在航空中ANSYS CFX流固耦合模拟的应用
如今计算流体力学(CFD)已经发展成为分析工业设备外部和内部流动的可靠工具，其所面临的新挑战是对于涉及不同物理现象的多物理场的模拟。一个重要的例子是流动与周围固体结构的干扰。干扰可以是流体作用力与固体变形的力学耦合，也可以是流固界面之间温度和热通量的热耦合。一个典型的例子是机翼或叶片颤振力学耦合系统的数值模拟。
在本文的研究中，ANSYS公司的两个软件包ANSYS和CFX被用于结构和流动力学耦合的模拟。ANSYS是多用途非线性的有限元求解器，用于计算固体结构和非固体结构(例如，静电场、静磁场、声学)。CFX是通用的CFD代码，以高鲁棒性和高精度的流动数值算法、高级湍流模式和多种复杂物理模型而著称。
ANSYS CFX软件介绍
在CFX中，NS方程组采用守恒形式的有限体积法来离散，时间采用隐格式，可以计算混合网格和非结构网格，网格单元可以是六面体型、棱柱型、楔型和四面体型。在每个网格节点周围构造控制体，通量通过位于两个控制体界面上的结合点来计算。离散方程采用有界的高精度对流格式来求解。通过Rhie和Chow 的算法来计算质量流量，以保证压力速度耦合。
离散方程组通过由Raw发展的耦合代数多重网格法求解。该
方法的数值能力随参与计算的网格节点的数量增加而线性增加。定常计算采用时间迭代法，直到达到用户指定的收敛标准。对于非定常计算，迭代程序在每个时间步内更新非线性系数，而时间步由外层循环来推进。由于力学耦合，将导致流体和固体之间的界面发生移动。因此，离散方程必须被拓展以允许网格移动和网格变形。这种拓展通过空间守恒律来实现。
壁面网格节点界面的移动需要重新计算求解域内部网格节点的位置，可以通过求解描述网格变形的拉普拉斯方程来实现，这类似于网格光顺所做的操作。它是描述动网格运动的经典粘弹动力学方程的简化形式。如果网格严重变形，光顺网格的方法不足以提供高质量的网格。在这种情况下，必须建立拥有不同网格拓扑结构的新网格，在下一时间步，通过二阶插值将求解变量插值到新网格节点上。
ANSYS 软件介绍
ANSYS 软件提供了大量的非线性和线性网格单元，本构关系覆盖金属到橡胶等大量物质，是最全面的一套求解器。它可以处理复杂的特种装配过程中具有高度非线性的有摩擦和无摩擦的接触问题。ANSYS软件具有矩阵耦合场(或多物理场)的分析功能，包括声学、压电、热/结构、热/电的耦合分析。ANSYS多物理场分析综合了直接(矩阵)和顺序(载荷向量)的耦合方式，以组合需
要精确可靠模拟的相应的“物理场”，应用范围包括制冷系统，发电设备、一直到生物技和微机电系统(MEMS)。该软件可以模拟复杂的热-机械，流动-结构，静电-结构干扰问题，包括ANSYS 所有迭代的，直接和基于特征值的矩阵求解器。
气弹FSI耦合
作为气动弹性耦合的例子，计算分析了AGARD 机翼445.6。关于该机翼详细的实验资料，可参考AGARD report R-765。该机翼展长0.76m，四分之一弦线后掠45度。机翼的总重1.8kg。
AGARD 445.6机翼计算的几何外形
机翼固体计算域的离散使用了6300个网格点，流体计算域采用了300000个网格点。机翼材料为层状木质。参照AGARD报告中该模型的材料属性，选择杨氏模量E=0.25×109Pa，剪切模量G = 0.412*109Pa，泊松比ν=0.31。材料属性的各相异性没有进一步详细考虑。为了验证选择的材料属性的正确性，用ANSYS 进行了模态分析。
AGARD机翼的前两个模态(弯曲和扭转)
作为第一步计算，先得到每个工况定常的CFD计算结果(非耦合的)，采用实验数据确定马赫数Ma，入口速度和密度。从该流动解出发，流动和结构耦合计算在0.001S开始。在每一时间步，CFX发送作用力数据(压力和粘性力)到ANSYS，ANSYS将界面位移传回CFX。
机翼以颤振频率开始振动。图中给出了计算和实验得到的颤振频率随马赫数变化曲线的比较。计算结果比试验数据曲线稍低，但是该差别与实验和计算得到的机翼模态频率是一致的。当相对于第一扭转频率来计算颤振频率时，该差别就几乎消失了。将会使实验和计算结果更加一致。本文的计算结果与其它研究者计算结果也进行了比较。
AGARD 445.6机翼颤振频率和颤振频率比随马赫数的变化ANSYS和CFX耦合计算被用于不同的算例。本文所做的非定常气动力和柔性耦合相结合用于计算AGARD 445.6 机翼颤振。计算结果与实验相比较在很宽的马赫数范围内都十分一致。
本文是一个最基本的流固耦合算例，在颤振计算领域仍然需要进一步的验证研究。在单场计算分析中常用的验证计算质量的
方法将被考虑用于多物理场耦合计算的研究中来，比如时间步长和网格密度等参数的研究，这些研究将有助于更精确的判断耦合计算结果的质量和准确性。
说明：本信息
如今计算流体力学(CFD)已经发展成为分析工业设备外部和内部流动的可靠工具，其所面临的新挑战是对于涉及不同物理现象的多物理场的模拟。一个重要的例子是流动与周围固体结构的干扰。干扰可以是流体作用力与固体变形的力学耦合，也可以是流固界面之间温度和热通量的热耦合。一个典型的例子是机翼或叶片颤振力学耦合系统的数值模拟。
