Figure 2.1. Test Setup.The test setup consists of a clear plastic scale model tank attached to a rigid aluminum frame by three multi-axis load cells driven by a position-controlled servo hydraulic system.(Data acquisition cabling removed for clarity).

Coupled Simulation of Vehicle Dynamics and Tank Slosh. Phase 1 Report. Testing and Validation of Tank Slosh Analysis

Prepared byGlenn R. WendelSteven T. GreenRussell C. Burkey

Abstract:

차량 동력학의 컴퓨터 시뮬레이션은 차량 설계에서 귀중한 도구가 되었다. 그러나 그들은 차량의 탱크에서 유체 슬로싱의 복잡한 역학을 정확하게 시뮬레이션할 수 없다. 

유체 슬로쉬를 예측할 수 있는 컴퓨터 유체역학 CFD 분석 소프트웨어를 이용할 수 있지만, 군용 차량 애플리케이션용 유체 슬로쉬를 정확하게 예측하는데 이 소프트웨어의 사용은 입증되지 않았다. 이것은 차량 역학 분석과 결합된 CFD 분석의 사용을 개발 및 입증하여 유체 수송 시스템의 역학을 보다 정확하게 예측하는 다중 효소 프로그램의 첫 번째 단계다. 

이 단계의 목적은 일반적인 기동에 직면한 차량의 움직임에 따른 탱크에서 슬로시 역학을 예측하는 CFD 분석을 검증하는 것이다. 이를 위해, 5톤 FMTV 트럭을 시뮬레이션하는 시험 설비뿐만 아니라, 1/4 규모의 TOD 탱크 모델이 건설되었다. CFD 분석과 실험실 시험의 반응력과 유동 운동을 차선 변경과 요철을 포함한 6가지 모의 차량 기동에서 비교했다. 

CFD 분석은 상용 소프트웨어 패키지인 FLOW-3D-로 수행되었다. 테스트 탱크의 해당 측정값과 비교하기 위해 빈 탱크의 강체 동적 해석의 힘과 모멘트 예측에 순유체 힘과 모멘트 예측이 추가되었다. 

전반적으로, 그 결과는 CFD가 트럭에 탑재된 수상 수송 탱크의 유체 운동 및 유체 구조 상호작용 연구에 성공적으로 적용될 수 있음을 보여준다. 예측된 롤 모멘트와 측정된 롤 모멘트 사이에는 좋은 상관관계가 있다. 

여기에 제시된 CFD 시뮬레이션의 빠른 전환 시간을 감안할 때, 전술에 대한 전체 차량 반응의 높은 충실도 시뮬레이션을 위해 차량 강체 차체 동적 분석을 유체 역학 분석과 결합하는 것이 바람직하다는 전망이 나온다.

Computer simulation of vehicle dynamics has become a valuable tool in the design of vehicles. They are, however, unable to accurately simulate the complex dynamics of fluid sloshing in a tank on the vehicle. Computational Fluid Dynamics CFD analysis software is available that can predict fluid slosh, however, the use of this software in accurately predicting fluid slosh for a military vehicle application has not been demonstrated. This is the first phase of a multiphase program to develop and demonstrate the use of CFD analysis, coupled with vehicle dynamics analysis, to more accurately predict the dynamics of a fluid transport system. The objective of this phase is to validate the CFD analysis in predicting slosh dynamics on a tank subjected to motions of a vehicle encountering typical maneuvers. To accomplish this, a one-quarter-scale model of a TOLD tank was constructed, as well as a test fixture to simulate a five-ton FMTV truck. The reaction forces and the fluid motions of the CFD analysis and the laboratory test were compared for six simulated vehicle maneuvers including lane changes and bumps. The CFD analysis was conducted with the commercially available software package, FLOW-3D-. The net fluid force and moment predictions were added to the force and moment predictions of a rigid body dynamic analysis of the empty tank alone to compare to the corresponding measured values for the test tank. Overall, the results show that CFD can successfully be applied to the study of fluid motions and the fluid- structure interactions in truck-mounted water transport tanks. There is good correlation between the predicted and measured roll moment. Given the rapid turnaround time for the CFD simulations presented here, the outlook is encouraging for coupling a vehicle rigid body dynamics analysis to a fluid dynamics analysis for a high fidelity simulation of the complete vehicle response to maneuvers.

