ACU-T：5400 圧電流体エネルギーハーベスタ：流体構造連成（P-FSI）

1. Windows のスタートメニューからスタート > Altair <バージョン> > AcuConsoleをクリックして AcuConsoleを起動します。
2. Fileメニューをクリックし、Newをクリックし、New data baseダイアログを開きます。
   注: ツールバーの をクリックしてNew data baseダイアログを開くこともできます。
3. 作業ディレクトリとして使用する場所に移動します。
   このディレクトリには、そのシミュレーションに関するすべてのファイルが保存されます。AcuConsoleのデータベースファイル（.acs）はこのディレクトリに保存されます。メッシュと解が作成されたら、追加のファイルとディレクトリがこのディレクトリ内に作成されます。
4. この場所に新しいディレクトリを作成します。名前をPFSI_Tutorialに設定して、このディレクトリに移動します。
5. データベースのFile nameとしてpiezo_harvesterと入力するか、好きな名前を選択します。

   AcuConsoleによって書き込まれたファイルを他のアプリケーションで読み取り可能にするためには、データベースのパスと名前にスペースが含まれないようにしてください。

6. 保存をクリックしてデータベースを作成します。

1. Data Tree ManagerでBASをクリックして、Data Tree内の基本ビューに切り替えます。

   
   
   図 3.

2. GlobalData Tree項目を拡張表示します。
3. Problem DescriptionをダブルクリックしてProblem Description詳細パネルを開きます。
   ヒント: パネルフレームの右端をドラッグすることで、詳細パネルをデフォルトサイズから広げる必要がある場合があります。
4. TitleとしてAcuSolve PFSI Tutorialと入力します。
5. Sub titleとしてPiezoelectric harvesterと入力します。
6. Analysis typeをTransientに変更します。
7. Turbulence equationをSpalart Allmarasに変更します。
8. Mesh typeをFixedからArbitrary Mesh Movement (ALE)に変更します。
   ALEはArbitrary Lagrangian Eulerianの略です。ALEメッシュタイプを使用すれば、領域内のメッシュを領域の境界またはインターフェースの動きに合わせて自由に動かすことができます。これは、純粋なオイラー、純粋なラグランジュ、またはそれらの任意の組み合わせに切り替えることで要素を最も最適な形状にできる定式化によって実現されます。これにより、ソルバーは、より高いレベルの要素変形を処理することができます。

   
   
   図 4.

1. Auto Solution StrategyをダブルクリックしてAuto Solution Strategy詳細パネルを開きます。
2. Analysis typeがTransientに設定されていることを確認します。
3. Max time stepsに300と入力します。
4. Initial time incrementに0.01と入力します。
5. Min stagger iterationsとMax stagger iterationsをそれぞれ3と5に設定します。
6. Flow、Mesh、およびTurbulenceがOnに設定されていることを確認します。

   
   
   図 5.

1. Data TreeでMaterial Modelをダブルクリックして拡張表示します。

   
   
   図 6.

2. Data TreeでWaterをダブルクリックしてWater詳細パネルを開きます。
   水のMaterial typeはFluidです。AcuConsoleで作成されるすべての新しい材料に対して、Fluidがデフォルトの材料タイプとなります。
3. Densityタブをクリックします。Densityの値は1000 kg/m3です。
4. TypeがConstantに設定されていることを確認します。
5. Viscosityタブをクリックします。水の粘性は0.001kg/m-secです。
   残りの熱およびその他の材料プロパティは、このシミュレーションでは重要ではありません。ただし、タブにざっと目を通して、材料の仕様全体を確認できます。
6. データベースを保存して設定のバックアップを作成します。これは、次のいずれかの方法で実行できます。
   • Fileメニューをクリックして、Saveをクリックします。
   • ツールバーの をクリックします。
   • Ctrlキーを押しながらSを押します。
   注: AcuConsoleで加えられた変更は、直ちにデータベースファイル（.acs）に保存されます。保存操作を実行すると、データベースがバックアップファイルにコピーされます。今後の変更内容を利用することを希望しない場合は、このバックアップファイルを使用して、その保存済み状態からデータベースを再読み込みすることができます。

1. File > Importをクリックします。
2. fluid.x_tを含むディレクトリを参照します。
3. ファイル名のフィルタをParasolid File (*.x_t *.xmt *X_T …)に変更します。
4. fluid.x_tを選択し、OpenをクリックしてImport Geometryダイアログを開きます。

   
   
   図 7.

