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“大型深海结构水动力学理论与流固耦合分析方法”
重大项目指南
中国已经是世界上最大的能源消费国，油气消耗量和进口量均在持续增长。与此同时，我国现存的陆上和浅海区域的油气资源正在逐渐枯竭。积极稳妥推进深远海油气资源的开发和利用，将是缓解国家当前严峻的能源安全形势的必然战略选择。然而，与以往的近浅海工程作业相比，深海油气资源的开发不仅面临更加恶劣的海洋环境条件，而且大型新式深海工程结构装备的使用以及作业方式也有很大改变，这些都对现行的海洋工程分析理论和设计方法提出了新的挑战。世界范围内，各类深海工程事故频发，归根结底都是对大型深远海工程装备的水动力学特性和流固耦合作用机理以及相关基础问题缺乏科学的认识和理解，因此迫切需要开展相关科学问题的基础研究，为提高分析预报和工程设计水平、确保深海作业安全提供坚实的科学和技术支撑。
一、科学目标
以大型深海结构系统与工程环境的相互作用为核心，针对深海极端动力环境、非线性极端波浪与大型浮体结构的耦合作用、水下超细长柔性结构的动力响应开展系统化研究，发展大幅非线性不规则波浪理论、波浪对特殊形式结构作用的分析理论、非线性波浪与大型浮式结构作用的分析理论、超大长细比柔性结构动力响应分析方法和结构/系缆/立管耦合运动的分析方法，揭示极端深海工程环境与大型浮体结构系统的耦合作用机理，阐明相互作用规律，在深海工程的水动力
学基础理论、流固耦合分析方法和工程设计理论上取得突破，为中国南海深水油气开发提供理论指导、技术支撑和参考依据。
二、研究内容
（一）深海大幅表面波和内波流场分析理论。
针对深海大幅表面波和内波强非线性的特点，建立大幅非线性表面波和内孤立波流场高效层析模拟分析方法，研究大幅随机表面波波高、波峰及其最大流速的统计分布特性，结合内波观测数据开展大幅内波流场及其分布特征研究。
（二）非线性波浪对大幅漂移结构作用的分析方法。
研究波浪对浮体的非线性作用，建立非线性波浪、内波对大幅慢漂浮体作用的分析方法，研究浮体运动引起的频移效应和阻尼效应。
（三）复杂形状结构的波浪近场干涉作用机理和分析方法。
研究多柱、多体及月池结构的波浪近场干涉作用机理，极端非线性波浪的形成机理，共振条件下的水动力特性及对结构物的作用，复杂流动下阻尼的形成机理和作用机制，建立可靠的数值分析方法和试验模拟方法。
（四）超细长柔性结构流固耦合响应分析理论。
研究高雷诺数流动下振荡圆柱体的载荷与响应特性、大长细比柔性结构在洋流作用下的响应特性，建立高雷诺数下超细长柔性结构的流固耦合响应分析方法。
（五）深海浮体/系缆/立管运动的整体耦合动力分析方法。
研究综合考虑多因素（环境荷载、大尺度、柔性、超长细比）影响的深海结构整体耦合分析模型，涵盖从局部流场到宏观尺度的强非线性数值模拟方法，研究大型深海结构物的设计理论、方法及应用。
三、资助期限5年（2015年1月至2019年12月）
四、资助经费1500万元
五、申请注意事项
（一）申请人应当认真阅读本项目指南和通告，不符合项目指南和通告的申请项目不予受理。
（二）申请书的附注说明选择“大型深海结构水动力学理论与流固耦合分析方法”（以上选择不准确或未选择的项目申请将不予受理）。
（三）本项目由工程与材料科学部负责受理，项目申请代码为E0910。
文章编号:1671-3559(2004)02-0123-04 收稿日期:2003-12-03 基金项目:山东省科学技术发展计划资助项目(012050107);山 东省自然科学基金资助项目(Y 2002F19) 作者简介:郭术义(1971-),男,山东济南人,山东大学机械工 程学院博士研究生。 流固耦合应用研究进展 郭术义,陈举华 (山东大学机械工程学院,山东济南250061) 摘 要:流固耦合力学是一门新兴学科。本文简要介绍了该学科的典型应用进展情况,总结了各种研究中的典型方程、数值解法,展望了进一步发展的趋势。关键词:流固耦合;数值模拟;展望中图分类号:O35112;O34717 文献标识码:A 流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支, 是流体力学与固体力学二者相互交叉而生成的。它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用:固体在流体动载荷作用下产生变形或运动,而固体的变形或运动又反过来影响到流场,从而改变流体载荷的分布和大小。总体上,流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。本文就流固耦合问题的两大分类中三种基本情况进行了讨论。 1 流固耦合典型应用 流固耦合作用的研究在航空、航天、水利、建筑、石油、化工、海洋以及生物领域都有着十分重要的意义。如液体晃动对火箭飞行稳定性的影响,大型贮液管在地震激励作用下产生的流固耦合作用,液体湍振对输液管道的影响。本文就如下三个大方面进行了总结。1.1 输流管道流固耦合 流体引起输流管道振动的研究最初来源于横跨 阿拉伯输油管道振动的分析[1]。管道在众多的工业领域中应用十分广泛,作用极其重要。