ALE，流場，流固耦合的案例
基于任意拉格朗日-歐拉 (ALE) 技術(shù)和相場方法的流固耦合模擬 ￥1500
<p>本案例基于任意拉格朗日-歐拉 (ALE) 技術(shù)和相場方法模擬容器內(nèi)流體在自重作用下的流動，且與不同高度阻擋壁的流-固耦合作用過程。該模型可以擴展應(yīng)用于其它涉及兩相流固耦合的實際工程項目中。模擬結(jié)果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202212/896e2842077f418eb6c69dde2ac4bb99.gif" alt="Untitled11.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>阻擋壁高度較小時，水流淹沒流過阻擋壁，阻擋壁發(fā)生變形位移</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202212/f5993448058c451ea59f8b40f80bcc46.gif" alt="Untitled12.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>阻擋壁高度較大時，水流被阻擋在阻擋壁一側(cè)，阻擋壁發(fā)生變形位移</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作</p><p><br></p>
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Abaqus流場（流-固耦合）仿真案例講解
基于LSDYNA的流固耦合模擬滑坡/泥石流ALE與結(jié)構(gòu)FEM之間的撞擊 ￥150
用歐拉方法表述物理方程是電磁學(xué)和流體物理學(xué)等問題的通用方法，其中場變量表示為空間坐標系中固定坐標的函數(shù)。然而，對于力學(xué)問題，拉格朗日方法提供了另一種思路。力學(xué)方程是根據(jù)無限小的個體材料編寫，當物體動態(tài)位移或變形時，材料會在物體內(nèi)移動。從拉格朗日坐標系的角度來看，物體本身總是不變形的，而坐標系始終保持附著在變形物體上并隨其移動。任意拉格朗日-歐拉法結(jié)合了兩種計算方法的優(yōu)點，在計算的過程中可實時調(diào)整網(wǎng)格，適用于大變形材料的計算模擬。
本文的計算采用LS-DYNA平臺，將滑坡體的運動采用ALE的方法模擬，樁體采用FEM的方法模擬。
以下為模擬的案例：
無結(jié)構(gòu)阻擋得模擬結(jié)果：
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有結(jié)構(gòu)物耦合作用的：
展開 基于Hypermesh前處理與Fluent、Optistruct求解器的流固耦合分析（一）流場計算
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一、概述
隨著計算科學(xué)以及數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，流固耦合或交互作用 （fluid structure coupling 或 fluid structure interaction）研究從 20 世紀 80 年代以來，受到了世界學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛 關(guān)注。流固耦合問題是流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）與固體力學(xué) （Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而生成的一門力學(xué)分支，同時也是多學(xué)科或多物理場研究的一個重要分支，它是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場影響這二者相互作用的一門科學(xué)。了解流固耦合對于許多產(chǎn)品的設(shè)計至關(guān)重要。如果不考慮流體與固體之間的相互影響，則會導(dǎo)致產(chǎn)品性能被過高或過低估計。
流固耦合一般分為單向耦合與雙向耦合。如果結(jié)構(gòu)變形非常小，并且可以認為結(jié)構(gòu)的變形幾乎不會對流場的各項參數(shù)產(chǎn)生影響，或產(chǎn)品本身不允許在流體的作用下發(fā)生較大的變形，這種情況下只需要先求解出流體與固體界面上的壓強數(shù)據(jù)，并將壓強數(shù)據(jù)傳導(dǎo)到固體的表面進行結(jié)構(gòu)力學(xué)計算。然而，如果結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形，流體的速度和壓力場就會因此發(fā)生改變，此時我們需要將其作為雙向耦合問題進行多物理場分析：流體流動和壓力場會影響結(jié)構(gòu)變形，而結(jié)構(gòu)變形又反過來影響流體的流動和壓力。實際工況中選擇進行單向耦合分析還是雙向耦合分析需要根據(jù)實際產(chǎn)品及作用工況進行判斷。
