流体-構造連成とは

流体-構造連成（FSI）とは、流動流体が移動可能または変形可能なソリッド構造と相互作用する現象を指します。圧力またはせん断力の形で流体流れからの力によって、ソリッドオブジェクトの形状が変化したり、剛体運動が発生したりする可能性があります。ソリッドオブジェクトの形状や運動が変化すると、流体の流れ場が変化する可能性があります。FSIは、流体力学と固体力学を含むマルチフィジックス相互作用の一種です。

エンジニアは、シミュレーションツールとテストを利用して、流体-固体相互作用を調査し、流体が周囲または内部を流れるときの製品の実際の相互作用を把握します。これらの相互作用は、設計または保守対象製品の性能に影響を与えます。変形が大きい場合や頻繁に発生する場合は、ロバスト性にも影響を与えることがあります。通過する車の風切り音、飛行中の民間航空機の翼の上下の動き、心臓が血液を送り出す方法は、すべてFSIの事例です。深刻なケースでは、FSIが構造破壊、怪我、死亡につながる恐れがあります。1940年の空力弾性フラッターによるタコマナローズ橋の崩壊や、1965年の風の乱流によるフェリーブリッジ発電所の冷却塔の崩壊はよく知られた例です。また、破壊につながる可能性のあるFSIとしては、ウォーターハンマーも一般的な例として挙げられます。これは、パイプ内の急激な水圧によって生じる大きな衝撃です。

エンジニアは、数値流体力学（CFD）と有限要素法解析（FEA）のソフトウェアツールを組み合わせてFSIモデルを作成し、流体-固体界面を通過して荷重が移動したり、流体-固体界面の形状や位置が変化したりしたときの両領域の挙動を予測できます。FSI解析の使用は、連成アルゴリズムの改善や計算性能の向上に伴い、増加しています。 

FSIのタイプは、ソリッドオブジェクトが受ける構造変形のタイプと、各物理特性がシステム内の他の物理特性にどの程度影響するかによって異なります。 

流体-構造連成における一方向連成と双方向連成

FSIには、流体からソリッドへの力の伝達と、それらの相互作用に起因する2つの領域の物理的特性の変化が含まれます。通常、連成は以下の2つのカテゴリに分類されます。

• 一方向FSI連成

一方向FSI連成の最も一般的なタイプは弱連成とも呼ばれます。これは、システムが流体流れからソリッドに力を伝達しても、ソリッドの応答が流体流れの挙動に与える影響が無視できるほど小さい場合です。これは通常、ソリッドが変形する距離が、変形を引き起こす流体の体積に対して小さいためです。レーシングカーのウィングは一方向FSI連成の良い例です。ウィング上の空気の流れはウィングにダウンフォースを発生させますが、ウィングは十分な剛性があるため、その力によりウィングの形状が変わることはありません。

物体の運動が流体に運動量を与えたりあるいは奪ったりすることで、周囲の流体中を移動する物体の形状や運動には顕著な変化が生じない場合にも、一方向 FSI連成が発生します。その良い例が、電動ファンです。ファンブレードの運動により、ファンを流れる空気の速度が増しますが、ブレードの形状を大きく変化させることはありません。

一方向FSI連成では、解析されたCFDシミュレーションから、圧力とせん断力をFEA構造モデルの流体-固体界面に適用します。そして、構造領域内の応力とひずみを解析するか、流体-固体界面におけるソリッドの速度をCFDモデルの境界条件として使用します。いずれの場合も、力または速度は1つの領域から別の領域へのみ移動します。

• 双方向FSI連成

双方向FSI連成の最も一般的な形は、強連成と呼ばれます。これは、ソリッドオブジェクトに対する流体領域の力により、流体の圧力や速度を変化させるほどの歪みがソリッドに生じる場合に発生します。これらの変化によって流体力が変化し、それによってたわみと運動が変化し、流れが変化します。

