背景介紹

最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)專指研究流體載荷對(duì)彈性結(jié)構(gòu)的影響，例如飛機(jī)機(jī)翼氣動(dòng)彈性問題，船舶螺旋槳的水彈性問題，核反應(yīng)堆燃料棒的渦激振動(dòng)問題等等。在數(shù)值仿真領(lǐng)域FSI概念擴(kuò)展到一般性的CFD模型和FEA模型的數(shù)據(jù)交換問題。

FSI真實(shí)案例：大橋與風(fēng)場(chǎng)組成了耦合系統(tǒng)，大風(fēng)產(chǎn)生了一定頻率的卡門渦脫落，這個(gè)頻率與耦合系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)固有頻率相近，使系統(tǒng)發(fā)生了共振，大橋劇烈晃動(dòng)直至崩塌。

大橋劇烈晃動(dòng)直至崩塌

 

HyperWorks的流體求解器AcuSolve流固耦合分析分為四種情況：

?分析穩(wěn)態(tài)的流場(chǎng)壓力和溫度場(chǎng)對(duì)固體變形的影響，也叫 TFSI (Thermal-FSI)屬于單向耦合；
?分析流體動(dòng)載荷引起的固體振動(dòng)現(xiàn)象，也叫P-FSI (Practical FSI)，屬于單向耦合；
?瞬態(tài)流動(dòng)引起固體大變形，并反饋給流場(chǎng)，也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI)，屬于雙向耦合。
?固體本身的變形量很小，可以認(rèn)為是剛體，但是整體產(chǎn)生比較大的位移，可以采用CFD耦合MBD多體動(dòng)力學(xué)分析，也屬于雙向耦合。

以上幾種分析都可以在SimLab模塊中完成，流固交界面的耦合數(shù)據(jù)在后臺(tái)傳遞，無(wú)需用戶編輯腳本。

TFSI模型的計(jì)算代價(jià)最小，通常用于流體靜載荷或溫度梯度引起的固體小變形，例如汽車排氣管的熱應(yīng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)水套的熱應(yīng)力，車燈的熱應(yīng)力等等場(chǎng)景。

 

排氣歧管的TFSI分析案例

AcuSolve模型的管路入口為高溫高壓氣體，管路出口為大氣壓和環(huán)境溫度，管路外壁面是自然對(duì)流散熱邊界。AcuSolve結(jié)果傳遞給求解器OptiStruct再分析管路的熱應(yīng)力和變形。

AcuSolve模型的邊界	OptiStruct模型的約束
AcuSolve分析溫度場(chǎng)	OptiStruct分析變形量

 

SimLab發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的TFSI分析案例

P-FSI計(jì)算代價(jià)中等。首先進(jìn)行OptiStruct的模態(tài)分析，將模態(tài)頻率和振型（*op2文件）傳遞給AcuSolve，模態(tài)向量從固體網(wǎng)格映射到流體網(wǎng)格的濕表面上。接著打開ALE動(dòng)網(wǎng)格開關(guān)，Moving Mesh → Computed求解濕表面的變形。需要注意的是：P-FSI固體變形必須在線性范圍內(nèi)，無(wú)法考察固體內(nèi)的真實(shí)應(yīng)力，但是可以評(píng)估結(jié)構(gòu)的疲勞水平。

 

P-FSI案例

海洋工程上采用的圓柱形斷面結(jié)構(gòu)物，在洋流沖刷下產(chǎn)生周期性脫落的旋渦，由此產(chǎn)生脈動(dòng)壓力，引發(fā)結(jié)構(gòu)的周期性振動(dòng)，這種規(guī)律性的管體振動(dòng)反過來(lái)又會(huì)改變旋渦的頻率。如果卡門渦頻率和結(jié)構(gòu)模態(tài)吻合，振幅會(huì)達(dá)到最大。這種現(xiàn)象也稱為“渦激振動(dòng)”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

安裝了擾流片的海工結(jié)構(gòu)

AcuSolve的ALE動(dòng)網(wǎng)格

圓形截面管振動(dòng)幅度較大	安裝擾流片改變了卡門渦頻率，從而減少了結(jié)構(gòu)振幅

 

射流主動(dòng)控制技術(shù)

