ansys流固耦合算法的案例
基于ANSYS Workbench流-熱-固多場耦合算法演繹
目前，隨著對產品的要求越來越多，單場載荷作用的響應，已經不能滿足工程需求，所以多場耦合計算是必不可缺的，基于ANSYS Workbench可以實現結構場，流場，溫度場，電場和磁場的耦合，具備解決復雜多場耦合的計算問題能力。本文主要探討基于ANSYS Workbench平臺的流-熱-固多場耦合的算法。
完全耦合
完全耦合算法，也稱為直接耦合算法。主要使用耦合場單元求解熱-固的耦合計算，該算法的基本思想是在一個單元節點上擁有三個方向節點變形+一個溫度自由度，共四個自由度，即{UX UY UZ T}，該方法主要解決熱-固強耦合的問題，例如摩擦生熱計算，塑性變形生熱，粘性生熱計算，這些問題中結構的變形與自身的溫度場之間是相互的影響的。如圖給出了SOLID226單元的示意圖，該單元的基本形狀為六面體，當然還有三種退化單元形狀，建議在計算中避免使用退化形狀，因為退化單元會降低求解精度。
圖1 SOLID226單元示意圖
圖2 基于耦合場單元的求解模塊
如圖2所示，給出了熱-固直接耦合的求解模塊，圖2中兩個模塊分別可以進行穩態和瞬態的熱-固直接耦合計算。
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ANSYS流固耦合簡介
ANSYS 很早便開始進行流固耦合的研究和應用， 目前 ANSYS 中的流固耦合分析算法和功能已相當成熟，可以通過或者不通過第三方軟件(如 MPCCI)實現 ANSYS Mechanical APDL + CFX、ANSYS Mechanical APDL + FLUENT、ANSYS Mechanical + CFX 的流固耦合分析。
從算法上講，ANSYS(也包括其他大型商業軟件)主要采用分離解法也就是載荷傳遞法求解流固耦合問題。但從數據傳遞角度出發，流固耦合分析還可以分為兩種：單向流固耦合分析(oneway coupling 或 unidirectional coupling)和雙向流固耦合分析(twoway coupling 或bidirectional coupling)。
展開 ANSYS Workbench單向流固耦合案例 附ANSYS流固耦合分析與工程實例下載
流固耦合（Fluid-solid interaction，FSI）計算，通常用于考慮流體與固體間存在強烈的相互作用時，對流體流場與固體應力應變的考察。FSI計算按數據傳遞方式可分兩類：單向耦合與雙向耦合。所謂單向耦合，主要是指數據只從流體計算傳遞壓力到固體，或者只從固體計算傳遞網格節點位移到流體。雙向耦合則在每一時刻都同時向對方發送相應的物理量（流體計算發送壓力數據，固體計算發送位移數據）。
ANSYS Workbench中可以利用Fluent與DS進行單向流固耦合計算。我們這里來舉一個最簡單的單向耦合例子：風吹擋板。我們假定擋板位移可忽略不計，固體變形對流場影響可以忽略，所考慮的是流體壓力作用在固體上，固體的應力分布。當然這里的壓力可以換成溫度等其他物理量。
1新建工程
注意是從Fluent →Static Structure。連接圖如1所示。
圖1 工程關系
圖2 進入DM建模
2 DM創建模型
進入Fluent中的DM進行模型創建，如圖2所示。流固耦合計算中的幾何模型與單純的流體模型或固體模型不同，它要求同時具有流體和固體模型，而且流體計算中只能有流體模型，固體計算中只能有固體模型。建好后的模型如圖3，4，5所示。由于固體模型需要從這里導入，所以我們保留固體與流體模型。
展開 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。
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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狀態方程材料并使用ale算法，可以聯系qq2939864873拿k文件
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，模型一般較為復雜，采用fluent等流體計算軟件所需的前處理比較復雜，而且計算分析所需的時間一般較長，采用自適應的拉格朗日-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格內流動，因此網格本身不會發生變形，因此不用擔心因網格畸變帶來的求解發散等問題，且在處理網格時，流體網格可與結構網格重合，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，后續如果大家關注，可以進行LS-DYNA的建模，計算效果及效率與abaqus相當。
附件為inp模型及設置關鍵步驟，感興趣可以下載。
展開 流固耦合算法模擬高速無限水射流侵蝕巖石 ￥79.9
流固耦合算法模擬高速無限水射流侵蝕巖石
S-ALE流固耦合算法在戰斗部自然破片模擬中的應用 ￥6
2.邊界條件及求解控制、輸出控制設置
創建ALE多物質流動材料組（tnt和air）
流固耦合關鍵字（設置tnt驅動戰斗部殼體）
S-ALE無反射邊界設置（和傳統ALE有所不同）
設置對稱平面（xoz和yoz）
03仿真模擬結果
某時刻戰斗部殼體應力速度
某時刻戰斗部殼體速度云圖
戰斗部殼體破片速度穩定曲線圖
展開 爆炸模擬-任意拉格朗日歐拉算法流固耦合爆破模擬附K文件
Lagrange_ERODING接觸.k
ALE_LagrangeInSolid流固耦合ELFORM11.k
