固體變形的案例
固體塑性變形—細觀塑性力學 附塑性力學同濟大學下載
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 難處理流體大變形與固體交互強非線性，求結合工程案例的 Abaqus流固耦合靠譜課程推薦文檔
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 淺談流固耦合<2>：ANSYS中的流固耦合
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 淺談流固耦合<1>：一些常識
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 
教程(二）COMSOL中實現流固耦合理論介紹
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 HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
大橋劇烈晃動直至崩塌
HyperWorks的流體求解器AcuSolve流固耦合分析分為四種情況：
?分析穩態的流場壓力和溫度場對固體變形的影響，也叫 TFSI (Thermal-FSI)屬于單向耦合；
?分析流體動載荷引起的固體振動現象，也叫P-FSI (Practical FSI)，屬于單向耦合；
?瞬態流動引起固體大變形，并反饋給流場，也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI)，屬于雙向耦合。
?固體本身的變形量很小，可以認為是剛體，但是整體產生比較大的位移，可以采用CFD耦合MBD多體動力學分析，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據在后臺傳遞，無需用戶編輯腳本。
TFSI模型的計算代價最小，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力，發動機水套的熱應力，車燈的熱應力等等場景。
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境溫度，管路外壁面是自然對流散熱邊界。AcuSolve結果傳遞給求解器OptiStruct再分析管路的熱應力和變形。
AcuSolve模型的邊界
OptiStruct模型的約束
AcuSolve分析溫度場
OptiStruct分析變形量
SimLab發動機殼體的TFSI分析案例
P-FSI計算代價中等。首先進行OptiStruct的模態分析，將模態頻率和振型（*op2文件）傳遞給AcuSolve，模態向量從固體網格映射到流體網格的濕表面上。
展開 淺談流固耦合：幾個基礎問題及解決相關問題的軟件基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例
我不知道導師是從哪里聽來的風聲，說讓使用mpcci將fluent與abaqus耦合計算固體變形乃至斷裂。當時也是初生牛犢不怕虎，老師說用那就用唄，于是開始關注固體計算，關注abaqus，關注mpcci。然而現實是殘酷的，流體與固體采用不同的計算網格（流體用歐拉網格，固體采用拉格朗日網格），對于斷裂的問題，單純采用abaqus勉強可算，然而耦合上流體之后，通常計算會以出現負體積而告終。
多次的失敗終于磨滅了導師的耐心，于是項目轉而采用LS-DYNA的ALE進行解決，而我的畢業論文，則徹底的舍棄了這一部分。搞射流的自然離不開噴嘴的設計，在研究射流噴嘴結構在高壓流體作用下的材料行為，于是又涉及到了流固耦合問題，這次很幸運，雖然壓力很高，然而壓差并不大，噴嘴的變形處于彈性小變形階段，我采用workbench中的CFX+ANSYS mechanic圓滿的完成了任務，計算的是雙向流固耦合，雖然到現在也不敢去評判計算結果的準確性，但好歹也是計算完畢，順利的通過了畢業答辯。
說起流固耦合，其實包含的范圍很寬。我們做流體，其實就包含了流場、溫度場、組分場等的計算。
流固耦合包含的以下幾類問題：
(1) 單向流固耦合。通常是忽略固體變形對流場的影響。
(2) 雙向流固耦合。考慮流場對固體變形的影響，同時也要考慮固體形變對流場的影響。計算量很大，而且很難收斂。
(3) 熱應力計算。這個主要是溫度與結構的耦合。計算結構在溫度變化影響下的應力應變分布。
流固耦合計算量相當大，主要是因為固體計算對內存的消耗很大。因此在工程上，若不是特別需要的話，盡量少用流固耦合，能用單向耦合計算的盡量不用雙向耦合，能不用耦合的盡量不用。因為計算資源要求太高，必然導致網格數量的下降，導致計算精度的降低。
