流固耦合FSI分析
分析原理：流场采用CFX12，固体采用ANSYS12分别计算，通过界面耦合。
流体网格：流体部分采用HyperMesh9.0分网，按照流体分网步骤即可，没有特殊要求。网格导出：CFX可以很好的支持Fluent的.cas格式。直接导出这个格式即可。
流体的其余设置都在CFX-PRE中设置。
固体网格即设置：HyperMesh9.0划分固体网格。设置边界条件，载荷选项，求解控制，导出.cdb文件。
实例练习：
以CFX12实例CFX tutorial 23作为练习。
为节省时间，将计算时间缩短为2s。
网格划分：提取CFX tutorial 23中的实体模型到hm中，分别划分流体，固体网格。分别导出为fluent的.cas格式和ansys的cdb格式。
流体网格如下：
网格文件见:fluid.cas
固体网格为：
特别注意：
做FSI分析时，ANSYS固体部分必须在BATCH下运行（即将.cdb文件导入ansys不需要任何操作就能直接计算出结果），所以导出的.CDB文件需要添加一个命令，在hm建立FSIN_1
的set，以方便在.cdb中手动添加命令SF,FSIN_1,FSIN,1，具体位置在定义了节点集合FSIN_1之后。
另一个set：pressure用于施加压强。
这里还设置了一些控制卡片用于分析，当然也可以直接修改.cdb文件
详细.cdb文件请参看plate.cdb
将固体部分在ansys中计算一下，以确定没有问题。
通过ansys计算检查最大位移：最上面的点x向变形曲线
至此，固体部分的计算文件已经准备好，流体网格需要导入CFX以进一步设置求解选项和耦合选项。
以下在CFX-PRE中进行设置
由于固体模型已经生成，故不需要利用workbench，所以不必按照指南的做法。
启动workbench，拖动fluid flow(CFX)到工作区
直接双击setup进入CFX-PRE 导入流体网格
然后设置分析选项：
注意：mechanical input file即是固体部分网格。再新建一个流体，取名fluid。
设置domain
添加边界条件
取名为interface设置流固耦合界面，对应为abc。
这就是流固耦合界面的设置过程。同理，建立sym1
Sym2
这个选项默认为no slip 的wall，最普通的那种，不必特殊设置初始化：
求解控制
输出控制：
Output variables list
看清楚字母，别搞错了！
Monitor板最上面的一个角点，也是ansys中计算关心的点
如这个十字号
保存以上设置即可。
返回到workbench，双击solution启动计算器。
不用更改设置，直接计算即可。
以上过程小心仔细，一般不会出现错误的。至此，几分钟后即可计算完成。
先看收敛曲线
再看monitor点
曲线跟单独的板的振动十分相似，说明计算是正确的。
后处理：
再次返回workbench，双击results，启动后处理。
先查看板的应力
是对的
以前我用CFX11做过同样的例子，所以以下提供CFX11中的结果，与cfx12类似。可用查看速度矢量。
ANSYS流固耦合计算实例 Oscillating Plate with Two-Way Fluid-Structure Interaction Introduction This tutorial includes: , Features , Overview of the Problem to Solve , Setting up the Solid Physics in Simulation (ANSYS Workbench) , Setting up the Fluid Physics and ANSYS Multi-field Settings in ANSYS CFX-Pre , Obtaining a Solution using ANSYS CFX-Solver Manager , Viewing Results in ANSYS CFX-Post If this is the first tutorial you are working with, it is important to review the following topics before beginning: , Setting the Working Directory , Changing the Display Colors Unless you plan on running a session file, you should copy the sample files used in this tutorial from the installation folder for your software (
