Die FSI-Simulation (Fluid-Struktur-Interaktion) beschreibt die Wechselwirkungen zwischen Mechanik- und Strömung auf die zu betrachtenden Bauteile. Dabei werden CFD-Analyse und FE-Analyse miteinander gekoppelt. 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. Somit hängt die Brauchbarkeit der Ergebnisse 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). Dabei 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.