Abaqus 間接耦合(Co-simulation)

Abaqus間接耦合技術(shù)是指耦合多物理場時,協(xié)同多個求解程序同步求解,比如常提到的流固耦合FSI(Fluid-structure Interaction)就主要用于求解氣流-結(jié)構(gòu)的熱交互、水流-結(jié)構(gòu)的力交互。

實現(xiàn)Abaqus間接耦合多物理場,是同時調(diào)用多個Abaqus求解程序,以及第三方程序,比如流-固耦合,即同時調(diào)用Abaqus/Standard或Abaqus/Explicit和Abaqus/CFD或Fluent等,所以求解可以是線性或非線性、穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)。

注意


相同物理場,也可使用間接耦合,即多區(qū)域協(xié)同求解方法,比如:Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit協(xié)同仿真求解大變形問題,使用Abaqus/Explicit求解變形大難收斂區(qū)域,而用Abaqus/Standard求解變形小易收斂區(qū)域,以加快求解速度。

01

間接耦合原理

Abaqus 間接耦合(Co-simulation)的圖1

間接耦合是基于分域求解,即多物理場域之間通過接觸區(qū)交換數(shù)據(jù),實現(xiàn)Abaqus和耦合程序協(xié)同求解。在協(xié)同求解中,一個物理場的域變化可能影響到其他物理場域的響應(yīng),比如圖1所示流(氣體)-固耦合中,空氣流動對結(jié)構(gòu)施加壓力,引起結(jié)構(gòu)變形,同時結(jié)構(gòu)變形也會影響空氣流速。

Abaqus 間接耦合(Co-simulation)的圖2

圖1 流-固耦合示例

Abaqus提供兩種間接耦合的協(xié)同求解:協(xié)同仿真引擎(Co-Simulation Engine)和基于網(wǎng)格并行代碼的耦合接口(MpCCI, Mesh-based parallel Code Coupling Interface)。

(1)Co-simulation Engine。
此引擎是由Abaqus公司自己開發(fā)的協(xié)同仿真程式,不需要借用任何第三方交互工具,全程在Abaqus/CAE界面操作。其能夠?qū)θ缦埋詈蠄鲞M(jìn)行數(shù)據(jù)交互:兼有熱傳的流-固耦合、電磁-結(jié)構(gòu)耦合、電磁-熱耦合,以及隱式動態(tài)(Abaqus/Standard)和顯式動態(tài)(Abaqus/Explicit)的耦合。
(2)MpCCI。
MpCCI是由德國Fraunhofer研究所算法與計算科學(xué)SCAI研究中心研發(fā)出來的一款多物理場代碼耦合工具。

注意


MpCCI與眾多仿真軟件有數(shù)據(jù)交換接口,如Fluent、Flux、Abaqus、ANSYS、MD Nastran、NUMECA、STAR-CD、STAR-CCM+、MSC.Marc等。

02

間接耦合強(qiáng)度

Abaqus 間接耦合(Co-simulation)的圖3

間接耦合主要適用于多物理場之間具有明顯界線的情況,各物理場獨(dú)自求解僅通過接觸交換數(shù)據(jù)。

大多數(shù)情況下,間接耦合是雙向耦合,比如圖1所示的流-固耦合,流體流動會對結(jié)構(gòu)施加壓力,引起結(jié)構(gòu)變形,同時結(jié)構(gòu)變形也會對流體流速造成影響。

少數(shù)情況,間接耦合多物理場的強(qiáng)度相對較弱。比如,電磁-結(jié)構(gòu)耦合中,電磁力對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)較大,但相反,結(jié)構(gòu)變形對電磁力影響甚微,則可假設(shè)成電磁→結(jié)構(gòu)單向耦合。

03

Abaqus/CFD

Abaqus 間接耦合(Co-simulation)的圖4

基于Abaqus/CAE的前后處理,日趨成熟的Abaqus/CFD已完全具備計算流體動力學(xué)(Computational FluidDynamics)能力,能夠求解具有以下特征的不可壓縮流-熱(Fluid-Thermal)、流-固(Fluid-Structural)等問題:層流或湍流(Laminar or Turbulent)、穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)(Steady-state or Transient)、圖2所示內(nèi)流或外流(Internal or Externalflows)、熱傳導(dǎo)(Thermal convective)、網(wǎng)格變形(Deforming-mesh ALE)等。

針對任意控制體積的穩(wěn)動量守恒方程可表達(dá)為

Abaqus 間接耦合(Co-simulation)的圖5

式中,V為任意控制體積,其表面積為S;n為表面S的外法向;р為流體密度;P為壓強(qiáng);v為速度矢量,f為體積力;τ為黏性剪切應(yīng)力。

而針對能量守恒的溫度傳遞可表達(dá)為

Abaqus 間接耦合(Co-simulation)的圖6

式中,Cp為壓強(qiáng)P下的比熱;θ為溫度;q為熱流密度;r為每單位體積外部供熱。

Abaqus 間接耦合(Co-simulation)的圖7

圖2內(nèi)流或外流

在Abaqus/CAE的Step模塊調(diào)用流體分析:Create Step→General:Flow。

文章來源:精準(zhǔn)CAE部落

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