Was geschieht, wenn Wasser gegen einen flexiblen Damm drückt? Der Damm beginnt sich zu biegen, und sobald eine Öffnung entsteht, fließt Wasser hindurch. Diese Wasserbewegung beeinflusst auch die Verformung des Damms.

Um diese Art von Interaktion zu untersuchen, können Ingenieure die Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) Analyse in SIMULIA auf der 3DEXPERIENCE Plattform verwenden.

In diesem Blogbeitrag werden wir zunächst die Funktionsweise von CEL und die Unterschiede zu anderen Simulationsmethoden betrachten. Anschließend werden wir es zur Simulation eines elastischen Staudamms verwenden, der sich unter Wasserdruck biegt.

Sie lernen, wie Sie die Materialien definieren, die Fluid- und Strukturdomänen einrichten, den Kontakt zwischen Wasser und Damm definieren, die Simulation durchführen und die Ergebnisse überprüfen.

1. Was ist gekoppelte Euler-Lagrange-Analyse (CEL-Analyse)?

In manchen Simulationen können sich Bauteile so stark verformen, dass das Netz verzerrt wird. Dies kann zu ungenaueren Ergebnissen oder Problemen bei der Berechnung führen. CEL unterstützt Ingenieure bei der Bewältigung solcher Situationen durch die Kombination zweier unterschiedlicher Ansätze: des Euler- und des Lagrange-Verfahrens.

Schauen wir uns an, wie sie funktionieren.

• Lagrange-Analyse

Bei einer Lagrange-Analyse bewegt sich das Netz mit dem Material. Diese Methode wird häufig für Festkörper verwendet, da sie es Ingenieuren ermöglicht, deren Verformung zu verfolgen.

Wenn ein Bauteil jedoch einer sehr starken Verformung unterliegt, kann sich sein Netz stark verzerren.

• Euler-Analyse

Bei einer Euler-Analyse bleibt das Netz an Ort und Stelle, während sich das Material hindurchbewegt. Dadurch eignet es sich gut zur Simulation von Flüssigkeiten und Materialien, die sich stark bewegen oder verformen.

Beispielsweise kann es verwendet werden, um Wasser zu untersuchen, das durch eine Öffnung fließt, oder Material, das sich bei einem Hochgeschwindigkeitsaufprall bewegt.

• Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) Analyse

ALE kombiniert Aspekte beider Ansätze. Das Netz kann sich unabhängig vom Material bewegen, wodurch eine gute Netzqualität während der Simulation erhalten bleibt.

ALE kann eine gute Wahl sein, wenn die Verformung überschaubar ist. Bei manchen Problemen ist die Materialbewegung jedoch zu groß, als dass dieser Ansatz effektiv funktionieren könnte.

Wie schneiden die drei Methoden im Vergleich ab?

Eine Simulation des Aufpralls eines Stabes ist ein nützliches Beispiel.

• Lagrange-Funktion: Das Netz folgt dem Stab, kann sich aber im Bereich des Aufpralls verzerren.
• ALE: Das Netz kann sich an die Verformung anpassen und so seine Qualität erhalten.
• Euler-Verfahren: Das Stabmaterial bewegt sich durch ein festes Netz. Um die Verformung genau zu erfassen, kann im Bereich des Aufpralls ein feineres Netz erforderlich sein.

Jede Methode hat ihre Vorteile. Die richtige Wahl hängt davon ab, wie stark sich das Material verformt und wie es sich während der Simulation bewegt.

Abbildung 1. Vergleich von Lagrange-, ALE- und Euler-Netzformulierungen in der Stabaufprallanalyse

CEL-Beispiel: Waschmaschine

Eine Waschmaschine ist ein gutes Beispiel dafür, wie CEL zur Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion eingesetzt werden kann.

Während des Waschgangs zirkuliert das Wasser in der Trommel und interagiert mit den rotierenden Bauteilen. In einer CEL-Simulation wird das Wasser durch ein Euler-Netz dargestellt, das seine Bewegung innerhalb des festen Netzes ermöglicht. Die festen Bauteile, wie beispielsweise die Trommel, werden hingegen durch ein Lagrange-Netz abgebildet, das ihre Bewegung und Verformung nachbildet.

Der Kontakt zwischen Wasser und festen Bestandteilen ermöglicht es der Simulation, deren Wechselwirkung zu erfassen.