但是,在管道 内流体流动状态的微弱变化往往引起在工作过程中的湍振现象,诱发流体、管道之间的耦合振动,动力学行为相当复杂。这使得人们很早就开始了这方面的研究,Paidoussis M P [2]是其中最具有代表性的。输流管道的振动问题之所以能引起学者的兴趣,除因为该问题的广泛工业背景和现实意义之外,还因为输流管道虽然是最简单的流固耦合系统,但它却涉及了流固耦合的大多数问题,并且它的物理模型简单,系统比较容易实现,因而便于理论与试验的相互协同。 考虑因素侧重面的不同,输液管道非线性运动方程有几种类型[3-5],它们之间有一定的差别。它们的基本假设都是:流体无粘且不可压;管道作为梁模型来处理;管道只是在平面内振动。尽管输流管道的非线性动力问题受到50多年极为广泛的研究,但至今尚没有一个公认的模型。文[6]建立的4个独立变量(轴向位移、横向位移、流速和压力)的全耦合模型(耦合形式包含摩擦耦合、P oiss on 耦合、结合部耦合以及管道轴向和横向运动的耦合)在众多的非线性分析模型中是一个较为完整的模型。 m ¨u +m f [ υf (1+u ′)+2υf u ′+υ2 f u ″+ ωυ′f ]+ P (υf + u )/c 2F -[(1-2υ)P (1+u ′)]′+4f ρf ρ′?υ2f /DK -gm f (1-2υ)(1+u ′)ω′-EI (7ω″ω +ω′ ω )-E A p (2u ″+6u ′u ″+2ω′ω″ )/2=0(1)m ¨ω+m f [ υf (1+ω′)+2υf ω′+υ2f u ″+ω″υ2 f ]+ P (υf + ω)/c 2F -[(1-2υ)P ω′]′-gm +EI ω″″-EI (u ′ω′+6u ″ω +4u ′ω ′)-E A p (u ″ω′+u ′ω″ )=0(2) P /c 2F +m f [(1-2υ)( u +υf )u ″- u ′+υ′f ]-m f (1-2υ)( u ′+u ′ u ′+ω′ ω′ )=0(3)P ′+m f (¨u + υf )+m f ¨ωω′+gm f ω′+Df ρf υ2 f /2=0 (4)随着对输流管道问题研究的深入,各种不同的 分析计算方法也相继被提出。其中有限元法(FE M ) 第18卷第2期2004年6月 济南大学学报(自然科学版) JOURNA L OF J I NAN UNI VERSITY (Sci.&T ech 1) V ol.18 N o.2 Jun.2004
11. 无砟轨道结构动力学理论 11.1 列车－无碴轨道耦合动力学模型 将机车车辆视为由车体、构架及轮对组成的多刚体系统，考虑车体、前后构架及轮对的垂向、横向、沉浮、点头、侧滚、摇头自由度以及车辆悬挂系统中的非线性因素。轮轨之间的法向作用力由赫兹非线性弹性接触理论确定，切向蠕滑力先由Kalker线性蠕滑理论确定，再进行非线性修正。将钢轨视为弹性点支承基础上的Bernoulli-Euler梁，分别考虑左、右股钢轨的垂向、横向及转动自由度，钢轨支承点间隔为扣件间距。轨道板（道床板）垂向视为弹性基础上的弹性薄板，轨道板（道床板）的横向视为刚体运动，考虑平动和转动自由度，凸形挡台及CA砂浆对轨道板（道床板）的提供横向弹性约束。混凝土底座同样视为弹性地基上的弹性薄板。图11.1～图11.7为列车－无碴轨道空间耦合动力学模型。 图11.1 列车－双块式轨道耦合动力学模型（侧视图）钢轨道床板
图11.2 列车－板式轨道耦合动力学模型（侧视图） 图11.3 列车－双块式轨道耦合动力学模型端视图 图11.4 列车－板式轨道耦合动力学模型端视图钢轨 轨道板 混凝土底座
图11.5 路基上双块式轨道－有碴轨道过渡段耦合动力学模型 图11.6 路基上板式轨道－有碴轨道过渡段耦合动力学模型 图11.7 路基上板式轨道－有碴轨道过渡段耦合动力学模型（辅助轨）
11.2 无碴轨道动力学方程 将钢轨视为弹性点支承基础上Bernoulli-Euler 梁，在机车车辆荷载作用下，钢轨的垂向、横向振动以及扭转振动可表示为 ()() ()()()()4242 11,,s w N N r r r ry r r rVi Fi Vj Pj i j z x t z x t E J A F t x x P t x x x t ρδδ==??+=--+-??∑∑ （11.1） ()() ()()()()4242 11 ,,s w N N r r r rz r r rHi Fi Hj Pj i j y x t y x t E J A F t x x P t x x x t ρδδ==??+=--+-??∑∑ （11.2） ()()()22022 11 (,)(,) () s w N N r r r r r rt rTi Si Tj Pj i j x t x t J G J F t x x P t x x t x ?φ?φρδδ??==+=--+-∑∑ （11.3） 采用Ritz 法可将上述偏微分方程转换为关于钢轨正则坐标 () t q zk 、 () t q yk 、()t q tk 的二阶常微分方程组 ()4 11()()() (=1~)s w N N r y zk zk rVi k Fi Vj k Pj Z i j r r E I k q t q t F Z x P Z x k N A l πρ==??