Oscillating Plate with Two-Way Fluid-Structure Interaction Introduction This tutorial includes: ?Features ?Overview of the Problem to Solve ?Setting up the Solid Physics in Simulation (ANSYS Workbench) ?Setting up the Fluid Physics and ANSYS Multi-field Settings in ANSYS CFX-Pre ?Obtaining a Solution using ANSYS CFX-Solver Manager ?Viewing Results in ANSYS CFX-Post If this is the first tutorial you are working with, it is important to review the following topics before beginning: ?Setting the Working Directory ?Changing the Display Colors Unless you plan on running a session file, you should copy the sample files used in this tutorial from the installation folder for your software (
CAE联盟论坛精品讲座系列 基于MpCCI的Abaqus和Fluent流固耦合案例 主讲人：mafuyin CAE联盟论坛总监 摘要：通过MpCCI流固耦合接口程序，对某薄壁管道流动中的传热过程进行了Abaqus和Fluent相结合的流固耦合仿真分析。信息介绍了从建模、设置到求解计算和后处理的全过程，对相关研究人员具有参考意义。 1 分析模型 用三维建模软件solidworks建立了一个管径为1m的弯管，结构尺寸如图1a所示，管的结构如图1b所示，流体的模型如图1c所示。值得注意的是，由于拓扑特征的原因，这样的管壁模型无法通过对圆环扫略直接生成，而需先通过对大圆的扫略生成实心的模型(类似于流体模型)，然后进行抽壳得到管壁的模型。用同样的方法对大圆半径减去管壁厚度的圆进行扫略得到流体模型。 a. 尺寸关系 b. 管壁结构 c. 流体模型 图1. 几何模型示意图 图2. 流固耦合传热分析模型示意图 内壁面(耦合面) 速度入口 v=6m/s; T in=600K 外壁面 压力出口 P=0Pa；T out=300K
由于管壁结构和流体的热学行为不同，传热系数等都不一样，所以属于典型的流固耦合传热问题，热学模型如图2所示。即管的一端为流体速度入口，一端为压力出口，给定流体外壁面一个初始温度600K，流体入口速度为6m/s，温度为600K，出口相对大气压力为0Pa，出口温度为300K。需要求解流体和管壁的温度场分布情况。 2 流体模型 将图1c的流体模型以Step格式导入Fluent软件通常使用的前处理器Gambit中，如图3a所示。设置求解器为，然后划分体网格，网格尺寸为100mm，类型为六面体单元，一共生成4895个体单元，网格如图3b所示。 a. 导入Gambit软件中的流体模型 b. 流场的网格模型 图3. 流体模型及网格示意图 进行网格划分后，需定义边界条件，在Gambit软件中先分别定义速度入口(VELOCITY_INLET)、压力出口(PRESSURE_OUTLET)和壁面(Wall)三组边界条件，具体参数设置在Fluent软件中进行。然后定义流体属性，名称定义为air，类型为Fluid。这些定义的目的是能够在Fluent软件中识别出这些特征，具体类型和参数都可以在Fluent软件中进行设置和修改。定义完后点击【Export】，选择【Mesh】，选择路径和文件名称并进行输出。 打开Fluent6.3.26或以上的版本，选择3D求解器，点击【File】→【Read】→【Case】，然后选择Gambit中输出的msh文件，即可将网格文件读入Fluent 软件中。读入模型后，进行求解参数和条件的设置。
双向流固耦合实例（Fluent与structure） 说明：本例只应用于FLUENT14.0以上版本。 ANSYS 14.0是2011年底新推出的版本，在该版本中，加入了一个新的模块System Coupling，目前只能用于fluent与ansys mechanical的双向流固耦合计算。官方文档中有介绍说以后会逐渐添加对其它求解器的支持，不过这不重要，重要的是现在FLUENT终于可以不用借助第三方软件进行双向流固耦合计算了，个人认为这是新版本一个不小的改进。 模块及数据传递方式如下图所示。 一、几何准备 流固耦合计算的模型准备与单独的流体计算不同，它需要同时创建流体模型与固体模型。在geometry模块中同时创建流体模型与固体模型。到后面流体模型或固体模块中再进行模型禁用处理。 模型中的尺寸：v1:32mm，h2:120mm，h5:60mm，h3:3mm，v4:15mm。 由于流体计算中需要进行动网格设置，因此推荐使用四面体网格。当然如果挡板刚度很大网格变形很小时，可以使用六面体网格，划分六面体网格可以先将几何进行slice切割。这里对流体区域网格划分六面体网格，固体域同样划分六面体网格。 二、流体部分设置 1、网格划分 双击B3单元格，进入meshing模块进行网格划分。禁用固体部分几何。设定各相关部分的尺寸，由于固体区域几何较为整齐，因此在切割后只需设定一个全局尺寸即可划分全六面体网格。这里设定全局尺寸为1mm。划分网格后如下图所示。
