技術資料

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構造解析用語
流体-構造 連携解析 (fluid-structure coupled analysis)
空気中を飛行する航空機は、周囲の空気から圧力を受け空に浮かぶことができる力を受けるが、航空機の運動は周囲の空気の流れに影響を与えます。原油を輸送するタンクローリーの内部の原油は、車両の走行状態に応じて揺れが生じ、この原油の揺れは再び車両全体の動的な安定性に影響を与えます。

このように私たちの周りには、液体の流れと構造体の運動(あるいは変形)が相互作用を起こす場合が無数に存在し、これらの相互作用の問題を流体-構造連携問題や専門用語でFSI問題と呼びます。流体-構造連携問題ではほとんどの流体の流れによって誘発される動水圧(hydrodynamic pressure)が接している構造体に荷重として作用し、一方、構造体の動きは、流体が占めている幾何学的領域を変化させます。従って、流体が構造物に及ぼす動水圧は構造に荷重境界条件(boundary condition)として反映されるのに対し、構造物の挙動は、流体流動の境界領域および境界での速度として反映されます。

流体-構造連携解析には、多数の技法が適用されているが、適用する数値手法と座標系の設定に応じて手法が分類されます。ラグランジュ記述法(Lagrange description)にもとづきFEMで構造物の変形と流体の流動を連携して解く方法(coupled FEM-FEM)と、ラグランジュ基盤のFEMそして流体流動はオイラー記述法(Euler description)の有限体積法(finite volume method)を併用し解く方法(coupled FEM-FVM)が最も代表的です。

流体の流動が複雑な場合、有限要素法を適用すると過度に歪んだ要素(distorted element)が発生しメッシュ調整(mesh adaptation、またはremeshing)が伴う難しさが存在します。その結果、最近ではほとんど後者の方法を使用しており、この場合には、流体の自由表面(free surface)を把握するための数値手法が追加で必要です。流体-構造連携解析において必ず重要な点は、解析結果の精度を高めるための要素サイズ(element size)を減らす場合は、コーラント条件(courant criterion)を満足させるために時間ステップ(time step)も同時に減少させる点です。

 
 
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