[논문 리뷰] An open-source finite volume toolbox for solid mechanics and fluid-solid interaction simulations

Philip Cardiff, Aleksandar Karač외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 31.

Advanced Numerical Methods in Computational Mathematics참고 문헌 43인용 수 67

한 줄 요약

OpenFOAM 위에 구축된 오픈 소스 고체역학 및 유체-고체 상호작용 도구상자인 solids4foam을 소개하며, 모듈화된 객체지향 설계와 확장성을 emphasize하고 FE 해법과의 비교를 제시합니다.

ABSTRACT

Over the past 30 years, the cell-centred finite volume method has developed to become a viable alternative to the finite element method in the field of computational solid mechanics. The current article presents an open-source toolbox for solid mechanics and fluid-solid interaction simulations based on the finite volume library OpenFOAM. The object-oriented toolbox design is outlined, where emphasis has been given to code use, comprehension, maintenance and extension. The toolbox capabilities are demonstrated on a number of representative test problems, where comparisons are given with finite element solutions.

연구 동기 및 목표

• 유한 체적 프레임워크 내에서 오픈 소스 통합 고체역학 및 FSI 도구의 필요성을 제시한다.
• OpenFOAM에서 모듈식이고 확장 가능한 개발을 가능하게 하는 solids4foam 도구상자의 설계를 설명한다.
• 대표적 테스트 문제를 통해 기능을 시연하고 결과를 유한요소 해법과 비교한다.
• 다중 물리 시뮬레이션을 위한 열린 협력과 유지보수 가능한 코드 설계를 촉진한다.

제안 방법

• 고체, 유체 및 FSI의 물리 모델을 OpenFOAM 내에서 캡슐화하기 위한 모듈식의 객체지향 클래스 구조를 제안한다.
• 유일한 프레임워크 내에서 유체에 대한 PISO와 고체에 대한 비선형 기하학 접근법과 같은 해법 방법을 구현한다.
• 런타임 교환 가능성을 위한 추상 물리 모델 기본 클래스와 파생된 Solid Model, Fluid Model, Fluid-Solid Interaction Model 클래스를 채택한다.
• 다수의 구성법칙을 통해 선형 기하학(작은 변형/회전)과 비선형 기하학(유한 변형)을 모두 지원한다.
• 셀 중심 유한체적 이산화와 고체 운동 방정식에 대해 TL(총라그랑주) 및 UL(업데이트된 라그랑주) 형식을 활용한다.
• 사용성 및 유지보수성을 보장하기 위한 코딩 표준, Git 리비전 관리, Doxygen 문서화를 포함한 소프트웨어 엔지니어링 관행을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장 가능한 구성법칙을 갖춘 고체역학 및 유체-고체 상호작용 문제를 다양한 범위로 지원하는 모듈식의 오픈소스 유한체적 도구상자가 OpenFOAM 내에서 가능할까?
• RQ2 대표적 테스트 문제에서 단일화된 solids4foam 설계가 유한요소 해법과 비교하여 어떤 성능을 보이나?
• RQ3 다중 개발자 환경에서 오픈소스 CSM/FSI 도구상자를 유지 관리하고 확장하기 위해 필요한 소프트웨어 엔지니어링 관행은 무엇인가?

주요 결과

• solids4foam을 OpenFOAM 내에서 일반화된 고체역학 및 FSI를 가능하게 하는 오픈 소스 도구상자로 소개한다.
• 여러 고체 및 유체 모델과 기하학 및 해법 방법 간 런타임 스위칭을 지원하는 모듈식 클래스 구조를 입증한다.
• 선형 및 비선형 기하학 구성법칙을 구현하고 이를 공통 프레임워크 내에서 결합할 수 있는 능력을 강조한다.
• 도구상자가 사용성, 이해도, 유지보수성 및 확장성을 염두에 두고 설계되었으며 엄격한 코딩 표준 및 리비전 관리가 적용되어 있음을 보여준다.