2、进行边界命名，以方便在fluent中进行边界条件设置 设置左侧面为速度进口velocity inlet，右侧面为自由出流outflow，上侧面为壁面边界wall_top，正对的两侧面为壁面边界wall_side1与wall_side2（这两个边界在动网格设定中为变形域），设定与固体交界面为壁面边界（该边界在动网格中设定为system coupling类型）。 操作方式：选择对应的表面，点击右键，选择菜单create named selection，然后输入相应的边界名称。注意：FLUENT会自动检测输入的名称以使用对应的边界类型，当然用户也可以在fluent进行类型更改。完成后的树形菜单如下图所示。 本部分操作完毕后，关闭meshing模块。返回工程面板。 3、进入fluent设置 FLUENT主要进行动网格设置。其它设置与单独进行FLUENT仿真完全一致。 设置使用瞬态计算，使用K-Epsilon湍流模型。 这里的动网格主要使用弹簧光顺处理（由于使用的是六面体网格且运动不规律），需要使用TUI命令打开光顺对六面体网格的支持。使用命令 /define/dynamic-mesh/controls/smoothing-parameters。 动态层技术与网格重构方法在六面体网格中失效。因此，建议使用四面体网格。我们这里由于变形小，所以只使用光顺方法即可满足要求。 点击Dynamic mesh进入动网格设置面板。如下图所示，激活动网格模型。
基于MpCCI 的Abaqus 和Fluent 流固耦合案例 mafuyin 摘要：通过MpCCI 流固耦合接口程序，对某薄壁管道流动中的传热过程进行了Abaqus 和Fluent 相结合的流固耦合仿真分析。信息介绍了从建模、设置到求解计算和后处理的全过程，对相关研究人员具有参考意义。 1 分析模型 用三维建模软件solidworks 建立了一个管径为1m 的弯管，结构尺寸如图1a 所示，管的结构如图1b 所示，流体的模型如图1c 所示。值得注意的是，由于拓扑特征的原因，这样的管壁模型无法通过对圆环扫略直接生成，而需先通过对大圆的扫略生成实心的模型(类似于流体模型)，然后进行抽壳得到管壁的模型。用同样的方法对大圆半径减去管壁厚度的圆进行扫略得到流体模型。 a. 尺寸关系 b. 管壁结构 c. 流体模型 图1. 几何模型示意图 图2. 流固耦合传热分析模型示意图 内壁面(耦合面) 速度入口 v=6m/s; T in =600K 外壁面 压力出口 P=0Pa ；T out =300K
由于管壁结构和流体的热学行为不同，传热系数等都不一样，所以属于典型的流固耦合传热问题，热学模型如图2所示。即管的一端为流体速度入口，一端为压力出口，给定流体外壁面一个初始温度600K，流体入口速度为6m/s，温度为600K，出口相对大气压力为0Pa，出口温度为300K。需要求解流体和管壁的温度场分布情况。 2 流体模型 将图1c的流体模型以Step格式导入Fluent软件通常使用的前处理器Gambit 中，如图3a所示。设置求解器为，然后划分体网格，网格尺寸为100mm，类型为六面体单元，一共生成4895个体单元，网格如图3b所示。 a. 导入Gambit软件中的流体模型 b. 流场的网格模型 图3. 流体模型及网格示意图 进行网格划分后，需定义边界条件，在Gambit软件中先分别定义速度入口(VELOCITY_INLET)、压力出口(PRESSURE_OUTLET)和壁面(Wall)三组边界条件，具体参数设置在Fluent软件中进行。然后定义流体属性，名称定义为air，类型为Fluid。这些定义的目的是能够在Fluent软件中识别出这些特征，具体类型和参数都可以在Fluent软件中进行设置和修改。定义完后点击【Export】，选择【Mesh】，选择路径和文件名称并进行输出。 打开Fluent6.3.26或以上的版本，选择3D求解器，点击【File】→【Read】→【Case】，然后选择Gambit中输出的msh文件，即可将网格文件读入Fluent 软件中。读入模型后，进行求解参数和条件的设置。 (1)模型缩放：为了便于分析结果数据特征，统一采用国际单位制进行仿真，
Ansys14 workbench血管流固耦合实例 根据收集的一些资料，进行学习后，试着做了这个ansys14workbench的血管流固耦合模拟，感觉能够耦合上，仅是熟悉流固耦合分析过程，不一定正确，仅供参考，希望大家多讨论。谢谢！ 1、先在proe5中建立血管与血液流体区的模型（两者装配起来），或者直接在workbench中建模。 图1 模型图 2、新建工程。在workbench中toolbox中选custom system，双击FSI: FluidFlow(fluent)->static structure. 图2 计算工程 3、修改engineering data，因为系统缺省材料是钢，需要构建血管材料，如图3所示。先复制steel，而后修改密度1150kg/m3，杨氏模量4.5e8Pa，泊松比0.3，重新命名，最后在主菜单中点击“update project”保存.
