流固耦合命令求解流固耦合问题

2016-09-20 by:CAE仿真在线来源:互联网

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。

2. 不考虑桥墩中的钢筋,简化为由单一的混凝土构成桥墩,密度1.265e4 kg/m3,弹性模量3.15e10 N/m2,泊松比0.167。

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

4. 坝体和水的交界面上,固体节点和液体节点位移耦合在一起,在单元中液体和固体粘在一起。

划分网格后的模型如下:

计算后的模态结果如下,为了方便对比,左侧给出了空气中的模态。

实体桥墩的固有频率	横向振动	纵向振动	扭转振动
第一阶	第二阶	第三阶	第一阶	第一阶
空气中频率	0.5545	3.357	8.97	8.63	5.27
水中频率	0.5511	3.212	8.56	6.32	5.27
比例系数	0.994	0.957	0.954	0.732	1