Описанный выше подход не требует никаких дополнительных программных комплексов и промежуточных структур для связи FlowVision и ABAQUS. Преимуществом такого подхода является полностью консервативный перенос величин с одной сетки на другую и минимум аппроксимационных ошибок.
Рис. 3. Границы расчетной области
Корпус вертолета и баллонеты вместе с подвесом полностью задаются в программном комплексе ABAQUS и описываются конечно-элементной сеткой (рис. 2). При этом следует отметить, что используемые типы элементов КЭ-сетки, моделирующие элементы конструкции, могут быть произвольными, они не влияют на сопряжения между программными комплексами ABAQUS и FlowVision. В рассматриваемом случае корпус вертолета задавался с помощью абсолютно жестких поверхностных элементов, система подвеса — с помощью объемных демпфируемых элементов, баллонеты — с помощью деформируемых оболочечных элементов.
Границы расчетной области для моделирования движения жидкости представлены в виде поверхностной сетки (рис. 3). С точки зрения гидродинамики, приводнение вертолета представляет собой так называемую «внешнюю» задачу обтекания. Это значит, что необходимо определить внешнюю границу области расчета, на которой должны стоять граничные условия «на бесконечности». Поверхностная сетка, определяющая объем расчетной области (внешняя граница), в нашем случае импортируется из системы САПР в VRML или STL-формате, а подвижная граница, связанная с элементами конструкции вертолета, — из системы ABAQUS как внешняя поверхность КЭ-сетки.
Для расчета движения жидкости между внешней границей области расчета и поверхностью вертолета создается прямоугольная конечно-объемная сетка, ячейки которой адаптируются ко всем границам, рис. 4. (Под адаптацией здесь понимается разделение сетки на восемь более маленьких ячеек или их объединение в более крупные).
Чтобы правильно аппроксимировать криволинейную границу (в нашем случае это внешняя поверхность КЭ-сетки вертолета с баллонетами), используется метод подсеточного разрешения геометрии. Этот метод основан на булевом вычитании из прямоугольной сетки криволинейной замкнутой границы. Если вычитаемая граница является КЭ-сеткой, как в нашем случае, то образуется прямая связь между конечно-объемной и конечно-элементной сетками.
Рис. 4. Конечно-объемная сетка с локальной адаптацией и подсеточным разрешением геометрии
Рис. 5. Вертикальное перемещение центра масс вертолета
Рис. 6. Вертикальное ускорение центра масс вертолета
MPManager — это небольшая программа, которая управляет работой ABAQUS и FlowVision в течение их сопряженного расчета. Она же передает данные из одного программного комплекса в другой. Настройка сопряженного расчета заключается в следующем. Пользователь создает проект в программном комплексе ABAQUS. Вертолет целиком импортируется во FlowVision, и автоматически настраивается связь между конечно-объемной и конечно-элементной сетками. В MPManager пользователь задает пути к проектам ABAQUS и FlowVision и определяет шаг по времени сопряжения, в процессе сопряженного расчета он может видеть развитие решения задачи с помощью визуализатора FlowVision.
Моделирование динамики упруго-деформируемой системы «корпус вертолета + подвес + баллонет» при приводнении проводится в ABAQUS/Explicit. Приведем пример моделирования активной фазы приводнения вертолета, когда процесс взаимодействия машины с жидкостью носит наиболее динамичный характер, а гидродинамические нагрузки — нестационарный. Рассмотрено движение вертолета в вертикальной плоскости с начальной вертикальной скоростью (V=3 м/с), фиксированным углом тангажа и нулевой горизонтальной скоростью. В силу моделирования только продольного движения вертолета и наличия у него плоскости симметрии расчеты проводились для половины вертолета.
Как отмечалось выше, важными характеристиками при приводнении являются траекторные параметры (в нашем случае вертикальное перемещение) и ускорение центра масс вертолета. Эти параметры определяют как посадку на воду, так и нагрузки, действующие на элементы конструкции, а также внешние гидродинамические силы и моменты, определяющие движение центра масс машины в процессе приводнения.
На рис. 5 показано, как с течением времени изменяется положение ЦМ вертолета по высоте. Зависимость от времени вертикального ускорения ЦМ вертолета показана на рис. 6. На этих рисунках приведены также перемещение и вертикальное ускорение вертолета при приводнении с абсолютно жестким баллонетом и подвесом, их моделирование было выполнено в программном комплексе FlowVision без привлечения ABAQUS.
Из приведенных рисунков видно, что динамика движения вертолета во время приводнения с эластичными баллонетами существенно отличается от динамики движения с жесткими баллонетами. Особенно заметны различия в величинах вертикального ускорения ЦМ и его зависимости от времени. В частности, эластичные баллонеты в значительной степени «смягчают» удар вертолета о воду. Максимальные величины вертикального ускорения ЦМ в разы отличаются от «пиковых» величин ускорения при приводнении с абсолютно жесткими баллонетами. При этом заметно снижаются частоты осцилляции вертикальной перегрузки, а следовательно, и нагрузки на элементы конструкции вертолета от внешних сил. В то же время видно, что активная фаза приводнения с эластичными баллонетами — более длительный по времени процесс, приводящий в результате к более глубокому погружению вертолета в воду (последнее связано с деформацией подвеса и самого баллонета).
На рис. 8 показаны баллонет и подвес на заключительном этапе активной фазы приводнения в сравнении с их исходным состоянием. Из рисунка видно, что при погружении в воду баллонет под действием гидростатического давления меняет свою форму. Под действием приложенной к самому баллонету архимедовой силы происходит деформация подвеса, которая приводит к его перемещению по направлению к корпусу вертолета и по вертикали вверх. Все это в совокупности дает более глубокое погружение в воду вертолета с эластичными баллонетами, чем с абсолютно жесткими.
Рис. 7. Сравнение волновой картины около вертолета для эластичного (а) и жесткого (б) баллонетов в конце активной фазы приводнения
Рис. 8. Положение и форма подвеса и баллонета до t=0 с (а) и после t=0,825 с (б) с начала приводнения
Моделирование процесса посадки на воду позволяет сделать и еще один вывод: при приводнении вертолет с эластичными баллонетами создает более интенсивную волновую систему, эффективнее поглощая кинетическую энергию падения вертолета и тем самым уменьшая пиковые значения вертикального ускорения ЦМ при приводнении (рис. 7).