本文采用ANSYS顯示動力分析模塊LS-DYNA及流場分析模塊FLUENT，對水下的板殼結(jié)構(gòu)運動及其界面的流固耦合現(xiàn)象進行了仿真分析。流場計算得到的界面壓強數(shù)據(jù)以外載荷的形式施加于結(jié)構(gòu)表面，使其產(chǎn)生位移及變形；同時，結(jié)構(gòu)的變化又進一步影響了流場的分布。通過往復的雙向耦合迭代，得到了板殼結(jié)構(gòu)的動力學響應以及流場的分布情況。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比表明，此方法適用于解決兼有大位移及較大變形特征的流- 固耦合問題。 

1 前言 

      在自然界中，流-固耦合現(xiàn)象廣泛存在于航空、航天、汽車、水利、石油、化工、海洋以及生物等領域。很多實際問題中流體載荷對于結(jié)構(gòu)的影響不可忽略；同時，結(jié)構(gòu)的位移和變形也會對流場的分布產(chǎn)生重要影響。例如各種水下運動機構(gòu)都需要考慮這種現(xiàn)象。 

      板殼是基本的結(jié)構(gòu)單元，研究其與流體相互作用的過程的仿真方法對水下結(jié)構(gòu)的設計具有一定的指導意義。文獻利用ANSYS/LS-DYNA對板殼結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊載荷作用下的動力學響應進行了仿真分析和試驗研究，文獻對窄流道中柔性單板流致振動引起的流-固耦合問題進行了數(shù)值模擬，但以上文獻所進行的分析均為板殼結(jié)構(gòu)處于約束狀態(tài)下的平衡位置附近的振動耦合分析。利用ANSYS靜力學分析模塊以及CFX或FLUENT等流體分析模塊對有固定約束條件的板殼結(jié)構(gòu)進行流-固耦合分析的實例已經(jīng)很多，ANSYS Workbench中也有這方面的耦合實例。但是對于流體沖擊引起結(jié)構(gòu)的大位移以及較大變形的動力學分析目前還不完善，有待進一步的研究。因此本文應用大型通用有限元分析軟件ANSYS13.0中的顯示動力分析模塊LS-DYNA以及流體分析模塊FLUENT，對受流體沖擊作用下兼有大位移及較大變形的板殼結(jié)構(gòu)的流-固耦合作用進行了仿真分析。 

2 有限元分析 

2.1 問題描述 

      本文針對板殼結(jié)構(gòu)受流體沖擊載荷作用下的動力學響應進行分析，主要研究板殼結(jié)構(gòu)的運動時間歷程、應力分布規(guī)律以及對流場分布的影響。 

      用于仿真對照的試驗方案如圖1所示，矩形薄板一端固定于轉(zhuǎn)軸上，并全部浸于水箱中，同時在正對薄板中心的水箱壁上設有一個高速水流進口，以保證水流在初始時刻可垂直沖擊薄板中心。此外，在水箱中薄板旋轉(zhuǎn)方向上的特定位置處設置有一個平行于轉(zhuǎn)軸中心線的剛性擋桿，旨在對因受流體沖擊而發(fā)生旋轉(zhuǎn)的薄板起到反向阻礙作用，使其出現(xiàn)較大變形。測量的薄板的轉(zhuǎn)動角度、板面應力分布等參數(shù)可作為仿真對比的依據(jù)。

     

2.2 計算模型 

2.2.1 結(jié)構(gòu)模型 

      結(jié)構(gòu)模型包括四部分：矩形薄板、轉(zhuǎn)軸、軸承以及剛性擋桿。運用ANSYS程序的參數(shù)化建模功能即可快速得到結(jié)構(gòu)模型。利用復雜的實體切割及布爾運算功能將結(jié)構(gòu)模型全部采用sweep方法進行六面體網(wǎng)格劃分，所選用的單元類型為顯式solid164單元，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

                

      此外，由于要接受來自流體域計算的壓強載荷，而壓強載荷在體單元上進行施加很難保證加載的正確性，因此需要在薄板的表面建立一層虛擬的薄殼單元，此薄殼單元在計算過程中只起到傳遞壓強載荷的作用，不應對薄板結(jié)構(gòu)起到任何的加強作用，所以就需要保證殼單元的厚度值的數(shù)量級遠遠小于薄板的厚度，以盡可能降低計算過程中殼單元對實際計算模型的影響。本文所采用的殼單元為顯式shell163單元，厚度實常數(shù)設置為1e-6。 