   このチュートリアルでは、Import Geometryダイアログのデフォルト値を使用して形状を読み込みます。AcuConsoleを使用していた場合は、自身が変更した可能性のある設定を手動で変更して、図に示すデフォルト値と一致させてください。デフォルト設定を使用した場合は、CADモデルのボリュームはデフォルトのボリュームグループに追加されます。CADモデルのサーフェスはデフォルトのサーフェスグループに追加されます。このチュートリアルでは後ほどグループを操作して、新しいグループの作成、流れパラメータの設定、形状コンポーネントの追加、およびメッシングパラメータの設定を行います。

5. OKをクリックして形状のインポートを完了します。

   
   
   図 8.

6. 表示を回転してモデル全体を確認します。

1. Data Tree ManagerでBASをクリックして、Data Tree内の基本ビューに切り替えます。
2. をクリックすることでModelツリー項目を拡張表示します。
3. サーフェスの表示をオフにします。Surfacesを右クリックして、コンテキストメニューでDisplay offをクリックします。
4. Volumesを拡張表示します。ボリューム名の横にある と をクリックして、デフォルトボリュームコンテナの表示のオン / オフを切り替えます。
   注: Surfacesが表示されている場合は、サーフェスとボリュームが重なっている可能性があるため、表示を切り替えても何も変わらないことがあります。
5. デフォルトのボリュームの名前をFluidに変更します。
   1. Volumesの下にあるdefaultを右クリックして、コンテキストメニューのRenameをクリックします。
   2. fluidと入力します。
      Data Tree内の項目の名前を変更した場合、Enterキーを押すまでは変更内容は保存されません。Enterキーを押さずに入力フォーカスをその項目から移動すると、変更内容は失われます。
6. fluidボリューム要素セットを設定します。
   1. Fluidツリー項目を拡張表示します。
   2. fluidの下で、Element SetをダブルクリックしてElement Set詳細パネルを開きます。
   3. ボリュームMediumがFluidに設定されていることを確認します。
      AcuConsoleでのボリュームのMediumのデフォルトはFluidです。
   4. Material modelの横にあるドロップダウンコントロールをクリックして、Waterを選択します。

      
      
      図 9.

1. Volumesを右クリックして、Display offを選択することにより、Volumesの表示をオフにします。
2. Data TreeでSurfacesを右クリックして、Surface Managerを選択します。
3. Surface Managerダイアログで、Newを６回クリックし、６つの新しいサーフェスグループを作成します。

   
   
   図 10.

   Simple BC Active列とSimple BC Type列が表示されていない場合は、Columnsをクリックして、リストからこの２つの列を選択し、Okをクリックします。

   
   
   図 11.

4. デフォルトサーフェスを除くすべてのサーフェスの表示をオフにします。
5. 図 12に従って、Surface 1～6の名前を変更します。
6. 図 12のように、Simple BC Active列とSimple BC Type列を設定します。

   
   
   図 12.

7. サーフェスをz_posおよびz_negサーフェスグループに割り当てます。
   1. Surface Managerのz_pos行でAdd toをクリックします。
   2. 図 13に示すように、z座標が最大の平面を選択し、Doneをクリックします。
   3. 手順に従って、z座標が最小のサーフェスをz_negサーフェスグループに割り当てます。

      
      
      図 13.

8. 一番上と一番下で領域を囲んでいるサーフェスをslipサーフェスグループに割り当てます。
9. x座標が最小のサーフェスをinletサーフェスグループに割り当てます。
10. x座標が最大のサーフェスをoutletサーフェスグループに割り当てます。
11. 円筒サーフェスをcylinderサーフェスグループに割り当てます。このサーフェスは、流体と円筒間の接触境界です。次の図を参考にして必要なサーフェスを選択します。

    
    
    図 14.

