（一）問題及背景描述

    罐箱是由箱體框架和壓力容器罐體組成的設備，具有廣泛用途和高效空間利用率，運輸成本低廉。罐箱已被國際標準化，可用于公路、鐵路、水路等交通方式。全球市場對罐箱需求巨大，其中我國是最大生產國，因此罐箱仿真模擬存在巨大市場需求。

    對靖江某壓力容器生產制造企業的產品設計制造及運行場景進行分析，總結其需要通過仿真解決的問題是，罐箱在運輸過程中受到的沖擊作用導致內部液體晃動并對罐箱結構造成沖擊，易造成罐體結構損傷需要在設計之初即對相關場景進行仿真模擬，并優化設計。這是典型的流固耦合問題，內部液體沖擊（流體部分還是氣液兩相流問題）可能引起應力集中、大變形以及與罐箱缺陷等結合問題導致失穩破壞，對安全性產生影響。

    企業目前存在的問題主要有以下幾點：

    1.使用商業仿真前后處理軟件、仿真求解器軟件，需要支付高昂的License費用，企業前期投入會非常高。

    2.目前沒有專門用于罐體沖擊仿真的軟件，只能使用通用仿真軟件，這就要求工程師掌握較多理論知識和軟件使用經驗，而流固耦合仿真需要熟悉結構和流體仿真，進一步提高了企業人力成本。

    3.仿真過程需要硬件資源的支撐，流固耦合計算量也比常規仿真計算量大很多，企業自主采購搭建仿真集群成本高昂，且需要專人運維。

    針對以上問題，國家超級計算無錫中心先進制造部基于一系列開源代碼進行了二次開發和自主研發，以開展定制化應用開發。在本期文章中，就我們的定制應用開發平臺深度集成開源仿真程序CalculiX、OpenFoam以及preCICE后形成的流固耦合罐箱設計TankSimulator APP進行詳細介紹。

（二）解決方案

什么是流固耦合問題

    流固耦合現象在工程中有許多實際案例，如航空領域的氣動彈性問題，橋梁領域的顫振問題，都是流固耦合存在的場景。以模擬仿真的角度看，流-固耦合（以下簡稱FSI）是分別描述流體動力學和結構力學的定律之間的多物理場耦合。這種現象的特點是變形結構或運動結構與周圍或內部的流體流動之間的相互作用，這種相互作用既可以是穩定的，也可以是振蕩的[1]。

    流固耦合問題的求解面臨以下幾個主要難點：

    1.物理場的相互作用：流體和固體之間發生相互作用的過程往往十分復雜。

    2.交界面確定及網格生成：FSI問題的求解需要確定流體和固體之間的交界面。這通常涉及到交界面的幾何形狀、位置和邊界條件等問題。

    3.耦合算法：FSI求解器需要設計有效的耦合算法來解決流體和固體之間的相互作用。這包括將流體和固體的方程耦合起來，處理界面條件，以及確保數值求解的穩定性和收斂性。

    4.流體和固體求解在自身領域中已經具有一定的挑戰性，而在FSI問題中更加復雜。流體求解中常見的問題包括數值不穩定性、邊界條件的處理和網格質量等。而固體求解中需要考慮非線性材料行為、接觸與摩擦等因素。

    5.計算資源和計算效率：FSI問題通常涉及大規模計算和復雜的物理過程，對計算資源的需求較高。解決大規模FSI問題可能需要使用高性能計算平臺，并優化計算算法和策略，以提高計算效率和減少計算成本。

我們的解決方案

    在介紹解決方案之前，首先介紹一下TankSimulator APP的仿真場景。仿真對象是一個圓柱形罐箱，內部帶有防波板，用于緩解流體晃動程度，幾何模型示例如下圖所示：

    模擬的是壓力容器在載具剎車過程中和剎停后內部液體自由晃動兩個階段中，內部液體的晃動過程及其對容器壁面沖擊導致的容器壁面發生變形，這是一個雙向FSI模擬仿真。

求解器選擇及調試

    結構固體力學求解器采用CalculiX，它是一個對標著名非線性結構分析商軟ABAQUS的免費、開源的3D結構非線性分析程序[2]。本算例采用動力學求解模塊，封頭、容器壁、方波板采用殼單元，不考慮幾何非線性。

    流體力學求解器采用OpenFOAM，它是應用最廣的開源計算流體力學軟件，具有較好的二次開發特性。本算例采用的是interFoam求解器，基于VOF方法進行兩相流仿真。