除了安裝擾流片，也可以在結(jié)構(gòu)的表面安裝射流裝置，同樣可以改變卡門渦的頻率，從而破壞VIV的“吻合”效應(yīng)。

圓柱繞流的卡門渦

無(wú)射流控制	有射流控制

流體側(cè)向力的時(shí)間歷程曲線

無(wú)射流控制（藍(lán)色），有射流控制（紅色）

大型的結(jié)構(gòu)或建筑也要考慮風(fēng)載荷的激勵(lì)。一方面改變風(fēng)渦脫落頻率，或者通過安裝加強(qiáng)筋，配重等手段改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，避免嚴(yán)重的VIV現(xiàn)象。

案例：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片在強(qiáng)風(fēng)下產(chǎn)生顯著變形，不僅會(huì)改變?nèi)~片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，如果翼尖變形量過大，甚至?xí)绊懰馨踩?/p>

風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)

OptiStruct分析葉片的振動(dòng)形式：擺振和扭轉(zhuǎn)
2葉片風(fēng)力機(jī)的外流場(chǎng)和翼尖的變形曲線

 

案例：100米長(zhǎng)風(fēng)力機(jī)葉片的P-FSI分析

OptiStruct葉片模態(tài)分析

AcuSolve計(jì)算葉片外流場(chǎng)

AcuSolve計(jì)算葉片的變形

 

案例：大型天線的風(fēng)載荷分析（靜載荷和風(fēng)振）

大型天線的風(fēng)振FSI分析

 

案例：路牌的風(fēng)振分析

 

案例：賽車尾翼的風(fēng)振分析

  

除了VIV， 還有一類現(xiàn)象，叫做VIM (Vortex Induced Motion)，分析剛體在流體載荷下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

 

VIM案例：復(fù)雜的圓柱繞流問題

AcuSolve輸出流體載荷，更新固體的位移，MotionSolve 接受流體載荷并求解固體速度/加速度/位移。

 

VIM案例：AcuSolve模擬水池晃動(dòng)，耦合連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)

MotionSolve的濕表面必須是剛體，其余部分可以是柔性體，分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變。

 

VIM案例：海工結(jié)構(gòu)在洋流下的運(yùn)動(dòng)

DC-FSI同時(shí)計(jì)算 AcuSolve 和 OptiStruct 模型，在相同的時(shí)間步交換數(shù)據(jù)，計(jì)算代價(jià)最大。可以考慮固體的大變形和材料非線性，并評(píng)估固體變形的真實(shí)應(yīng)力。

DC-FSI原理圖

 

隔膜閥DC-FSI分析案例

隔膜閥置于軸向流道,隔膜材料能承受較大變形, 在大流量下隔膜產(chǎn)生形變，逐步減小過流面積，起到自動(dòng)節(jié)流的效果。

隔膜閥的瞬態(tài)流場(chǎng)

隔膜閥的Von Mises 應(yīng)力

隔膜閥中心點(diǎn)位移

總 結(jié)

?首先用戶判斷FSI問題屬于哪一類，采取合理假設(shè)，降低計(jì)算代價(jià)。
?流固交界面的網(wǎng)格不要求節(jié)點(diǎn)一一匹配，但是如果流體側(cè)和固體側(cè)的網(wǎng)格尺寸差太多，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)映射的誤差。
?P-FSI和DC-FSI的流體都要求是瞬態(tài)計(jì)算，估算時(shí)間步長(zhǎng)，既要滿足振動(dòng)最高頻率的要求，還要滿足一個(gè)時(shí)間步內(nèi)網(wǎng)格變形量不能過大（否則造成CFD網(wǎng)格負(fù)體積而發(fā)散）。
?避免在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)傳遞很大的力給OptiStruct，或反之，在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)傳遞很大的位移給AcuSolve。可以通過增加一個(gè)Multiplier的方法分步加載，提高FSI耦合計(jì)算的收斂穩(wěn)定性。
?HyperWorks的FSI計(jì)算可以跨平臺(tái)，比如把AcuSolve計(jì)算放在Linux的集群上，而OptiStruct的計(jì)算放在Windows的臺(tái)式機(jī)，通過TCP端口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。

文章來(lái)源：Altair官方技術(shù)論壇