本文將執(zhí)行一個單向流固耦合分析流程，先在Hypermesh前處理器進行流體域的建立和CFD網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入至Fluent求解器進行流場計算，得到流體與固體界面的壓強信息，隨后將Fluent中計算得到的壓力信息映射至結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上，并使用Optistruct求解器進行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。
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CAE黑話：耦合場/順序耦合/直接耦合/流固耦合(FSI)
做CAE仿真，理清各類“耦合”概念是跨入多物理場分析的第一步。今天直接拆解4個核心黑話，建議工程師在做復(fù)雜系統(tǒng)仿真前明確這些基本定義。
耦合場 (Coupled Field) 真實物理世界中，聲、熱、力、電磁等物理場往往不是孤立存在的，它們相互影響的過程就是耦合。例如電機發(fā)熱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)熱膨脹，這就涉及到電磁-熱-力多場耦合。
順序耦合 (Sequential Coupling) “串聯(lián)”解法。先計算物理場A，將A的結(jié)果（如溫度分布）作為外部載荷提取出來，單向傳遞給物理場B（如結(jié)構(gòu)場）進行求解。優(yōu)點是計算成本低，適用于單向影響主導(dǎo)的場景。
直接耦合 (Direct Coupling) “并聯(lián)”解法。將多個物理場的自由度放在同一個大型剛度矩陣中，在一個求解器里同步迭代求解。適用于物理場之間相互作用強、必須實時反饋的場景（如壓電效應(yīng)）。精度極高，但極度消耗計算資源。
流固耦合 FSI (Fluid-Structure Interaction) 工程中最常見的一類耦合。流體的流動產(chǎn)生壓力使固體發(fā)生變形，而固體的變形又反過來改變了流體的流場（如風(fēng)機葉片形變、橋梁風(fēng)振）。按反饋程度也分為單向FSI和雙向FSI。
展開 Abaqus管道流場仿真(流-固耦合)案例講解（Part-3）
Abaqus管道流場仿真(流-固耦合)案例講解（Part-3）
基于abaqus的變速箱甩油模型（流固耦合、ALE算法） ￥5.99
很多需要進行流固耦合計算的實際案例中，模型一般較為復(fù)雜，采用fluent等流體計算軟件所需的前處理比較復(fù)雜，而且計算分析所需的時間一般較長，采用自適應(yīng)的拉格朗日-歐拉算法可以很好的解決這個問題。
因歐拉算法的材料在網(wǎng)格內(nèi)流動，因此網(wǎng)格本身不會發(fā)生變形，因此不用擔(dān)心因網(wǎng)格畸變帶來的求解發(fā)散等問題，且在處理網(wǎng)格時，流體網(wǎng)格可與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格重合，大大簡化了流場，提高了建模效率。
如下以一簡單減速器模型進行示意，采用的是abaqus求解器，后續(xù)如果大家關(guān)注，可以進行LS-DYNA的建模，計算效果及效率與abaqus相當。
附件為inp模型及設(shè)置關(guān)鍵步驟，感興趣可以下載。
【流固耦合】降落傘充氣過程流固耦合分析
在充氣過程中，傘衣的結(jié)構(gòu)大變形與傘衣周圍流場變化的相互耦合是十分復(fù)雜的。因此，想要通過理論模型求解該過程是非常難以實現(xiàn)，而數(shù)值仿真技術(shù)將提供較好的解決思路。
降落傘的數(shù)值模擬是典型的流固耦合問題。解決該問題的主要思路是：應(yīng)用計算流體動力學(xué)模擬降落傘的流場特征，通過結(jié)構(gòu)有限元法模擬降落傘的結(jié)構(gòu)特性，然后把兩者通過迭代耦合的方式結(jié)合起來，完成降落傘的數(shù)值模擬。本案例采用有限元分析軟件LS-DYNA來求解分析降落傘的充氣過程。
首先建立傘衣幾何模型，初始狀態(tài)設(shè)定為半折疊狀態(tài)，如圖1所示，將其保存為stp格式并導(dǎo)入Hypermesh中進行前處理。確定傘繩初始長度，并設(shè)定頂點位置，通過line功能建立傘繩線條。根據(jù)幾何模型大小對流體域進行建模，可設(shè)置為圓柱體域空間，選擇合適的尺寸對上述部件進行網(wǎng)格劃分，計算模型可參考圖2。
圖1 傘衣幾何模型
圖2 降落傘及流體域計算模型