双方向FSI連成では、アルゴリズムを使用して、ソリッドオブジェクトのたわみをCFDモデルに戻します。これらの変化が十分に大きい場合、場合によっては、流体範囲のメッシュが歪んで無効になることがあります。ソフトウェアは、リメッシングと呼ばれる自動プロセスを使用してメッシュを再生成します。最も極端なケースでは、流路の開閉に伴い、流体ドメインのトポロジーが変化します。

双方向連成では、時間経過に伴うモデルステップに応じて、CFDソルバーとFEAソルバーの解析間の反復計算に2つの異なる手法を使用できます。陽解法（逐次法）では、荷重とたわみは時間ステップごとに1回のみ転送されます。陰解法（同時法）では、流体シミュレーションと構造シミュレーションの両方を同時に解析し、荷重とたわみを交換してから、解が収束するまで同じ時間ステップで解析を再実行します。その後、システムは次の時間ステップに移動します。

陽解法は設定が簡単であり、反復計算ごとに計算が1回のみのため、使用するコンピュータリソースが少なくてすみます。ただし、陰解法よりも安定性が低く、モデルが発散する可能性があります。多くのエンジニアは、強連成システムをモデル化する際に陰解法ワークフローを選択し、陽解法よりも高い精度を求めます。

構造変形タイプ

流体-構造連成を分類するもう1つの方法として、構造領域が受ける歪みのタイプの違いがあります。シミュレーションを実行する際には、この変形情報を使用して、適切なモデリング法と、CFDソルバーとFEAソルバー間のデータ交換に使用するアルゴリズムを決定します。

以下に、最も一般的な変形タイプを示します。

• 微小変形

構造領域の変位が小さいモデルの場合は、一方向連成を使用します。このアプローチでは、まずCFDモデルを解析し、次に構造モデルに力を適用します。この場合は、流体-構造界面の形状を変更する必要はありません。

• 微小振動

場合によっては、流体流れの振動により、システムの構造部分の柔軟な表面に小さな周期的な力が加えられ、ソリッド部分が振動によって応答することがあります。この振動は、全体的な流れ特性を変化させることなく、流体を通過する音波を生成します。空力では、このタイプの流体-構造連成は音響-構造連成（ASI）と呼ばれます。

流体力学では、圧力波がパイプやダクト内で共振し、ソリッドコンポーネントに振動を引き起こす可能性があります。この振動はウォーターハンマーと呼ばれます。ASIとウォーターハンマーはどちらもノイズを発生させ、構造部品に疲労を引き起こすことがあります。

• 大変形

ソリッド領域のたわみや運動が流体流れを変化させるほど大きい場合は、双方向FSIが必要です。さらに、CFDメッシュとFEAメッシュを歪めたり、両方の領域でジオメトリをリメッシングする方法を使用して、シミュレーションを設定したりする必要があります。歪みや運動の速度も、各ソルバーの反復計算の時間ステップサイズに影響します。

• 大振動変形

流体力の変化が構造の固有振動数を励起すると、システムに大きな振動が加わる可能性があります。流体流れによりシステムにさらにエネルギーが加えられると、振動がさらに大きくなります。空気力学では、このタイプの連成を空力弾性と呼びます。 

タコマナローズ橋の崩落は、構造物が破壊されるまで構造物を励振させた空力荷重の一例である。

• 剛体運動

複雑な双方向流体-構造連成は、歪みは発生しないが運動量を持つ構造コンポーネントにも発生することがあります。この剛体運動の場合も、やはり双方向連成と流体領域のリメッシングが必要です。 

• ボディ荷重による変形

重力場や電磁界からのボディ荷重は、熱ひずみとともに、ソリッド領域を歪め、FSIシステムに影響を与える可能性があります。アクチュエータとドライブシャフトも構造領域に荷重をかけます。生体系では、筋肉の弛緩と収縮によって体内の流体が移動します。エンジニアは、FSIモデルのあらゆるボディ荷重を理解し、考慮する必要があります。

