11 Feb Análisis FEA de la deformación de una compuerta flexible bajo presión de agua

Este problema investiga la respuesta del fluido bajo carga gravitacional que pasa a través de una compuerta flexible de la presa. En este ejemplo, el fluido sufre una deformación extrema durante la simulación; por lo tanto, se modela como un fluido Euleriano. La presa, significativamente más rígida, se modela con elementos de Lagrange. La técnica de análisis acoplado Euleriano-Lagrangiano (CEL) se utiliza para tener en cuenta la interacción entre el fluido y la presa. La respuesta de la presa se compara con los resultados experimentales.
 

Descripción del problema de deformación FEM bajo presion de agua con la técnica CEL

En la configuración inicial del modelo, el agua se encuentra en un depósito rectangular. El suelo y el lado derecho del depósito son fijos. En el lado izquierdo el agua es contenida por un muro de presa elástico; la mitad superior de la presa es fija, pero la mitad inferior es libre. Bajo una carga gravitacional el agua empuja contra la presa, desvía la parte inferior de la misma y sale libremente del embalse.

El modelo es creado en Abaqus/CAE usando dos partes. Una parte euleriana representa el dominio dentro del cual el agua fluirá. Una parte Lagrangiana representa la presa. El problema es esencialmente bidimensional con componentes horizontales (dirección X) y verticales (dirección Z); pero debido a que los elementos eulerianos deben ser tridimensionales, todas las partes se modelan con un espesor en la dirección Y equivalente a un elemento euleriano.

La geometria de parte euleriana se muestra en la siguiente imagen. Todas las dimensiones en milimetros

También se muestra la distribución del material dentro de la pieza: la región de la derecha está llena de agua, la región de la izquierda es la región de salida anticipada, y la región del medio contiene la presa de Lagrange.

Las condiciones de los límites de velocidad cero se aplican normalmente al suelo y al lado derecho de la parte euleriana para evitar que el agua salga de estos límites. No se aplican condiciones de límite a lo largo del lado izquierdo de la presa; el agua es libre de fluir fuera de la parte en esta interfase (lo que resulta en una correspondiente disminución de la masa total para el modelo). Las condiciones de límite de velocidad cero se aplican en las direcciones horizontal y vertical en la mitad superior de la presa, pero la mitad inferior es libre de desviarse. Otro conjunto de condiciones de límite de velocidad cero en la dirección Y se aplican a cada parte para evitar el movimiento fuera del plano bidimensional. Una definición de contacto general sin fricción refuerza el contacto entre el agua y la presa.

Para más información sobre la diferencia entre CEL, SPH y CFD, revisa nuestro post ¿Cual Es La Diferencia Entre SPH O CEL Y CFD En Abaqus?

La presa está modelada como un material elástico con un módulo de Young de 1,2 × 107 N/m2, un coeficiente de Poisson de 0,4 y una densidad de 1100 kg/m3. El agua se define usando la forma lineal de Hugonote de la ecuación de estado de Mie-Grüneisen con los parámetros listados en la siguiente tabla.

• Densidad = 1000 kg/m3
• Viscosidad = 0.001 N s/m2
• C0 = 1500 m/s
• s = 0
• Γo= 0

Se aplica una carga gravitacional a todo el modelo. Además, se definen las tensiones geostáticas iniciales para modelar la presión hidrostática en el agua. Debido a que las tensiones geoestáticas no pueden ser definidas directamente en Abaqus/CAE, se agregan al modelo utilizando el Keywords Editor.

La parte Euleriana está mallada con elementos del EC3D8R usando una semilla de malla global de 5 mm; esta semilla de malla global permite una distribución uniforme de los elementos en forma de cubo en toda la parte, lo que mejora enormemente la precisión del análisis Euleriano. La presa está engranada con elementos C3D8R en una malla de 75 × 4; hay tres elementos a través del espesor de la pieza. Múltiples elementos a través del ancho y el espesor de la presa son necesarios para asegurar que su comportamiento de flexión sea capturado adecuadamente.

Resulatdos del análisis FEM de la presa bajo presión de agua

La presión del agua bajo gravedad desvía la mitad inferior de la presa, permitiendo que el agua salga del embalse. La siguiente imagen usa un corte de vista isosuperficial basado en la variable de salida EVF_WATER para mostrar la posición del agua en seis puntos durante el análisis.

El desplazamiento en las direcciones horizontal y vertical de la esquina inferior derecha de la presa puede ser comparado con los resultados experimentales de Antoci et al. (2007), como se muestra en la siguiente grafica.

Los resultados de Abaqus concuerdan con los resultados experimentales. Las discrepancias se deben probablemente a las idealizaciones en el modelo de material de la presa, que la hacen ligeramente más flexible que la presa experimental. Antoci et al. también menciona algunas fallas menores en la configuración experimental que podrían resultar en una disminución de la presión del agua en la presa, lo que a su vez llevaría a una menor deflexión general.

Én el siguiente video se puede ver una animacion de la simulación FEM de la presa elástica bajo presión de agua.

Referencias:

• • Antoci, C., M. Gallati, and S. Sibilla, “Numerical Simulation of Fluid-Structure Interaction by SPH,” Computer and Structures, vol. 85, pp. 879–890, 2007.
  • Deflection of an elastic dam under water pressure from the Abaqus Benchmark Guide

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