Lagrange_STS接觸.k
Lagrange_SLIDING接觸.k
ALE_LagrangeInSolid流固耦合ELFORM12.k
Lagrange共節點.k
流固耦合模擬爆破分兩種方式：
1、參照K文件——ALE_LagrangeInSolid流固耦合ELFORM12，其中元素方程式選擇12（中心單點積分的單一物質材料及空白單元 的ALE 單元），主要注意炸藥單元同空網格單元要共節點，并且要在設置初始條件中設置*INITIAL_PART_VOID.材料和section與炸藥相同，炸藥可以在兩個part間自由流動。炸藥和VOID與被爆炸物質單元用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID連接。
2、參照K文件——ALE_LagrangeInSolid流固耦合ELFORM11，其中元素方程式選擇11（中心單點積分的 ALE 多物質單元（一個單元內可以包含多種物質）），需要定義一個*MAT_NULL（air）EOS_LINEAR_POLYNOMIAL的part網格單同炸藥part共節點。炸藥和air與被爆炸物質單元用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID連接。
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展開 FLUENT動網格案例之五：動態鋪層算法實現閥門瞬態關閉的流固耦合動態仿真 ￥99
動態鋪層算法實現閥門瞬態關閉的流固耦合動態仿真
閥門瞬態關閉是典型的流固耦合問題，三維結構如下圖所示。左側的質量入口，右側的壓力出口加上周圍的壁面，組成閥門的外部限制區域，閥體的運動完全由流體驅動。在這種情況下，閥門的瞬態關閉可以簡化為一種二維軸對稱幾何結構（見二維示意圖），由于物理上閥門不能完全關閉，在閥門和閥座之間需要保留一個小的間隙，恰好動網格算法上也要求至少保留一層來保持拓撲關系。
動網格
流固耦合UDF算法函數及數據讀寫函數
仿真計算結果
文件列表
FLUENT動網格案例之十五：基于FLUENT網格重生成算法的薄膜流固耦合仿真 ￥499
基于FLUENT網格重生成算法的薄膜流固耦合仿真
薄膜變形一直都是ANSYS流固耦合分析的驗證算例，不論是雙向耦合還是單向耦合；是基于workbench還是system coupling模塊。其實，基于FLUENT自帶的網格重生成技術外加UDF函數控制，也能實現薄膜流固耦合仿真的全過程。
UDF函數片段
動網格變形
文件列表
SPH算法流固耦合案例_消防噴淋頭脹裂噴水-Abaqus顯式動力學 ￥79.98
見的消防噴淋頭結構
最常用的有玻璃球噴淋頭和易熔元件噴淋頭，上面這種帶玻璃腔，玻璃腔內裝有不同顏色液體的就是玻璃球噴淋頭，玻璃腔對堵蓋起到主要的支撐作用，有時還會有彈簧壓桿作為輔助支撐，正常情況下管道內的水雖然有一定的水壓，但是由于堵蓋的壓力封鎖存在，水是流不出來的。
玻璃腔內不同顏色液體的沸點不一樣，工作時的動作溫度也是不一樣的，下面的表格里是各種顏色的工作液與其對應的動作溫度。
工作液動作溫度
玻璃球噴淋頭
動作溫度（℃）
工作液顏色
57
橙
68
紅
79
黃
93
綠
100
灰
121
天藍
141
藍
163
淡紫
182
紫紅
>204
黑
我們在公共場所見到最多的消防噴淋頭里面裝的是紅色的煤油或酒精，沸點都比較低，當消防噴淋頭的周圍有火情或持續異常高溫時，液體便沸騰，脹破玻璃腔支柱，堵蓋失去支撐，管道內的水噴涌而出，對火勢蔓延有一定的抑制作用，與此同時，控制端火警報警器啟動，呼叫消防救援。
消防噴淋頭試驗
基于Abaqus SPH算法的流固耦合分析技術可以對消防噴淋頭進行設計驗證，計算在一定水壓條件下消防噴淋頭的玻璃脹破與噴水動作動態響應。
玻璃腔脹破-堵蓋失去支撐受水壓沖擊
堵蓋被水沖開
消防噴淋頭噴水動作
玻璃球消防噴淋頭的工作原理大概就是這樣的，你了解到了嗎？
原理知道便好，不要期望用到它，安全第一，平時注意提高消防意識。
☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆推薦使用Abaqus2017版及以上版本運行！！！☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆
展開 FLUENT動網格案例之十六：基于Fluent重生成算法的懸臂梁振動的雙向流固耦合仿真分析 ￥499
基于Fluent重生成算法的懸臂梁振動的雙向流固耦合仿真分析
流體介質中懸臂梁的振動是很多流固耦合問題的抽象模型，類似于ANSYS流固耦合驗證算例，FLUENT動網格案例之十五：基于FLUENT網格重生成算法的薄膜流固耦合仿真，本算例將懸臂梁振動方向垂直于流體流動方向，不同于前面算例，流動方向平行于振動方向。更特殊的是，本算例中懸臂梁的振動是由流體力驅動的，也就是所謂的雙向流固耦合分析。流體力驅動懸臂梁運動，而懸臂梁的振動又反過來影響流場參數導致流體力周期變化。
網格模型如圖所示
速度入口邊界條件為profile定義
仿真計算結果如下圖所示
UDF片段
動網格運動文件列表
展開 ANSYS基于Biot固結理論流固耦合及其應用
ANSYS基于Biot固結理論流固耦合及其應用
ANSYS基于Biot固結理論流固耦合模型及應用.pdf
ANSYS基于Biot固結理論流固耦合模型及應用.pdf
ANSYS流固耦合
利用ANSYS11.0進行流固耦合計算的時候
是不是需要在ANSYS中建立固體模型
在workbench中建立流體模型啊？
小弟初步接觸這方面知識
萬分期待您的賜教！