图3 修改工程材料 4、模型导入，进入gemetry模块，import外部模型文件。 图4 模型导入图 5、进入FLUENT网格划分。 在workbench工程视图中的Mesh上点击右键，选择Edit…，如图5所示，进入网格划分meshing界面，如图6所示。我们这里需要去掉血管部分，只保留血液几何。
图5 进入网格划分
图6 禁用血管模型 6、设置网格方法。 默认是采用ICEM CFD进行网格划分，设置方式如图7所示，截面圆弧边分为12份，纵截面的边均分为10份，网格结果如图8所示。另外在这个界面中要设置边界的几何面，如inlet、outlet、symmetry 图7 设置网格划分方式 图8 最终出网格
一般说来，ANSYS的流固耦合主要有4种方式： 1，sequential 这需要用户进行APDL编程进行流固耦合 sequentia指的是顺序耦合 以采用MpCCI为例,你可以利用ANSYS和一个第三方CFD产品执行流固耦合分析。在这个方法中，基于网格的平行代码耦合界面(MpCCI) 将ANSYS和CFD程序耦合起来。即使网格上存在差别，MpCCI也能够实现流固界面的数据转换。ANSYS CD中包含有MpCCI库和一个相关实例。关于该方法的详细信息，参见ANSYS Coupled-Field Analysis Guide中的Sequential Couplin 2，FSI solver 流固耦合的设置过程非常简单，推荐你使用这种方式 3，multi-field solver 这是FSI solver的扩展，你可以使用它实现流体，结构，热，电磁等的耦合 4，直接采用特殊的单元进行直接耦合，耦合计算直接发生在单元刚度矩阵 一个流固耦合的例子 length=2 width=3 height=2 /prep7 et,1,63 et,2,30 !选用FLUID30单元，用于流固耦合问题 r,1,0.01 mp,ex,1,2e11 mp,nuxy,1,0.3 mp,dens,1,7800 mp,dens,2,1000 !定义Acoustics材料来描述流体材料-水 mp,sonc,2,1400 mp,mu,0, ! block,,length,,width,,height esize,0.5 mshkey,1 ! type,1 mat,1 real,1 asel,u,loc,y,width amesh,all alls ! type,2 mat,2 vmesh,all
1、打开ANSYS Workbench, 拖动各模块到空白区，并照此连接各模块。 2 2、打开第一个模块当中的Geometry，建立几何模型： （1）在XY Plane内建立Ship Shell 船长：0.4、船宽：0.14、型深0.11 将第一个Solid重命名为Ship Solid 在Concept中选择Surfaces From Faces，选中模型的六个面，然后Apply、Generate。 重命名第二个Ship Solid为Ship Shell 右击Ship Solid, 选择Hide Body，显示Ship Shell, 然后对Ship Shell执行同样操作（即隐去）
（2）在YZ Plane内建立液舱 单击（New Plane），选择YZ plane，，Apply一下 将YZ Plane 向X正方（图中为法向，即Z）向偏移0.02m Generate一下，然后Show body 一下Ship Solid 与Ship Shell 可以看到YZ Plane已平移到Body内了 再将Ship Solid 与Ship Shell 都Hide，选择Plane 4，调为正视，Generate一下 新建一个Sketch：单击，显示，在此Sketch中建立液舱模型草图
单击约束（Constrains），将草图中的“水平线”调整为水平，“垂直线”调整为垂直： 事实上仅用Horizontal（水平）和Vertical（垂直）就OK了。以水平约束为例，先单击Horizontal，再依次单击草图中的水平线段。调整后如下图所示： 定义尺寸： 左下角空缺的部分是预留贴“应变片”的部分，需要单独建模 单击Extrude（拉伸），设置Operation（下拉列表中改选为Add Frozen）与拉伸尺寸（0.1m）： 然后Generate一下
说明：本例只应用于FLUENT14.0以上版本。 ANSYS 14.0是2011年底新推出的版本，在该版本中，加入了一个新的模块System Coupling，目前只能用于fluent与ansys mechanical的双向流固耦合计算。官方文档中有介绍说以后会逐渐添加对其它求解器的支持，不过这不重要，重要的是现在FLUENT终于可以不用借助第三方软件进行双向流固耦合计算了，个人认为这是新版本一个不小的改进。 模块及数据传递方式如下图所示。 一、几何准备 流固耦合计算的模型准备与单独的流体计算不同，它需要同时创建流体模型与固体模型。在geometry模块中同时创建流体模型与固体模型。到后面流体模型或固体模块中再进行模型禁用处理。 模型中的尺寸：v1:32mm，h2:120mm，h5:60mm，h3:3mm，v4:15mm。
