流れ　2007年8月号　目次

―　流体と騒音：汎用ソフトウェア特集　― ANSYS社が提供する最新FSIテクノロジー 一宅 透（アンシス） CD-adapcoの最新CFD技術のご紹介 ～“次世代”汎用熱流体解析プログラムSTAR-CCM+～ 中嶋 達也（シーディー・アダプコ・ジャパン） オープンソースCFD：OpenFOAMの紹介 田中 太（福井大学工学部） 文科省IT基盤構築のための研究開発「革新的シミュレーションソフトウェアの研究開発」 － マルチフィジックス流体シミュレーション・システムFrontFlow － 大島 伸行（北海道大学大学院 工学研究科） 流体騒音解析ソフトウェアCAA++ ～非線形音響ソルバによる流体騒音の数値予測～ 毛利 昌康（ディライト） 編集後記 　　 池田 浩（東芝）、岩佐 能孝（IHI）、岡 新一（C&I） 　｜　リンク一覧にもどる　｜

 

ANSYS社が提供する最新FSIテクノロジー

一宅 透 アンシス 株式会社

１．はじめに

　FSI （Fluid-Structure-Interaction：流体-構造連成）とは、流体側の影響と構造側の影響を相互に考慮した解析手法の総称として広く知られている。近年、ソフトウェア/ハードウェアの発達により、これまで一般的にその適用が困難であった FSI 解析が、あらゆる分野で現実的な業務として適用される例が増えつつある。

　そこで本稿では、ANSYS社が提供する最新 FSI 解析技術について解析事例を交えて紹介する。

 

２． FSI 解析技術

2-1. 連成手法

　連成解析を行う場合、一般的に２種類の連成手法がある。

①ダイレクト連成

　　式１）

②シーケンシャル連成

　　式２）

　①はマトリクス連成とも呼ばれ、一般的に強連成問題（互いの連成度合いが大）の場合に適用される。一方、②は荷重ベクトル連成とも呼ばれ、一般的に弱連成問題（互いの連成度合いが小）の場合に適用される。

　構造解析ソルバー（ANSYS）と流体解析ソルバー（CFX or FLUENT）といった、異なるソルバー間でのデータ転送を用いて解析を行う FSI は、②の連成手法となる。

2-2. シーケンシャル連成

　ANSYSでは、流体ソルバーにCFX（もしくは Fluent）を用いて、以下に示すような２種類のシーケンシャル連成が適用可能である。

① One-Way FSI

　

② Two-Way FSI

　

　①では、片方の解析結果（流体 ( or 構造））が、もう片方（構造( or 流体））の入力条件となる解析ステップを、一回実施するのみである。一方②では、双方（構造or流体）の解析結果を相互に引渡しながら解析が進行する。

2-3. ANSYS/CFX Two-Way FSI(MFX テクノロジー）

　構造ソルバーに ANSYS、流体ソルバーに CFX を用いたTwo-Way FSI（ANSYSではMFX（Multi_ Field_using_cfX ）と命名）は、最新 ANSYS統合プラットフォーム (ANSYS Workbench11.0（以後WB）) 上で、そのモデル作成から解析/結果処理まで一貫して設定/制御が可能である。

　MFX の特徴として、特に以下の点が挙げられる。

①統合化された環境下での操作性の向上

　２種類の汎用ソルバーを制御する FSI 解析は、一般的にその操作及び制御が煩雑になりやすい。MFXでは、WB環境下でのプログラムでTwo-Way解析の全設定/結果処理を行い、煩雑な FSI 解析の設定/制御を容易にしている。

構造 / 流体解析モニター	構造 / 流体同時結果処理

②解析収束性の向上（スタッガーループ制御）

　本機能は、一方の結果を引き渡す際、その引渡しデータに直接緩和係数を付加しつつ、徐々にデータを引き渡す機能である。スタッガーループ制御があることで、各ステップ毎のFSI 解析の安定性は格段に向上する。

スタッガーループ制御なし（一般手法）

スタッガーループ制御あり（MFX）

 

３．解析適用事例紹介

3-1. タービン翼の熱 - 応力計算（One-Way FSI）

　遠心式もしくは軸流式タービンを回転させる燃焼ガスタービンは、常に高温/高圧状態にあり、その構造強度問題は重要な課題である。そこで、ガスタービン翼に発生する応力を ANSYS/CFX One-Way FSIを用いて解析した事例を紹介する。

①モデル準備

　流体解析実施用の流体側メッシュ、及び構造解析実施用の構造側メッシュの準備。（WB 上で構造/流体メッシュの同時作成が可能）

流体側メッシュ	構造側メッシュ

② CFXによる熱流体計算

③ ANSYSによる熱応力計算

　WB/Simulation 上へCFXでの解析結果を直接、構造側への境界条件として読み込み、ANSYSソルバーで熱応力計算を実施。

圧力分布	温度分布	応力分布

※なお、構造側への境界条件となる、流体圧力/温度分布結果の構造モデルへの引渡し（マッピング）は、WB/Simulation内ですべて自動的に行われる。

○本プロセス結果から、流体力により発生する翼端部の応力集中部位に着目した、各種の強度検討を実施。

3-2. 飛行機翼の振動計算（Two-Way FSI（MFX））

空中を飛翔する航空機にとって、翼に発生する振動問題（フラッター）は、機体の安全上、重要な課題である。ここでは、“ AGARD445.6 “と呼ばれるテストケースを題材にした ANSYS/CFX Two-Way FSI 解析事例を紹介する。  ① 解析条件 Mahogany wood Mach number = 0.50 … 1.14 Zero angle of attack

② 翼動特性（固有モード）比較（実験 v.s. 解析）

1st : Bending Mode Shape	2nd : Torsion Mode Shape

③　マッハ数によるフラッター周波数変動比較

○マッハ数変動に伴うフラッター周波数の変動傾向を解析的に確認。

 

４．おわりに

　今回、 ANSYS社より提供される最新FSI技術の概要を紹介したが、最も留意すべき点は、 ”決してFSI解析による現象解明そのものが容易になる訳ではない”という点である。とくにFSI解析では、物理場が構造と流体の両分野にまたがっており、その解析適用にはソフトウェアの特徴（機能）理解に加えて、複数物理場（構造（電磁場）＆流体）の現象理解（連成度合いの把握等）が必要不可欠である。

　CAEベンダーからは、これからもさまざまな改善を施したCAEツールが数多く提供されていくものと思われるが、それとともに操作/理解/判断するエンジニアの力量と成長も、これまで以上に要求されるのである。