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タンク内のスロッシング解析
2021年6月
燃料タンクや貯水タンクの運搬時において、液体の挙動により衝撃荷重が発生し、構造物の破壊やタンクの転倒、液体が溢れ出るといった被害が問題になります。問題の対策を検討するため、３次元シミュレーションによって構造体の応力やその内部の液体を可視化することは非常に有効な方法です。しかしながら、これらの現象は周期的な振動の現象ではないため、Ansys Mechanical の音響要素を用いたスロッシング解析では表現できません。また、Ansys Mechanicalと流体解析ソルバーのAnsys Fluentを連成して解く場合、各時刻の場の結果のデータ転送が増えること、また、自由表面流のように界面の大変形を伴うことなどから、計算のコストが大きくなります。本事例では前述したソルバーではなく、Ansys LS-DYNAを利用し、SPH法とFEMを組み合わせることで、単一ソルバー内で流体-構造解析を実現し、現象を再現しています。
目次
- はじめに
- 解析の目的・背景
- 解析手法
- 解析モデルと解析条件
- 解析モデルとメッシュ
- 解析条件
- 解析結果
- 使用ソフトウェア
SPH粒子を用いた解析モデル
本事例では、タンク内の半分に水をため、タンクを水平方向に振動させた際の液体の挙動や外板の応力を計算します。この時、液体(水)はSPH粒子でモデル化し、タンクの構造体はシェル要素を用いて薄板構造を表現しています。タンクの内部は内壁が2枚あり、液体が行き来できるよう穴を配置しています。また、内壁にはリブを設けて剛性を挙げています。初期状態では、液体が宙に浮いている状態のため、液体が重力で落下し、底面で落ち着くまで1.5秒程度の時間を設けました。また、タンクの境界条件として一定の波形でタンクの底面を振動させる設定をしています。全体の解析時間としては4秒間の解析を実施しました。
液体の挙動や外板の応力の計算
液体（水）の挙動を示す図では、初期は構造体より少し内側の空間で粒子を作成したため、タンクを揺らす直前の1.5秒時ではその余白分、水嵩が下がったことが確認できます。速度のコンター図では、タンクの揺れに従って、内部の水が揺れている様子が確認できます。また、内壁に空いた穴を通って流体が行き来している様子も確認できます。ある時間のタンク側の構造体の相当応力分布を示すこともできます。このように、スロッシングをAnsys LS-DYNAソルバーで解析することで、流体から受けた力による構造体の応力や変形などを容易に可視化することができます。
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