Dieses Beispiel zeigt, wie CEL Ingenieuren helfen kann, die Bewegung von Flüssigkeiten und deren Wechselwirkung mit sich bewegenden Strukturen zu untersuchen.

Abbildung 2. CEL-Simulationsbeispiel: Wasserfluss in einer Waschmaschine

Wie funktioniert CEL?

CEL kombiniert Euler- und Lagrange-Ansätze in derselben Simulation.

In unserem Beispiel mit dem elastischen Damm:

• Damm (Lagrange-Funktion): Das Netz folgt dem Damm bei seinen Biegungen und Verformungen.

• Wasser (Euler-Verfahren): Das Wasser bewegt sich durch ein festes Netz.

• Kontaktinteraktion: Ermöglicht die Interaktion zwischen Wasser und Damm während der Simulation.

CEL eignet sich für Anwendungen im Bereich der Fluidströmung, großer Deformationen und Wechselwirkungen zwischen Fluiden und festen Strukturen.

Nun wenden wir diesen Ansatz an, um die Verformung eines elastischen Staudamms in SIMULIA 3DEXPERIENCEzu simulieren.

2. Das Modell des elastischen Damms verstehen

Ziel dieser Simulation ist es, zu untersuchen, wie der Wasserdruck den Damm beeinflusst und wie sich die Verformung des Damms auf den Wasserfluss auswirkt.

Abbildung 3. Simulation des elastischen Damms

Das Modell besteht aus drei Teilen:

• Staudamm: Die flexible Struktur, die sich unter Wasserdruck biegt.
• Reservoir: Der Bereich, der das Wasser enthält.
• Anfangswasser: Das Wasservolumen, das zu Beginn der Simulation hinter dem Damm platziert wurde.

Der Damm ist an seinem oberen Ende fixiert und am anderen Ende frei. Zu Beginn wird das Wasser hinter dem Damm zurückgehalten.

Abbildung 4. Drei Teile der elastischen Dammkonstruktion

Zu Beginn der Simulation bewirkt der Wasserdruck eine Biegung des Damms. Es entsteht eine Öffnung, durch die Wasser fließen kann. Das fließende Wasser interagiert dann mit dem Damm, während dieser sich weiter verformt.

Die Simulation läuft insgesamt 0,2 Sekunden.

Netzkonfiguration für Damm und Stausee

Abbildung 5. Netzaufbau für die Simulation des elastischen Staudamms

Der Damm und der Stausee sind mit linearen Hexaederelementen unter Verwendung der Partition Hex Mesh-Technik vernetzt.

Für den Damm werden vier Elemente über die gesamte Dicke in Biegerichtung verwendet, um seine Verformung zu erfassen.

Die anfängliche Wassergeometrie wird nicht wie ein herkömmlicher Festkörper vernetzt. Stattdessen dient sie dazu, die anfängliche Position des Wassers innerhalb des Euler-Bereichs zu definieren.

Diese Anordnung ermöglicht es, dass sich der Damm verformt, während das Wasser durch das feste Euler-Netz fließt.

3. Definition der Materialeigenschaften

Bevor wir die Simulation einrichten, müssen wir die Materialien für den Damm und das Wasser definieren.

Dammmaterial

Der Damm besteht aus einem linear elastischen Material mit folgenden Eigenschaften:

Der Elastizitätsmodul (Young-Modul) beschreibt die Steifigkeit des Staudamms, während die Querkontraktionszahl (Poissonzahl) sein Verformungsverhalten in verschiedenen Richtungen angibt. Die Dichte definiert seine Masse pro Volumeneinheit.

Wassermaterial

Das Wasser wird mithilfe eines Us-Up-Zustandsgleichungsmodells (EOS) definiert. Dieses Modell beschreibt, wie sich der Druck des Wassers mit seiner Dichte ändert.

Abbildung 6. Definition des Wassermaterials

Erstelle ein Material namens Wasser (Damm) mit folgenden Eigenschaften:

Diese Eigenschaften tragen dazu bei, das Verhalten des Wassers während der Simulation zu definieren, einschließlich seiner Kompressibilität und seines Strömungswiderstands.

4. Definition der Euler-Eigenschaften

Sobald die Materialien bereit sind, können wir den Euler-Bereich definieren.