由于流体计算中需要进行动网格设置，因此推荐使用四面体网格。当然如果挡板刚度很大网格变形很小时，可以使用六面体网格，划分六面体网格可以先将几何进行slice切割。这里对流体区域网格划分六面体网格，固体域同样划分六面体网格。 二、流体部分设置 1、网格划分 双击B3单元格，进入meshing模块进行网格划分。禁用固体部分几何。设定各相关部分的尺寸，由于固体区域几何较为整齐，因此在切割后只需设定一个全局尺寸即可划分全六面体网格。这里设定全局尺寸为1mm。划分网格后如下图所示。 2、进行边界命名，以方便在fluent中进行边界条件设置 设置左侧面为速度进口velocity inlet，右侧面为自由出流outflow，上侧面为壁面边界wall_top，正对的两侧面为壁面边界wall_side1与wall_side2（这两个边界在动网格设定中为变形域），设定与固体交界面为壁面边界（该边界在动网格中设定为system coupling类型）。 操作方式：选择对应的表面，点击右键，选择菜单create named selection，然后输入相应的边界名称。注意：FLUENT会自动检测输入的名称以使用对应的边界类型，当然用户也可以在fluent进行类型更改。完成后的树形菜单如下图所示。
流固耦合（Fluid-solid interaction，FSI）计算，通常用于考虑流体与固体间存在强烈的相互作用时，对流体流场与固体应力应变的考察。FSI计算按数据传递方式可分两类：单向耦合与双向耦合。所谓单向耦合，主要是指数据只从流体计算传递压力到固体，或者只从固体计算传递网格节点位移到流体。双向耦合则在每一时刻都同时向对方发送相应的物理量（流体计算发送压力数据，固体计算发送位移数据）。 ANSYS Workbench中可以利用Fluent与DS进行单向流固耦合计算。我们这里来举一个最简单的单向耦合例子：风吹挡板。我们假定挡板位移可忽略不计，固体变形对流场影响可以忽略，所考虑的是流体压力作用在固体上，固体的应力分布。当然这里的压力可以换成温度等其他物理量。 1、新建工程。注意是从Fluent –> Static Structure。连接图如1所示。 图1 计算工程关 系图2 进入DM建模 2、进入Fluent中的DM进行模型创建，如图2所示。 流固耦合计算中的几何模型与单纯的流体模型或固体模型不同，它要求同时具有流体和固体模型，而且流体计算中只能有流体模型，固体计算中只能有固体模型。建好后的模型如图3，4，5所示。由于固体模型需要从这里导入，所以我们保留固体与流体模型。
图3 实体模型 图4 固体模型
图5 流体模型 3、进入FLUENT网格设置。 在FLUENT工程视图中的Mesh上点击右键，选择Edit…，如图6所示，进入网格划分meshing界面，如图7所示。我们这里需要去掉固体部分，只保留流体几何。 图6 进入网格划 分图7 禁用固体模型
例子的来源是Abaqus CLE的官方教程，可是写的太粗线条，我还是搞了两天才做 出了这个例子。其实就是个滚筒洗衣机带着洗衣机里的水一起转的问题。 1. 分别为Eulerian domain和Lagrangian domain建立两个part 建立Lagrangian domain的Part，类型设置为Discrete rigid，并设置Reference Point。 建立Eulerian domain的Part，类型设置为Eulerian，要注意Eulerian domain 和Lagrangian domain要保证有重叠的部分，这是一种弱耦合，数据在两个区域间抛来抛去，所以网格要有重叠部分。这导致在Eulerian domain里有的部分是有材料的，有的地方是没有材料的。为了之后设置材料分布时候方便，要把part实现划出几个辅助的partition。黄色虚线是在划分partition时，为了指明 Extrude/Sweep方向用到的辅助坐标轴。
2. 定义水的材料属性 选择状态方程模型EOS中Us-Up，设置声速c0=1483m/s；密度为1000kg/m3；粘度为0.001kg/ms。并把截面属性赋给Eulerian domain。
3. 把两个Part组装起来
4. 新建一个Step-1 5. 为Eulerian domain和Lagrangian domain划分网格
6. 设置接触 新建一个Contact Property，因为不是普通的面和面的接触，水中的任何的一个部
分可能在流动区域里的任何一个地方和Lagrangian domain接触，设置Tangential Behavior为Rough，赋给水和洗衣机之间的关系。新建一个Interaction，把刚才的Contact Property赋给它。 更重要的是设置接触的两个Surface。其中一个Surface是Lagrangian domain 部分的内侧面，为Geometry类型，另一个Surface是Eulerian domain的全部网格，为Mesh类型。
达尔文档DareDoc 分享知识传播快乐 ANSYS流固耦合分析实例命令流 本资料来源于网络，仅供学习交流 2015年10月达尔文档|DareDoc整理
目录 ANSYS流固耦合例子命令流.......................................................................... 错误！未定义书签。ANSYS流固耦合的方式 (3) 一个流固耦合模态分析的例子1 (3) 一个流固耦合模态分析的例子2 (4) 一个流固耦合建模的例子 (7) 一加筋板在水中的模态分析 (8) 一圆环在水中的模态分析 (10) 接触分析实例---包含初始间隙 (14) 耦合小程序 (19) 流固耦合练习 (21) 一个流固耦合的例子 (22) 使用物理环境法进行流固耦合的实例及讲解 (23) 针对液面晃动问题，ANSYS/LS-DYNA提供三种方法 (30) 1、流固耦合 (30) 2、SPH算法 (34) 3、ALE（接触算法） (38) 脱硫塔于浆液耦合的分析 (42) ANSYS坝-库水流固耦合自振特性的例子 (47) 空库时的INP文件 (47) 满库时的INP文件 (49) 计算结果 (52)