    針對仿真場景，調試優化仿真參數設置，并通過實際算例進行驗證，最終將與產品無關的仿真參數固化在求解器配置文件中，并實現全流程仿真自動化腳本開發。

耦合軟件選擇及開發

    通過充分調研了兩款仿真求解器的代碼結構和運行特性，最終選擇preCICE作為耦合軟件，并基于官方適配器對求解器和適配器進行了二次開發，提高兩個求解器的耦合效率。（適配器是用于在流體和固體之間實現耦合關系的組件或接口。它允許流體和結構兩個求解器進行信息交換和數據傳遞，以模擬流體和固體之間的相互作用，包括了流體和固體的邊界條件、位移、速度、壓力等參數互相傳遞的標準接口。）

    流固耦合方案決定了各求解器的解是如何組合的。一般分為串行/并行顯式、串行/并行隱式四種耦合方案。壓力容器自由晃動過程，屬于幾何結構簡單、非穩態、較大時間步長的仿真問題，顯式方案可以提供較好的計算效率和數值穩定性。因此，我們選擇串行/并行顯式耦合方案。

    我們也對耦合器關鍵環節的參數及模式進行了定義：

    1.數據映射。在多域仿真時，各個域通常獨立的離散化，這樣交接面處網格會出現不一致現象。因此，耦合器需要在不同網格之間進行數據插值、外推或者重構，以便流體和固體模擬可以在不同網格間進行信息傳遞。我們采用最近鄰點插值方法將流體網格面上的信息傳遞到固體模擬中；采用最近點投影方法將固體模擬中的信息傳遞到流體網格面上。

    2.數據交換。流體仿真和結構仿真需要建立通信，為了實現流固耦合的高效求解，需要超算集群多個計算節點之間的高效數據交換和協同計算，同時提高并行計算的效率和吞吐量，為此我們專門開發了一種優化后的分布式數據通信策略。

定制化界面開發

    TankSimulator APP界面部分基于我們開發的定制應用開發框架快速搭建。對于框架本身，在前幾期文章中已經有過詳細介紹，這里就不展開介紹了。

    TankSimulator APP包括從幾何模型導入的自動化前處理、仿真參數設置以及自動化后處理及報告生成。其中，根據實際工程和業務需要，我們設計了仿真參數輸入界面，極大地簡化了相關工程師進行繁雜的參數配置工作，降低了仿真的門檻。除此之外，自動化報告生成也使得仿真報告流程化和規范化。

（三）TankSimulator液體灌箱仿真APP 操作演示

1、登陸網址SimForge高性能仿真云進行賬號注冊

2、登陸平臺后,找到對應圖形應用圖標(TankSimulator)，雙擊即可打開使用

SimForge平臺頁面

下面是APP的界面展示，具體操作手冊請登陸SimForge平臺試用并查看。

TankSimulator APP界面展示

前處理及邊界設置

一、固體/流體/仿真設置

Tanksimulator已為用戶大幅簡化了仿真流程，用戶直接輸入如下的參數即可

計算監控

在控制區選擇隊列和CPU核數。接下來需先點擊計算準備按鈕開始流體網格的生成并開啟流體計算，如果是第一次生成流體網格,需要較長時間。觀察到如下圖的提示，說明已經準備就緒。

當計算準備過程完成后就可以點擊開始計算開始流固雙向耦合計算,計算過程會顯示在中間及右邊的文本框內,供觀察計算進度。

Paraview后處理

計算完成后在計算監控面板中點擊生成后處理結果。之后進入Paraview后處理標簽頁，相關頁面已經準備好，用戶可進行流體和固體的后處理。

自動生成報告

計算完成后，在計算監控面板標簽頁點擊生成后處理結果，隨后點擊生成.docx報告，Tanksimulator將在后臺自動提取分析數據，并繪圖，自動生成完整的報告.docx文檔。如下圖所示，生成的報告可以從云桌面的文件系統中下載。

（四）結語

    除TankSimulator液體灌箱仿真APP外，依托「SimForge HSF高性能數值模擬引擎」等技術，「神工坊」為不同行業、擁有特定仿真需求的客戶快速定制復雜仿真應用，幫助客戶實現設計研發、性能測試等過程的優化，從而降低成本、縮短周期、提高產品質量。

    “仿真驅動創新，計算引領未來”，「神工坊」將始終踐行“創新驅動、追求卓越、價值導向、開放合作”的價值觀，繼續保持對技術研發與創新的高度熱情，與更多企業合作，探索更廣泛、更深入的高性能數值模擬應用場景。

參考資料

[1]COMSOL.多物理場仿真百科[EB/OL].https://cn.comsol.com/multiphysics