+=-+ ???∑∑ （11.4） ()4 11()()() (=1~)s w N N r z yk yk rHi k Fi Hj k Pj Y i j r r E I k q t q t F Y x P Y x k N A l πρ==?? +=-+ ???∑∑ （11.5） ()211 0()()() (=1~)s w N N r rt tk tk rTi k Si Tj k Pj T i j r r G J k q t q t F x P x k N J l πρ==?? +=-Φ+Φ ???∑∑ （11.6） 设轨道板长度为1a ，宽度为1b ，阻尼为1C ，弯曲刚度为1D ，单位面积质量为1m ，轨道板上的扣结点数为P N ，对应的扣结点枕上压力为F rv 。根据弹性薄板的振动理论，轨道板的垂向振动方程可写为 ()()()()()()()()()()()1111111111111 CA P 44424224 2N N rVi Pi Pi j Fj Fj i=1j=1 w x,y,t w x,y,t w x,y,t w x,y,t w x,y,t C m +2+++x x y y D t D t = F t x-x y-y F t x-x y-y D D δδδδ???????????-∑∑ （11.7） 采用双向梁函数组合级数逼近方法来求解轨道板振动方程，轨道板的挠度可设为
1 流体－固体耦合与单相渗流 1.1介绍 FLAC3D模拟了流体流过可渗透的介质，例如土体。渗流模型可以独立于通常FLAC3D的固体力学计算，而只考虑渗透；或者为了描述流体和固体的耦合特性，与固体模型并行计算。例如，固结是一类流固耦合的现象，在固结过程中孔隙压力逐渐消散，从而导致了土体的位移。这种行为包含了两种力学效应。其一，孔隙水压力的改变导致了有效应力的改变，有效应力的改变影响了固体的力学性能，例如有效应力的降低可能引发塑性屈服；其二，土体中的流体对孔隙体积的变化产生反作用，表现为孔隙水压力的变化。 本程序可以不仅可以解决完全饱和土体中的渗流，也可以分析有浸润线定义的饱和与非饱和区的渗流计算。该条件下，浸软面以上的土体的孔隙水压力为零，气体是被动的（气体的压力考虑成负的）。这种方法用于颗粒比较粗的毛细现象可以忽略土体。 渗流分析中有如下的特征： 1.对应于渗流各向同性和各向异性渗透性采用两种不同的流体传输定律。渗流区域中的不可渗透 的区域用流体的null材料定义。 2.不同的zone可以赋予不同的渗流模型(isotropic, anisotropic or null)和属性。 3.流体压力，涌入量，渗漏量和不可渗透边界都可以定义。 4.土体中可以加入抽水井，考虑成点源或者体积源。 5.计算完全饱和土体中的渗流问题，可以采用显式差分法或者隐式差分法；而非饱和渗流问题只 能采用显式差分法。 6.渗流模型可以和固体力学模型和传热模型一起使用。在耦合问题中，可以考虑饱和材料的压缩 和热膨胀。 7.流体和固体的耦合程度依赖于土体颗粒（骨架）的压缩程度，用Biot系数表示颗粒的可压缩 程度。（即用biot系数确定颗粒变形，来模拟力学与流体的耦合） 8.用线性热膨胀系数和非排干导热系数来考虑热耦合计算。 9.对于热-流体-流动计算是基于线性理论，假设材料属性为常数，不考虑对流。流体和固体温度 局部平衡。如果要模拟非线性行为，需要制定孔隙压力和用fish函数确定材料属性。 由于循环荷载引起的动水压力和液化问题也可以用FLAC3D模拟。FLAC3D不考虑毛细现象，土体颗粒间的电、化学作用力。然而，可以根据土体的局部饱和度，孔隙率，或者其他的变量，通过编写一段FISH语言来考虑这种力。类似的，由于液体中溶解了空气而引起的液体刚度变化，也不能显式的模拟，而通过FISH将液体刚度表示为压力，时间和其他变量的函数。 这以章节可以分为七个主要部分： 1.数学模型描述（章节1.2）和相应的数值方法（章节1.3）（单相渗流和流固耦合计算）。 2.计算模式和渗流分析相关的命令。（章节1.4） 3.渗流分析所需要的材料属性的单位。（章节1.5） 4.不同边界条件，初始条件，和流体的源和汇的的描述。（章节1.6） 5.求解单相渗流问题和流固耦合问题的推荐方法。（章节 1.7）建议先练习这里的例子再做自己 的流体分析。 6.（章节1.8）提供了几个验证算例，演示了用falc3d的流体计算方法的准确性。 7.（章节1.9）总结了与流体计算的相关命令。 用户在尝试解决流固耦合问题之间，强烈建议先熟悉一下FLAC3D求解固体力学问题的步骤。流固耦合的力学行为通常非常复杂，需要用户对计算结果是否真确需要远见和判断。在开始计算一个大的项目支前，有必要在一个网格比较少的例子上作试验，尝试不同的边界条件和建模策略。“浪费”在试验上的时间，必定可以通过计算时间来弥补回来。