ANSYS流固耦合的方式 一般说来，ANSYS的流固耦合主要有4种方式： 1，sequential 这需要用户进行APDL编程进行流固耦合 sequentia指的是顺序耦合 以采用MpCCI为例,你可以利用ANSYS和一个第三方CFD产品执行流固耦合分析。在这个方法中，基于网格的平行代码耦合界面(MpCCI) 将ANSYS和CFD程序耦合起来。即使网格上存在差别，MpCCI也能够实现流固界面的数据转换。ANSYS CD中包含有MpCCI库和一个相关实例。关于该方法的详细信息，参见ANSYS Coupled-Field Analysis Guide中的Sequential Couplin 2，FSI solver 流固耦合的设置过程非常简单，推荐你使用这种方式 3，multi-field solver 这是FSI solver的扩展，你可以使用它实现流体，结构，热，电磁等的耦合 4，直接采用特殊的单元进行直接耦合，耦合计算直接发生在单元刚度矩阵 一个流固耦合模态分析的例子1 这是一个流固耦合模态分析的典型事例，采用ANSYS/MECHANICAL可以完成。处理过程中需要注意以下几个方面的问题： 1、单元的选择； 2、流体材料模式； 3、流固耦合关系的定义； 4、模态提取方法。 length=2 width=3 height=2 /prep7 et,1,63 et,2,30 !选用FLUID30单元，用于流固耦合问题 r,1,0.01 mp,ex,1,2e11 mp,nuxy,1,0.3 mp,dens,1,7800 mp,dens,2,1000 !定义Acoustics材料来描述流体材料-水 mp,sonc,2,1400 mp,mu,0, ! block,,length,,width,,height esize,0.5 mshkey,1
length=2 !定义体各种变量参数，长宽高 width=3 height=2 /prep7 et,1,63 !选用壳模型 et,2,30 !选用FLUID30单元，用于流固耦合问题r,1,0.01 增加实常数，壳厚为0.01 mp,ex,1,2e11 mp,nuxy,1,0.3 mp,dens,1,7800 !定义壳单元的各种单元属性 mp,dens,2,1000 !定义Acoustics材料来描述流体材料-水mp,sonc,2,1400 !定义声单元声速 mp,mu,0, !定义吸声系数 ! block,,length,,width,,height !建立长方体 esize,0.5 mshkey,1 ! type,1 !选择壳单元 mat,1 real,1 asel,u,loc,y,width !选择面 amesh,all !划分面单元 alls !选择所有项 ! type,2 !选择声单元 mat,2 vmesh,all !划分体单元 fini /solu antype,2 modopt,unsym,10 !非对称模态提取方法处理流固耦合问题eqslv,front mxpand,10,,,1 nsel,s,loc,x, nsel,a,loc,x,length nsel,r,loc,y d,all,,,,,,ux,uy,uz, nsel,s,loc,y,width, d,all,pres,0 !上面几步为定义边界条件和约束 alls asel,u,loc,y,width, sfa,all,,fsi !定义流固耦合界面
alls !选择所有项 solv !求解 fini /post1 !后处理 set,first plnsol,u,sum,2,1 !显示图形 fini /PREP7 !定义壳材料与性质 !壳元素与材料 ET,1,shell63 $MP,EX,1,201E9 $MP,prxy,1,0.26 $MP,dens,1,7.85E3 $r,1,0.006 !流体元素与材料 ET,2,FLUID80 $MP,EX,2,1.5e9 $MP,DENS,2,0.84e3 $mp,visc,2,1.0e-10 !以下这个keyoption怎么用? 如过用1，就会显示[Element 877 may not have a positive Z coordinate IF KEYOPT(2) = 1.]，显示这个错误代表要做什么修正吗?所以我暂时用KEYOPT(2) = 0就可以跑。 KEYOPT,2,2,0 !建立壳关键点 K,1,10,0,0 $K,2,10,0,12 !建立中心线关键点 k,3,0,0,0 $k,4,0,0,20 !定义壳壁线 L,1,2 $L,1,3 !以关键点3,4为中心线旋转360度生成壳体 AROTAT,all,,,,,,3,4,360 !划分壳体网格 AATT,1,1,1 $esize,2 $mshape,0,3D $mshkey,2 $amesh,all $alls !延伸出水位体积 VEXT,2,8,2,0,0,10,0,0,0 $vglue,all
实例3 隧道内具有柔性结构的流固耦合分析 问题：隧道内具有柔性结构的流固耦合如图3-1所示。 图3-1 流体-固体结构示意图 一、目的 1. 掌握流固耦合作用FSI在Adina-AUI中的操作过程。 2. 掌握用伸缩比例因子画流固耦合模型。 3. 定义引导点(leader-follower points)。 二、定义模型主控数据 1. 定义标题： 选Control→Heading→敲入标题“exe03: Fluid flow over a flexible structure in a channel, ADINA input”→and click OK。 2. FSI分析： 在右边Analysis Type区选FSI按钮。 3. 主控自由度 选Control→Degrees of Freedom→不选X-Translation, X-Rotation, Y-Rotation and Z-Rotation按钮→and click OK。 4. 分析假设：大位移，小应变。 选Control→Analysis Assumptions→Kinematics→设置“Displacements/Rotations”为 Large→ click OK。(注：非常薄的结构，因此为小应变)。
