基于流固耦合的金屬板落入水中激起浪花現象模擬

1背景及意義

利用LSDYNA進行跌落分析計算是其在民用領域的重要功能。比如常見的家電抗震性能測試、冰箱跌落等。從底層算法上來講，冰箱跌落、家電產品跌落抗震性測試在軟件操作技術上都是相通的，這都可以看成一個物體從一種介質落入另一中介質中。因此，本文從最簡單的矩形金屬板跌入水中來探索跌落仿真模擬的實現，這對于理解跌落分析的軟件操作實現具有一定的實際意義。

2有限元模型的建立

2.1模型描述

金屬板在距離水面0.1m的高度以50m/s的速度下落，金屬板、空氣域及水域的尺寸如圖1所示。

圖1模型示意圖

2.2ANSYS LSDYNA建模分析

由圖1可知，本文的跌落模型由水介質、空氣介質、金屬板三個部分組成，水和空氣屬于常見的流體，因此并不適合采用拉格朗日網格建模；另外由圖可知金屬板與空氣、水的交界面需要采用耦合算法，模型中空氣和水域周邊采用映射邊界條件，另外本文假設水域無限大，那么本文模型就可以采用單層實體網格建模以減小計算量同時可以充分利用LSDYNA中的多物質ALE算法。由于模型尺寸為cm尺度，故單位制選用cm-g-μs單位制。模型各個部分采用的算法及單元賦予如表1所示。

表1 算法及單元賦予表

PARTS	ELEMENTS	ALGORITHM	MATERIALS
Air	SOLID_ALE	ALE	NULL
Water	SOLID_ALE	ALE	NULL
Metal Plate	SOLID	LAGRANGE	JHC

3算例求解

3.1 ANSYS求解

本文所用軟件為ANSYS 19.0經典版，模型的建立、空氣、水、金屬板的材料賦予都是在ANSYS LSDYNA經典版中完成，由于ansys中并沒有多物質耦合ALE單元的定義，故可以先只設置三維實體SOLID164單元，之后在LSPP中進行替換。這種思維在進行ANSYS與LSDYNA聯合建模時候經常用到。之后對空氣水及金屬板進行網格劃分操作，空氣及水的網格單元大小設置為1，金屬板的網格單元大小設置為2即可。由于ANSYS進行約束定義、節點組定義相當繁瑣，故對約束、節點組的定義放置在LSPP進行設置。那么在網格劃分完成后直接可以設置求解時間為5e-3，之后進行能量控制選擇（選擇默認），時間步輸出為10微秒一個，最后輸出K文件。

3.2 LSPP求解

將上一步驟輸出的K文件導入到LSPP中進行再處理，對約束及節點組進行定義。作者認為處理流固耦合相關問題，用ANSYS和LSPP聯合處理約束、網格劃分、節點組定義、流固耦合問題更加方便高效。原因：ANSYS建模并不能直接生成耦合算法所需要的*SET_SEGMENT組件，那么只能通過“借用定義法”定義NON_REFLECTION的辦法來生成*SET_SEGMENT組件，這樣就顯得繁瑣臃腫，因此對于這一塊的設置完全可以用LSPP處理，在LSPP中直接找到相關關鍵字進行編輯就可以快速完成流固耦合的相關定義，其對于流固耦合的理解性更好，但缺點在于需要在LSPP中進行第二次關鍵字處理。

3.3求解

在進行最后的約束節點組定義后檢查K文件無誤后即可存盤，在LSDYNA SOLVER中進行K文件求解。

4后處理

4.1 浪花形成過程的動態顯示

選擇主菜單區域Fcomp＞Misc＞Species Mass Mat#1，單擊Apply按鈕，播放動畫得到的金屬板落入水中激起的浪花現象如圖2所示。圖中可以看出仿真得出的浪花與實際較為相符貼合。

圖2浪花動態顯示

4.2金屬板下落過程中的速度變化

圖3給出了在不同關鍵時刻金屬板的速度變化情況。圖3（A）表明：在金屬板剛剛進入水面（剛剛離開空氣），金屬板是以5*e-3cm/s的速度向下運動，而在金屬板已經進入水中的瞬間（圖3（B）所示），金屬板左端速度依順時針變化，右端速度依逆時針變化，速度大小從左右端點向外增大擴散，金屬板（除去端點效應）擊打水面，因此激起水流也向外圓周擴散；在此后這種擴散趨勢沒有明顯變化（如圖3（C）所示），但速度值逐漸增大，這是因為金屬板不斷擊打水面，水的動能增加，速度因此增加；圖3（D）可以看出明顯的金屬板擊打水面引起的浪花現象；隨著金屬板跌落水面深度增加，被激起的浪花按照速度變化的方向，在浪花末端呈“卷起”狀（如圖3（E）所示），這與現實生活中浪花的打卷現象也是相符的，而由于空氣域的邊界定義較小，浪花開始向空氣域左右兩邊擴散（溢出）如圖3（F）所示。

圖3金屬板速度變化

4.3單元壓力時程曲線

在中位處按一定相等距離從上到下依次取7個單元點（如圖4所示），記錄單元點的壓力變化值，在10ms時間內各個單元的壓力隨時間的變化如圖5所示。由曲線可知，從空氣進入水介質，單元壓力值呈現遞增趨勢，壓力值越來越大，但壓力的峰值逐漸滯后。分析原因：金屬板下落中，金屬板的動能和重力勢能轉化成水的動能和勢能，因此在初期峰值出現最快，而隨著時間的積累，水的總能量是增加的，因此時間越長，峰值越大。反映在所取中線上的單元壓力情況即是：單元6849的壓力峰值在2ms就已經出現，但峰值最小，而單元4649的壓力峰值在4.8ms才出現，但峰值卻較大，為6.8e-6。

圖4中位線單元取點

圖5單元壓力時程變化曲線

5結論

（1）本文基于流固耦合算法實現了金屬板跌落水中激起的浪花現象模擬，對其他物質的跌落仿真模擬具有借鑒意義。

（2）在有限元分析時，本文采用間接法建立有限元算例，這方便了ANSYS和LSDYNA軟件之間流固耦合仿真的處理。

（3）本文模型采用單層實體網格建模，優點在于：既充分利用了LSDYNA程序中的多物質ALE算法，又大大減小了計算時間（21min）。