在本文的研究中，ANSYS公司的两个软件包ANSYS和CFX被用于结构和流动力学耦合的模拟。ANSYS是多用途非线性的有限元求解器，用于计算固体结构和非固体结构(例如，静电场、静磁场、声学)。CFX是通用的CFD代码，以高鲁棒性和高精度的流动数值算法、高级湍流模式和多种复杂物理模型而著称。
ANSYS CFX软件介绍
在CFX中，NS方程组采用守恒形式的有限体积法来离散，时间采用隐格式，可以计算混合网格和非结构网格，网格单元可以是六面体型、棱柱型、楔型和四面体型。在每个网格节点周围构造控制体，通量通过位于两个控制体界面上的结合点来计算。
离散方程采用有界的高精度对流格式来求解。通过Rhie和Chow 的算法来计算质量流量，以保证压力速度耦合。
离散方程组通过由Raw发展的耦合代数多重网格法求解。该方法的数值能力随参与计算的网格节点的数量增加而线性增加。定常计算采用时间迭代法，直到达到用户指定的收敛标准。对于非定常计算，迭代程序在每个时间步内更新非线性系数，而时间步由外层循环来推进。由于力学耦合，将导致流体和固体之间的界面发生移动。因此，离散方程必须被拓展以允许网格移动和网格变形。这种拓展通过空间守恒律来实现。
壁面网格节点界面的移动需要重新计算求解域内部网格节点的位置，可以通过求解描述网格变形的拉普拉斯方程来实现，这类似于网格光顺所做的操作。它是描述动网格运动的经典粘弹动力学方程的简化形式。如果网格严重变形，光顺网格的方法不足以提供高质量的网格。在这种情况下，必须建立拥有不同网格拓扑结构的新网格，在下一时间步，通过二阶插值将求解变量插值到新网格节点上。
ANSYS 软件介绍
ANSYS 软件提供了大量的非线性和线性网格单元，本构关系覆盖金属到橡胶等大量物质，是最全面的一套求解器。它可以处理复杂的特种装配过程中具有高度非线性的有摩擦和无摩擦的
接触问题。ANSYS软件具有矩阵耦合场(或多物理场)的分析功能，包括声学、压电、热/结构、热/电的耦合分析。ANSYS多物理场分析综合了直接(矩阵)和顺序(载荷向量)的耦合方式，以组合需要精确可靠模拟的相应的“物理场”，应用范围包括制冷系统，发电设备、一直到生物技和微机电系统(MEMS)。该软件可以模拟复杂的热-机械，流动-结构，静电-结构干扰问题，包括ANSYS 所有迭代的，直接和基于特征值的矩阵求解器。
气弹FSI耦合
作为气动弹性耦合的例子，计算分析了AGARD 机翼445.6。关于该机翼详细的实验资料，可参考AGARD report R-765。该机翼展长0.76m，四分之一弦线后掠45度。机翼的总重1.8kg。
AGARD 445.6机翼计算的几何外形
机翼固体计算域的离散使用了6300个网格点，流体计算域采用了300000个网格点。机翼材料为层状木质。参照AGARD报告中该模型的材料属性，选择杨氏模量E=0.25×109Pa，剪切模量G = 0.412*109Pa，泊松比ν=0.31。材料属性的各相异性没有进一步详细考虑。为了验证选择的材料属性的正确性，用ANSYS 进行了模态分析。
AGARD机翼的前两个模态(弯曲和扭转)
作为第一步计算，先得到每个工况定常的CFD计算结果(非耦合的)，采用实验数据确定马赫数Ma，入口速度和密度。从该流动解出发，流动和结构耦合计算在0.001S开始。在每一时间步，CFX发送作用力数据(压力和粘性力)到ANSYS，ANSYS将界面位移传回CFX。
机翼以颤振频率开始振动。图中给出了计算和实验得到的颤振频率随马赫数变化曲线的比较。计算结果比试验数据曲线稍低，但是该差别与实验和计算得到的机翼模态频率是一致的。当相对于第一扭转频率来计算颤振频率时，该差别就几乎消失了。将会使实验和计算结果更加一致。本文的计算结果与其它研究者计算结果也进行了比较。
AGARD 445.6机翼颤振频率和颤振频率比随马赫数的变化ANSYS和CFX耦合计算被用于不同的算例。本文所做的非定常气动力和柔性耦合相结合用于计算AGARD 445.6 机翼颤振。
计算结果与实验相比较在很宽的马赫数范围内都十分一致。
本文是一个最基本的流固耦合算例，在颤振计算领域仍然需要进一步的验证研究。在单场计算分析中常用的验证计算质量的方法将被考虑用于多物理场耦合计算的研究中来，比如时间步长和网格密度等参数的研究，这些研究将有助于更精确的判断耦合计算结果的质量和准确性。
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。
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