有问题可以发邮件给我一起讨论xw4996@https://www.doczj.com/doc/0a6363348.html, FSI流固耦合命令求解流固耦合问题 使用ANSYS计算结构在水中的模态时, FLUID29,FLUID30单元分别用来模拟二维和三维流体部分,相应的结构模型则利用PLANE42单元和SOL ID45等单元来构造，其中，PLANE42和SOL ID45分别是用来构造二维和三维结构模型的单元。FLUID30是流体声单元,主要用于模拟流体介质及流固耦合问题。该单元有8 个节点,每个节点上有4 个自由度,分别是XYZ上3个方向位移自由度和1个压力自由度,为各向同性材料。输入材料属性时,需要输入流体的材料密度(作为DENS 输入)及流体声速(作为SONC输入),流体粘性产生的损耗效应忽略不计。FLUID29是FLUID30单元在二维上的简化，少了一个Z向的位移。SOLID45单元用于构造三维实体结构。单元通过8 个节点来定义,每个节点有 3 个沿着XYZ方向平移的自由度。PLANE42是SOLID45单元在二维上的简化。 在利用ANSYS建模分析时,流场域单元属性分为2种,由KEYOPT(2)(指定流体和结构分界面处结构是否存在) 控制,在流固耦合交界面上的单元KEYOPT(2) = 0 ,表示分界面处有结构,其他流体单元KEYOPT(2)=1,表示分界面处无结构。流体-结构分界面通过面载荷标志出来,指定FSI label可以把分界面处的结构运动和流体压力耦合起来,分界面标志在分界面处的流体单元标出。 数值分析的步骤 1) 建立流体单元的实体模型。建立流体模型,需要确定流体域的范围,可以把无限边界流体简化成流体区域的半径为固体结构半径的10倍。 2) 标记流固耦合界面。选取流体单元中流固交界面上的节点,执行FSI 命令,流固耦合交界面的处理:流体与固体是两个独立的实体,在划分单元时在两者交界面上的单元网格要划分一致,这样在交界面上的同一位置一般就有两个重合的节点,一个节点属于流体单元,一个节点属于固体单元,这两个重合节点在交界面的位移强制保持一致。 3) 建立固体结构实体模型。建立固体结构模型，定义单元属性，采用映射方式进行网格的划分。 4) 施加约束条件。由于流体区域的尺寸远大于固体结构尺寸，故可以不考虑流体液面的重力的影响，将流体边界处的单元节点上施加压力(PRES) 为零的约束。因为选择的算例为悬臂结构，在固体结构底部加全约束。 5) 选择求解算法，进行求解。定义分析类型为模态分析，设定提取频率阶数和提取模态的方法。因为耦合问题的刚度矩阵，质量矩阵都不对称，需要采用非对称矩阵法(UNSYMMETRIC)求解。 6) 查看结果。进入后处理模块，查看结构模型的频率及振型。 以半浸没与水中的桥墩模态问题为背景，并假设： 1. 桥墩为实心等截面的实体，实际桥墩模型应该是空心壳体，截面尺寸也 非常复杂，因而需要分块划分单元。
第42卷第11期 2008年11月 上海交通大学学报 JOU RN AL O F SH AN G HA I JIA OT O N G U N IV ERSIT Y Vol.42No.11 Nov.2008 收稿日期:2007 10 08 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10772113);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20040248013) 作者简介:洪嘉振(1944 ),男,浙江宁波市人,教授,博士生导师,研究方向:多体系统动力学与控制.电话(T el.):021 ********; E mail:jzhong@s https://www.doczj.com/doc/0a6363348.html,. 文章编号:1006 2467(2008)11 1922 05 刚柔耦合动力学的建模方法 洪嘉振, 刘铸永 (上海交通大学工程力学系,上海200240) 摘 要:对柔性多体系统动力学研究的若干阶段和研究现状进行回顾,对已有的刚柔耦合动力学建模方法进行总结.为了对已有的建模方法进行评价,提出了5项指标:科学性、通用性、识别性、兼容性和高效性,指出现有的建模方法尚无法满足工程实际应用的需要,应研究满足全部评价指标的刚柔耦合动力学建模方法.文中对今后柔性多体系统刚柔耦合动力学的几个研究方向进行展望,包括理论建模、计算方法和试验研究等方面. 关键词:刚柔耦合系统;动力学;建模方法;评价指标中图分类号:O 313 文献标识码:A Modeling Methods of Rigid Flexible Coupling Dynamics H ON G J ia z hen, L I U Zhu y ong (Department of Engineering M echanics,Shanghai Jiaotong Univ er sity,Shanghai 200240,China)Abstract:A brief review about several phases and present status o f flexible multi bo dy dynamics w as given and the ex isting m odeling m ethods o