傘衣材料選擇柔性紡織物材料，關(guān)鍵字為MAT_034,其密度為500kg/m3，彈性模量400MPa，泊松比0.15，厚度設(shè)置為2mm。傘繩選擇離散梁單元材料，關(guān)鍵詞為MAT_071，其中密度為400kg/m3，彈性模量97000MPa，截面積可自行設(shè)置。流體域賦予理想氣體，并設(shè)定空氣流速為80m/s。計算方法選擇ALE流固耦合算法。其余Card填充較為繁瑣，不在此贅述。計算結(jié)果展示如下：
圖3 不同時刻降落傘充氣狀態(tài)（0s；0.3s；0.6s；1s）
降落傘充氣展開視角1
降落傘充氣展開視角2
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展開 【流固耦合】翼傘后緣偏轉(zhuǎn)過程的流固耦合動力學(xué)特性
翼傘后緣偏轉(zhuǎn)的操縱過程會顯著改變翼面的整體氣動布局，同時需要多根操縱繩精確協(xié)同控制，是典型的氣動與結(jié)構(gòu)緊耦合問題，涉及到的動力學(xué)問題復(fù)雜多變。對于翼傘系統(tǒng)操縱過程的動力學(xué)機理問題研究一直是降落傘領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和熱點問題。
本文基于 Structured ALE（S-ALE）流固耦合方法對翼傘后緣偏轉(zhuǎn)過程進行動力學(xué)建模和仿真分析。研究翼傘三維模型后緣偏轉(zhuǎn)過程、傘衣結(jié)構(gòu)場和周圍流場的時變演化規(guī)律及分布特性，為進一步指導(dǎo)大型翼傘精確空投系統(tǒng)的飛控系統(tǒng)設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用提供參考。
流固耦合建模
本文所研究的翼傘后緣偏轉(zhuǎn)過程是針對充滿鼓包狀態(tài)的翼傘三維模型進行的。翼傘系統(tǒng)包括傘衣、傘繩和掛重載荷，幾何模型如圖 1 所示。實際流固耦合仿真過程只考慮傘衣結(jié)構(gòu)與流場的雙向耦合作用；傘繩在翼傘偏轉(zhuǎn)過程承受拉力，且通過傘繩施加后緣下拉過程的作用力載荷；忽略傘繩與周圍流體的耦合作用和繩索的阻尼效應(yīng)。
圖 1 翼傘系統(tǒng)三維幾何模型
仿真方法驗證
為避免因流體和結(jié)構(gòu)單元之間尺寸差異過大而導(dǎo)致顯式動力學(xué)積分過程可能出現(xiàn)的非物理特征“沙漏現(xiàn)象”，進而引起計算發(fā)散，流場網(wǎng)格尺寸與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸盡量接近1∶1，如圖 2 所示。
圖 2 翼傘氣室流固耦合仿真網(wǎng)格模型
本文采用 S-ALE 求解方法對流固耦合模型進行仿真計算，S-ALE 方法與傳統(tǒng) ALE 方法的基本理論相同，均包括了映射過程的對流輸運、界面重構(gòu)和歐拉流場與拉格朗日結(jié)構(gòu)相互作用的流固耦合過程。不同的是，在網(wǎng)格的處理方法上，S-ALE 方法采用自動生成網(wǎng)格技術(shù)，即流場網(wǎng)格根據(jù)控制點設(shè)定的方向、增長率、網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格密度等參數(shù)在仿真過程中隨著時間步的推進逐漸產(chǎn)生，仿真前無需單獨建立流場網(wǎng)格。這可以極大減小網(wǎng)格處理時間并提高計算效率。
展開 WORKBENCH流固耦合案例#292-螺桿（單）擠出機流場和應(yīng)力仿真
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WORKBENCH流固耦合案例#292-螺桿（單）擠出機流場和應(yīng)力仿真
01
案例介紹
如圖所示的螺桿（單）擠出機，擠出量可以設(shè)定為800kgh，螺桿轉(zhuǎn)速340rpm，物料密度700kg/m3，粘度1620Pa.s，物料含水率為30%，要模擬此過程中的流場和螺桿應(yīng)力分布。
CAE黑話：耦合場/順序/直接/流固耦合
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在解決復(fù)雜的工程問題時，單一物理場分析往往力不從心。耦合場分析是高階工程師必須掌握的核心技能。
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1?? 耦合場 (Coupled Field) 兩個或多個物理場（如：熱-結(jié)構(gòu)、流-固、電-磁-熱）相互影響、共同作用。一個場的計算結(jié)果直接影響另一個場的輸入條件或系統(tǒng)屬性。