Wählen Sie zunächst den Reservoirbereich als Träger der Euler-Eigenschaft aus. Dadurch wird der Bereich definiert, durch den sich das Wasser bewegen kann.

Weisen Sie als Nächstes dem Teil, der das anfängliche Wasservolumen repräsentiert, das Material „Wasser (Damm)“ zu. Dadurch wird der Simulation mitgeteilt, wo sich das Wasser zu Beginn befindet

Das Euler-Gitter bleibt fixiert, während das Wasser hindurchströmt. Dies ist einer der Hauptvorteile der Verwendung von CEL für dieses Beispiel.

Abbildung 7. Definition der Euler-Vorzeichen

5. Einrichten der Physiksimulation

Erstellen Sie nun eine Struktursimulation mit dem Namen Elastic Dam Simulation with CEL unter Verwendung des bestehenden Finite-Elemente-Modells.

Analyseverfahren

Wählen Sie eine für explizite Dynamik und stellen Sie die Gesamtsimulationszeit auf 0,2 Sekunden ein.

Dieses Verfahren eignet sich für die in diesem Beispiel auftretenden großen Verformungen und Kontaktinteraktionen.

Abbildung 8. Expliziter dynamischer Schritt

Definition des Kontakts zwischen Wasser und Damm

Erzeugen Sie eine allgemeine, reibungslose Kontaktinteraktion zwischen dem Euler'schen Wasserbereich und dem Lagrange'schen Damm.

Dadurch kann das Wasser mit dem Damm interagieren, während dieser sich krümmt und die Öffnung entsteht.

Abbildung 9. Definition des allgemeinen Kontakts

Anwendung von Symmetriebedingungen

Das Modell stellt einen dünnen Ausschnitt des Staudamms dar, um den Umfang der Simulation zu reduzieren und gleichzeitig das Hauptverhalten des Problems beizubehalten.

Um unerwünschte Bewegungen des Damms und des Wassers außerhalb der Ebene zu verhindern, sollten Randbedingungen für die angewandte Translationsgeschwindigkeit angewendet werden

Abbildung 10. Angewandte Translationsgeschwindigkeit

Definition der Eulerschen Randbedingungen

Das Wasser muss innerhalb des vorgesehenen Simulationsbereichs bleiben, mit Ausnahme der Öffnung, durch die es abfließen kann.

Um zu verhindern, dass Wasser durch die untere und rechte Begrenzung des Reservoirs austritt, werden Euler'sche Randbedingungen angewendet.

Sie können die vordefinierten Gruppen Reservoir Bottom und Reservoir Right , um diese Bedingungen anzuwenden.

Abbildung 11. Definition der Euler-Randbedingungen

Reparatur des Staudamms

Der Damm ist an einem Ende fixiert und am anderen frei. Wenden Sie die entsprechende Fixierung auf die vordefinierte Dammfixierungsgruppe .

Dadurch kann sich das freie Ende des Damms unter dem Wasserdruck biegen.

Abbildung 12. Reparatur des Staudamms

Anwendung der Schwerkraft

Wende die Schwerkraft auf das gesamte Modell an und verwende dabei die Standardeinstellungen, um den Wasserfluss durch die Öffnung zu steuern.

Ignorieren Sie für diese Übung die anfänglichen Spannungen, die durch die Schwerkraft im Wasser entstehen.

Abbildung 13. Anwendung der Schwerkraft

6. Konfigurieren der Ausgabeanforderungen

Vor dem Start der Simulation müssen wir festlegen, welche Ergebnisse gespeichert werden sollen.

Flüssigkeitsergebnisse

Fordern Sie die folgenden Feldausgabevariablen an:

• Euler-Volumenanteil (EVF): Zeigt an, wie viel von jedem Euler-Element vom Wasser eingenommen wird.
• Volumengemittelte Dichte: Zeigt, wie die Wasserdichte im gesamten Bereich verteilt ist.

Stellen Sie die Ausgabefrequenz auf 20 gleichmäßig verteilte Zeitintervalle ein.

Diese Ergebnisse werden uns helfen, die Bewegung des Wassers zu verfolgen, wenn sich der Damm krümmt und die Öffnung entsteht.