f r ig id flex ible coupling dynam ics w ere sum marized.Five indexes,in cluding scientific index,g eneral index,identifiable index,compatible index and efficient index ,w ere pro posed to evaluate the ex isted mo deling methods.It show s that the ex isted m odeling metho ds can no t satis fy the actual needs of eng ineer ing application and new modeling m ethod w hich satisfies all the evaluating index es should be inv estig ated.T he r esearch tar gets including modeling theor y,com putational methods and exper im ents w er e sugg ested for the rigid flexible co upling dynamics o f the flex ible multi body sys tems. Key words:rigid flex ible coupling sy stem s;dy nam ics;mo deling methods;evaluating index 柔性多体系统是指由多个刚体或柔性体通过一定方式相互连接构成的复杂系统,是多刚体系统动力学的自然延伸.考虑刚柔耦合效应的柔性多体系统动力学称之为刚柔耦合系统动力学,主要研究柔性体的变形与其大范围空间运动之间的相互作用或相互耦合,以及这种耦合所导致的动力学效应.这种耦合的相互作用是柔性多体系统动力学的本质特 征,使其动力学模型不仅区别于多刚体系统动力学,也区别于结构动力学.因此,柔性多体系统动力学是 与经典动力学、连续介质力学、现代控制理论及计算机技术紧密相联的一门新兴交叉学科[1 3],它对高技术、工业现代化和国防技术的发展具有重要的应用价值. 根据力学的基本原理,基于不同的建模方法,得
流固耦合定义：它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用,变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。 (一)流固耦合动力学：求解方法与基本理论---张阿漫，戴绍仕 ●有限元法 ●边界元法 ●SPH法与谱单元法 ●瞬态载荷作用下流固耦合分析方法 ●小尺度物体的流固耦合振动 ●水下气泡与边界的耦合效应 按耦合机理分两大类： 1 耦合作用只发生在两相交界面---界面耦合（场间不相互重叠与渗透），耦合作用通过界面力（包括多相流的相间作用力等）起作用。它的计算只要满足耦合界面力平衡，界面相容就可以了（其耦合效应是通过在方程中引入两相耦合面边界条件的平衡及协调关系来实现的）。如气动弹性，水动弹性等。 按照两相间相对运动的大小及相互作用分为三类： (1)流体和固体结构之间有大的相对运动问题"最典型的例子是飞机机翼颤振和 悬索桥振荡中存在的气固相互作用问题,一般习惯称为气动弹性力学问题" (2)具有流体有限位移的短期问题"这类问题由引起位形变化的流体中的爆炸或 冲击引起"其特点是:我们极其关心的相互作用是在瞬间完成的,总位移是有限的,但 流体的压缩性是十分重要的" (3)具有流体有限位移的长期问题"如近海结构对波或地震的响应!噪声振动的 响应!充液容器的液固耦合振动!船水响应等都是这类问题的典型例子"对这类问题, 主要关心的是耦合系统对外加动力荷载的动态响应" 2 两域部分或全部重叠在一起，难以明显的分开，使描述物理现象的方程，特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立，其耦合效应应通过建立与不同单相介质的本构方程等微分方程来体现。 按耦合求解方法分两大类： 1 直接耦合求解：直接耦合是在一个求解器中同时求解不同物理场的所有变量，需要针对具体的物理现象来建立本构方程，其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。 2 间接耦合求解：而间接耦合不需要重写本构方程，仅只利用当前比较成熟的单物理场求解器求解各自相域，并实现不同的物理场之间的信息交换。 范例（一个经典的间接耦合求解范例步骤）：利用CFX 进行全三维非定常粘性数值模拟，利用ANSYS 进行结构瞬态动力分析，其耦合面数据交换以MFX-ANSYS/CFX为平台，在每个物理时间步上进行耦合迭代，各自收敛后再瞬态向前推进，结构变形引起的流场网格位移由CFX内部的动网格技术来处理，整个耦合过程充分考虑了流场的三维非定常性和结构响应的瞬态变化。https://www.doczj.com/doc/0a6363348.html,/s/blog_6817db3a0100ju4s.html） 迭代求解,也就是在流场,结构上分别求解,在各个时间步之间耦合迭代,收敛后再向前推进.好
