유체의
유동에 의한 압력분포(or 온도분포)는 구조물에 변형을 일으키고, 그 구조물 변형은 다시 유동장(온도장)의
변화를 가져오며 이 유동장
(압력분포 or 온도분포)의 변화는 또 다시 구조물의 변형을 일으키는 상호작용이 나타난다. 이와 같이 유체
유동과 구조 변형이 상호 연계되어
나타나는 물리적인 현상을 Fluid-Structure Interaction (FSI) 이라 한다.
FSI 해석은 크게 One-Way(Uni-directional) 연성해석 과 Two-Way(Bi-directional)
연성해석으로 분류될 수 있다. One-way 연성해석은
CFD S/W와 FEA S/W간에 데이터가 한쪽 방향으로만 전달이 되는 것을 말하며, Two-way 연성해석은
CFD S/W와 FEA S/W간에 데이터가
양방향으로 전달이 되는 것을 말한다. 구조물의 대변형의 경우나 Transient 현상에 대한 해석은 Two-way
연성해석이 이루어져야 보다 더 정확한 해석이 가능하다.
ANSYS FSI solution은 가장 진보된 유체·구조 연성해석 툴을 제공한다. 최근 ANSYS사는 ANSYS
및 CFX의 V11.0 의 출시와 함께 보다 강건한 ANSYS workbench 환경의 지원으로 완벽한 One-way
및 Two-way FSI 해석이 가능하게 되었다.
기존의 이기종간의 소프트웨어(구조해석 S/W와 유동해석 S/W)는 MpCCI에 의하여 해석되어지고 있으나 현실적으로
이를 적용하여 실질적인 현장의 문제를 해석하는데 한계가 있는 것이 사실이다.
ANSYS Mechanical 과 ANSYS CFX의 연성해석은 socket-based inter-process
communication으로 가능하고 제 3의 data coupling 소프트웨어가 필요하지 않다는 점에서
타 소프트웨어들과 차별화된다.
ANSYS
Multi-filed solver 는 이전에 solution을 얻을 수 없었던
많은 새로운 산업과 응용 분야에서 연성해석 문제를 풀기 위한 사용하기 쉬운
Framework를 제공한다. Multi-field solver는 모든 physics
사이에 적용할 수 있는 상용, 자동 반복 coupled physics solver이다.
유체 구조 연성해석 문제를 풀기 위해서 ANSYS CFX 소프트웨어와의 연성을
지원한다. 구조해석은 ANSYS solver에 의해서 수행되며 유동해석은 ANSYS
CFX solver에 의해서 수행된다. Multi-field solver 의
customized inter-process communication 기술에
의해서 유동해석과 구조해석이 서로 독립적인 다른 컴퓨터에서도 동시에 수행되게
해주므로 대형문제의 해석과 빠른 해석의 구형이 가능하다. 이 기술로 CFX
solver는 여러 대의 컴퓨터를 사용하여 병렬 해석을 함으로써 유동해석시간을
줄일 수 있다.
Key
Features of Advanced FSI
유동해석
영역과 구조해석 영역은 각각 독립된 형상과 격자를 가지며 별개의 Physics Field로
다루어 진다.
유체와
구조물의 Interface 영역에서 서로 하중 (압력, 전단 응력, 온도, 열유속, 변형량)을
전달함에 의해서
연계되어진다.
Load
Data는 Surface Load 또는 Volume Load로 전달된다.
유동해석과
구조해석은 네트워크 연결된 서로 다른 컴퓨터에서 수행되어질 수 있다.
유체
구조 연성해석은 각 영역간에 iterative (load vector) coupling
에 의해서 수행되며 각각의 영역은 서로 다른
- Analysis
types (Transient, Static or Harmonic)
- Solvers and Analysis option
- Mesh Discretization 을 가질 수 있다.
각각의
해석 영역은 상이한 격자 형태를 가질 수 있다.
자동
격자 변형 (Deforming Mesh) 기능
재료와
기하 비선형 해석 가능
유동해석
결과 와 구조해석 결과는 독립된 파일로 저장된다.
V11.0
출시로 ANSYS CFX solver manager에서 유체 구조 연성해석을 수행할 수
있으며 해석 과정을 모니터링
할 수 있다. 또한 구조해석 결과도 ANSYS CFX의
후처리 프로그램인 CFX-Post 에서 확인할 수 있다.
Advanced FSI Solution Benefits
일관된 GUI와 통합된 환경으로 배우고 사용하기 쉽다. 제3의 data coupling 소프트웨어나 후처리 프로그램이 필요하지 않으므로 비용절감과 소프트웨어 사용 및 구성이 쉽다. 강건하고 신뢰성 있는 Implicit coupling scheme에 의해 원하는 해를 얻기 위한 노력과 시간을 줄여 준다. 각각의 time step iteration은 stagger loop 와 intermediate 하중 전달에 의해서 연성해석이 수렴되게 한다. CFD 와 FEA solver 사이에 하중은 profile-preserving 과 conservative 하게 전달된다. 대규모의 FSI 문제는 서로 다른 컴퓨터에서 수행하고 병렬해석 기능을 사용하여 계산 시간을 단축시킬 수 있다.
적용 분야 및 사례
항공 : 비행기 날개 flutter 현상 aerodynamic flutter of wings 토목공학 : 구조물에 작용하는 바람 하중 transient wind loads on buildings and bridges 생체역학 : Biomedical flows involving compliant blood vessels and valves 등
Thermal performance of a gas turbine blade (Wood Group Heavy Industrial Turbines.)
ANSYS
Multi-field Solver Technology
ANSYS
Multi-filed solver 는 이전에 solution을 얻을 수 없었던
많은 새로운 산업과 응용 분야에서 연성해석 문제를 풀기 위한 사용하기 쉬운
Framework를 제공한다. Multi-field solver는 모든 physics
사이에 적용할 수 있는 상용, 자동 반복 coupled physics solver이다.
유체 구조 연성해석 문제를 풀기 위해서 ANSYS CFX 소프트웨어와의 연성을
지원한다. 구조해석은 ANSYS solver에 의해서 수행되며 유동해석은 ANSYS
CFX solver에 의해서 수행된다. Multi-field solver 의
customized inter-process communication 기술에
의해서 유동해석과 구조해석이 서로 독립적인 다른 컴퓨터에서도 동시에 수행되게
해주므로 대형문제의 해석과 빠른 해석의 구형이 가능하다. 이 기술로 CFX
solver는 여러 대의 컴퓨터를 사용하여 병렬 해석을 함으로써 유동해석시간을
줄일 수 있다. 