      矩形薄板與轉(zhuǎn)軸的連接處采用共節(jié)點的方式進行處理。轉(zhuǎn)軸與兩個軸承之間建立接觸，接觸類型為Automatic Surface To Surface。由于在轉(zhuǎn)動過程中薄板將與剛性擋桿發(fā)生碰撞，因此在薄板的表面殼單元與擋桿之間也需建立接觸，類型為Automatic Node To Surface。該有限元模型的單元總數(shù)為3434，節(jié)點總數(shù)為3763。 

      薄板與轉(zhuǎn)軸的材料均為鋼。由于不考慮軸承的應力及變形情況，故軸承及剛性擋桿均采用LS-DYNA中特有的剛性材料模型，并約束所有自由度。 

      由于在LS-DYNA中壓強載荷只能施加于part或component上，因此將前述所劃分的耦合界面上的每個殼單元均建立成一個component，每個殼單元上的壓強載荷由該單元四個節(jié)點的壓強值求平均得到，而各個結(jié)構(gòu)節(jié)點的壓強值則根據(jù)其坐標對應關(guān)系由流體域的流體節(jié)點壓強值插值得到。得到每個單元的平均壓強后，分別建立載荷數(shù)組，通過APDL語言可以方便的進行每個單元的載荷施加。 

2.2.2 流體域模型 

      流體域模型采用FLUENT專用前處理器GAMBIT進行建模。水箱長和寬均為900mm，水箱高為500mm，進口管道直徑為90mm，進口管道長200mm。由于流體域模型比較復雜，模型最小邊長與最大邊長數(shù)量級相差較大，故采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行劃分，劃分結(jié)果如圖3所示。在薄板及水流進口區(qū)域附近由于流場變化較大，故網(wǎng)格密度設置較大，在遠離薄板的水箱壁處網(wǎng)格密度設置較小，劃分后的流體域網(wǎng)格總數(shù)為140369。在FLUENT中流場邊界條件設置如下：入口邊界為速度入口v=5m/s，出口邊界為壓強出口p=0，水箱壁、轉(zhuǎn)軸、薄板以及進水管壁均為wall邊界。另外，薄板的wall邊界應單獨設置，以便在流體域計算完成后輸出此耦合面上的壓強數(shù)據(jù)，進而以外載的形式施加到結(jié)構(gòu)求解器中。

                 

2.3 耦合方法 

      此流-固耦合問題屬于雙向耦合問題，故流體與結(jié)構(gòu)之間的信息傳遞是交互的。由于LS-DYNA與FLUENT之間不能直接進行結(jié)果數(shù)據(jù)的交換，因此需要有中間數(shù)據(jù)交換步驟。本文利用自編的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序分別對各自軟件計算的結(jié)果數(shù)據(jù)進行處理，轉(zhuǎn)換成能夠被各自軟件讀取的數(shù)據(jù)格式，從而進行耦合迭代。耦合計算的流程如圖4所示，由FLUENT開始，首先進行流場初始化并得到初始壓強分布，然后將此壓強載荷通過數(shù)據(jù)處理傳遞到LS-DYNA，然后進行結(jié)構(gòu)場的第一時間步迭代計算，計算得到的位移數(shù)據(jù)再通過數(shù)據(jù)處理傳回FLUENT，從而完成一個耦合迭代步。

                 

3 仿真結(jié)果分析 

3.1 薄板運動時間歷程分析 

      利用ANSYS中的LS-DYNA求解器進行結(jié)構(gòu)顯式動力學計算。薄板在水流沖擊作用下圍繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在ANSYS時間歷程后處理中提取轉(zhuǎn)板質(zhì)心位移值隨時間變化的數(shù)據(jù)，并進行相應處理后轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動角度以及角速度隨時間變化的歷程曲線，分別如圖5和圖6所示。同時試驗測得的轉(zhuǎn)角及角速度曲線也在圖5與圖6中給出。

                