Keywords

Keywords: COMPUTATIONAL,FLUID,DYNAMICS,VEHICLES,*SLOSHING,TEST,AND,EVALUATION,COMPUTER,PROGRAMS,COMPUTERIZED,SIMULATION,COUPLING(INTERACTION),SIMULATION,ROLL,LABORATORY,TESTS,PREDICTIONS,VALIDATION,INTERACTIONS,MILITARY,VEHICLES,REACTION,TIME,MOTION,RESPONSE,TRANSPORT,MILITARY,APPLICATIONS,FLUIDS,TRUCKS,MANEUVERS,RIGIDITY,TEST,FIXTURES,WATER,TANKS

CFD 분석과 실험실 테스트의 작용력과 유체 운동은 다음과 같은 시뮬레이션 된 차량 기동에 대해 비교되었습니다.

  • AVTP Lane Change at 20 mph
  • AVTP Lane Change at 40 mph
  • 9” Half-Round Symmetric Bump at 10 mph
  • 12” Half-Round Symmetric Bump at 5 mph
  • 9” Trapezoidal Asymmetric Bump at 15 mph
  • 12” Trapezoidal Asymmetric Bump at 10 mph

CFD 분석은 상용 소프트웨어 패키지 FLOW-3D를 사용하여 수행되었습니다.

Rear Axle Roll Moment, 40-mph Lane Change.
Rear Axle Roll Moment, 40-mph Lane Change.
Figure 2.1.  Test Setup.The test setup consists of a clear plastic scale model tank attached to a rigid aluminum frame by three multi-axis load cells driven by a position-controlled servo hydraulic system.(Data acquisition cabling removed for clarity).
Figure 2.1. Test Setup.The test setup consists of a clear plastic scale model tank attached to a rigid aluminum frame by three multi-axis load cells driven by a position-controlled servo hydraulic system.(Data acquisition cabling removed for clarity).
Figure 2.2.  Test Setup Drawing.The load cell locations and the coordinate systems used in the testing and analysis are defined as shown.
Figure 2.2. Test Setup Drawing.The load cell locations and the coordinate systems used in the testing and analysis are defined as shown.
Figure 3.1.  Computational Mesh Definition
Figure 3.1. Computational Mesh Definition
Figure 3.2.  Rear Axle Roll Moment, 20-mph Lane Change
Figure 3.2. Rear Axle Roll Moment, 20-mph Lane Change
Figure 3.3.  Rear Axle Roll Moment, 40-mph Lane Change
Figure 3.3. Rear Axle Roll Moment, 40-mph Lane Change
Figure 3.4.  Rear Axle Roll Moment, 9” Trapezoidal Bump at 15 mph
Figure 3.4. Rear Axle Roll Moment, 9” Trapezoidal Bump at 15 mph
Figure 3.5.  Rear Axle Roll Moment, 12” Trapezoidal Bump at 10 mph
Figure 3.5. Rear Axle Roll Moment, 12” Trapezoidal Bump at 10 mph
Figure 3.8.  Fluid Configuration for 20-mph Lane Change.The viewpoint in these images is from the front of the vehicle looking in the negative y-direction.  Theinset in the video image is viewing the tank from the left side of the vehicle.
Figure 3.8. Fluid Configuration for 20-mph Lane Change.The viewpoint in these images is from the front of the vehicle looking in the negative y-direction. Theinset in the video image is viewing the tank from the left side of the vehicle.
Figure 3.9.  Fluid Configuration for 12” Trapezoidal Bump at 10 mph.The viewpoint in these images is from the front of the vehicle looking in the negative y-direction.  Theinset in the video image is viewing the tank from the left side of the vehicle.
Figure 3.9. Fluid Configuration for 12” Trapezoidal Bump at 10 mph.The viewpoint in these images is from the front of the vehicle looking in the negative y-direction. Theinset in the video image is viewing the tank from the left side of the vehicle.

