“神工坊”定制应用——液体灌箱仿真APP

1年前浏览7077

（一）问题及背景描述

罐箱是由箱体框架和压力容器罐体组成的设备，具有广泛用途和高效空间利用率，运输成本低廉。罐箱已被国际标准化，可用于公路、铁路、水路等交通方式。全球市场对罐箱需求巨大，其中我国是最大生产国，因此罐箱仿真模拟存在巨大市场需求。

对靖江某压力容器生产制造企业的产品设计制造及运行场景进行分析，总结其需要通过仿真解决的问题是，罐箱在运输过程中受到的冲击作用导致内部液体晃动并对罐箱结构造成冲击，易造成罐体结构损伤需要在设计之初即对相关场景进行仿真模拟，并优化设计。这是典型的流固耦合问题，内部液体冲击（流体部分还是气液两相流问题）可能引起应力集中、大变形以及与罐箱缺陷等结合问题导致失稳破坏，对安全性产生影响。

企业目前存在的问题主要有以下几点：

1.使用商业仿真前后处理软件、仿真求解器软件，需要支付高昂的License费用，企业前期投入会非常高。

2.目前没有专门用于罐体冲击仿真的软件，只能使用通用仿真软件，这就要求工程师掌握较多理论知识和软件使用经验，而流固耦合仿真需要熟悉结构和流体仿真，进一步提高了企业人力成本。

3.仿真过程需要硬件资源的支撑，流固耦合计算量也比常规仿真计算量大很多，企业自主采购搭建仿真集群成本高昂，且需要专人运维。

针对以上问题，国家超级计算无锡中心先进制造部基于一系列开源代码进行了二次开发和自主研发，以开展定制化应用开发。在本期文章中，就我们的定制应用开发平台深度集成开源仿真程序CalculiX、OpenFoam以及preCICE后形成的流固耦合罐箱设计TankSimulator APP进行详细介绍。

（二）解决方案

什么是流固耦合问题

流固耦合现象在工程中有许多实际案例，如航空领域的气动弹性问题，桥梁领域的颤振问题，都是流固耦合存在的场景。以模拟仿真的角度看，流-固耦合（以下简称FSI）是分别描述流体动力学和结构力学的定律之间的多物理场耦合。这种现象的特点是变形结构或运动结构与周围或内部的流体流动之间的相互作用，这种相互作用既可以是稳定的，也可以是振荡的【1】。

流固耦合问题的求解面临以下几个主要难点：

1.物理场的相互作用：流体和固体之间发生相互作用的过程往往十分复杂。

2.交界面确定及网格生成：FSI问题的求解需要确定流体和固体之间的交界面。这通常涉及到交界面的几何形状、位置和边界条件等问题。

3.耦合算法：FSI求解器需要设计有效的耦合算法来解决流体和固体之间的相互作用。这包括将流体和固体的方程耦合起来，处理界面条件，以及确保数值求解的稳定性和收敛性。

4.流体和固体求解在自身领域中已经具有一定的挑战性，而在FSI问题中更加复杂。流体求解中常见的问题包括数值不稳定性、边界条件的处理和网格质量等。而固体求解中需要考虑非线性材料行为、接触与摩擦等因素。

5.计算资源和计算效率：FSI问题通常涉及大规模计算和复杂的物理过程，对计算资源的需求较高。解决大规模FSI问题可能需要使用高性能计算平台，并优化计算算法和策略，以提高计算效率和减少计算成本。

我们的解决方案

在介绍解决方案之前，首先介绍一下TankSimulator APP的仿真场景。仿真对象是一个圆柱形罐箱，内部带有防波板，用于缓解流体晃动程度，几何模型示例如下图所示：

模拟的是压力容器在载具刹车过程中和刹停后内部液体自由晃动两个阶段中，内部液体的晃动过程及其对容器壁面冲击导致的容器壁面发生变形，这是一个双向FSI模拟仿真。

求解器选择及调试

结构固体力学求解器采用CalculiX，它是一个对标著名非线性结构分析商软ABAQUS的免费、开源的3D结构非线性分析程序【2】。本算例采用动力学求解模块，封头、容器壁、方波板采用壳单元，不考虑几何非线性。

流体力学求解器采用OpenFOAM，它是应用最广的开源计算流体力学软件，具有较好的二次开发特性。本算例采用的是interFoam求解器，基于VOF方法进行两相流仿真。

针对仿真场景，调试优化仿真参数设置，并通过实际算例进行验证，最终将与产品无关的仿真参数固化在求解器配置文件中，并实现全流程仿真自动化脚本开发。

耦合软件选择及开发

通过充分调研了两款仿真求解器的代码结构和运行特性，最终选择preCICE作为耦合软件，并基于官方适配器对求解器和适配器进行了二次开发，提高两个求解器的耦合效率。（适配器是用于在流体和固体之间实现耦合关系的组件或接口。它允许流体和结构两个求解器进行信息交换和数据传递，以模拟流体和固体之间的相互作用，包括了流体和固体的边界条件、位移、速度、压力等参数互相传递的标准接口。）

流固耦合方案决定了各求解器的解是如何组合的。一般分为串行/并行显式、串行/并行隐式四种耦合方案。压力容器自由晃动过程，属于几何结构简单、非稳态、较大时间步长的仿真问题，显式方案可以提供较好的计算效率和数值稳定性。因此，我们选择串行/并行显式耦合方案。

我们也对耦合器关键环节的参数及模式进行了定义：

1.数据映射。在多域仿真时，各个域通常独立的离散化，这样交接面处网格会出现不一致现象。因此，耦合器需要在不同网格之间进行数据插值、外推或者重构，以便流体和固体模拟可以在不同网格间进行信息传递。我们采用最近邻点插值方法将流体网格面上的信息传递到固体模拟中；采用最近点投影方法将固体模拟中的信息传递到流体网格面上。

2.数据交换。流体仿真和结构仿真需要建立通信，为了实现流固耦合的高效求解，需要超算集群多个计算节点之间的高效数据交换和协同计算，同时提高并行计算的效率和吞吐量，为此我们专门开发了一种优化后的分布式数据通信策略。

定制化界面开发

TankSimulator APP界面部分基于我们开发的定制应用开发框架快速搭建。对于框架本身，在前几期文章中已经有过详细介绍，这里就不展开介绍了。

定制应用开发案例之结构形状优化APP

前后处理平台介绍及二次开发案例

TankSimulator APP包括从几何模型导入的自动化前处理、仿真参数设置以及自动化后处理及报告生成。其中，根据实际工程和业务需要，我们设计了仿真参数输入界面，极大地简化了相关工程师进行繁杂的参数配置工作，降低了仿真的门槛。除此之外，自动化报告生成也使得仿真报告流程化和规范化。

（三）神工坊2.0平台登陆及界面展示

1、登陆网址https://studio.hpc.simforge.cn/进行账号注册

2、登陆平台后,找到对应图形应用图标(TankSimulator)，双击即可打开使用