流固耦合命令求解流固耦合問題

2016-09-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

使用ANSYS計(jì)算結(jié)構(gòu)在水中的模態(tài)時, FLUID29,FLUID30單元分別用來模擬二維和三維流體部分,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型則利用PLANE42單元和SOL ID45等單元來構(gòu)造,其中,PLANE42和SOL ID45分別是用來構(gòu)造二維和三維結(jié)構(gòu)模型的單元。FLUID30是流體聲單元,主要用于模擬流體介質(zhì)及流固耦合問題。該單元有8 個節(jié)點(diǎn),每個節(jié)點(diǎn)上有4 個自由度,分別是XYZ上3個方向位移自由度和1個壓力自由度,為各向同性材料。輸入材料屬性時,需要輸入流體的材料密度(作為DENS 輸入)及流體聲速(作為SONC輸入),流體粘性產(chǎn)生的損耗效應(yīng)忽略不計(jì)。FLUID29是FLUID30單元在二維上的簡化,少了一個Z向的位移。SOLID45單元用于構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。單元通過8 個節(jié)點(diǎn)來定義,每個節(jié)點(diǎn)有3 個沿著XYZ方向平移的自由度。PLANE42是SOLID45單元在二維上的簡化。

在利用ANSYS建模分析時,流場域單元屬性分為2種,由KEYOPT(2)(指定流體和結(jié)構(gòu)分界面處結(jié)構(gòu)是否存在) 控制,在流固耦合交界面上的單元KEYOPT(2) = 0 ,表示分界面處有結(jié)構(gòu),其他流體單元KEYOPT(2)=1,表示分界面處無結(jié)構(gòu)。流體-結(jié)構(gòu)分界面通過面載荷標(biāo)志出來,指定FSI label可以把分界面處的結(jié)構(gòu)運(yùn)動和流體壓力耦合起來,分界面標(biāo)志在分界面處的流體單元標(biāo)出。

數(shù)值分析的步驟

1) 建立流體單元的實(shí)體模型。建立流體模型,需要確定流體域的范圍,可以把無限邊界流體簡化成流體區(qū)域的半徑為固體結(jié)構(gòu)半徑的10倍。

2) 標(biāo)記流固耦合界面。選取流體單元中流固交界面上的節(jié)點(diǎn),執(zhí)行FSI 命令,流固耦合交界面的處理:流體與固體是兩個獨(dú)立的實(shí)體,在劃分單元時在兩者交界面上的單元網(wǎng)格要劃分一致,這樣在交界面上的同一位置一般就有兩個重合的節(jié)點(diǎn),一個節(jié)點(diǎn)屬于流體單元,一個節(jié)點(diǎn)屬于固體單元,這兩個重合節(jié)點(diǎn)在交界面的位移強(qiáng)制保持一致。

3) 建立固體結(jié)構(gòu)實(shí)體模型。建立固體結(jié)構(gòu)模型,定義單元屬性,采用映射方式進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。
4) 施加約束條件。由于流體區(qū)域的尺寸遠(yuǎn)大于固體結(jié)構(gòu)尺寸,故可以不考慮流體液面的重力的影響,將流體邊界處的單元節(jié)點(diǎn)上施加壓力(PRES) 為零的約束。因?yàn)檫x擇的算例為懸臂結(jié)構(gòu),在固體結(jié)構(gòu)底部加全約束。

5) 選擇求解算法,進(jìn)行求解。定義分析類型為模態(tài)分析,設(shè)定提取頻率階數(shù)和提取模態(tài)的方法。因?yàn)轳詈蠁栴}的剛度矩陣,質(zhì)量矩陣都不對稱,需要采用非對稱矩陣法(UNSYMMETRIC)求解。

6) 查看結(jié)果。進(jìn)入后處理模塊,查看結(jié)構(gòu)模型的頻率及振型。

以半浸沒與水中的橋墩模態(tài)問題為背景,并假設(shè):

1. 橋墩為實(shí)心等截面的實(shí)體,實(shí)際橋墩模型應(yīng)該是空心殼體,截面尺寸也非常復(fù)雜,因而需要分塊劃分單元。

2. 不考慮橋墩中的鋼筋,簡化為由單一的混凝土構(gòu)成橋墩,密度1.265e4 kg/m3,彈性模量3.15e10 N/m2,泊松比0.167。

3. 不考慮水面重力影響,忽略自由表面波,水的密度1e3 kg/m3,音速 1.44e3 m/s。

4. 壩體和水的交界面上,固體節(jié)點(diǎn)和液體節(jié)點(diǎn)位移耦合在一起,在單元中液體和固體粘在一起。

劃分網(wǎng)格后的模型如下:

計(jì)算后的模態(tài)結(jié)果如下,為了方便對比,左側(cè)給出了空氣中的模態(tài)。

實(shí)體橋墩的固有頻率	橫向振動	縱向振動	扭轉(zhuǎn)振動
第一階	第二階	第三階	第一階	第一階
空氣中頻率	0.5545	3.357	8.97	8.63	5.27
水中頻率	0.5511	3.212	8.56	6.32	5.27
比例系數(shù)	0.994	0.957	0.954	0.732	1

對于半浸沒與水中橋墩結(jié)構(gòu),ANSYS計(jì)算的模態(tài)結(jié)果有點(diǎn)奇怪。對于梁式振動,基本上都沒有看出水做為附加質(zhì)量加入運(yùn)動微分方程的影響,而將流固耦合交界面上分別屬于液體單元和固體單元上的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移一致,耦合在一起后,計(jì)算得到的縱向振動有水和無水的頻率差別很大,扭轉(zhuǎn)振動卻一樣。

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