Research on coupling solution of soft-rigid multibody dynamics and numerical fluid dynamics

软刚多体动力学与数值流体动力学耦合求解研究

• 批准号: 22K04572
• 负责人: 荒木 元輝
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04572/
• 关键词: マルチボディダイナミクス; 数値流体力学; マリンオペレーション

本研究は粘性を考慮可能な数値流体力学モデル（CFD）とマルチボディダイナミクスと絶対節点座標法（ANCF）を基にした剛体、線状構造体、3次元構造体の柔剛混在多体系動力学モデルを開発し、様々なマリンイペレーションに応用可能な解析手法を確立することを目標としている。そこで初年度は線状構造体用のANCFコードを開発した。ANCFはShabanaら（1996）により提案された非線形有限要素法の一種で節点座標として節点の絶対位置および勾配で表現することにより、従来の有限要素法に比べ少ない少ない要素数で大変形を精確に表現することが可能である。本研究においては基本的にBerzeri & Shabana(2000)のモデルを用いることとした。ANCFでは仮想仕事の原理を用いてラグランジュ方程式を導出し、各ケーブル要素の運動方程式が得られるが、その中の剛性行列においては、計算負荷及び精度を考慮し、曲げ剛性行列に関しては軸ひずみが小さい場合を仮定してT1モデル、軸剛性行列にかんしては一般的なひずみ状態を扱えるL2モデルを用いることとした。また今後のマルチボディダイナミクスモデルとの連成を考慮し、微分代数方程式（DAE）となるようラグランジュ未定乗数法を適用し、運動方程式の解法としては一般化アルファ法を用いた。開発した線状構造体用のANCFコードの検証のために、ANCFコードのベンチマークとしてよく用いられる、原点でピン支持された柔軟な梁を自由落下させた時の変形を計算し、従来の研究結果とほぼ一致することを確認した。

本研究重点关注基于可考虑粘度的计算流体动力学模型 (CFD)、多体动力学和绝对节点坐标法 (ANCF) 的刚体、线性结构和三维结构的柔性多体动力学目标是开发一个模型并建立可应用于各种海洋作业的分析方法。因此，在第一年，我们开发了线性结构的 ANCF 代码。 ANCF 是 Shabana 等人 (1996) 提出的一种非线性有限元方法，通过将节点的绝对位置和梯度表示为节点坐标，可以用比可以用传统的有限元法来表示。在本研究中，我们基本上使用了Berzeri & Shabana (2000)的模型。 ANCF中，利用虚功原理推导出拉格朗日方程，得到每个索单元的运动方程，但考虑到计算载荷和精度，弯曲刚度矩阵是根据轴向应变计算的。我们决定使用假设小情况的 T1 模型，以及可以处理有关轴向刚度矩阵的一般应变状态的 L2 模型。此外，考虑到与未来多体动力学模型的耦合，我们应用拉格朗日待定乘子法形成微分代数方程（DAE），并使用广义α法求解运动方程。为了验证所开发的线性结构 ANCF 代码，我们计算了原点由销支撑的柔性梁自由落体时的变形，这通常用作 ANCF 代码的基准，并与之前的结果进行比较研究证实它们几乎匹配。