流固耦合概述及应用研究进展 摘要 流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支。顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid．solid interaction)：变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。总体上 , 流固耦合问题按耦合机理可分为两大类:一类的特征是流固耦合作用仅仅发生在流、固两相交界面上 ,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的;另一类的特征是流、固两相部分或全部重叠在一起 ,耦合效用通过描述问题的微分方程来实现。 1 流固耦合概述 1．1引言 历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。 事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。 1.2流固耦合力学定义和特点 流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的--I'l力学分支。顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用（fluid-solid interaction)．变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。流固耦合问题可由其耦合方程来定义，这组方程的定义域同时有流体域与固体域，而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象的变量，一般而言，具有以下两点特征： a)流体域或固体域均不可能单独地求解； b)无法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运动的独立变量。 1．3流固耦合力学涉及领域及分类 流固耦合问题涉及到很多方面。比如：工程实际中所涉及到的流固耦合问题，
第五章 轴流泵的流固耦合 5-1 流固耦合概论 流固耦合问题一般分为两类，一类是流‐固单向耦合，一类是流‐固双向耦合。单向耦合 应用于流场对固体作用后，固体变形不大，即流场的边界形貌改变很小，不影响流场分布的， 可以使用流固单向耦合。先计算出流场分布，然后将其中的关键参数作为载荷加载到固体结 构上。典型应用比如小型飞机按刚性体设计的机翼，机翼有明显的应力受载，但是形变很小， 对绕流不产生影响。当固体结构变形比较大，导致流场的边界形貌发生改变后，流场分布会 有明显变化时，单向耦合显然是不合适的，因此需要考虑固体变形对流场的影响，即双向耦 合。比如大型客机的机翼，上下跳动量可以达到5 米，以及一切机翼的气动弹性问题，都是 因为两者相互影响产生的。因此在解决这类问题时，需要进行流固双向耦合计算。下面简单 介绍其理论基础。 连续流体介质运动是由经典力学和动力学控制的，在固定产考坐标系下，它们可以被表 达为质量、动量守恒形式: ()0v t ρρ?+??=? (1) ()B v vv f t ρρτ?+??-=? (2) 式中，ρ为流体密度；v 为速度向量；B f 流体介质的体力向量；τ为应力张量；在旋 转的参考坐标系下，控制方程变为： ()0r v v t ρρ?+??=? （3） (-)+B r r c v v v f f t ρρτ?+??=? （4） 形式和固定坐标系下基本相同，只是速度变成了相对速度，另外就是增加了附加力项 c f 。 固体有限元动力控制方程为： []{}[]{}{}...[]{}M u C u K u F ++= （5） 式中，[]M ，[]C ，[]K 分别是质量矩阵，阻尼矩阵以及刚度矩阵，{}F 为载荷矩阵。 流固耦合遵循最基本的守恒原则，所以在流固耦合交界面处，应满足流体与固体应力、 位移、热流量、温度等变量的相等或守恒，即满足如下四方程： f f s s n n ττ?=? (6) f s d d = (7) f s q q = (8) f s T T = (9) 5-2 单向流固耦合
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
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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。