三、力学模型 1. 柔性结构建立模型 1). 柔性结构几何模型 坐标点如表3-1，几何结构如图3-2所示。 其几何面见表3-2所示。 ①选Define Points 图标→按表3-1输入几何点坐标→ click OK . ②选Define Surfaces 图标→设置TYPE 为Vertex → click OK(如图3-2所示)。 2). 施加固定边界条件和流- 固边界条件 ①. 图3-2中，在L2线上施加固定约束，其过程可用Adina-AUI 完成。 ②. 流-固边界，选Model →Boundary Conditions →FSI Boundary →add FSI boundary number 1→在表中头两行敲入流固边界线编号1和 3 and click OK 。 3). 定义材料特性 弹性模量1.0×106(dyne/cm 2)，泊松比0.3。(线弹性问题) 选Model →Materials →Elastic_Isotropic →add material 1, 设置弹性模量1.0E6→泊松比 0.3 and click OK . 4).定义单元和单元划分 (1). 2-D 实体单元，此问题属平面应变问题。 Element group : 选 Meshing →Element Groups → 增加单元组号 1→ 设置 the Type to 2-D Solid →设置 the Element 柔性结构 图3-2 几何模型 表3-1 模型几何点坐标 几何点 X1 X2 X3 坐标系 1 30.025 15.0 0 2 30.0 0.0 0 3 30.05 0.0 图3-3 结构网格
基于 LS-DYNA 及 FLUENT 的板壳结构流-固耦合分析
汪丽军
北京航空航天大学，交通科学与工程学院 100191
[摘 要]： 本文采用 ANSYS 显示动力分析模块 LS-DYNA 及流场分析模块 FLUENT，对水下的板壳 结构运动及其界面的流-固耦合现象进行了仿真分析。流场计算得到的界面压强数据以外载荷 的形式施加于结构表面，使其产生位移及变形；同时，结构的变化又进一步影响了流场的分 布。通过往复的双向耦合迭代，得到了板壳结构的动力学响应以及流场的分布情况。仿真结 果与试验结果的对比表明，此方法适用于解决兼有大位移及较大变形特征的流-固耦合问题。
[关键词]： 板壳结构 流-固耦合 有限元方法 ANSYS
Analysis of Fluid-Structure Interaction for Plate/Shell Structure Based on LS-DYNA and FLUENT
Wang Lijun School of Transportation Science & Engineering, Beihang University 100191
Abstract: In this paper，the movement of plate under water and the fluid-structure interaction(FSI) is simulated numerically by combining explicit dynamic solver LS-DYNA and computational fluid dynamics solver FLUENT in ANSYS. The pressure obtained from the calculation of flow field are applied as external loads on the surface of the plate, then the structural deformation and displacement can be calculated as well, which will affect the shape and pressure distribution of the flow field reversely. After sequential coupling iterations the dynamic response of the structure and flow field distribution are obtained consequently. By comparing numerical and experimental results it is proved that this proposed coupling method is suitable for solving such a kind of FSI problems considering both large displacement and comparatively large deformation.
Keyword: Plate/shell structure, Fluid-Structure Interaction, Finite element method，ANSYS
1 前言
在自然界中，流-固耦合现象广泛存在于航空、航天、汽车、水利、石油、化工、海洋 以及生物等领域。很多实际问题中流体载荷对于结构的影响不可忽略；同时，结构的位移 和变形也会对流场的分布产生重要影响。例如各种水下运动机构都需要考虑这种现象。
