Research on coupling solution of soft-rigid multibody dynamics and numerical fluid dynamics

软刚多体动力学与数值流体动力学耦合求解研究

• 批准号: 22K04572
• 负责人: 荒木 元輝
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04572/
• 关键词: マルチボディダイナミクス; 数値流体力学; マリンオペレーション

本研究は粘性を考慮可能な数値流体力学モデル（CFD）とマルチボディダイナミクスと絶対節点座標法（ANCF）を基にした剛体、線状構造体、3次元構造体の柔剛混在多体系動力学モデルを開発し、様々なマリンイペレーションに応用可能な解析手法を確立することを目標としている。そこで初年度は線状構造体用のANCFコードを開発した。ANCFはShabanaら（1996）により提案された非線形有限要素法の一種で節点座標として節点の絶対位置および勾配で表現することにより、従来の有限要素法に比べ少ない少ない要素数で大変形を精確に表現することが可能である。本研究においては基本的にBerzeri & Shabana(2000)のモデルを用いることとした。ANCFでは仮想仕事の原理を用いてラグランジュ方程式を導出し、各ケーブル要素の運動方程式が得られるが、その中の剛性行列においては、計算負荷及び精度を考慮し、曲げ剛性行列に関しては軸ひずみが小さい場合を仮定してT1モデル、軸剛性行列にかんしては一般的なひずみ状態を扱えるL2モデルを用いることとした。また今後のマルチボディダイナミクスモデルとの連成を考慮し、微分代数方程式（DAE）となるようラグランジュ未定乗数法を適用し、運動方程式の解法としては一般化アルファ法を用いた。開発した線状構造体用のANCFコードの検証のために、ANCFコードのベンチマークとしてよく用いられる、原点でピン支持された柔軟な梁を自由落下させた時の変形を計算し、従来の研究結果とほぼ一致することを確認した。

In this study, the viscosity-dependent numerical fluid dynamics (CFD) and the node coordinate method (ANCF) are considered. The rigid-rigid hybrid of linear structures and three-dimensional structures is developed in multi-system dynamics. ANCF tubes for linear structures were developed at the beginning of the year. ANCF (1996) proposes a non-linear finite element method with node coordinates and node locations and matching representations that are less than the number of elements and more accurate than the number of elements. This study is based on Berzeri & Shabana(2000). ANCF is used to derive the equations of motion for each element, to calculate the load and accuracy of the rigid matrix, to determine the axis stiffness in small cases, and to determine the axis stiffness in general. In the future, the differential algebraic equation (DAE) is applied to the solution of the equation of motion. ANCF for linear structures is used to calculate and confirm the shape of flexible beams.