小论文拟采用DP模型，在应力较高的土体中，比Mohr-coulomb理想弹塑性模型的数值计算结果更精确。设定DP模型需要输入3个特殊参数，粘聚力，内摩擦角，膨胀角，其中的膨胀角是用来控制体积膨胀的大小的。在岩土工程中，一般密实的砂土和超强固结土在发生剪切的时候会出现体积膨胀，因为颗粒重新排列了；而一般的砂土或者正常固结的土体，只会发生剪缩。在使用DP模型的时候，对于一般的土，膨胀角设置为0度比较符合实际。渗流耦合分析拟采用的边界条件是全地基边界，即把要分析的模型所有的区域看成是一个封闭的整体。在计算渗流应力耦合分析时，考虑基坑空间效应，建立三维实体模型，不仅考虑施工降水耦合，也考虑施工间歇变形耦合。最终通过支护结构桩和锚杆的变形以及基坑的变形，得出以下两条结论：（1）采用渗流应力耦合理论计算的基坑工程变形形态符合实际情况，随着基坑开挖深度增加，基坑变形规律也符合实际情况。（2）渗流应力耦合情况下基坑变形与不考虑渗流耦合影响下基坑变形曲线相比，数值较大，可见，分析基坑变形时不考虑渗流耦合影响是偏不安全的，耦合分析对基坑变形的影响不能忽视。 1、基于渗流场-应力场耦合作用下的深基坑降水支护结构的位移研究工程勘察2012 本文采用大型通用岩土工程有限元软件PLAXIS对复合土钉支护进行分析,模型采用平面应变模型,土体采用Mohr-coulomb理想弹塑性模型且具有对称性，故取一半对其分析，模型底部为固定约束，侧面只限制水平位移，上表面为自由边界。 本工程的数值模拟主要为比较在有降水作用下和未考虑地下水两种情况下的支护结构体系的位移，为此，首先进行了在未考虑地下水条件下的模拟，即不考虑孔隙水压，地下水位线默认为基坑底部。其次依据实际工程的地下水位线-7.24m，进行了数值模拟，以便找到降水作用对支护结构体系位移的影响。 2、考虑流-固耦合效应的基坑水土压力计算工程勘察2011 针对地下水绕过围护墙渗流情况，分析了传统的水土压力分算、合算及考虑土体渗流-固结变形方法计算土压力的区别，并利用实测数据进行对比。 流过耦合分析，PLAXIS程序采用水土分算的方法，通过输入地下水水头执行地下水渗流程序进行计算，利用单元应力点上的压力水头求得孔隙水压力，将围护墙与土体接触界面上的有效压力与孔隙水压力值相加，得到基坑围护墙上总的水土压力分布。 3、考虑流固耦合作用的深基坑有限元分析地下空间与工程学报2012 利用FLAC流固耦合模型对复杂地质条件下深基坑降水开挖过程中深基坑的时间效应进行研究。建立考虑参数变化的弹塑性流固耦合数值模型，分析基坑开挖及降水作用下地表沉降、水压力、基底隆起随时间变化的规律。平面应变模型，土体采用修正的剑桥模型模拟，只是在理论上提出考虑基坑开挖过程中渗透系数随孔隙比变化的现象，未应用在模型模拟中。 4、考虑渗流-应力耦合基坑开挖降水数值分析广东工业大学学报2013 本文运用通用软件MIDAS/GTS考虑渗流应力耦合作用下模拟基坑开挖降水的详细过程，分析了不同阶段渗流情况,同时探讨了止水帷幕、渗透系数与不同降水深度对基坑支护特性的影响，以期为基坑降水和支护结构优化提供理论参考。采用的摩尔库伦土体模型，基坑较小，应力水平较低，平面应变模型，未考虑基坑的空间效应。 5、深基坑工程降水与地面沉降耦合数值模拟研究中国市政工程2012 采用基坑降水与地面沉降耦合模型分析，四周边界取为定水头边界，其中，求解地下水问题简化为求解地下水在多孔介质中流动的问题，建立相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型为 地面沉降模型为 方程的求解条件为： 利用建立的三维渗流沉降模型预测抽水减压期间对水位降深和区域沉降影响。计算结果
某火炮减速器刚柔耦合动力学仿真 王炎，马吉胜 （军械工程学院 武器系统仿真研究所, 河北 石家庄 050003） 摘要：通过CATIA 与LMS https://www.doczj.com/doc/0a6363348.html,b Motion 无缝接口实现了实体模型的数据导入。以多刚体动力学和柔性多体动力学理论为基础，建立了包含柔性轴和柔性箱体的方向机刚柔耦合虚拟样机模型。通过仿真分析了柔性体对齿轮啮合力的影响，得到了耦合作用下箱体及齿轮轴的应力和变形，为耦合动载工况下的减速器设计提供了理论依据。 关键词：啮合力；刚柔耦合；模态综合法；https://www.doczj.com/doc/0a6363348.html,b Motion. 引言： 减速器是在原动机和工作机之间用于降低速度、增大扭矩的传动装置，其主要部件包括齿轮、轴、轴承和箱体等。减速器输出端啮合力往往很大，当箱体、轴材料刚度较小时，箱体、轴的柔性变形与输出齿轮啮合力的耦合作用不可忽略。某火炮方向减速器如图1所示，齿圈1固定不动，输出端齿轮2与齿圈1啮合带动整个减速器及炮塔绕齿圈1转动。输出端齿轮2采用悬臂梁结构，如果箱体和齿轮轴变形过大则使啮合振动更加恶劣，不能保证传动精度。在设计过程中为减轻减速器重量，欲将箱体由40CrNiMoA 改为ZL205。为探讨采用轻质箱体后，箱体、轴的柔性变形是否会使啮合振动显著增大，本文以柔性多体动力学理论为基础，综合考虑箱体、轴的变形与啮合力的耦合作用，建立了该减速器刚柔耦合动力学模型，通过分析耦合作用下载荷特性，以及箱体、轴动载下的应力和变形验证了减重设计方案的可行性，为箱体和轴等部件的选材及强度校核提供了理论依据。 