Abaqus渗流及流固耦合分析的认识 （一）当进行渗流模拟时要注意： 1、由于Abaqus中缺乏非耦合的孔压单元，这时可采用耦合单元，但要约束住所有位移的自由度。 2、渗流材料参数选择。在CAE中都是(Material-creat-other-pore fluid)选项中。 (1)Gel：定义凝胶微粒吸湿膨胀的发育过程，这在一般的岩土分析中应用不多。 (2)Moisture swelling：定义由于吸湿饱和所引起的固体骨架体积膨胀(或负吸力引起的骨架收缩)。 (3)Permeability：定义饱和介质的渗透系数，该渗透系数可以在type 选项中定义为各向同性、正交各向异性和各向异性，并且可以根据Void Ratio 定义为孔隙比的函数。在Suboptions中选择Saturation Dependent参数来指定与饱和度相关性系数ks(s)，缺省设置为ks＝s3，而非饱和介质渗透系数k’=ksk。选择Velocity dependence参数可以激活Forchheimer定律，缺省的是Darcy定律。 (4)Pore Fluid Expansion：定义固体颗粒与流体体积热变化效应。 (5)Porous Bulk Moduli：定义固体颗粒与流体体积模量。 (6)Sorption：定义负孔隙压力与饱和度之间的相关性。当 type=Absorption时，定义吸湿曲线，type=Exsorption时定义排水曲线。 3、载荷及边界条件 (1)通过(Load-creat-step-fluid-surface pore fluid)选项定义沿着单元表面的外法线方向的渗流速度vn，当考虑降雨影响时可采用此载荷 (2)边界条件(Boundary condition-creat-other-pore pressure)选项定义孔压边界条件，此时要先假定浸润面的位置，然后定义浸润面上的孔压为零，Abaqus会在后续的分析计算中自动计算出浸润面的位置。Abaqus默认的是不透水边界。 (3)当渗流自由面遇到临空的自由排水面时，需要定义一个特殊的边界条件。此时可以通过在inp文件中加入*Flow或*Sflow来定义 （二）流固耦合中的欧拉分析浅议 1、概述： 在传统的拉格朗日分析中，节点是由材料确定的，材料变形则单元也变形。拉格朗日单元通常是100%的单一材料，因此材料边界和单元边界是一致的。相对的，在欧拉分析中，节点是空间固定的，单元不会发生变形，而材料在单元间流动。欧拉单元可能不会是100%的充满材料，很多情况下可能是部分的材料甚至是空的。因此，欧拉材料的边界必须在每个增量步中进行计算，通常和单元边界并不一致。欧拉网格通常是由简单的矩形单元组成，为材料提供流动和变形的空间。一旦欧拉材料移动到欧拉网格以外，它就不再参与到欧拉分析中了。欧拉材料可以通过欧拉-拉格朗日接触（CEL）和拉格朗日单元联系起来。这个
双向流固耦合实例（Flｕeｎt与strｕcｔure） 说明：本例只应用于FLUENT１4．０以上版本。 ANSＹＳ１4．０是20１1年底新推出的版本,在该版本中，加入了一个新的模块Sysｔem Coupling，目前只能用于flｕｅnｔ与anｓyｓｍecｈaｎicａl的双向流固耦合计算。官方文档中有介绍说以后会逐渐添加对其它求解器的支持，不过这不重要,重要的是现在ＦLUENＴ终于可以不用借助第三方软件进行双向流固耦合计算了，个人认为这是新版本一个不小的改进。 模块及数据传递方式如下图所示。 一、几何准备 流固耦合计算的模型准备与单独的流体计算不同，它需要同时创建流体模型与固体模型。在gｅoｍeｔry模块中同时创建流体模型与固体模型。到后面流体模型或固体模块中再进行模型禁用处理。 模型中的尺寸：v1：32mm，h２:１20mm，ｈ5:６０mm，h３:３mm,v4：１5mm。 由于流体计算中需要进行动网格设置，因此推荐使用四面体网格。当然如果挡板刚度很大网格变形很小时，可以使用六面体网格,划分六面体网格可以先将几何进行ｓlice切割。这里对流体区域网格划分六面体网格，固体域同样划分六面体网格。 二、流体部分设置 1、网格划分 双击B3单元格，进入ｍeshing模块进行网格划分。禁用固体部分几何。设定各相关部分的尺寸，由于固体区域几何较为整齐，因此在切割后只需设定一个全局尺寸即可划分全六面体网格。这里设定全局尺寸为１mm。划分网格后如下图所示。
２、进行边界命名，以方便在ｆluｅｎt中进行边界条件设置 设置左侧面为速度进口velｏciｔｙinlet,右侧面为自由出流outflow,上侧面为壁面边界waｌl_ｔoｐ，正对的两侧面为壁面边界walｌ＿ｓｉｄｅ１与walｌ_sidｅ2（这两个边界在动网格设定中为变形域),设定与固体交界面为壁面边界（该边界在动网格中设定为ｓysteｍｃoupling类型）。 操作方式：选择对应的表面，点击右键,选择菜单crｅａtｅnameｄseｌeｃｔioｎ,然后输入相应的边界名称。注意:FＬUENT会自动检测输入的名称以使用对应的边界类型，当然用户也可以在ｆluenｔ进行类型更改。完成后的树形菜单如下图所示。 本部分操作完毕后，关闭meshiｎg模块。返回工程面板。 ３、进入fｌｕent设置 ＦLUＥNT主要进行动网格设置。其它设置与单独进行ＦLＵENT仿真完全一致。 设置使用瞬态计算，使用Ｋ-Ｅpsiｌoｎ湍流模型。 这里的动网格主要使用弹簧光顺处理（由于使用的是六面体网格且运动不规律),需要使用T ＵI命令打开光顺对六面体网格的支持。使用命令/ｄｅfinｅ/dyｎaｍｉc-ｍｅsｈ/coｎtrolｓ／smoothinｇ-ｐａrａｍeteｒs。 动态层技术与网格重构方法在六面体网格中失效。因此，建议使用四面体网格。我们这里由于变形小，所以只使用光顺方法即可满足要求。 点击Dynａmiｃｍｅsh进入动网格设置面板。如下图所示,激活动网格模型。