流体-構造連成のその他の物理特性

流体または構造領域の他の荷重がシミュレーションに含まれる場合、FSIシステムはより複雑なマルチフィジックスシミュレーションになります。一般的な例は、流体微小電気-機械システム（MEMS）デバイスです。これは、電気、静電、磁気、熱、流体、構造の物理特性を1つに統合したデバイスです。

もう1つのFSI解析における一般的な物理現象は、共役熱伝達です。このタイプのシミュレーションでは、CFDで計算された温度と速度を使用して、ソリッド領域と流体領域間の熱流束を決定します。 

流体-構造連成は、さまざまな業界のシステムで適応されていますが、流体流れが製品に不可欠である一部のシステムの場合は、特に重要です。以下に、FSIがロバスト性と最適化性能の向上に大きな役割を果たす業界を示します。

航空宇宙

旅客機の窓から外を見て翼の動く構造物を見たことがあるでしょうか。それは、大きな変形を伴う双方向FSI連成の一例です。航空宇宙業界では、大気中を移動する多くの装置を製造するため、FSIは設計と保守に不可欠な要素となっています。航空宇宙機が音速を超えて移動し衝撃波が発生する場合、大きな力が生まれるため、流体領域とソリッド領域の相互作用がいっそう重要になります。

エンジニアが重要視する航空宇宙における流体-構造連成の一般的な例を以下に示します。

• 翼の空力弾性
• 予備燃料タンクや兵装など、航空機から落下する物体の剛体運動
• 空中を通過する物体の弾道
• 操縦翼面の荷重
• パラシュートおよびパラフォイルの膨張
• タンク内の燃料のスロッシング
• ロケットノズルに作用する音響荷重と空力荷重

自動車

自動車も大気中を移動し、さらに駆動システムや空調システムを通じて液体や気体が移動します。サンルーフを装備した車を運転したことがあるなら、ある速度以上でバフェッティング音を聞いたことがあるでしょう。このときに、流体-構造連成が発生しています。自動車構造は通常は剛体であるため、自動車業界において、多くの場合のFSIは一方向です。

バイオメディカル

人体は複雑な流体-構造システムであり、多くの構造コンポーネントには柔軟性があります。心腔と心臓弁はどちらも、自然系における流体-固体連成の最適な例です。心臓の筋肉が収縮・膨張して心腔の体積が変化し、血圧が上昇し、心臓弁を介して血液が送り出されます。心臓弁には柔軟な弁尖があり、開閉して血流を流したり遮断したりします。心腔内の圧力が上昇すると開き、低下すると閉じます。 

PyAnsys Heartツールを使用したヒトの心臓の生物医学的FSIシミュレーションの例

土木構造物

建物、橋、その他の土木構造物は風や水と相互作用し、流体-構造連成が発生します。非常に高い建物は強風に揺れるのみではなく、運動により風のパターンを変えるため、双方向FSIも発生します。

クリーンテクノロジー

クリーンテクノロジー製品におけるFSIの一般的な例として、ソーラーパネルと風力タービンの挙動があります。ソーラーパネルは、パネルが動かず剛性がある場合は一方向FSI連成、パネルが屈曲したり、アクチュエータを使用して位置決めする場合は双方向になります。風力タービンのブレードは柔軟性があり、重力や風荷重によって曲がり、回転によって風に対する向きが変化します。

ターボ機械

ターボ機械を通過する空気または蒸気は、装置内の静止および回転するソリッドコンポーネントと相互作用します。エンジニアは、FSI解析を使用して、空力弾性、強制振動、バルブ、シールを評価します。ターボ機械のFSI解析は、速度、温度、圧力が高いため複雑になります。

流体システム

多くの製品には、装置や機械を通過する液体や気体の流れを制御するシステムがあります。流体システムで使用される多くのバルブ、シール、センサー、ポンプには、少なくとも一方向の流体-固体連成が発生します。目的のタスクを実行するために、双方向FSI連成を使用する場合もあります。