展開 為什么要進行流固耦合仿真
由于固體運動已知，且固體變形忽略不計，所以此類問題一般可以單獨在CFD求解器中完成，但是運動軌跡需要通過用戶自定義函數設定。
2雙向流固耦合
雙向流固耦合分析是指數據交換是雙向的，也就是既有流體分析結果傳遞給固體結構分析，又有固體結構分析的結果（如位移、速度和加速度）反向傳遞給流體分析。此類分析多用于流體和固體介質密度比相差不大或者高速、高壓下，固體變形非常明顯以及其對流體的流動造成顯著影響的情況。
常見的分析有擋板在水流中的振動分析、血管壁和血液流動的耦合分析、油箱的晃動和振動分析等。
一般來講，對大多數耦合作用現象，如果只考慮靜態結構性能，采用單向耦合分析便足夠，但是如果要考慮振動等動力學特性，雙向耦合分析必不可少，也就是說雙向耦合分析很多是為了解決振動和大變形問題而進行的，最典型的例子莫過于深海管道的激振問題。同理，如前所述，塔吊在強風中的靜態結構分析屬于單向耦合分析，但是如果考慮塔吊在強風中的振動情況，就需要采用雙向耦合進行分析。
展開 案例46-水庫枯竭引起的地面沉降
該實例分析預測了孔隙壓力擴散和固體基質變形耦合引起的固體變形。問題是，在均質孔隙-彈性連續體中，圓盤狀隔室儲層上發生的地面沉降。
重點介紹了以下特性和功能：
• 地質力學（土壤分析）
• 耦合孔隙壓力熱機械固體單元
• 土壤（Modified Cam-clay）材料模型
介紹
含烴儲層埋藏在地下深處，通常以高孔隙壓力狀態存在。沉積在儲層（覆蓋層）上方的地層重量由巖石基質和流體孔隙壓力支撐。在石油或天然氣生產過程中，孔隙壓力耗盡，覆蓋層壓實儲層，導致地表下沉。
為了獲得從水庫開始生產所需的法律許可，必須根據給定管轄區的要求限制地面沉降。當水庫位于人口密集區附近時，最小沉降尤為重要。
本文給出的示例模擬預測了由完全分隔的盤狀儲層的均勻壓力耗盡引起的地面沉降。該問題考慮了儲層深度、半徑和高度對壓實和地面沉降的影響。最大地面沉降與幾何參數的相關性顯示出與參考解析解的趨勢密切匹配。
問題描述
盤狀儲層埋深（D），高度（H）和半徑（R）：
為了模擬地下半空間的影響，區域的寬度約為儲層半徑的四倍。儲層均勻耗盡。
建模
計算域被建模為完全飽和的多孔彈性連續體。使用耦合孔隙壓力-熱-機械-固體（CPT nnn）單元，用具有孔隙壓力和位移自由度的有限元離散連續體。
儲層和覆蓋層之間的界面采用基于位移和孔隙壓力自由度的表面接觸進行建模。接觸分別在位移和孔隙壓力自由度方面建模為粘結和不滲透。
以下輸入修改了實際常數以模擬不滲透接觸：
材料屬性
該問題的模型使用了典型的砂巖材料特性，每種滲透率為100毫達西（mD）。
邊界條件和加載
為了約束模型，在正、負X、Y和底面上定義了無摩擦邊界條件。
展開 CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
大橋劇烈晃動直至崩塌
HyperWorks的流體求解器AcuSolve流固耦合分析分為四種情況：
分析穩態的流場壓力和溫度場對固體變形的影響，也叫 TFSI (Thermal-FSI)屬于單向耦合；
分析流體動載荷引起的固體振動現象，也叫P-FSI (Practical FSI)，屬于單向耦合；
瞬態流動引起固體大變形，并反饋給流場，也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI)，屬于雙向耦合。
固體本身的變形量很小，可以認為是剛體，但是整體產生比較大的位移，可以采用CFD耦合MBD多體動力學分析，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據在后臺傳遞，無需用戶編輯腳本。
TFSI模型的計算代價最小，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力，發動機水套的熱應力，車燈的熱應力等等場景。
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境溫度，管路外壁面是自然對流散熱邊界。AcuSolve結果傳遞給求解器OptiStruct再分析管路的熱應力和變形。
展開 CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
大橋劇烈晃動直至崩塌
HyperWorks的流體求解器AcuSolve流固耦合分析分為四種情況：
分析穩態的流場壓力和溫度場對固體變形的影響，也叫 TFSI (Thermal-FSI)屬于單向耦合；