REFERENCES

Abramson, H.N. [1966], The Dynamic Behavior of Liquids in Moving Containers,NASA SP-106.Flow Science, Inc. [2001], FLOW-3D, Version 8.0.1, Santa Fe, New Mexico.Working Model, Inc. [1997], Working Model 3D, Version 2.0, San Mateo, California.Coleman, H.W., Steele, W.G. [1989], Experimentation and Uncertainty Analysis forEngineers, John Wiley and Sons, New York, 1989

[FLOW-3D 이론] Rigid Body Dynamics for Non-Inertial Reference Frame / 비관성 기준계에 대한 강체동역학

Rigid Body Dynamics for Non-Inertial Reference Frame / 비관성기준계에 대한 강체동역학

가끔 우리는 강체 안에들어있는 유체의 움직임에 의해 영향을 받는 강체내 유체의 운동에 관심이 있다. 이런 경우에 강체와 연관 유체의 결합된 운동을 예측하기 위해 into FLOW-3D 내의 통합된 결합된 강체동력학 모델을 적용할 수도있다.

관성 공간에 상대적인 강체운동의 평가를 고려해 보자. 더구나 강체가 유체가 부분적으로 차있는 공간(탱크들)을 가지는 경우도 가정한다. 강체 질량 중심의 운동, 이의 회전(자세) 그리고 탱크내 유체의 운동을 모사하고자 한다. 모사는 시간에 따른 속성을 예측한다. 유체운동, 그리고 이에 기인하는 힘과 토크의 평가는 다양한 분야의 물리적 현상을 포함을 허용하며 통상적인 알고리즘에 따라 수행된다.

그림 10.10 관성 및 물체고정좌표

이를 모사하기 위해 위의 그림에서 보여준 바와같이 관성계와 물체계 둘 다를 정의한다. 물체에 고정된 데카르트좌표계를 (x, y, z) 로 그리고 관성 공간에 고정된 좌표계를 (x’, y’, z’)라고 명한다. 유체역학 계산은 항상 그러듯이 물체계를 이용한다. 강체 질량 중심의 위치에 대한 뉴튼 방정식은 관성계에서 해석되나 물체의 회전방정식은 물체계에서 생성된다.

또한 중력체 기준계를 정의하는데 이의 원점은 관성 좌표계의 원점과 일치하나 z’ 축에 대해 일정 비율로 회전할 수 있다. 혼돈을 줄이기 위해 이 기준계에 대해서는 구좌표계를 사용한다. 이 기준계는 운동방정식의 공식에는 사용하지 않는다. 계산 결과를 직접 지구(또는 태양)기준의 계로 연관시키는 사용자의 편리성을 위해 의도된다. 지구기준계는 단지 대충 관성적이라는 것을 명심해야한다. 이 근사에 대한 수정은 필요하면 해석 알고리즘 다른곳에서 실행된다.

이 물체로부터 나오는 중력의 효과는 강체운동 방정식 및 유체운동식에 포함되어 있다. 중력장으로부터의 토크는 무시되고 있다.

환경 및 조절력과 토크를 포함하도록 대비가 되어있다. 이는 쉽게 해석 알고리즘의 다른 부분과 소통 될 수 있는 서브프로그램을 포함 함으로써 이루어진다. 이런 서브 프로그램들은 힘과 토크의 특정 소스를 모델링하지 않으나 사용자가 공기역학이나 지구자장 영향 또는 조절 제트 및/또는 플라이휠 같은 현상을 포함할 수 있게끔 한다.

가끔 하나 이상의 탱크가 강체의 운동에 영향을 미칠 수 있다. FLOW-3D 는 각 탱크를 개별적 유동지(또는 요소)으로 취급함으로써 이를 고려할 수있다. 강체상의 이들 효과를 결정하기위해 유체 힘과 토크는 전체요소에 대해 합해진다.

더 많은 정보가 필요하다면 다음을 참조하라

  • Non-Inertial Reference Frame notation
  • Rigid Body Dynamics Algorithm for Non-Inertial Reference Frame Model
  • Non-Inertial Reference Frame Motion equations
  • Rigid Body Dynamics for Non-Inertial Reference Frame
  • Non-inertial reference frame application example: Centrifugal Casting
  • Gravity
  • Impulsive Motion of Non-inertial Reference Frame
  • Non-Inertial Reference Frame Motion
  • Smooth Tabular Motion