流体-構造連成のシミュレーションは、2つの異なる物理特性をモデル化する必要があり、それぞれをユーザーが最適に設定して実行しなければならないうえに、連成の処理が複雑なため、高度な解析です。ここでは最も一般的な課題と、課題を克服するための推奨事項を示します。

物理特性に適したツールの選択

適切なCFDおよび構造FEAシミュレーションツールを選択することは、FSIシミュレーションを行う際の最初の課題です。ユーザーが必要とする流体シミュレーションツールは、使いやすく、流体領域の挙動を把握し、効率的に解析し、FSIをサポートする数値解析法を適切に組み合わせたものです。たとえば、ターボ機械を扱うユーザーは、多くの場合、数値流体力学ソフトウェアとしてAnsys CFXを選択します。業界向けの優れた機能を備えているためです。他のタイプの問題をモデリングするエンジニアは、流体シミュレーションソフトウェアとして主にAnsys Fluentを使用する傾向があります。幅広い乱流モデル、ロバストなメッシングとリメッシング、高度なCFD機能を備えているためです。

構造面では、構造の有限要素法解析ソフトウェアのAnsys Mechanicalのような堅牢な汎用プラットフォームが必要です。これは、線形および非線形の固体材料およびジオメトリを正確にモデル化し、高度な荷重適用と業界で最も幅広い機能を提供します。一方向および双方向FSIモデリングに対応する使いやすくプログラマブルなユーザーインターフェースを含むツールが求められます。

独立した物理特性を接続するための包括的なツールの良い例として、物理ソルバー接続ソフトウェアのAnsys System Couplingがあります。このソフトウェアは、一方向および双方向連成、スクリプト作成、データマッピング、データ交換機能を備えています。流体-固体連成は、この特定のタイプのシステム連成をシミュレーションするエンジニアにとって主要なツールとなるでしょう。

流体および構造に関する専門知識

流体解析と構造解析は大きく異なる分野であり、CFDと構造解析に用いられるツールも異なります。両方の領域に深い理解を持つエンジニアもいますが、通常はいずれか一方を専門とし、もう一方については基礎的な知識にとどまっています。こうした状況を解決する方法の1つは、Ansysなど、同じプロバイダーから両方のツールを選択することです。ユーザーが両方の物理特性を迅速に理解できるように、Ansysでは包括的なトレーニングクラスやウェビナーも提供しています。さらに、Ansysソフトウェア用のPythonicなアクセスツールであるPyAnsysのようなスクリプト機能がツールセットに含まれている場合は、両方の物理特性の自動化を設定できます。 

もちろん、専門知識を補完する最善の方法は、自身が十分に精通していない領域の専門家とともにチームとして働くことでしょう。そのうえで、シミュレーションプロセスおよびデータ管理ソフトウェアであるAnsys Minervaなどのシミュレーションデータ管理ツールを使用して、モデルや解析実行結果を共有、追跡しながら協業します。

一方向連成または双方向連成の決定

特定の流体-構造連成問題で一方向連成または双方向連成のいずれが必要か明確でない場合があります。疑問がある場合は、一方向から始めるのが最善のアプローチです。解析がより簡単で効率的なためです。解析により、双方向連成の必要性が明らかになった場合は、変更してください。

数値不安定性の扱い

一部のFSIの状況が不安定な場合、またはモデルが誤ったメッシュや設定で構築されているために、収束しない場合があります。このような状況では、安定化のために複数の計算手法を備えたAnsys製品ポートフォリオのようなツールを使用するのが最適です。包括的なトレーニングとサポートも提供しています。

十分な計算リソースへのアクセス

CFDシミュレーションは、単独でも計算負荷が高くなります。構造FEA解析と連成すると、特に双方向の陰解法連成では、大量のリソースを消費する可能性があります。この問題に対処するには、並列処理やGPUで適切に拡張できるAnsys CFX、Fluent、Mechanicalなどの高性能コンピューティングをサポートするソルバーを選択してください。さらに、Ansys CloudなどのクラウドベースのHPCリソースを使用して、必要なときに必要な容量を確保することも検討すると良いでしょう。

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