固體變形
關注創建者：夢幻之旅4433 創建時間：2023-03-05
固體變形的視頻教程
基于Abaqus和xflow的耦合場分析案例
如果固體的變形較大不可忽略，對流體的變化產生較大影響，那么就要研究流體與固體的相互影響了，這時需要做雙向流固耦合分析，那么可以使用XFlow與Abaqus聯合仿真。 此外，XFlow還具備與Nastran、Simpack、CST等軟件開展聯合仿真應用。 大家能學到： XFlow在聯合仿真方面的應用。
￥9.9 57分鐘 548播放
查看
WorkBench單圓管雙向3D流固耦合分析（考慮結構變形）-(未錄聲音)-（附wb案例文件）
本案例以最具代表性的細長圓管為例，分析在流體力的激勵下，往復顫振的效果，并考慮固體圓管的變形。 流體介質為水，圓管材料為鋼。之前發布過一個原創案例，為了更好的了解詳細的設置過程，對此案例進行了整個過程錄屏。
￥269 16分鐘 107播放
查看
LS-DYNA案例課程-5(流固耦合實例分析--射流侵徹鋼板)
流固耦合力學是研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位形對流場影響這二者交互作用的一門科學。流體與固體結構的耦合作用是工程實踐中經常遇到的問題。比如射流侵徹的一塊鋼板，鋼板變形的同時又影響了射流的方向和速度。
￥198 53分鐘 1939播放
查看
固體變形的實例教程
細觀塑性力學(mesoplasticity)
研究材料細觀結構對載荷的響應、演化和失效機理，以及細觀結構對材料宏觀性能的影響的一門新興學科，是材料科學與固體力學緊密結合的產物。
20世紀70年代以來，材料工藝及制造技術突飛猛進。材料設計、加工及精密制造技術已成為一個定量及嚴密的學科，其中發展最為關鍵的一環就是對工程材料的力學性能的認識不斷提高。工程材料的加工是通過塑性變形(如壓力加工和精密切削)進行的。人們研究塑性變形的途徑可分為兩大類：一類是以傳統力學為基礎的唯象理論，強調解決問題的數學表達和邊界解，被稱為宏觀塑性力學；另一類是以物理學為基礎的微觀理論，研究材料真實塑性變形的微觀機理與力學性能(如屈服強度、硬度)之間的相互聯系，被稱為微觀塑性力學。多年來它們在各自領域內發展。
固體塑性變形可以從尺寸量級上分類(見表)，德魯克(D．C．Drucker)對這方面做了討論。表中列出了不同尺寸量級的研究對象以及相應的學科。從表中可以看出，不同學科所關心的研究對象的尺度相差很大，互不相容，但大體可以分為微觀和細觀以及宏觀兩個尺寸范圍。
固體塑性變形的分類
傳統計算力學以“連續介質”假設為基礎，用唯象理論的方法研究并建立了各類材料的本構關系，由此導出了固體力學各類問題的基本方程，建立了相應的解析和數值解法。然而，唯象理論在大應變、高應變速率、非比率加載、率相關、溫度敏感以及晶界效應等問題前遇到了難于逾越的障礙。大量事實表明，材料的力學性質對微觀結構是敏感的。
微觀塑性力學基礎建立于位錯理論，通過位錯運動和晶格其他缺陷來解釋材料的基本性能。由于研究的對象是位錯及晶體缺陷，只能通過電子顯微鏡來觀察，觀察范圍非常細小且研制費時，不適于作為工業生產上質量控制的評定指標。
展開 案例覆蓋核心強非線性場景：課程精選的案例全面覆蓋不同類型的流體大變形與固體交互問題，每個案例均實現 “問題拆解 - 技術方案 - 全流程實操 - 結果驗證” 的深度教學：
案例一：高速彈體入水仿真（流體極端大變形 + 固體沖擊交互）
1) 問題特點：彈體高速沖入水中，水流產生破碎、飛濺等極端大變形，同時彈體與水體產生瞬時強沖擊，屬于典型的流體 - 固體強非線性交互；
2) 理論解析：講解 SPH 算法（光滑粒子流體動力學）的粒子離散原理，為何該算法適合處理流體破碎這類無網格畸變的大變形問題，以及沖擊載荷下固體結構的動態響應理論（如應力波傳遞、材料塑性變形）；
3) 實操演示：從彈體與水體的幾何建模（SPH 粒子域定義）、材料參數設置（水體的 EOS 狀態方程、彈體的塑性本構）、沖擊邊界條件（彈體入射速度設置）、求解控制（時間步長優化以捕捉瞬時沖擊），到結果分析（水體粒子運動軌跡、彈體應力分布），全程演示如何通過 SPH 算法解決流體大變形，同時通過調整固體材料參數、沖擊載荷施加方式處理強非線性交互；
4) 問題解決：針對仿真中可能出現的 “粒子穿透固體”“計算發散” 等問題，演示如何通過優化粒子密度、設置接觸約束、調整求解收斂準則來解決。