形状がAcuConsoleに読み込まれたときに、すべての形状サーフェスはデフォルトサーフェスグループコンテナに配置されました。このデフォルトサーフェスグループは、Surface Managerでbeamに名前が変更されました。前の手順では、いくつかのサーフェスを自分で作成した他のさまざまなサーフェスグループに割り当てました。この時点で、beamサーフェスグループに残っているのは、流体ボリュームとビーム間の接触境界を構成するサーフェスのみです。

12. Surface Managerを閉じます。

1. Data Tree ManagerでPB*をクリックして、Data Tree内の一般的な問題設定に関連する使用可能なすべての設定を表示します。
2. Multiplier Functionを右クリックし、Newを選択します。
   新しいエントリMultiplier Function 1がData TreeのMultiplier Function分岐の下に作成されます。
3. Multiplier Function 1を右クリックして、コンテキストメニューでRenameを選択し、エンティティ名としてForceRampと入力します。
4. ForceRampをダブルクリックしてForceRamp詳細パネルを開きます。
5. 詳細パネルで、TypeをPiecewise Linearに変更します。
6. Curve fit variableをTime stepに変更します。

   
   
   図 15.

7. Curve fit valuesオプションの横にあるOpen Arrayをクリックして、Array Editorダイアログで２つの行を作成します。
8. 次のように値を入力します。

   
   
   図 16.

9. OKをクリックし、ダイアログを閉じます。

1. Data Tree ManagerでFSIをクリックして、Data Tree内のFSIモデルの設定に関連するオプションを表示します。
2. Flexible Bodyを右クリックし、Newを選択します。
   新しいエントリFlexible Body 1がData TreeのFlexible Body分岐の下に作成されます。
3. Flexible Body 1を右クリックしてRenameを選択し、エンティティ名としてbeamと入力します。
4. beamをダブルクリックしてbeam詳細パネルを開きます。
5. EquationがMesh Displacementに設定されていることを確認します。
6. Number of modesを5に設定します。
   これにより、構造データ内で使用可能な最初の５つのモードに関するモーダル情報がインポートされ、適用されます。
7. Internal force multiplier functionを関数ForceRampに設定します。これは、チュートリアル内の以前の手順で作成したものです。
8. Surface outputsオプションの横にあるOpen Refsをクリックします。
   Reference Editorダイアログが開きます。
9. Add Rowをクリックして行を追加します。
10. プルダウンメニューから行内のエンティティとしてbeamを選択します。

    
    
    図 17.

11. OKをクリックし、ダイアログを閉じます。
    これにより、ビームサーフェスグループに関するサーフェス出力データを使用して、弾性体ビームに伝達する力を決定するようにソルバーに指示されます。

    
    
    図 18.

節点出力コマンドは、出力頻度や保存されている状態の数などの節点出力パラメータを指定します。

1. Outputツリーを拡張表示してから、Nodal Outputをダブルクリックして、Nodal Output詳細パネルを開きます。
2. Time step frequencyを2に設定します。
   これにより、２つの時間ステップごとに節点出力が保存されます。
3. Output initial conditionをOnに設定します。
   これにより、初期状態を最初の出力ファイルとして書き込むようにソルバーに指示されます。
4. Number of saved statesが0に設定されていることを確認します。
   このオプションを0に設定すると、すべての結果ファイルを保存するようにソルバーに指示されます。

   
   
   図 26.

1. Outputツリーをダブルクリックして、Time History Outputを右クリックし、Newを選択します。
   新しいエントリTime History Output 1がData TreeのTime History Output分岐の下に作成されます。
2. Time History Output 1を右クリックして、コンテキストメニューでRenameを選択し、エンティティ名としてTip_MonitorPointと入力します。
3. Tip_MonitorPointをダブルクリックしてTip_MonitorPoint詳細パネルを開きます。
4. 詳細パネルで、TypeをCoordinatesに変更します。
5. Coordinatesオプションの横にあるOpen Arrayをクリックして、Array Editorダイアログの行に次のように入力します。

   
   
   図 27.

6. 詳細パネルで、Time step frequencyを1に設定します。
   これにより、時間ステップごとに定義された時刻歴ポイントの結果が保存されます。

   
   
   図 28.