      通過對比試驗與仿真曲線，可以看出采用本文中流-固耦合計算方法模擬薄板的運動學響應基本上符合試驗結(jié)果。在運動的初始階段，由于試驗水流流速是從零開始上升至穩(wěn)定流速值，而仿真的初始流速即設置為穩(wěn)定流速值，故仿真得出的轉(zhuǎn)角曲線略超前于試驗值。試驗的最大轉(zhuǎn)角略低于仿真最大轉(zhuǎn)角，同時試驗的碰撞時間點超前于仿真的碰撞時間點。其共同原因是試驗用薄板表面布有測試用的導線，其效果相當于增加了板厚，故其與擋桿碰撞的時間點提前，轉(zhuǎn)角最大值降低。從以上兩圖的仿真曲線可以看出，整個耦合作用過程持續(xù)時間很短，薄板最后趨于穩(wěn)定的時間約為72ms左右。從圖7可以看出，在初始受到流體沖擊時，轉(zhuǎn)板角速度迅速提高，這是由于在初始時刻，水流垂直沖擊薄板，薄板受到的法向力最大。當角速度達到一定值后趨于穩(wěn)定，薄板所受流體沖擊載荷與水域中阻力以及轉(zhuǎn)軸的摩擦力矩達到平衡。當t≈56ms時，薄板與剛性擋桿碰撞，繼而產(chǎn)生一定的回彈，角速度迅速跌落為負值。在流體的持續(xù)沖擊作用下，薄板角速度振蕩的振幅逐漸衰減并趨于零。 

3.2 薄板應力分析 

      利用ANSYS通用后處理可得到轉(zhuǎn)板在碰撞前不同時刻的應力分布圖，如圖7所示。由于薄板中心區(qū)域受到流體的瞬時沖擊，使其帶動轉(zhuǎn)軸克服軸承摩擦阻力以及薄板周圍流體的阻尼作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，峰值應力出現(xiàn)在根部位置并沿著轉(zhuǎn)軸的徑向遞減，這與材料力學中懸臂梁彎曲原理相符合。旋轉(zhuǎn)過程中峰值應力維持在12MPa左右。

    

      薄板旋轉(zhuǎn)過一定角度后與剛性擋桿發(fā)生碰撞，碰撞瞬時板上的應力分布云圖如圖8所示，由圖8并對比圖7各圖可以看出，板上的應力分布以及應力峰值均發(fā)生較大變化，應力峰值區(qū)域同時出現(xiàn)在根部以及碰撞接觸位置處，且根部的應力峰值達到70MPa，碰撞接觸位置的應力峰值也達到40Mpa。由于應力的峰值較碰撞前的峰值有了顯著的提高，因此薄板會有相對較大的變形現(xiàn)象。

               

3.3 流場分析 

      由于薄板的轉(zhuǎn)動，使得流場邊界在不同時刻也隨之改變。如圖9所示為不同時刻薄板附近區(qū)域的壓強場分布圖。從圖9中可以看出，在t=10ms時，由于薄板展開角度較小，其對進口水流的阻礙作用最明顯，因此可以看到從進口到薄板的整個區(qū)域內(nèi)都呈現(xiàn)出高壓趨勢。隨著時間的增加，薄板的展開角度變大，進口水流受到薄板的阻礙作用減弱，進口區(qū)域的壓強峰值逐漸降低。由于薄板始終對進口水流的阻礙，最大壓強區(qū)基本保持在薄板表面的中心區(qū)域，且向邊緣遞減。此外還可以看到，隨著時間的推移，在進口與管壁相接拐角處逐漸形成負壓區(qū)，并且負壓區(qū)范圍逐漸變大。其原因是在此處出現(xiàn)了速度漩渦，時間約久，速度漩渦越明顯。通過圖10可以明顯看到速度漩渦的形成。

      

     

4 結(jié)論 

      利用ANSYS Workbench中的流-固耦合模塊可以很方便的進行具有固定約束端的板殼結(jié)構(gòu)的耦合分析。但是當結(jié)構(gòu)在流體載荷的沖擊作用下出現(xiàn)較大的剛性位移以及較大的變形時，ANSYS靜力學隱式分析方法就不適用于此類情況，改用顯示動力分析模塊LS-DYNA則可以較精確的模擬出結(jié)構(gòu)的運動學過程以及應力分布情況。本文利用大型通用有限元分析軟件ANSYS中的顯示動力分析模塊LS-DYNA和流體分析模塊FLUENT完成了流體沖擊導致結(jié)構(gòu)大位移以及較大變形的流-固耦合仿真分析。通過仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比表明，對于這類流-固耦合問題，顯示動力分析模塊可以很準確的模擬出結(jié)構(gòu)的運動學和動力學響應。