展開 在ANSYS中，進行流體計算的軟件主要是FLUENT與CFX，而參與固體力學計算的模塊主要是APDL（俗稱的經典模塊）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，即可構成流固耦合計算方案。由于本人對于APDL的耦合計算應用較少，因此本次不打算討論APDL在流固耦合上的應用。
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的聯合仿真，可以實現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送數據信息，另一方并不反回數據。分為兩種情況：
（1）流體求解器向固體求解器發送壓力及溫度數據。這是最常見的單向耦合計算。通常用在固體熱應力計算，或計算流體載荷在固體上產生的應力。一般來說這種計算都是基于固體小變形假設，也就是說固體的形變對流場產生的影響可以忽略。
（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用到，因為流體計算中的動網格功能完全可以滿足要求。
2、雙向耦合
雙向耦合應用于流體作用于固體變形耦合強烈的領域。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用中都會經常遇到。
OK，下面談一下如何在ANSYS中解決這幾類耦合問題。
case1：單向耦合1
一共包括四種組合方式，分別為FLUENT、CFX與穩態靜力計算、瞬態靜力計算的組合。
展開 流固耦合力學是研究流體與固體相互作用下相關力學行為的一門學科。在現實世界中，很多領域都涉及到流固耦合問題，如能源、水利、化工、船舶、交通運輸等。在單純的計算流體力學中，固體常常當做剛性壁面處理，涉及到固體內部物理現象計算的也僅僅是熱傳導。對于固體力學領域中所考慮的固體內應力的計算，計算流體力學則顯得束手無策。而對于流動問題計算，固體力學中普遍采用的有限元方法則又存在種種困難。流固耦合方法則是聯合了固體力學計算與流體力學計算，以求解流體導致的固體變形，或由于固體變形影響流場的問題。
在進行流固耦合計算之前，需要對其中涉及的一些常識有所了解。以下是一些流固耦合問題的基本常識。
1、流固耦合計算適合的場合
流固耦合計算由于要聯合流體仿真與固體仿真，因此計算開銷很大。對于一些可以簡化為單場計算的問題，則應當進行簡化。流固耦合主要應用于一下場合：
（1）流場與固體應力場耦合緊密。換句話說，流體流動導致的固體變形不可忽略，或者固體變形是所感興趣的內容，此時則需要采用流固耦合計算。
（2）固體變形會影響到流場的分布。實際上和第一點是一回事。比如說飄揚中的旗幟，其變形會影響到周圍的流動分布。
共軛傳熱問題雖然涉及到固體，但是并不需要采用流固耦合計算，因流體求解器可以計算熱傳導方程。
2、流固耦合分類
通常有兩種分類方式。按求解方程分類可以將流固耦合分為強耦合和弱耦合，按求解順序可以將流固耦合問題分為單向耦合和雙向耦合。
強耦合：流體計算與固體計算聯立求解。由于固體方程與流體方程存在很大的差異，聯立求解困難重重。目前還沒有一款商業軟件可以求解強流固耦合問題。
弱耦合：流體方程和固體方程分別單獨求解，然后在迭代步中進行數據交換。目前的流固耦合基本上都是采用弱耦合。由于存在時間差，所以與現實情況存在一定的誤差。單向耦合與雙向耦合主要是針對弱耦合求解。
展開 一般固體變形控制方程主要由三個方程構成：應力平衡方程、幾何變形方程、本構方程，一般以Navier的形式出現,此公式推導涉及到彈性力學的基本理論，在此不再推導。式(1)中εv、u、Fx分別為體應變、位移、x方向體載荷。
化成張量形式(一種表述方法)
如果出現流固耦合或者溫度、煤基質變形引起應力耦合，則需要添加額外項。此過程以太沙基提出的有效應力原理為基礎，如式(3)。式中α為有效應力系數即Biot系數，p為孔隙壓力。太沙基的有效應力方程是針對單孔隙提出的，而對于像煤層這些雙重孔隙/裂隙介質的多孔介質而言，需要作出一些修正，如式(4)。式(4)中考慮了基質中孔壓與裂隙中孔壓對有效應力的影響。對于流固耦合問題，便是討論有效應力下的變形控制方程，這樣便考慮到孔壓對固體變形的影響。將式(3)帶入到式(2)得到，得到考慮流固耦合的張量形式，如式(5)。
