FEM of the month: ALE Container

Die in diesem Monat vorgestellte Finite-Elemente-Analyse baut auf unserer früheren Simulation einer Freiluft-Explosion in einem Schiffscontainer auf und berücksichtigt dabei die Fluid-Struktur-Interaktion (FSI). Unter Verwendung des expliziten Solvers Radioss von Altair erfasst das Modell die Wechselwirkung zwischen der strukturellen Reaktion des Containers und der umgebenden Luftdynamik. Das Ziel dieser Simulation ist es, eine Methode zur Modellierung von Explosionen in geschlossenen Räumen mit Reflexionen unter Verwendung von Radioss aufzuzeigen.

Methodik: Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE)

Um sowohl die strukturellen Komponenten als auch die Luft genau zu simulieren, wird die ALE-Methode verwendet.

Lagrange-Methode: Das Netz bewegt sich mit dem Material mit, ideal für Strukturelemente.
Euler-Methode: Das Netz bleibt fixiert, während sich die Flüssigkeit durch es hindurchbewegt.

ALE ist eine numerische Methode, die Merkmale beider Methoden kombiniert.

Modellierungsdetails

Der Versandcontainer wird mit 3D-Schalen- und 1D-Balken-Lagrange-Elementen modelliert. Der Container besteht aus Cortenstahl mit einem elastisch-plastischen Materialmodell, das Versagen berücksichtigt. Die vertikale Bewegung des Containers wird an der Basis eingeschränkt.
Die Luft und das TNT werden mit 3D-Euler-Elementen in Form von Hexaeder-Volumenkörpern modelliert. Die Luftdynamik unterliegt dem idealen Gasgesetz. Die Explosion wird mit der Zustandsgleichung von Jones-Wilkins-Lee (JWL) simuliert, die die Detonationsprodukte einer festen Explosion beschreibt.

Wechselwirkung zwischen Fluid und Struktur

Eine CEL-Schnittstelle (Coupled Eulerian-Lagrangian) behandelt die Wechselwirkung zwischen der sich durch die Luft ausbreitenden Druckwelle und der Behälterstruktur. Hierbei handelt es sich um eine strafbasierte Kopplungsmethode. Das bedeutet, dass das Fluid in die feste Struktur eindringen kann. Basierend auf dem Eindringen und der Steifigkeit der Schnittstelle wird eine Kraft auf die feste Struktur ausgeübt. Sowohl das Netz in der Nähe der Schnittstelle als auch die Schnittstellenparameter haben einen erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse.

Ergebnisse und Visualisierung

Unser vorgestelltes Video verdeutlicht den Überdruck in der Luft und den Explosionsdruck auf den Container, wobei das Modell auch Einblicke in Spannungen und Verformungen sowie weitere Parameter bietet.

FEM of the month: ALE Container - Femto Engineering - Femto Engineering

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