隧道爆破流固耦合的案例
基于流固耦合的隧道定向爆破周邊孔仿真分析
基于流固耦合的隧道定向爆破周邊孔仿真分析
1背景及意義
巖石爆破技術廣泛應用于邊坡開挖、隧道掘進和礦產開采等領域，如何有效進行爆破，減少巖石損傷，降低成本，達到理想效果，是目前迫切需要解決的問題。利用LS-DYNA軟件對隧道掘進周邊孔定向爆破裂紋貫通機理進行數值仿真，對于揭示爆破破巖機理、提高隧道光面爆破效果、推動科技創新應用具有重要實際意義。
2有限元模型的建立
2.1模型描述
周邊孔布置聚能藥包，炮孔直徑為80mm，聚能管為pvc材料。炮孔布置及聚能藥包如圖1、2所示。
圖1 周邊孔布置圖
圖2 聚能藥包示意圖
2.2建模分析
巖石，炸藥，pvc管，空氣都采用solid164實體單元，單層網格建模。炸藥、空氣、pvc管采用ALE算法，巖石采用lagrange算法。巖石與炸藥、空氣、pvc管之間的相互作用采用流固耦合的方法，通過*constrained_lagrange_in_solid來實現。
3結果分析
巖石應力云圖及周邊孔裂紋開展如下圖所示。
圖3 應力云圖
圖4 裂紋開展
展開 流固耦合方法進行隧道爆破開挖，怎么實現添加初始地應力？
在進行動態松弛方法模擬地應力時，為什么每次獲取動態松弛文件進行顯式計算都無法正常計算，實現這一操作的規范步驟是怎樣的，有無大佬指導一下，痛苦死了。
流固耦合模擬巖石爆破
把k文件導入lsdyna后沒有出現錯誤，但是一直不運行計算了了，建模也不出現問題
隧道開挖流固耦合分析案例分享
在數值分析中，要實現流固耦合或者多場耦合比常規分析稍微復雜一點，需要掌握滲流的一系列理論知識。下面分享一個midas GTS NX隧道流固耦合的簡單例子。
無論是滲流分析還是動力分析，前面的幾何及網格操作都是一樣的，這里不再贅述，可以觀看該賬號發布的其他視頻或者文章。在做流固耦合之前，需要把相關參數弄清楚，比如滲透系數，飽和容重，如果要考慮土體非飽和特性，還要加上非飽和特性函數。
流場或者動力分析與靜力分析不同的在于邊界與荷載的不同。根據實際施工情況、施工步驟，隧道埋深情況，水源補給條件等確定好模型的流場邊界，并在MIDAS GTS NX中建立好應力-滲流-邊坡的施工階段組，具體施工階段為：
當前隧道開挖工況為盾構施工，具體施工階段比較復雜，這里只列舉簡單應力施工階段。最后得到的結果的位移圖，總水頭，壓力水頭，流勢線圖分別如圖所示。并可以根據土力學原理或者軟件自動計算出流量大小。
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基于流固耦合的水底隧道仰拱受力分析與優化
本文以廈門東通道海底隧道為工程背景,采用三維有限差分軟件FLAC3D進行流固耦合分析,研究仰拱曲率半徑及仰拱部位的防排水措施對圍巖位移及襯砌結構受力的影響,優化水底隧道斷面形式,以指導大型跨江海的水底隧道的設計和施工。
基于流固耦合的水底隧道仰拱受力分析與優化.pdf
基于流固耦合的水底隧道仰拱受力分析與優化
目前,國內外學者對用于鐵路和公路交通的山嶺隧道斷面形式做了不少研究,并得出一些有價值的結論。但是,研究結論應用于水底隧道是否同樣能滿足襯砌結構受力合理的要求,是值得研究的問題。礦山法修建大斷面鐵路和公路水底隧道,其斷面形式主要采用馬蹄形斷面,并設置仰拱來控制圍巖位移及改善襯砌結構受力。本文以廈門東通道海底隧道為工程背景,采用三維有限差分軟件FLAC3D進行流固耦合分析,研究仰拱曲率半徑及仰拱部位的防排水措施對圍巖位移及襯砌結構受力的影響,優化水底隧道斷面形式,以指導大型跨江海的水底隧道的設計和施工
基于流固耦合的水底隧道仰拱受力分析與優化.pdf
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 【流固耦合】降落傘充氣過程流固耦合分析
在充氣過程中，傘衣的結構大變形與傘衣周圍流場變化的相互耦合是十分復雜的。因此，想要通過理論模型求解該過程是非常難以實現，而數值仿真技術將提供較好的解決思路。