式(5)考慮了孔壓對有效應力影響，還可以考慮其他應力對有效應力影響如溫度引起的熱應力、煤體基質變形引起的應力等。對于多孔介質中流體的流動方程，一般采用達西流動，非飽和流動的理查茲方程，其中達西流動較為簡單，一般適用于低速線性流動，如式(6)。固體中的滲透率一般與應力或者應變有關系，此時固體變形將會通過影響孔隙率和滲透率，進而影響流體的流動，流體的流動又導致孔壓發生變化，影響固體的有效應力，達到流體和固體之間的雙向耦合。
COMSOL中如何實現流固耦合?按照前文推導的公式，選用“固體力學”模塊與“達西定律”模塊。固體力學模塊中線彈性材料中的控制方程便是式(2)，還需要添加一項代表孔壓的影響。從式(5)分析可以看到，把孔壓項當做體載荷，輸入到COMSOL中。Fi為重力引起的體載荷，在需要考慮重力項時，可以把重力項加入到體載荷中，不需要考慮時，即可忽略Fi此項。圖1為體積力設置項，選擇體載荷。
展開 
固體變形的最新內容
流體的流動和壓力引起固體的變形或運動（橙色路徑）；固體的變形或運動又反過來改變流體的流場邊界（藍色路徑）。
流體的流動產生壓力使固體發生變形，而固體的變形又反過來改變了流體的流場（如風機葉片形變、橋梁風振）。按反饋程度也分為單向FSI和雙向FSI。
推薦你選擇技術鄰 “ABAQUS 項目導航定制培訓” 課程，該課程依托扎實的師資團隊與豐富的工程案例庫，能有效幫你攻克流體大變形與固體交互的強非線性難題，且平臺服務模式成熟，可靠性強。
專題一：多種求解器功能及單元算法
主題：突破傳統有限元分析 - 光滑粒子流體動力學（SPH）
內容簡介：對固體結構的大變形分析通常需要特殊的數值技術來克服有限元分析（FEA）的局限性。其中一種方法是光滑粒子流體動力學（SPH）方法。SPH是一種基于拉格朗日框架的無網格方法，因此非常適合分析高度畸變的連續體，如大變形的固體結構或流體。
通過耦合歐拉-拉格朗日方法（CEL）或聲學流體單元，Abaqus能精確計算流體壓力對固體變形的影響，以及固體運動引發的流場變化。 </p><p><br></p><p>以漂浮體為例，用戶可定義流體域（水）為歐拉材料，固體域（浮體）為拉格朗日網格，設置界面耦合條件。分析時，軟件求解流體動力（如波浪力）與結構響應（如位移、應力），評估穩定性及耐波性。
再次查看體積模量的公式-△p/(△V/V)，其中△p表示固體變形前后球應力張量的變換量，實際上等于小變形加載后體內的球應力張量與未加載時的球應力張量之差，而未加載時，球應力張量為0，所以公式中的△p就是球應力張量（考慮了壓強和球應力張量之間的負號）:
而△V/V就是固體的體應變：
它們之間的關系可以通過彈性小變形的本構關系（胡克定律）推導出：
其中的系數就是彈性固體的體積模量
無人機葉片顫振流固耦合計算
流固耦合力學是用來研究可變形固體在流場作用下的瞬態響應，以及固體變形后對流場的反作用關系，它涉及計算流體力學與結構動力學等交叉學科的內容，其重要特征是兩相介質之間的相互作用。
流體流動要遵循三大定律，質量守恒、動量守恒和能量守恒定律。
動力學的通用運動方程為：
此方程描述的是典型的非線性自激振動系統。
流固耦合問題是流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）與固體力學 （Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而生成的一門力學分支，同時也是多學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。了解流固耦合對于許多產品的設計至關重要。
蠕變
在外部載荷（如重力和高溫下的摩擦）的影響下，固體材料永久變形或非彈性變形的趨勢。
晶粒增長
擴散速率隨晶粒尺寸變化。隨著晶粒在燒結過程中長大，收縮率降低
使用Simufact Additive仿真MBJ燒結過程
5-10分鐘即可完成仿真設置。
目前，在不同的測溫范圍和不同的使用場合已經用于測溫的物質和由它們制成的溫度計有下列幾種類型：
(1)利用液體或固體熱脹冷縮的特性，以液體的體積變化或固體的變形來測量溫度，如玻璃管液體溫度計和雙金屬溫度計等。
(2)利用液體或氣體在定容下熱脹冷縮后的壓力變化或某種液體的飽和蒸汽壓力隨溫度變化的特性來測量溫度。如充液、充氣和充蒸汽的壓力表式溫度計。