7. データベースを保存します。

1. Data TreeでNodal Initial Conditionをダブルクリックして、詳細パネルでダイアログを開きます。
2. X velocityを10m/secに設定します。
3. Eddy velocityを1e-05m²/secに設定します。

   
   
   図 29.

1. データツリーマネージャーでMSHをクリックして、Data Tree内の設定をフィルタ処理して、メッシングに関するコントロールのみを表示します。
2. GlobalData Tree項目をダブルクリックして拡張表示します。
3. Global Mesh AttributesをダブルクリックしてGlobal Mesh Attributes詳細パネルを開きます。
4. Mesh size typeをAbsoluteに変更します。
5. Absolute mesh sizeに2.0mと入力します。
6. Mesh growth rateを1.4に設定します。

   
   
   図 30.

サーフェスメッシュ属性は、モデル内の特定のサーフェスに適用されます。これは、１つまたは複数の特定のサーフェスのためのメッシュコントロールの作成に使用される、ローカルメッシングパラメータの一種です。

1. ModelData Tree項目を拡張表示します。
2. Model分岐の下で、Surfacesを拡張表示します。
3. Surfacesの下で、cylinderサーフェスグループを拡張表示します。
4. Surface Mesh Attributesチェックボックスをオンにし、詳細パネルを開きます。
   詳細パネルにより多くのオプションが表示されます。
5. Mesh size typeがAbsoluteに設定されていることを確認します。
6. Absolute mesh sizeに0.05mと入力します。
7. Region of influence parametersフラグをOnに切り替えます。
   サーフェスからの影響領域に関するメッシュコントロールが表示されます。
8. 次のように影響パラメータを設定します。
   1. Influence typeをSimpleに設定します。
   2. Influence size factorを3.0に設定します。
   3. Influence distanceを2.0に設定します。
   注: 上記設定により、サーフェスでのサイズが0.05m（Absolute mesh size）のボリュームメッシュが2.0m（Influence distance）の距離でサイズが（Absolute mesh size）x（Influence size factor）に遷移します。
9. Boundary layer flagをOnに切り替えます。
   境界層に関するメッシュコントロールが使用可能になります。
10. Boundary layer typeがFull Controlに設定されていることを確認します。
11. ResolveをTotal Layer Heightに設定します。
    これにより、指定した他の設定に基づいて合計層高さが設定されます。
12. 残りの設定を次のように設定します：
    1. First element heightを0.01に設定します。
    2. Growth rateを1.3に設定します。
    3. Number of layersを4に設定します。
    4. Boundary layer elements typeをTetrahedronに設定します。

       
       
       図 31.

13. cylinderの下のSurface Mesh Attributesを右クリックし、Propagateを選択します。
14. Propagateダイアログで、beamサーフェスグループをクリックします。

    
    
    図 32.

15. Propagateをクリックします。

1. ModelData Tree項目を拡張表示します。
2. Mesh Extrusionsを右クリックし、コンテキストメニューからNewを選択します。
   新しいエンティティMesh Extrusion 1が作成されます。
3. Mesh Extrusion 1の名前をz_extrusionに変更します。
4. z_extrusionを右クリックして、コンテキストメニューからDefineを選択します。
   z_extrusionをダブルクリックしても、同じ結果が得られます。
5. Mesh Extrusionダイアログで、次の設定を行います。
   1. Geometry typeがsurfaceに設定されていることを確認します。
   2. ドロップダウン矢印を使用して、Side 1とSide 2のサーフェスとしてそれぞれz_negとz_posを選択します。
   3. Extrusion typeがNumber of layersに設定されていることを確認します。
   4. Number of layersを1に設定します。
   5. Extrusion optionsをMixed Elementsに設定します。
   下の図を参考にしてメッシュ押し出しを設定します。

   
   
   図 33.

6. OKをクリックし、ダイアログを閉じます。

1. ツールバーの をクリックしてLaunch AcuMeshSimダイアログを開きます。
   このケースでは、デフォルトの設定を使用します。
2. Okをクリックしてメッシングを開始します。

   メッシング時に、AcuTailウィンドウが開きます。メッシングの進行状況はこのウィンドウで報告されます。メッシングプロセスのサマリーで、メッシュが生成されたことが示されます。

   
   
   図 34.