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2?? 順序耦合 (Sequential Coupled Solving) 按順序一個接一個地求解物理場。例如：先計算溫度場，將溫度場結(jié)果（節(jié)點溫度）作為熱載荷施加到結(jié)構(gòu)場上進行應(yīng)力分析。
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特點： 計算簡單，收斂性好，但僅考慮單向影響，精度受限。
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3?? 直接耦合 (Direct Coupled Solving) 將不同物理場的控制方程合并成一個單一的、更大的方程組同時求解。方程組中包含耦合項。
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特點： 考慮完全的雙向耦合，精度最高。但計算量大，收斂非常困難，對網(wǎng)格質(zhì)量要求極高。
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4?? 流固耦合 (FSI) 一種非常典型的直接耦合。
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S-ALE流固耦合結(jié)果奇怪，求大佬答疑
做的系泊浮體自由漂浮，出現(xiàn)浮體在水面波動很大的問題，能怎么解決？R13版本
基于ls dyna流固耦合的ale算法水射流破巖
通過ls-dyna流固耦合實現(xiàn)了無限水射流破巖過程，巖石采用111號材料，水流采用9號null材料加eos狀態(tài)方程材料并使用ale算法，可以聯(lián)系qq2939864873拿k文件
淺談流固耦合<2>：ANSYS中的流固耦合
在ANSYS軟件中使用流固耦合計算是很方便的。
在ANSYS中，進行流體計算的軟件主要是FLUENT與CFX，而參與固體力學(xué)計算的模塊主要是APDL（俗稱的經(jīng)典模塊）與Mechanical。這四款軟件的中流體計算模塊與固體計算模塊的相互組合，即可構(gòu)成流固耦合計算方案。由于本人對于APDL的耦合計算應(yīng)用較少，因此本次不打算討論APDL在流固耦合上的應(yīng)用。
前面提到，流固耦合計算可分為單向耦合與雙向耦合，利用CFX或FLUENT與Mechanical的聯(lián)合仿真，可以實現(xiàn)單向耦合和雙向耦合。（需要注意的是：14.0之后的版本中才允許FLUENT通過System Coupling模塊與Mechanical實現(xiàn)雙向耦合計算，在之前的版本中FLUENT只能做單向耦合）。
1、單向耦合
單向耦合指的是只有一方求解器向另一方發(fā)送數(shù)據(jù)信息，另一方并不反回數(shù)據(jù)。分為兩種情況：
（1）流體求解器向固體求解器發(fā)送壓力及溫度數(shù)據(jù)。這是最常見的單向耦合計算。通常用在固體熱應(yīng)力計算，或計算流體載荷在固體上產(chǎn)生的應(yīng)力。一般來說這種計算都是基于固體小變形假設(shè)，也就是說固體的形變對流場產(chǎn)生的影響可以忽略。
（2）固體變形對流場的影響。這種情況在實際計算過程中很少應(yīng)用到，因為流體計算中的動網(wǎng)格功能完全可以滿足要求。
2、雙向耦合
雙向耦合應(yīng)用于流體作用于固體變形耦合強烈的領(lǐng)域。通常需要考慮到固體變形對流場的影響。分為兩種情況：
（1）擾動由流體引起。即流體流動導(dǎo)致固體變形，固體變形引起流場的擾動。如渦激振動就是一種典型情況。
（2）擾動由固體引起。固體變形引起流體流場擾動，之后流體流場反作用與固體變形，研究其相互作用。
這兩種情況在實際應(yīng)用中都會經(jīng)常遇到。
OK，下面談一下如何在ANSYS中解決這幾類耦合問題。
展開 ansys流固耦合分析與工程實例 附ANSYS流固耦合分析與工程實例下載
概念介紹
流固耦合問題是流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)與固體力學(xué) (Computational Solid Mechanics，CSM)交叉而生成的一門力學(xué)分支，同時也是多學(xué)科或多 物理場研究的一個重要分支， 它是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場影響這二者相互作用的一門科學(xué)。
流固耦合問題可以理解為既涉及固體求解又涉及流體求解， 而兩者又都不能被忽略的模擬問題。因為同時考慮流體和結(jié)構(gòu)特性，流固耦合可以有效節(jié)約分析時間和成本，同時保證結(jié)果更接近于物理現(xiàn)象本身的規(guī)律。所以， 近年來流固耦合分析在工程設(shè)計特別是虛擬設(shè)計和仿真中的應(yīng)用越來越廣泛和深入。
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