降落傘的數值模擬是典型的流固耦合問題。解決該問題的主要思路是：應用計算流體動力學模擬降落傘的流場特征，通過結構有限元法模擬降落傘的結構特性，然后把兩者通過迭代耦合的方式結合起來，完成降落傘的數值模擬。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，初始狀態設定為半折疊狀態，如圖1所示，將其保存為stp格式并導入Hypermesh中進行前處理。確定傘繩初始長度，并設定頂點位置，通過line功能建立傘繩線條。根據幾何模型大小對流體域進行建模，可設置為圓柱體域空間，選擇合適的尺寸對上述部件進行網格劃分，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，關鍵字為MAT_034,其密度為500kg/m3，彈性模量400MPa，泊松比0.15，厚度設置為2mm。傘繩選擇離散梁單元材料，關鍵詞為MAT_071，其中密度為400kg/m3，彈性模量97000MPa，截面積可自行設置。流體域賦予理想氣體，并設定空氣流速為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。計算結果展示如下：
圖3 不同時刻降落傘充氣狀態（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
文章內容轉自“云數仿真”微信公眾號
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展開 【流固耦合】翼傘后緣偏轉過程的流固耦合動力學特性
翼傘后緣偏轉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同控制，是典型的氣動與結構緊耦合問題，涉及到的動力學問題復雜多變。對于翼傘系統操縱過程的動力學機理問題研究一直是降落傘領域的關鍵技術和熱點問題。
本文基于 Structured ALE（S-ALE）流固耦合方法對翼傘后緣偏轉過程進行動力學建模和仿真分析。研究翼傘三維模型后緣偏轉過程、傘衣結構場和周圍流場的時變演化規律及分布特性，為進一步指導大型翼傘精確空投系統的飛控系統設計和技術應用提供參考。
流固耦合建模
本文所研究的翼傘后緣偏轉過程是針對充滿鼓包狀態的翼傘三維模型進行的。翼傘系統包括傘衣、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構與流場的雙向耦合作用；傘繩在翼傘偏轉過程承受拉力，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。
圖 1 翼傘系統三維幾何模型
仿真方法驗證
為避免因流體和結構單元之間尺寸差異過大而導致顯式動力學積分過程可能出現的非物理特征“沙漏現象”，進而引起計算發散，流場網格尺寸與結構網格尺寸盡量接近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 ALE 方法的基本理論相同，均包括了映射過程的對流輸運、界面重構和歐拉流場與拉格朗日結構相互作用的流固耦合過程。不同的是，在網格的處理方法上，S-ALE 方法采用自動生成網格技術，即流場網格根據控制點設定的方向、增長率、網格尺寸、網格密度等參數在仿真過程中隨著時間步的推進逐漸產生，仿真前無需單獨建立流場網格。這可以極大減小網格處理時間并提高計算效率。
展開 【流固耦合數值仿真算例】風機葉片流固耦合數值仿真
風機廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風、排塵和冷卻，鍋爐和工業爐窯的通風和引風；空氣調節設備和家用電器設備中的冷卻和通風；谷物的烘干和選送， 風洞風源和氣墊船的充氣和推進 等。 為了更好地了解風機的結構及特點，提高風機的總體設計水平與使用效能，可通過自建高性能并行集群仿真平臺， 利用OpenFOAM開源軟件進行計算， 考慮流固耦合方式對風機葉片上的氣動載荷進行分析。 下圖為數值模擬結果。
風機在計算域中的示意圖
風機在計算域中的示意圖
風機在簡化氣動力下轉動效果
流固耦合條件下模擬，可以考慮風機塔架、機艙的振動響應。
在此種模擬方法下，可以輸出風場縱剖面速度云圖，考慮風機的尾流效應。
單風機尾渦效果展示
雙風機尾渦效果展示
葉片是風力發電機中最基礎和最關鍵的部件，其良好的設計，可靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素。考慮流固耦合方式對風機葉片上的氣動載荷進行分析，可以為風機的總體設計提供一個較為全面的建議及分析方法。
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。
