2018年9月25日 星期二

風動?幡動?仁者心動?都不是啦,是流固耦合!


  • 從youtube認識流體力學現象

氣彈(AeroElastic)現象所引起的振顫(Flutter),是一個很經常看到的自然現象;這個問題很出名,例如流體(無論是空氣還是液體)經過一個圓柱,由於流體壓差及多種變化因素,產生分離現象,造成許多渦流。以前在教科書只能用談論及一堆數值推導,現在看youtube比較容易想像得到。現在學生真是幸福啊~~

還沒講完~~這種現象對於剛體也沒有問題,但是對於撓性體問題就多了,現實生活就是所有物體都會變形啊~~,因為隨著空氣的振盪,同時引起結構體的振動,風吹過旗子,旗子飄動就是這種很有趣的現象。
結構體受外力也不是什麼太大的問題,結構不就是拿來受力嗎?但結構最怕就是2:過大的力量及共振的力量。若這個外力(風力)振動的頻率,等同於結構體振動的頻率,那就挫屎了~~
l   土木工程上的挑戰
最經典的教材就是塔科馬海峽吊橋,影片就是這樣子:

在土木工程當中,成立了風工程這樣的學門,並且我們國家營建訂定了相關的法規,就是在解決這樣的問題。(建築物耐風設計規範及解說),留意一下,這是一個設計規範,它只解決了一小部份基礎型態的風壓設計,及依地制宜的參數,強迫工程師去思考這樣問題的解決方法,並沒有解決工程上的問題。
l   機械工程的問題
交通工程上這問題真的是不小,不妨先看看NASA做過的經典研究:

飛機在飛行中造成控制翼面的振顫,輕則造成不易控制,重則造成機毀人亡。飛機研發的過程中,一定會有許多的問題需要解決,IDF設計研發的過程中,就發生了伍克振上校為了進行更多研究搜集及保存戰機,犧牲了一位伍克振上校。個人希望各位看倌好好地看一下伍將軍的故事,瞭解開發戰機的風險,還有多少人的默默投入,為的是保有國防能力的自製性。

以上兩個現像只是為了讓大家知道,Flutter造成的問題是很大的。所有風力所造成的災害,可能不是只有風大的問題,Flutter造成的振動進而發生疲勞破壞,會是工程設計人員重大挑戰。

l   禪宗的故事來看Flutter的問題
有一次六祖惠能法師在廣州聽法,現場旗幡票說法印宗法師問:是風動?還是幡動?現場聞法者熱烈討論。六祖惠能法師說了一個很有名的公案:不是風動,不是幡動,仁者心動。
CAE來說:風動的問題交給CFD,幡動的問題交由FEA/Structure.但是仁者心動的問題,就交給流固耦合吧~~
FSI(Fluid and Structure Interaction)在模擬上可說是傷透腦筋的分析課題。術業有專攻,一般CFD的軟體要寫到結構大變型,或是結構分析的人要寫到CFD,這都是很多人窮盡一生在研究的問題,兩者要耦合,在交界及資料的處理,就是一項挑戰。過去我們在做這個問題,時常要做兩個軟體資料交換及運算;現在,LS-DYNA在一個軟體界面輕易解決這個問題。
看一下我們自己做的分析,記得留意垂直尾翼的振顫現象喔.....