   注: 節点と要素の実際の数およびメモリ使用量は、マシンによって少し異なる場合があります。
3. モデリングウィンドウにメッシュを表示します。サーフェスの表示をオンにして、display typeをsolid and wireに設定します。
4. モデル内で回転やズームを行うことにより、さまざまなメッシュ領域を解析することができます。

1. ツールバーの をクリックします。
   Eigenmode Managerダイアログが開きます。
2. Addを追加します。
   新しいエントリModal Response 1が作成されます。
3. エントリのNameとしてModesと入力します。

   
   
   図 35.

4. Importの横のOpenをクリックします。
5. File Browserダイアログで、ファイルタイプがNastran OP2結果ファイルを認識するように設定されていることを確認します。
6. ファイルbeam_modal.op2を選択して、Openをクリックし、ファイルをインポートします。
   Number of available modesが5になっているはずです。
7. Number of active modesを5に設定します。
8. Eigenmode ManagerでShowタブをクリックしてから、DisplayおよびAnimateボタンをOnに切り替え、構造のモードを表示します。
   Animation mode Idスライダーでさまざまな構造のモードを使ってみます。このパネルを使用して、アニメーションの振幅、速度、および表示特性を変更することもできます。
9. Eigenmode Managerで、Transferタブをクリックします。
10. Flexible bodyオプションの横にあるTransferをクリックします。
    1. 開かれるReference Editorダイアログでビームが選択されていることを確認します。

       
       
       図 36.

    2. OKをクリックして、伝達を完了します。
       これにより、構造モデルから前に作成したビーム弾性体に質量、剛性、および減衰配列が伝達されます。
11. Simple BCオプションの横にあるTransferをクリックします。
    1. Reference Editorダイアログのリストから、beamを選択します。

       
       
       図 37.

    2. OKをクリックして、伝達を完了します。
       これにより、構造の固有ベクトルがサーフェスグループbeamの節点に投影されます。
12. Eigenmode Managerを閉じます。

1. ツールバーでをクリックしてLaunch AcuSolveダイアログを開きます。
   このケースでは、デフォルトの設定を使用します。AcuSolve は、４つのプロセッサを使用して実行されます。可能な場合は、さらに多くのプロセッサを指定できます。AcuConsoleは、AcuSolve入力ファイルを生成し、AcuSolveを起動します。AcuSolve は、この問題の非定常解を計算します。
2. Okをクリックして解析プロセスを開始します。

   計算中、AcuTailウィンドウが開きます。解析の進行状況はこのウィンドウで報告されます。解析プロセスのサマリーで、実行が完了したことが示されます。

   このサマリーで提供される情報は、AcuSolveで使用されるプロセッサの数に基づいています。このチュートリアル内で示されている数と異なる数のプロセッサを使用した場合は、示されているサマリーと実行時のサマリーが少し異なる場合があります。

   
   
   図 38.

3. AcuTailウィンドウを閉じ、データベースを保存して設定のバックアップを作成します。

1. ツールバーの アイコンをクリックして、AcuProbeを開きます。
2. 左側のData Treeで、Time History > Tip_MonitorPoint > node 1の順に選択します。
3. mesh_y_displacementを右クリックし、Plotを選択します。
   注: プロットを正しく表示するために、ツールバーで をクリックする必要がある場合があります。

   
   
   図 39.

   node 1がビームの先端に配置されます。上のプロットは、ビームが流れと接触したときの流体力によるビームの先端の変位を示しています。

4. プロットを画像として保存することもできます。
   1. AcuProbeダイアログで、File > Saveをクリックします。
   2. 画像の名前を入力して、Saveをクリックします。
5. 変数の時系列データをテキストファイルとしてエクスポートして、さらにポスト処理することもできます。
   1. エクスポートする変数を右クリックして、Exportをクリックします。
   2. File nameを入力して、Save as typeに.txtを選択します。
   3. Saveをクリックします。