展開 
雙向流固耦合模型三：帶離散相的雙向流固耦合模型
通過雙向流固耦合可分析在顆粒作用下的流暢分布及固體受力狀態，若感興趣可加qq：1196497187
基于Hypermesh前處理與Fluent、Optistruct求解器的流固耦合分析（二）流固耦合
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接上一篇博客，基于Hypermesh前處理與Fluent、Optistruct求解器的流固耦合分析（一）流場計算 ，目前已完成了從Hypermesh前處理到Fluent流場計算，獲得了流體結構邊界面的壓強信息，本篇博客將繼續說明后續的流固耦合計算過程。
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編輯
一、建立結構有限元模型
固體區域的結構如下圖所示：
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編輯
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編輯
該結構為中空的薄壁結構，內部有十字交叉的加強筋作為支撐。因此選擇使用殼單元進行結構力學計算，結構計算采用OPtistruct求解器，因此將Hypermesh切換到OPtistruct求解器模塊下
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編輯
導入幾何模型后，提取該薄壁結構的外表面（而不是抽取中面，因為需要保證結構域邊界和流體域邊界能在空間中對上，減小后續壓強數據映射的誤差），內部加強筋則抽取其中面。修補幾何拓補關系后劃分網格，得到完整的結構力學計算所用有限元模型，如下：
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設置屬性與材料，需要注意的是，這里外型面的網格不是在幾何模型的中面位置而是在其外表面，因此需要設置一下pshell屬性里的ZOFFS偏移參數
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編輯
該參數可能為正可能為負，和殼單元的法向相關，至于是否設置正確，可以簡單的通過以下命令查看，該命令可以顯示殼單元的實際厚度，看能否和幾何模型對得上即可。
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編輯
到這里，結構部分的有限元模型便建好了，下一步需要將Fluent里的載荷映射到結構網格上。
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
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 XFlow與Abaqus的雙向流固耦合仿真須知XFlow與Abaqus的雙向流固耦合仿真須知
1）Abaqus 和XFlow 的協同仿真屬于FSI 仿真類型，即流固耦合仿真；
2）XFlow 必須在Labs 模式下運行，激活Labs 模式的路徑是：Main menu > Options > Preferences > Application mode> Labs；
3）建議使用Abaqus 2018 及以上版本；
4）Abaqus的協同仿真服務功能必須提前安裝好；
5）如果Abaqus的協同仿真服務沒有安裝，那么請按以下方式進行安裝：假設版本是Abaqus 2018， ?》》 首先使用X64命令行運行：abq2018 extractCseApi ?》》 然后把CSS服務二進制文件夾寫入系統path變量： X:\xxxxxx\Dassault Systemes\SimulationServices\V6R2018x\win_b64\code\bin， 其中X:\xxxxxx是相應的安裝盤符和文件夾。
6）如果版本是2019不用安裝5)中的步驟，但也需要建立上述環境變量。
7）協同仿真時，數據是雙向交互式進行傳遞的，Abaqus傳輸位移和速度信息給XFlow，XFlow傳輸載荷信息給Abaqus，仿真時的所有模型參數建議使用SI單位制。
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