serie (destra).
U e CF sono rispettivamente gli spostamenti nodali e le pressioni scambiate mentre ΔT rappresenta il time step.
Lo schema di rendezvous definisce la frequenza dello scambio di dati tra i due programmi e controlla il processo di incremento temporale in Abaqus. Si può selezionare un intervallo di tempo costante in modo che entrambi i programmi avanzino nella simulazione usando lo stesso intervallo di tempo. In alternativa si può utilizzare un intervallo di tempo negoziato tra i due software utilizzando, ad esempio, il minimo od il massimo valore degli incrementi presenti in Abaqus o in STAR-CCM+. Infine, sia STAR-CCM+ che Abaqus possono imporre il proprio time step all'altro programma attraverso l'opzione import-export.
Per attivare i vari metodi si usano le seguenti linee di comando:
*CO-SIMULATION, PROGRAM=MULTIPHYSICS, CO-SIMULATION CONTROLS, STEP SIZE=<deltaT>
*CO-SIMULATION, PROGRAM=MULTIPHYSICS, CO-SIMULATION CONTROLS, STEP SIZE=MIN
*CO-SIMULATION, PROGRAM=MULTIPHYSICS, CO-SIMULATION CONTROLS, STEP SIZE=MAX
*CO-SIMULATION, PROGRAM=MULTIPHYSICS, CO-SIMULATION CONTROLS, STEP SIZE=IMPORT
*CO-SIMULATION, PROGRAM=MULTIPHYSICS, CO-SIMULATION CONTROLS, STEP SIZE=EXPORT
Definito l'intervallo di tempo per l'accoppiamento si può permettere ad Abaqus di eseguire più incrementi in ogni intervallo (SUBCYCLE), oppure si può costringere Abaqus ad usare un singolo incremento ad ogni intervallo di tempo. Se si esegue il SUBCYCLE, Abaqus utilizza un proprio incremento temporale per raggiungere la fine dell'intervallo di tempo di accoppiamento. In questa circostanza Abaqus può ridurre la dimensione degli incrementi temporali nel caso in cui siano presenti effetti non lineari che lo richiedano. In questa circostanza le linee di comando sono:
*CO-SIMULATION CONTROLS, TIME INCREMENTATION=SUBCYCLE
Se invece si vuole forzare Abaqus ad utilizzare un incremento temporale imposto dall'intervallo di accoppiamento, bisogna utilizzare l'opzione LOCKSTEP. Questo consente ad entrambi i solutori di utilizzare lo stesso intervallo temporale ed evita l'interpolazione delle quantità durante l'intervallo di tempo. In questo caso però Abaqus non è in grado di ridurre l'incremento temporale per risolvere eventi non lineari – grandi deformazioni, plasticità, contatto, etc. - e la simulazione viene interrotta se questi eventi si verificano. Le linee di comando in questo caso sono:
