P023-用MSC.Nastran进行流固耦合系统的动力学分析
用MSC.Nastran进行流固耦合系统的动力学分析
王安平刘兵山
中国科学院光电研究院北京 100190
摘要：本文用Nastran2005对一个流固耦合系统进行了模态分析，结合一个密闭的薄壁结构模型，给出了分析的一般过程和需要注意的
问题，也给出了该薄壁结构的模态频率、空腔系统的声学模态频率，
以及耦合系统中，结构和空腔的声学模态频率和振型的变化。
关键词：Nastran，流固耦合，声学
Modal Analysis Using MSC.Nastran for Coupled
Fluid-Structure System
WANG Anping, LIU Bingshan
Academy of Opto-Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 China
Abstract：The paper introduced the modal analysis method for the coupled fluid-structure (CFS) system using MSC.Nastran2005. Combined
the model of a sealed laminated structure, analytical approach and
watchful items are presented. And making use of the MSC software, the
structure modal analysis and the cavity acoustic modal analysis of the CFS
system are simulated.
Keywords: Nastran, Coupled fluid-structure, Acoustics
0 前言
流固耦合法广泛应用于声学和噪声控制领域，如发动机的噪声控制。对空腔结构(比如汽车车室、宇宙飞船船舱)进行流固耦合分析，可以知道耦合作用对系统模态的影响，可为研究耦合系统的声学特性提供可靠的理论和试验依据。
之前的文献中[1]，为得到流固耦合系统的计算模型，往往要对 .bdf文件进行复杂的手工修改，容易出错，且不方便。本文对一个空腔结构，用Patran2005建模，完成了流固耦合模态分析，过程简便，且不易出错。
1 建模
一个圆台形的密封薄壁空腔结构，上底面半径为0.3m，下底面半径为0.2m，壁厚为0.001m，上下底距离为0.7m，材料为铝合金。
用4结点体元划分空腔，空腔声学系统的模型如图1所示，单元尺寸约0.1m，含1637个体元；用3结点壳元划分薄壁结构，模型如图2所示，单元尺寸约0.05m，含1631个壳元。
Nastran在计算时，要求流体的单元尺寸要大于结构单元的尺寸，以保证流
体模型界面上的结点都能够与结构单元的结点耦合。在建立流固耦合模型时，先建立空腔模型，然后细化薄壁结构模型。
图1 空腔网格图2 结构网格
2 材料属性及单元属性
定义结构的壳元材料和单元属性时，步骤和方式与一般Nastran使用过程一样。
在Patran2005中，有定义流体材料的选项。在Material的Object下拉菜单中，选择Fluid，定义空气的体积模量为141600 Pa，质量密度为1.29 kg/m3，无需定义声速。
3 结构及空腔的模态分析
分别对结构及空腔进行模态分析，求解器为SOL103，表1和表2给出结构及空腔的部分模态频率分析结果。结构的前6阶模态频率为0，对应结构的刚体模态。空腔的第1阶模态频率为0，空腔内各点声压变化的幅值相同，相当于结构模态中的刚体模态。图3给出结构的部分模态振型，图4给出空腔的部分声学模态振型。
表1 薄壁结构的模态频率(Hz)
阶数频率阶数频率
7 28.89 12 96.85
8 58.37 13 114.10
9 58.59 14 131.93
10 62.88 15 134.12
11 96.67 16 144.31
表2 空腔的声学模态频率(Hz)
阶数频率阶数频率
1 0 6
481.30
2 235.55 7 483.85
3 367.61 8 577.97
4 368.04 9 580.95
5 463.14 10 607.23
a）28.89Hz b）58.37Hz
图3 结构的模态振型
a）235.55Hz b）367.61Hz
图4 空腔的声学模态振型
4 流固耦合系统的模态分析
在做结构与空腔的流固耦合分析时，必须保证结构单元的结点编号与空腔单元的结点编号分开，即两类单元没有共用的结点编号。
由于结构和空气在界面的相互作用，导致质量和刚度阵中引入了对角线外的耦合项，对耦合系统进行模态分析时将出现复特征值。采用Nastran的复特征值(COMPLEX EIGENV ALUE)的直接法求解器SOL107求解。
输出 .bdf文件，用记事本编辑该文件。在“BEGIN BULK”字段下面，手工添加“ACMODL IDENT”字段即可。该文字作用是使两个模型中，坐标重合的结点(即空腔结点与结构的结点)耦合在一起，保证它们在分析时一起运动，从而完成声固耦合系统模型的建立。
提交编辑后的 .bdf文件到Nastran运算。
表3给出流固耦合系统的模态频率，前7阶模态频率为0。图5给出耦合系统的结构模态振型图，图6给出耦合系统的空腔模态振型。
表3 流固耦合系统的模态频率(Hz)
阶数频率阶数频率
8 44.45 13 92.56
9 55.72 14 109.93
10 56.03 15 121.93
11 66.53 16 124.63
12 92.06 17 135.95
a）44.45Hz b）55.72Hz
图5 耦合系统的结构模态振型
a）44.45Hz b）55.72Hz
c）231.39Hz d）378.06Hz
图6 耦合系统的空腔模态振型
在考虑流固耦合后，结构非零模态频率由28.89Hz成为44.45Hz，这一改变十分明显，可见对于本文中的这一密闭系统，空气对结构的响应影响较大。表1和表3的数据对比后可知，表中耦合系统的模态频率接近于结构的模态频率，可见在低频段，以结构的变形为主。
对于这一耦合系统，声学空腔通过边界条件与结构的振动相耦合，共同决定了空腔内部的声压和整个系统的模态特征，使系统的响应发生变化。图6中，c、d所示的耦合系统空腔的模态，对应图4的空腔模态，可见模态频率有稍微变化。
5 噪声的频率响应分析
用一定频率范围内的白噪声激振力来激振系统，得到系统对激励的响应特性。
固定结构的下底面，激励力加载于结构上底面中间位置。噪声频率范围为20~500Hz，幅值是9.8牛顿，用SOL108求解器进行频率响应分析。
图7给出空腔的声压分布，频率对应耦合系统声腔模态的频率(图6c、d)。
比较图6和图7后可知，声压的分布与模态振型基本相同，从而说明空腔噪声响应的分布与其模态振型密切相关。
a）240Hz b）384Hz
图7 频率响应声压的分布
6 结论
通过对一个简单薄壁结构进行流固耦合建模分析，本文给出了用Nastran2005进行流固耦合声学分析的一般过程。
分析结果表明：耦合系统并不是两个系统简单的叠加，二者之间的相互作用会一定程度上改变原系统模态的频率和振型。图6中，a、b所示结果表明，结构在其模态频率处的振动，会引起空腔产生相应模式的振动。
通过对流固耦合系统进行瞬态或频率响应分析，可知道系统在多种载荷激励（冲击、力等）下的声压响应分布，为噪声分析提供了一种可行途径。
参考文献
[1] 马天飞, 林逸, 轿车车室声固耦合系统的模态分析, 机械工程学报, 41(7):
225-230, 2005
[2] MSC.Nastran 2005_Quick Reference Guide (电子文档)
有问题可以发邮件给我一起讨论xw4996@https://www.wendangku.net/doc/e517898208.html, FSI流固耦合命令求解流固耦合问题 使用ANSYS计算结构在水中的模态时, FLUID29,FLUID30单元分别用来模拟二维和三维流体部分,相应的结构模型则利用PLANE42单元和SOL ID45等单元来构造，其中，PLANE42和SOL ID45分别是用来构造二维和三维结构模型的单元。FLUID30是流体声单元,主要用于模拟流体介质及流固耦合问题。该单元有8 个节点,每个节点上有4 个自由度,分别是XYZ上3个方向位移自由度和1个压力自由度,为各向同性材料。输入材料属性时,需要输入流体的材料密度(作为DENS 输入)及流体声速(作为SONC输入),流体粘性产生的损耗效应忽略不计。FLUID29是FLUID30单元在二维上的简化，少了一个Z向的位移。SOLID45单元用于构造三维实体结构。单元通过8 个节点来定义,每个节点有 3 个沿着XYZ方向平移的自由度。PLANE42是SOLID45单元在二维上的简化。 在利用ANSYS建模分析时,流场域单元属性分为2种,由KEYOPT(2)(指定流体和结构分界面处结构是否存在) 控制,在流固耦合交界面上的单元KEYOPT(2) = 0 ,表示分界面处有结构,其他流体单元KEYOPT(2)=1,表示分界面处无结构。流体-结构分界面通过面载荷标志出来,指定FSI label可以把分界面处的结构运动和流体压力耦合起来,分界面标志在分界面处的流体单元标出。 数值分析的步骤 1) 建立流体单元的实体模型。建立流体模型,需要确定流体域的范围,可以把无限边界流体简化成流体区域的半径为固体结构半径的10倍。 2) 标记流固耦合界面。选取流体单元中流固交界面上的节点,执行FSI 命令,流固耦合交界面的处理:流体与固体是两个独立的实体,在划分单元时在两者交界面上的单元网格要划分一致,这样在交界面上的同一位置一般就有两个重合的节点,一个节点属于流体单元,一个节点属于固体单元,这两个重合节点在交界面的位移强制保持一致。 3) 建立固体结构实体模型。建立固体结构模型，定义单元属性，采用映射方式进行网格的划分。 4) 施加约束条件。由于流体区域的尺寸远大于固体结构尺寸，故可以不考虑流体液面的重力的影响，将流体边界处的单元节点上施加压力(PRES) 为零的约束。因为选择的算例为悬臂结构，在固体结构底部加全约束。 5) 选择求解算法，进行求解。定义分析类型为模态分析，设定提取频率阶数和提取模态的方法。因为耦合问题的刚度矩阵，质量矩阵都不对称，需要采用非对称矩阵法(UNSYMMETRIC)求解。 6) 查看结果。进入后处理模块，查看结构模型的频率及振型。 以半浸没与水中的桥墩模态问题为背景，并假设： 1. 桥墩为实心等截面的实体，实际桥墩模型应该是空心壳体，截面尺寸也 非常复杂，因而需要分块划分单元。
1 流体－固体耦合与单相渗流 1.1介绍 FLAC3D模拟了流体流过可渗透的介质，例如土体。渗流模型可以独立于通常FLAC3D的固体力学计算，而只考虑渗透；或者为了描述流体和固体的耦合特性，与固体模型并行计算。例如，固结是一类流固耦合的现象，在固结过程中孔隙压力逐渐消散，从而导致了土体的位移。这种行为包含了两种力学效应。其一，孔隙水压力的改变导致了有效应力的改变，有效应力的改变影响了固体的力学性能，例如有效应力的降低可能引发塑性屈服；其二，土体中的流体对孔隙体积的变化产生反作用，表现为孔隙水压力的变化。 本程序可以不仅可以解决完全饱和土体中的渗流，也可以分析有浸润线定义的饱和与非饱和区的渗流计算。该条件下，浸软面以上的土体的孔隙水压力为零，气体是被动的（气体的压力考虑成负的）。这种方法用于颗粒比较粗的毛细现象可以忽略土体。 渗流分析中有如下的特征： 1.对应于渗流各向同性和各向异性渗透性采用两种不同的流体传输定律。渗流区域中的不可渗透 的区域用流体的null材料定义。 2.不同的zone可以赋予不同的渗流模型(isotropic, anisotropic or null)和属性。 3.流体压力，涌入量，渗漏量和不可渗透边界都可以定义。 4.土体中可以加入抽水井，考虑成点源或者体积源。 5.计算完全饱和土体中的渗流问题，可以采用显式差分法或者隐式差分法；而非饱和渗流问题只 能采用显式差分法。 6.渗流模型可以和固体力学模型和传热模型一起使用。在耦合问题中，可以考虑饱和材料的压缩 和热膨胀。 7.流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒（骨架）的压缩程度，用Biot系数表示颗粒的可压缩 程度。（即用biot系数确定颗粒变形，来模拟力学与流体的耦合） 8.用线性热膨胀系数和非排干导热系数来考虑热耦合计算。 9.对于热-流体-流动计算是基于线性理论，假设材料属性为常数，不考虑对流。流体和固体温度 局部平衡。如果要模拟非线性行为，需要制定孔隙压力和用fish函数确定材料属性。 由于循环荷载引起的动水压力和液化问题也可以用FLAC3D模拟。FLAC3D不考虑毛细现象，土体颗粒间的电、化学作用力。然而，可以根据土体的局部饱和度，孔隙率，或者其他的变量，通过编写一段FISH语言来考虑这种力。类似的，由于液体中溶解了空气而引起的液体刚度变化，也不能显式的模拟，而通过FISH将液体刚度表示为压力，时间和其他变量的函数。 这以章节可以分为七个主要部分： 1.数学模型描述（章节1.2）和相应的数值方法（章节1.3）（单相渗流和流固耦合计算）。 2.计算模式和渗流分析相关的命令。（章节1.4） 3.渗流分析所需要的材料属性的单位。（章节1.5） 4.不同边界条件，初始条件，和流体的源和汇的的描述。（章节1.6） 5.求解单相渗流问题和流固耦合问题的推荐方法。（章节 1.7）建议先练习这里的例子再做自己 的流体分析。 6.（章节1.8）提供了几个验证算例，演示了用falc3d的流体计算方法的准确性。 7.（章节1.9）总结了与流体计算的相关命令。 用户在尝试解决流固耦合问题之间，强烈建议先熟悉一下FLAC3D求解固体力学问题的步骤。流固耦合的力学行为通常非常复杂，需要用户对计算结果是否真确需要远见和判断。在开始计算一个大的项目支前，有必要在一个网格比较少的例子上作试验，尝试不同的边界条件和建模策略。“浪费”在试验上的时间，必定可以通过计算时间来弥补回来。
ANSYS流固耦合计算实例 Oscillating Plate with Two-Way Fluid-Structure Interaction Introduction This tutorial includes: , Features , Overview of the Problem to Solve , Setting up the Solid Physics in Simulation (ANSYS Workbench) , Setting up the Fluid Physics and ANSYS Multi-field Settings in ANSYS CFX-Pre , Obtaining a Solution using ANSYS CFX-Solver Manager , Viewing Results in ANSYS CFX-Post If this is the first tutorial you are working with, it is important to review the following topics before beginning: , Setting the Working Directory , Changing the Display Colors Unless you plan on running a session file, you should copy the sample files used in this tutorial from the installation folder for your software (
CAE联盟论坛精品讲座系列 基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例 主讲人：mafuyin CAE联盟论坛总监 摘要：通过MpCCI流固耦合接口程序，对某薄壁管道流动中的传热过程进行了Abaqus和Fluent相结合的流固耦合仿真分析。信息介绍了从建模、设置到求解计算和后处理的全过程，对相关研究人员具有参考意义。 1 分析模型 用三维建模软件solidworks建立了一个管径为1m的弯管，结构尺寸如图1a所示，管的结构如图1b所示，流体的模型如图1c所示。值得注意的是，由于拓扑特征的原因，这样的管壁模型无法通过对圆环扫略直接生成，而需先通过对大圆的扫略生成实心的模型(类似于流体模型)，然后进行抽壳得到管壁的模型。用同样的方法对大圆半径减去管壁厚度的圆进行扫略得到流体模型。 a. 尺寸关系 b. 管壁结构 c. 流体模型 图1. 几何模型示意图 图2. 流固耦合传热分析模型示意图 内壁面(耦合面) 速度入口 v=6m/s; T in=600K 外壁面 压力出口 P=0Pa；T out=300K
由于管壁结构和流体的热学行为不同，传热系数等都不一样，所以属于典型的流固耦合传热问题，热学模型如图2所示。即管的一端为流体速度入口，一端为压力出口，给定流体外壁面一个初始温度600K，流体入口速度为6m/s，温度为600K，出口相对大气压力为0Pa，出口温度为300K。需要求解流体和管壁的温度场分布情况。 2 流体模型 将图1c的流体模型以Step格式导入Fluent软件通常使用的前处理器Gambit中，如图3a所示。设置求解器为，然后划分体网格，网格尺寸为100mm，类型为六面体单元，一共生成4895个体单元，网格如图3b所示。 a. 导入Gambit软件中的流体模型 b. 流场的网格模型 图3. 流体模型及网格示意图 进行网格划分后，需定义边界条件，在Gambit软件中先分别定义速度入口(VELOCITY_INLET)、压力出口(PRESSURE_OUTLET)和壁面(Wall)三组边界条件，具体参数设置在Fluent软件中进行。然后定义流体属性，名称定义为air，类型为Fluid。这些定义的目的是能够在Fluent软件中识别出这些特征，具体类型和参数都可以在Fluent软件中进行设置和修改。定义完后点击【Export】，选择【Mesh】，选择路径和文件名称并进行输出。 打开Fluent6.3.26或以上的版本，选择3D求解器，点击【File】→【Read】→【Case】，然后选择Gambit中输出的msh文件，即可将网格文件读入Fluent 软件中。读入模型后，进行求解参数和条件的设置。
Oscillating Plate with Two-Way Fluid-Structure Interaction Introduction This tutorial includes: ?Features ?Overview of the Problem to Solve ?Setting up the Solid Physics in Simulation (ANSYS Workbench) ?Setting up the Fluid Physics and ANSYS Multi-field Settings in ANSYS CFX-Pre ?Obtaining a Solution using ANSYS CFX-Solver Manager ?Viewing Results in ANSYS CFX-Post If this is the first tutorial you are working with, it is important to review the following topics before beginning: ?Setting the Working Directory ?Changing the Display Colors Unless you plan on running a session file, you should copy the sample files used in this tutorial from the installation folder for your software (
双向流固耦合实例（Fluent与structure） 说明：本例只应用于FLUENT14.0以上版本。 ANSYS 14.0是2011年底新推出的版本，在该版本中，加入了一个新的模块System Coupling，目前只能用于fluent与ansys mechanical的双向流固耦合计算。官方文档中有介绍说以后会逐渐添加对其它求解器的支持，不过这不重要，重要的是现在FLUENT终于可以不用借助第三方软件进行双向流固耦合计算了，个人认为这是新版本一个不小的改进。 模块及数据传递方式如下图所示。 一、几何准备 流固耦合计算的模型准备与单独的流体计算不同，它需要同时创建流体模型与固体模型。在geometry模块中同时创建流体模型与固体模型。到后面流体模型或固体模块中再进行模型禁用处理。 模型中的尺寸：v1:32mm，h2:120mm，h5:60mm，h3:3mm，v4:15mm。 由于流体计算中需要进行动网格设置，因此推荐使用四面体网格。当然如果挡板刚度很大网格变形很小时，可以使用六面体网格，划分六面体网格可以先将几何进行slice切割。这里对流体区域网格划分六面体网格，固体域同样划分六面体网格。 二、流体部分设置 1、网格划分 双击B3单元格，进入meshing模块进行网格划分。禁用固体部分几何。设定各相关部分的尺寸，由于固体区域几何较为整齐，因此在切割后只需设定一个全局尺寸即可划分全六面体网格。这里设定全局尺寸为1mm。划分网格后如下图所示。
2、进行边界命名，以方便在fluent中进行边界条件设置 设置左侧面为速度进口velocity inlet，右侧面为自由出流outflow，上侧面为壁面边界wall_top，正对的两侧面为壁面边界wall_side1与wall_side2（这两个边界在动网格设定中为变形域），设定与固体交界面为壁面边界（该边界在动网格中设定为system coupling类型）。 操作方式：选择对应的表面，点击右键，选择菜单create named selection，然后输入相应的边界名称。注意：FLUENT会自动检测输入的名称以使用对应的边界类型，当然用户也可以在fluent进行类型更改。完成后的树形菜单如下图所示。 本部分操作完毕后，关闭meshing模块。返回工程面板。 3、进入fluent设置 FLUENT主要进行动网格设置。其它设置与单独进行FLUENT仿真完全一致。 设置使用瞬态计算，使用K-Epsilon湍流模型。 这里的动网格主要使用弹簧光顺处理（由于使用的是六面体网格且运动不规律），需要使用TUI命令打开光顺对六面体网格的支持。使用命令 /define/dynamic-mesh/controls/smoothing-parameters。 动态层技术与网格重构方法在六面体网格中失效。因此，建议使用四面体网格。我们这里由于变形小，所以只使用光顺方法即可满足要求。 点击Dynamic mesh进入动网格设置面板。如下图所示，激活动网格模型。
Ansys14 workbench血管流固耦合实例 根据收集的一些资料，进行学习后，试着做了这个ansys14workbench的血管流固耦合模拟，感觉能够耦合上，仅是熟悉流固耦合分析过程，不一定正确，仅供参考，希望大家多讨论。谢谢！ 1、先在proe5中建立血管与血液流体区的模型（两者装配起来），或者直接在workbench中建模。 图1 模型图 2、新建工程。在workbench中toolbox中选custom system，双击FSI: FluidFlow(fluent)->static structure. 图2 计算工程 3、修改engineering data，因为系统缺省材料是钢，需要构建血管材料，如图3所示。先复制steel，而后修改密度1150kg/m3，杨氏模量4.5e8Pa，泊松比0.3，重新命名，最后在主菜单中点击“update project”保存.
图3 修改工程材料 4、模型导入，进入gemetry模块，import外部模型文件。 图4 模型导入图 5、进入FLUENT网格划分。 在workbench工程视图中的Mesh上点击右键，选择Edit…，如图5所示，进入网格划分meshing界面，如图6所示。我们这里需要去掉血管部分，只保留血液几何。
图5 进入网格划分
图6 禁用血管模型 6、设置网格方法。 默认是采用ICEM CFD进行网格划分，设置方式如图7所示，截面圆弧边分为12份，纵截面的边均分为10份，网格结果如图8所示。另外在这个界面中要设置边界的几何面，如inlet、outlet、symmetry 图7 设置网格划分方式 图8 最终出网格
一般说来，ANSYS的流固耦合主要有4种方式： 1，sequential 这需要用户进行APDL编程进行流固耦合 sequentia指的是顺序耦合 以采用MpCCI为例,你可以利用ANSYS和一个第三方CFD产品执行流固耦合分析。在这个方法中，基于网格的平行代码耦合界面(MpCCI) 将ANSYS和CFD程序耦合起来。即使网格上存在差别，MpCCI也能够实现流固界面的数据转换。ANSYS CD中包含有MpCCI库和一个相关实例。关于该方法的详细信息，参见ANSYS Coupled-Field Analysis Guide中的Sequential Couplin 2，FSI solver 流固耦合的设置过程非常简单，推荐你使用这种方式 3，multi-field solver 这是FSI solver的扩展，你可以使用它实现流体，结构，热，电磁等的耦合 4，直接采用特殊的单元进行直接耦合，耦合计算直接发生在单元刚度矩阵 一个流固耦合的例子 length=2 width=3 height=2 /prep7 et,1,63 et,2,30 !选用FLUID30单元，用于流固耦合问题 r,1,0.01 mp,ex,1,2e11 mp,nuxy,1,0.3 mp,dens,1,7800 mp,dens,2,1000 !定义Acoustics材料来描述流体材料-水 mp,sonc,2,1400 mp,mu,0, ! block,,length,,width,,height esize,0.5 mshkey,1 ! type,1 mat,1 real,1 asel,u,loc,y,width amesh,all alls ! type,2 mat,2 vmesh,all
基于 LS-DYNA 及 FLUENT 的板壳结构流-固耦合分析
汪丽军 北京航空航天大学，交通科学与工程学院 100191
[摘 要]： 本文采用 ANSYS 显示动力分析模块 LS-DYNA 及流场分析模块 FLUENT，对水下的板壳 结构运动及其界面的流-固耦合现象进行了仿真分析。流场计算得到的界面压强数据以外载荷 的形式施加于结构表面，使其产生位移及变形；同时，结构的变化又进一步影响了流场的分 布。通过往复的双向耦合迭代，得到了板壳结构的动力学响应以及流场的分布情况。仿真结 果与试验结果的对比表明，此方法适用于解决兼有大位移及较大变形特征的流-固耦合问题。 [关键词]： 板壳结构 流-固耦合 有限元方法 ANSYS
Analysis of Fluid-Structure Interaction for Plate/Shell Structure Based on LS-DYNA and FLUENT
Wang Lijun School of Transportation Science & Engineering, Beihang University 100191
Abstract: In this paper，the movement of plate under water and the fluid-structure interaction(FSI) is simulated numerically by combining explicit dynamic solver LS-DYNA and computational fluid dynamics solver FLUENT in ANSYS. The pressure obtained from the calculation of flow field are applied as external loads on the surface of the plate, then the structural deformation and displacement can be calculated as well, which will affect the shape and pressure distribution of the flow field reversely. After sequential coupling iterations the dynamic response of the structure and flow field distribution are obtained consequently. By comparing numerical and experimental results it is proved that this proposed coupling method is suitable for solving such a kind of FSI problems considering both large displacement and comparatively large deformation. Keyword: Plate/shell structure, Fluid-Structure Interaction, Finite element method，ANSYS
1
前言
在自然界中，流-固耦合现象广泛存在于航空、航天、汽车、水利、石油、化工、海洋 以及生物等领域。很多实际问题中流体载荷对于结构的影响不可忽略；同时，结构的位移 和变形也会对流场的分布产生重要影响。例如各种水下运动机构都需要考虑这种现象。
基于MPCCI的流固耦合成功案例 基于MPCCI的流固耦合成功案例 （一）机翼气动弹性分析 1 问题陈述 机翼绕流问题是流固耦合中的经典问题。以前由于缺乏考虑流固耦合的软件，传统的分析方法是将机翼视为刚体，不考虑其弹性变形，通过CFD软件来计算机翼附近的流场。这个强硬的假设很难准确的描述流场的实际情况。更无法预测机翼的振动。MPCCI是基于代码耦合的并行计算接口，它可以同时调用结构和流体的软件来实现流固耦合。我们通过MPCCI，能很好的预测真实情况下的机翼绕流问题。采用ABAQUS结构分析软件来求解结构在流畅作用下的变形和应力分布，通过Fluent软件来计算由于固体运动和变形对整个流场的影响。 2 模拟过程分析顺序 MpCCI的图形用户界面可以方便的读入结构和流体的输入文件。后台调用ABAQUS和FLUENT。在MPCCI耦合面板中选择耦合面，然后选择在相应耦合面上流体和固体需要交换的量。启动MpCCI进行耦合。 3 边界条件设置
图1 无人机模型和流体计算模型 结构部分单个机翼跨度在1.5m左右，厚度为0.1m左右。边界条件为机翼端部的固定，三个方向的位移完全固定，另一端完全自由。在固体中除了固定端的面外，其他三个面为耦合面。流体部分采用四面体网格，采用理想气体作为密度模型。流体的入口和出口以及对称性边界条件如下图所示。 图2 固体有限元模型 4 计算方法的选择 通过结合ABAQUS和FLUENT，使用MPCCI计算流固耦合。在本例中，固体在流场作用下产生很大的变形和运动。在耦合区域，固体结构部分计算耦合面上的节点位移，通过MPCCI传输给FLUENT的耦合界面，FLUENT 计算出耦合区域上的节点力载荷，然后通过MPCCI传给结构软件ABAQUS。在MPCCI的耦合面板中选择的耦合面如图所示，交换量为：节点位移、相对受力。采用ABAQUS中的STANDARD算法，时间增量步长为0.1毫秒。 5 计算结论 通过MPCCI结合ABAQUS和FLUENT，成功地计算在几何非线性条件下的气动弹性问题，得到了整个流体区域的流场分布以及结构的动态响应历程。
流固耦合FSI分析 分析原理：流场采用CFX12，固体采用ANSYS12分别计算，通过界面耦合。 流体网格：流体部分采用HyperMesh9.0分网，按照流体分网步骤即可，没有特殊要求。网格导出：CFX可以很好的支持Fluent的.cas格式。直接导出这个格式即可。 流体的其余设置都在CFX-PRE中设置。 固体网格即设置：HyperMesh9.0划分固体网格。设置边界条件，载荷选项，求解控制，导出.cdb文件。 实例练习： 以CFX12实例CFX tutorial 23作为练习。 为节省时间，将计算时间缩短为2s。 网格划分：提取CFX tutorial 23中的实体模型到hm中，分别划分流体，固体网格。分别导出为fluent的.cas格式和ansys的cdb格式。 流体网格如下： 网格文件见:fluid.cas 固体网格为： 特别注意： 做FSI分析时，ANSYS固体部分必须在BATCH下运行（即将.cdb文件导入ansys不需要任何操作就能直接计算出结果），所以导出的.CDB文件需要添加一个命令，在hm建立FSIN_1
的set，以方便在.cdb中手动添加命令SF,FSIN_1,FSIN,1，具体位置在定义了节点集合FSIN_1之后。 另一个set：pressure用于施加压强。 这里还设置了一些控制卡片用于分析，当然也可以直接修改.cdb文件 详细.cdb文件请参看plate.cdb 将固体部分在ansys中计算一下，以确定没有问题。 通过ansys计算检查最大位移：最上面的点x向变形曲线 至此，固体部分的计算文件已经准备好，流体网格需要导入CFX以进一步设置求解选项和耦合选项。 以下在CFX-PRE中进行设置 由于固体模型已经生成，故不需要利用workbench，所以不必按照指南的做法。 启动workbench，拖动fluid flow(CFX)到工作区
length=2 !定义体各种变量参数，长宽高 width=3 height=2 /prep7 et,1,63 !选用壳模型 et,2,30 !选用FLUID30单元，用于流固耦合问题r,1,0.01 增加实常数，壳厚为0.01 mp,ex,1,2e11 mp,nuxy,1,0.3 mp,dens,1,7800 !定义壳单元的各种单元属性 mp,dens,2,1000 !定义Acoustics材料来描述流体材料-水mp,sonc,2,1400 !定义声单元声速 mp,mu,0, !定义吸声系数 ! block,,length,,width,,height !建立长方体 esize,0.5 mshkey,1 ! type,1 !选择壳单元 mat,1 real,1 asel,u,loc,y,width !选择面 amesh,all !划分面单元 alls !选择所有项 ! type,2 !选择声单元 mat,2 vmesh,all !划分体单元 fini /solu antype,2 modopt,unsym,10 !非对称模态提取方法处理流固耦合问题eqslv,front mxpand,10,,,1 nsel,s,loc,x, nsel,a,loc,x,length nsel,r,loc,y d,all,,,,,,ux,uy,uz, nsel,s,loc,y,width, d,all,pres,0 !上面几步为定义边界条件和约束 alls asel,u,loc,y,width, sfa,all,,fsi !定义流固耦合界面
alls !选择所有项 solv !求解 fini /post1 !后处理 set,first plnsol,u,sum,2,1 !显示图形 fini /PREP7 !定义壳材料与性质 !壳元素与材料 ET,1,shell63 $MP,EX,1,201E9 $MP,prxy,1,0.26 $MP,dens,1,7.85E3 $r,1,0.006 !流体元素与材料 ET,2,FLUID80 $MP,EX,2,1.5e9 $MP,DENS,2,0.84e3 $mp,visc,2,1.0e-10 !以下这个keyoption怎么用? 如过用1，就会显示[Element 877 may not have a positive Z coordinate IF KEYOPT(2) = 1.]，显示这个错误代表要做什么修正吗?所以我暂时用KEYOPT(2) = 0就可以跑。 KEYOPT,2,2,0 !建立壳关键点 K,1,10,0,0 $K,2,10,0,12 !建立中心线关键点 k,3,0,0,0 $k,4,0,0,20 !定义壳壁线 L,1,2 $L,1,3 !以关键点3,4为中心线旋转360度生成壳体 AROTAT,all,,,,,,3,4,360 !划分壳体网格 AATT,1,1,1 $esize,2 $mshape,0,3D $mshkey,2 $amesh,all $alls !延伸出水位体积 VEXT,2,8,2,0,0,10,0,0,0 $vglue,all
A n s y s C F流固耦合分析 文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
流固耦合FSI分析 分析原理：流场采用CFX12，固体采用ANSYS12分别计算，通过界面耦合。流体网格：流体部分采用分网，按照流体分网步骤即可，没有特殊要求。 网格导出：CFX可以很好的支持Fluent的.cas格式。直接导出这个格式即可。流体的其余设置都在CFX-PRE中设置。 固体网格即设置：划分固体网格。设置边界条件，载荷选项，求解控制，导出.cdb文件。 实例练习： 以CFX12实例CFX tutorial 23作为练习。 为节省时间，将计算时间缩短为2s。 网格划分：提取CFX tutorial 23中的实体模型到hm中，分别划分流体，固体网格。分别导出为fluent的.cas格式和ansys的cdb格式。 流体网格如下： 网格文件见: 固体网格为： 特别注意： 做FSI分析时，ANSYS固体部分必须在BATCH下运行（即将.cdb文件导入ansys不需要任何操作就能直接计算出结果），所以导出的.CDB文件需要添加一个命令，在hm建立FSIN_1的set，以方便在.cdb中手动添加命令 SF,FSIN_1,FSIN,1，具体位置在定义了节点集合FSIN_1之后。 另一个set：pressure用于施加压强。 这里还设置了一些控制卡片用于分析，当然也可以直接修改.cdb文件
详细.cdb文件请参看 将固体部分在ansys中计算一下，以确定没有问题。 通过ansys计算检查最大位移：最上面的点x向变形曲线 至此，固体部分的计算文件已经准备好，流体网格需要导入CFX以进一步设置求解选项和耦合选项。 以下在CFX-PRE中进行设置 由于固体模型已经生成，故不需要利用workbench，所以不必按照指南的做法。 启动workbench，拖动fluid flow(CFX)到工作区 直接双击setup进入CFX-PRE 导入流体网格 然后设置分析选项： 注意：mechanical input file即是固体部分网格。 再新建一个流体，取名fluid。 设置domain 添加边界条件 取名为interface设置流固耦合界面，对应为abc。 这就是流固耦合界面的设置过程。 同理，建立sym1 Sym2 这个选项默认为no slip 的 wall，最普通的那种，不必特殊设置 初始化： 求解控制
达尔文档DareDoc 分享知识传播快乐 ANSYS流固耦合分析实例命令流 本资料来源于网络，仅供学习交流 2015年10月达尔文档|DareDoc整理
目录 ANSYS流固耦合例子命令流.......................................................................... 错误！未定义书签。ANSYS流固耦合的方式 (3) 一个流固耦合模态分析的例子1 (3) 一个流固耦合模态分析的例子2 (4) 一个流固耦合建模的例子 (7) 一加筋板在水中的模态分析 (8) 一圆环在水中的模态分析 (10) 接触分析实例---包含初始间隙 (14) 耦合小程序 (19) 流固耦合练习 (21) 一个流固耦合的例子 (22) 使用物理环境法进行流固耦合的实例及讲解 (23) 针对液面晃动问题，ANSYS/LS-DYNA提供三种方法 (30) 1、流固耦合 (30) 2、SPH算法 (34) 3、ALE（接触算法） (38) 脱硫塔于浆液耦合的分析 (42) ANSYS坝-库水流固耦合自振特性的例子 (47) 空库时的INP文件 (47) 满库时的INP文件 (49) 计算结果 (52)
ANSYS流固耦合的方式 一般说来，ANSYS的流固耦合主要有4种方式： 1，sequential 这需要用户进行APDL编程进行流固耦合 sequentia指的是顺序耦合 以采用MpCCI为例,你可以利用ANSYS和一个第三方CFD产品执行流固耦合分析。在这个方法中，基于网格的平行代码耦合界面(MpCCI) 将ANSYS和CFD程序耦合起来。即使网格上存在差别，MpCCI也能够实现流固界面的数据转换。ANSYS CD中包含有MpCCI库和一个相关实例。关于该方法的详细信息，参见ANSYS Coupled-Field Analysis Guide中的Sequential Couplin 2，FSI solver 流固耦合的设置过程非常简单，推荐你使用这种方式 3，multi-field solver 这是FSI solver的扩展，你可以使用它实现流体，结构，热，电磁等的耦合 4，直接采用特殊的单元进行直接耦合，耦合计算直接发生在单元刚度矩阵 一个流固耦合模态分析的例子1 这是一个流固耦合模态分析的典型事例，采用ANSYS/MECHANICAL可以完成。处理过程中需要注意以下几个方面的问题： 1、单元的选择； 2、流体材料模式； 3、流固耦合关系的定义； 4、模态提取方法。 length=2 width=3 height=2 /prep7 et,1,63 et,2,30 !选用FLUID30单元，用于流固耦合问题 r,1,0.01 mp,ex,1,2e11 mp,nuxy,1,0.3 mp,dens,1,7800 mp,dens,2,1000 !定义Acoustics材料来描述流体材料-水 mp,sonc,2,1400 mp,mu,0, ! block,,length,,width,,height esize,0.5 mshkey,1
例子的来源是Abaqus CLE的官方教程，可是写的太粗线条，我还是搞了两天才做 出了这个例子。其实就是个滚筒洗衣机带着洗衣机里的水一起转的问题。 1. 分别为Eulerian domain和Lagrangian domain建立两个part 建立Lagrangian domain的Part，类型设置为Discrete rigid，并设置Reference Point。 建立Eulerian domain的Part，类型设置为Eulerian，要注意Eulerian domain 和Lagrangian domain要保证有重叠的部分，这是一种弱耦合，数据在两个区域间抛来抛去，所以网格要有重叠部分。这导致在Eulerian domain里有的部分是有材料的，有的地方是没有材料的。为了之后设置材料分布时候方便，要把part实现划出几个辅助的partition。黄色虚线是在划分partition时，为了指明 Extrude/Sweep方向用到的辅助坐标轴。
2. 定义水的材料属性 选择状态方程模型EOS中Us-Up，设置声速c0=1483m/s；密度为1000kg/m3；粘度为0.001kg/ms。并把截面属性赋给Eulerian domain。
3. 把两个Part组装起来
4. 新建一个Step-1 5. 为Eulerian domain和Lagrangian domain划分网格
6. 设置接触 新建一个Contact Property，因为不是普通的面和面的接触，水中的任何的一个部
分可能在流动区域里的任何一个地方和Lagrangian domain接触，设置Tangential Behavior为Rough，赋给水和洗衣机之间的关系。新建一个Interaction，把刚才的Contact Property赋给它。 更重要的是设置接触的两个Surface。其中一个Surface是Lagrangian domain 部分的内侧面，为Geometry类型，另一个Surface是Eulerian domain的全部网格，为Mesh类型。
实例3 隧道内具有柔性结构的流固耦合分析 问题：隧道内具有柔性结构的流固耦合如图3-1所示。 图3-1 流体-固体结构示意图 一、目的 1. 掌握流固耦合作用FSI在Adina-AUI中的操作过程。 2. 掌握用伸缩比例因子画流固耦合模型。 3. 定义引导点(leader-follower points)。 二、定义模型主控数据 1. 定义标题： 选Control→Heading→敲入标题“exe03: Fluid flow over a flexible structure in a channel, ADINA input”→and click OK。 2. FSI分析： 在右边Analysis Type区选FSI按钮。 3. 主控自由度 选Control→Degrees of Freedom→不选X-Translation, X-Rotation, Y-Rotation and Z-Rotation按钮→and click OK。 4. 分析假设：大位移，小应变。 选Control→Analysis Assumptions→Kinematics→设置“Displacements/Rotations”为 Large→ click OK。(注：非常薄的结构，因此为小应变)。
三、力学模型 1. 柔性结构建立模型 1). 柔性结构几何模型 坐标点如表3-1，几何结构如图3-2所示。 其几何面见表3-2所示。 ①选Define Points 图标→按表3-1输入几何点坐标→ click OK . ②选Define Surfaces 图标→设置TYPE 为Vertex → click OK(如图3-2所示)。 2). 施加固定边界条件和流- 固边界条件 ①. 图3-2中，在L2线上施加固定约束，其过程可用Adina-AUI 完成。 ②. 流-固边界，选Model →Boundary Conditions →FSI Boundary →add FSI boundary number 1→在表中头两行敲入流固边界线编号1和 3 and click OK 。 3). 定义材料特性 弹性模量1.0×106(dyne/cm 2)，泊松比0.3。(线弹性问题) 选Model →Materials →Elastic_Isotropic →add material 1, 设置弹性模量1.0E6→泊松比 0.3 and click OK . 4).定义单元和单元划分 (1). 2-D 实体单元，此问题属平面应变问题。 Element group : 选 Meshing →Element Groups → 增加单元组号 1→ 设置 the Type to 2-D Solid →设置 the Element 柔性结构 图3-2 几何模型 表3-1 模型几何点坐标 几何点 X1 X2 X3 坐标系 1 30.025 15.0 0 2 30.0 0.0 0 3 30.05 0.0 图3-3 结构网格
第5卷 第1期 1999年3月地质力学学报JOU RNAL O F GEOM ECHAN I CS V o l .5 N o.1M ar.1999 文章编号:100626616(1999)0120017226 收稿日期:1998205212 基金项目:油气藏地质与开发工程国家重点实验室开放研究基金项目(PLN 9702) 作者简介:董平川(19672),男,1998年在东北大学获博士学位,讲师。现为石油大学油气开发工程在站博士后,从事储集 层流固耦合理论、有限元数值模拟及其应用研究。 流固耦合问题及研究进展 董平川1,徐小荷2,何顺利1 1 石油大学,北京 昌平 102200;2东北大学,辽宁 沈阳 1100061 摘 要:传统的渗流理论一般假设流体流动的多孔介质骨架是完全刚性的,即在孔隙 流体压力变化过程中,固体骨架不产生任何弹性或塑性变形,这时可将渗流作为非耦 合问题来研究。这种简化虽然可以得到问题的近似解,但存在许多缺陷,而且也不切 合生产实际。比如:在油田开采过程中,孔隙流体压力会逐渐降低,将导致储层内有效 应力的变化,使储层产生变形。近年来,流固耦合问题越来越受到人们的重视,这方面 的研究涉及许多领域。该文介绍了有关工程涉及到的流固耦合问题,重点针对油、气 开采问题,介绍了储层流固耦合渗流的特点及研究方法和理论进展,包括单相、多相 流体渗流的流固耦合数学模型及有限元数值模型。 关键词:流2固耦合;理论模型;研究进展;工程应用 分类号:T E 312 文献标识码:A 0 引 言 天然岩石不只固相介质一种,尚有固相、液相和气相并存的多孔介质组合。岩石孔隙中的流体流动问题,经典渗流力学已进行了广泛研究,但它没有考虑流体流动和岩石变形之间的相互作用,而在油气开采、地下水抽放等过程中,由于孔隙流体压力的变化,一方面要引起岩石骨架应力变化,由此导致岩石特性变化;另一方面,这些变化又反过来影响孔隙流体的流动和压力的分布。因此,在许多情况下必须考虑流体,包括液体(油或水)、气体(天然气、煤矿瓦斯等)在多孔介质中的流动规律及其对岩体本身的变形或强度造成的影响,即应考虑岩体内应力场与渗流场之间的相互耦合作用。 近年来,流固耦合问题越来越受到人们的重视,这方面的研究涉及许多领域。本文介绍了工程实际中所涉及到的流固耦合问题,诸如地下水抽放和油气开采所引起的地表沉降的流固
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