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FSI-Simulation eines Zylinderkopfes

Die FSI-Simulation (Fluid-Struktur-Interaktion) beschreibt die Wechselwirkungen zwischen Mechanik- und Strömung auf die zu betrachtenden Bauteile. Hierfür werden CFD-Analyse und FE-Analyse miteinander verbunden. In diesem Simulationsbeispiel soll der Einfluss der Luftkühlung durch Wärmeleitung und Wärmeübergang am Zylinderkopf auf die mechanischen Spannungen, Verformungen und Kräfte im Bauteil untersucht werden. Zur Durchführung der Simulation werden also FEM-Berechnung und CFD-Berechnung so miteinander gekoppelt, dass die Teilergebnisse des jeweiligen Zeitschritts als Randbedingung sowohl für die FEM-Berechnung, als auch für die CFD-Berechnung zur Verfügung stehen. Die Brauchbarkeit der Ergebnisse hängt somit von der fehlerfreien Datenübertragung an der Schnittstelle zwischen FEM-Modell und CFD-Modell ab.

FEM-Berechnung

Für eine stabile FEM-Berechnung wird das Modell möglichst sauber und strukturiert aufgebaut. Für die Aluminiumlegierung (EN AW-7075 T6) werden die folgenden Materialdaten festgelegt:

  • Dichte
  • E-Modul
  • Poisson-Zahl
  • Wärmeausdehnungskoeffizient
  • Spezifische Wärmekapazität
  • Wärmeleitfähigkeit

Wärmekapazitäten und Wärmeleitfähigkeiten werden für die Aluminiumlegierung als temperaturabhängig betrachtet.

Randbedingungen für die FE-Analyse

Die Kopfdichtung kompensiert die unterschiedliche Wärmeausdehnungen zwischen Kurbelgehäuse (Grauguss) und Kopf (Aluminium). Zusätzlich gleicht sie Unebenheiten an den Dichtungsflächen aus, die sich mit der Zeit durch die wirkenden Belastungen einstellen. Da im Rahmen der FSI-Simulation lediglich der Zylinderkopf betrachtet werden soll und die Dichtung flexibel ist, wird sie in diesem Fall nicht abgebildet. Es wird daher vereinfachend angenommen, dass die Dichtungsfläche fest gelagert ist.

  • Lagerung: Feste Lagerung um die Schraubenköpfe und an der Dichtungsfläche
  • Belastung: Temperaturlast auf der gesamten Grundfläche

Als Anfangsbedingungen werden keinerlei Kräfte oder Drücke definiert. Vor der Kopplung mit der CFD-Berechnung wird die FEM-Berechnung zur Ergebnisvalidierung durchgeführt und ausgewertet.

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FSI-Modell von Strömungsraum und Zylinderkopf

CFD-Berechnung

Für die CFD-Berechnung muss der die Kühlrippen umhüllende Strömungsraum entsprechend beschrieben werden, daher wird das FEM-Modell vom Strömungsraum subtrahiert. Für die den Festkörper mit Raumtemperatur umströmende Luft wird für die CFD-Analyse folgendes angenommen:

  • Viskositätsmodell: k-ε-RNG
  • Fluid: Luft, als ideales, kompressibles Gas

Für die Umströmung des Bauteils wird jeweils ein Zustrom und ein Abstrom modelliert, sowie ein konstanter Massenstrom angenommen.

FSI-Analyse des Bauteils und der Umgebungsluft

Für die FSI-Simulation muss die Kopplung zwischen Strömung und Strukturmechanik an den Wandbereichen erfolgen, um so den Wärmeübergang bzw. die Wärmeabführ von den Zylinderkopfwänden an die Umgebung abzubilden. So wird vor Allem der numerische Austausch von Wärmeströmen und Wandtemperaturen zum jeweiligen Iterationsschritt definiert und durch einige Zusatzeinstellungen vermieden, dass die Simulation aufgrund von Ungenauigkeiten zwischen dem FE-Modell und dem CFD-Modell abbricht.

Ergebnis der FSI-Analyse

Mit der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI-Simulation) lassen sich sowohl Spannungen und Verformungen im Bauteil, als auch Wechselwirkungen mit der Umgebungsluft abbilden. Aufgrund der Komplexität der Interaktion von CFD-Berechnung und FEM-Berechnung, gerade an den Schnittstellen der Modelle, ergeben sich zahlreiche Fehlerquellen.

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Wandtemperatur, Strömungstemperatur und -richtung

So bedarf es erfahrene Spezialisten, um die richtigen Einstellungen vorzunehmen, damit eine FSI-Simulation stabil läuft, und plausible Resultate liefert. Trotz moderner Hardware kann eine komplexen FSI-Analyse schnell zu enormen Rechenzeiten führen, daher sind Vereinfachungen in den meisten Fällen unumgänglich.

Welche Vereinfachungen dabei sinnvoll sind, und wie Sie die gewünschten Ergebnisse erreichen, erklären wir Ihnen gerne in einem persönlichen Gespräch. Informieren Se sich hier über unser Dienstleistungsangebot !

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