图1 某火炮方向减速传动示意图 图2 齿轮扭转振动模型 1 啮合力模型 在减速器的虚拟样机建模过程中，难点在于啮合力模型的建立，在多体软件中，啮合力建模主要由以下两种模型： 1、基于齿轮参数的啮合力模型[1,2]。 该方法以齿轮系统动力学为基础，根据齿轮系统动力学中的运动方程，建立齿轮系统扭转振动模型如图2所示。根据牛顿定律可得这一系统的动力学模型： (())()(())p p p m p p g g p p p g g p I R C R R e t R K t f R R e t T θθθθθ????? +??+??= （1） (())()(())g g g m p p g g g p p g g g I R C R R e t R K t f R R e t T θθθθθ????? ??????=? （2） ()(())(())p p g g m p p g g F K t f R R e t C R R e t θθθθ??? =??+??啮合力 （3） 式中：,p g I I 为主、被动轮的转动惯量；,p g θθ为主，被动轮的扭转振动位移；,p g R R 为主、被动轮的基圆半径；()K t 为时变啮合刚度；,p g T T 为作用在主，被动轮上的外力矩；()e t 为齿轮传动误
Ansys14 workbench血管流固耦合实例 根据收集得一些资料,进行学习后,试着做了这个ansys14workbench得血管流固耦合模拟,感觉能够耦合上,仅就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得模型(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,因为系统缺省材料就是钢,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工程视图中得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。 默认就是采用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,纵截面得边均分为10份,网格结果如图8所示。另外在这个界面中要设置边界得几何面,如inlet、outlet、symmetry 图7 设置网格划分方式 图8 最终出网格
一种流体－结构耦合计算问题的 网格数据交换方法 徐敏，史忠军，陈士橹 （西北工业大学航天工程学院，陕西西安710072） 摘要：气动／结构耦合数值模拟是研究非线性气动弹性的基础。数据交换和插值是非线性气动弹性仿真问题的关键。目前的插值方法不能满足非线性气动弹性问题。本文提出了一种有限元四节点（FEFN）插值方法。该方法是一种局部插值方法，并不依赖于结构模型带来的整体信息。以圆柱体为具体算例，插值结果与有限平板插值方法（IPS）进行了算例对比，表明FEFN方法更能代表计算物体的表面，且计算简单、计算量小、误差小，是一种适合计算流体力学（CFD）／计算结构动力学（CSD）耦合仿真的界面数据交换工具。 关键词：流固耦合，非线性气动弹性，耦合CFD／CSD界面算法 伺服气动弹性分析是多学科之间的耦合问题。其第一步最基础的问题是气动／结构耦合响应的计算。在实际计算中，气动数值计算要求计算网格从物体表面伸展到空间相对计算模型特征长度足够大处，而结构有限元计算要求计算网格从物体表面延伸到物体内部。另一方面，气动数值计算一般在物体表面斜率变化大处，网格的密度需要增大，而结构动力学计算则要求物体表面网格尽量划分均匀，以便能方便地求出刚度矩阵。由此可知，要实现气动／结构耦合计算，重要的是如何设计两网格系统的数据交换界面，即寻求一种方便的、质量高的插值方法，将计算结构动力学得到的变形网格的位移插值到气动网格上，并将气动网格上的气动载荷插值到结构网格节点上。给出一种适合解决这种数据交换界面设计问题 的插值方法是一件艰难的工作。 早在1970年，Harder和Desmarais［1］发展了无限平板样条（IPS）内插值方法，该方法是基于无限平板的偏微分平衡方程的叠加结果。Appa［2］将IPS插值方法改进为有限表面插值（FSS）。Duchon［3］通过最小能量函数法对IPS方法进行了改进，在薄板插值的基础工作方面做了大量的工作，完成了平板三维无规则表面插值。IPS方法和其它插值方法发展到如今已成为处理机翼气动弹性计算数据交换较为流行的方法［4］。然而这些样条插值仅适合于薄板处于最小弯曲能（平衡位置）所确定的位置，并且应在满足流体表面和结构表面一致的条件下才能得到理想的结果。严格地说，在气动弹性耦合仿真中，流体表面和结构表面一致的条件不可能存在。为了处理表面不匹配问题，本文提出了一种有限元四节点（FEFN）插值方法。以圆柱体为具体算例，采用无限平板样条（IPS）方法和有限元四节点（FEFN）方法直接从较稀疏的结构变形网格插值到气动网格，并进行了两种插值结果比较和误差分析。最后，文中对一机翼进行了CFD和CSD耦合计 算网格的插值计算。 1 有限元四节点（FEFN）方法
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