Abbildung 14. Ausgabe_Euler-Volumenanteil EVF+DICHTE/AVG

Ergebnisse der Dammverformung

Für die vordefinierte Dammspitzengruppe soll alle 0,01 Sekunden eine Ausgabe des Verschiebungsverlaufs für die Komponenten U2 und U3 angefordert werden.

Diese Ergebnisse werden zeigen, wie sich das freie Ende des Damms während der Simulation bewegt.

Abbildung 15. Output_Displacement_U2_U3

Elementtypen

Falls eine Elementzuordnung erforderlich ist, verwenden Sie die folgenden Typen:

Abbildung 16. Globale Elementtypzuweisung

7. Durchführung der Simulation und Auswertung der Ergebnisse

Sobald Sie alles konfiguriert haben, führen Sie die Simulation aus und speichern Sie Ihre Ergebnisse.

Sie können nun untersuchen, wie das Wasser fließt und wie der Damm auf den Wasserdruck reagiert.

Visualisierung des Wasserflusses

Erstellen Sie ein Konturdiagramm des Euler-Volumenanteils (EVF) und zeigen Sie nur die Elemente an, die dem Material Wasser zugeordnet sind. Verwenden Sie Blau, um die wassergefüllten Bereiche darzustellen.

Überprüfen Sie die Ergebnisse zu verschiedenen Zeitpunkten, um zu sehen, wie sich das Wasser durch den Stausee bewegt und durch die Öffnung austritt.

Dadurch wird es einfacher zu verstehen, wie sich die Wasserverteilung bei Verformung des Staudamms verändert.

Abbildung 17. Ergebnis_Konturdiagramm erstellen EVF

Überprüfung der Dammverformung

Als nächstes sollen die Verschiebungsverläufe der Dammspitze für die Komponenten U2 und U3 über die Zeit aufgetragen werden.

Diese Kurven zeigen, wie sich der Damm während der Simulation bewegt und wie sich seine Verformung entwickelt.

Durch den Vergleich der Verschiebungskurven mit den Diagrammen des Wasservolumenanteils können wir den Zusammenhang zwischen dem Wasserfluss und der Bewegung des Staudamms besser verstehen.

Zusammengenommen helfen uns diese Ergebnisse, das Fluid- und Strukturverhalten während der gesamten Simulation zu bewerten.

Abbildung 18. Ergebnis_XY_Diagramme

Abschluss

Die CEL-Analyse bietet eine nützliche Methode zur Simulation von Problemen, bei denen Fluide und feste Strukturen interagieren und signifikante Bewegungen erfahren.

In diesem Blog haben wir die Unterschiede zwischen Lagrange-, Euler- und ALE-Methoden untersucht, bevor wir CEL auf einen elastischen Damm in SIMULIA 3DEXPERIENCEangewendet haben.

Anschließend definierten wir die Materialeigenschaften, konfigurierten den Euler-Bereich, stellten den Kontakt zwischen Wasser und Damm her und richteten die Analyse- und Ausgabeanforderungen ein.

Abschließend überprüften wir den Wasserfluss mithilfe von Euler-Volumenanteilsdiagrammen und untersuchten die Bewegung des Staudamms anhand von Verschiebungsgeschichten.

• Autor
• Neueste Beiträge

Hanen Bdioui

Vertriebsentwicklungsmitarbeiter bei ChampionXperience

Hanen Bdioui ist Chefredakteurin bei ChampionXperienceund verantwortet dort die Inhalte zu CAD, VR und neuen Ingenieurtechnologien. Sie arbeitet als Content Creator und SOLIDWORKS Application Engineer bei Dassault Systèmes und schreibt als technische Autorin für Engineering.com und EngineerRules über Themen aus den Bereichen CAD, PLM und Simulation. Darüber hinaus erstellt Hanen spezialisierte Inhalte für 3DEXCITE, die 3DEXPERIENCE Plattform und Onshapeund unterstützt Ingenieure und Unternehmen bei der Einführung moderner digitaler Arbeitsabläufe.

Neueste Beiträge von Hanen Bdioui (alle anzeigen)

• Simulation eines elastischen Staudamms in SIMULIA 3DEXPERIENCE mithilfe der CEL-Analyse – 27. Oktober 2026
• ZW3D WuKong 2027: Was ist neu und welche Verbesserungen sind am wichtigsten? – 16. Oktober 2026
• erstellt SOLIDWORKS – 15. Mai 2026