分析流體動載荷引起的固體振動現象，也叫P-FSI (Practical FSI)，屬于單向耦合；
瞬態流動引起固體大變形，并反饋給流場，也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI)，屬于雙向耦合。
固體本身的變形量很小，可以認為是剛體，但是整體產生比較大的位移，可以采用CFD耦合MBD多體動力學分析，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據在后臺傳遞，無需用戶編輯腳本。
TFSI模型的計算代價最小，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力，發動機水套的熱應力，車燈的熱應力等等場景。
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境溫度，管路外壁面是自然對流散熱邊界。AcuSolve結果傳遞給求解器OptiStruct再分析管路的熱應力和變形。
展開 
非線性力學國家重點實驗室召開2018年度學術年會
他首先回顧了實驗室運行情況與科研進展，圍繞實驗室的總體定位和核心科研方向，從固體變形破壞的非線性力學和流體運動的非線性規律兩個方面總結了重要研究進展和科研成果，并介紹了重大研究項目及國家需求項目方面的申報和科研進展情況，展望了2019年工作規劃和工作重點。LTCS常務副主任李存標教授匯報了2018年LTCS工作進展情況。
本次年會共安排學術報告27個，涵蓋了非線性力學及其交叉領域的核心科學問題，包括固體變形、損傷破壞的非線性力學行為，湍流基礎與應用，復雜流動的非線性規律，國家重大工程和自然環境中的關鍵力學問題，以及生物系統與力學的交叉等。
會議期間，方岱寧主持召開了2018年度LNM學術委員會會議。委員們針對實驗室人才培養和引進、科研方向的凝聚、群體項目及國家重大需求項目的組織與申請、重大成果國家獎項申請及前瞻性布局等展開了深入討論，對實驗室下一步的發展提出了建設性指導意見和建議。
來源：中科院力學所
展開 對流固耦合中錯誤的解決(能借鑒)
（1）流體與固體耦合非常強烈時。如風中飄動的紅旗。這通常是由于固體剛度比較小，變形比較大的原因所引起。 （2）對于一些涉及到考慮流場中的固體應力計算問題，通常要采用流固耦合方法。 流固耦合計算的數據傳遞方式及傳遞物理量 （1）對于單向耦合，通常傳遞的物理量為壓力。實際上是將流體計算的壓力當作載荷加載在固體上，計算固體的應力應變。 （2）雙向耦合問題，通常在每一步都需要傳遞數據，流體計算傳遞的數據為壓力，固體求解器所傳遞的數據為節點位移。這樣在每一次迭代后更新固體載荷與流場情況。
展開 SciFEA—石油行業應用解決方案
隨著找油、采油難度的與日俱增，石油工業對數值模擬提出了更艱巨的要求，比如，用新的成油理論進行模擬分析，發現油田新“大陸”，降低勘探風險；三次采油工藝的多相多場模擬；特殊地質條件下的油藏模擬；特殊地質條件下流體固體相互作用；高原條件下的勘探開發工藝模擬等。總的來說，需要考慮新的計算模型和計算方法、需要考慮多個物理量相互作用的時空演化，這些都是現有的模擬手段需要發展和完善的方向，以適應石油行業的復雜的計算模擬需求。
2：解決方案
SciFEA軟件提供的固體彈性、彈塑性、粘彈性模塊；傳熱模塊（穩態、瞬態）；滲流模塊（穩態、瞬態、線性、非線性）；電磁模塊（靜電、靜磁、時諧電磁、瞬態電磁）；熱固耦合模塊（穩態、瞬態、線性、非線性）、流固耦合（穩態、瞬態、線性、非線性）可以直接滿足石油行業固體、流體、傳熱、電磁、流固耦合、熱固耦合等方面的計算需求。
超算科技為用戶提供針對石油行業計算模擬的特定的處理技術，如考慮油田地質的非均勻性；考慮斷層性質的影響；考慮地下多尺度流動；考慮多尺度固體變形；考慮流動的飽和度相關性等非線性特征；考慮各向異性和啟動壓力特征；考慮井群的流動和固體變形；考慮鉆井井壁穩定性；考慮固體、流體、熱、水化等物理場的耦合等。
超算科技針對石油工業計算數學物理模型多、細、復雜的特點，面向用戶提供定制服務。用戶可以根據研究開發問題的需要提出自定義的模型，超算科技將根據用戶模型提供專門的解決方案。如考慮流體傳輸中的流固耦合；稠油熱采中的熱、流、固耦合；復雜的物質驅替；新的石化能源開發中的模型建立與計算分析等。將用戶關心的計算內容，根據用戶要求集成在一個統一的計算環境中。
針對用戶分析精度的要求，超算科技提供用戶定制化的并行計算模塊開發和并行計算咨詢服務。
展開 基于MATLAB的離散裂隙網絡構建代碼 ￥200
生成的裂隙網絡可進一步后處理導入有限元模擬軟件，如COMSOL進行流體流動及固體變形仿真模擬。