new config fluid title 基于流固耦合作用下的双龙富水隧道稳定性研宄 set fluid off set log on set logfile yang 1 .log genzonradcylpOOOOpl 9.00 0p2 0 50 0 p3 0 0 8 size4 20 64 dim6 5 6 5 rat 1 1 I 1 group 围岩 gen zon cshell pOOOOpl 6.0 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 5.0 size 4 2064 dim 5.6 4.6 5.6 4.6 rat 1 1 1 1 group初期支护 gen zon cshell pO 0 0 0 pi 5.6 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 4.6 size 4 2064 dim 5.0 4.0 5.0 4.0 rat 1 1 1 1 group 二次衬砲fill group原岩 gen zon radcyl pOOOOpl 0 0 ?8.0 p2 0 50 0 p3 9.0 0 0 size 4 20 64 dim 3 6 3 6 rat 1 1 1 1 group围岩2 gen zon cshell pOOO Opl 0 0 -3.0 p2 0 50 0 p3 6.0 0 0 size 4 2064 dim 2.6 5.6 2.6 5.6 rat 1 1 1 1 group仰拱初期支护 gen zon cshell pO 0 0 Opl 0 0 -2.6 p2 0 50 0 p3 5.6 0 0 size 4 2064 dim2 5 2 5 rat 1 1 1 1 group仰拱二次衬砲fill group仰拱原岩 gen zone reflect normal -10 0 gen zone radtun pO 0 0 0 pi 45 0 0 p2 0 50 0 p3 0 0 20 size 3 20 3 12 dim 9 8 9 8 rat 1 1 1 1.1 group围岩3 gen zon reflect dip 0 ori 0 0 0 range x09y0 50z8 20 gen zon reflect dip 0 ori 0 0 0 range x 9 45 y 0 50 z 0 20 gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x09y0 50z8 20 gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 0 9 y 0 50 z -8 -20 gen zon reflect dip 90 dd 270 ori 0 0 0 range x 9 45 y 0 50 z -20 20 save shuitun一model.sav model fl_iso prop perm 1.23e-9 poro 0.45 range z 4.5 20 prop perm 4.70e-10 poro 0.4 range z -20 4.5 set fl biot off ini fdensity le3 ini sat 1.0 ini food 2.0e9 ftens -le-3 ;假设围岩岩体符合mohr-coulomb本构模型,给围岩陚参数命令流如下, ;mohr-coulomb model model mohr def derive s_modl=E一modl/(2.0*(l .0+p—ratio 1)) b_modl=E_modl/(3.0*(1.0-2.0*p_ratiol)) s_mod2=E—mod2/(2.0*(l .0+p_ratio2)) bjmod2~E_mod2/(3.0*( 1.0-2.0*p_ratio2)) end
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
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。
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。
A n s y s C F流固耦合分析 文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
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：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: 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 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
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。
UDEC流固耦合-边坡渗流实例解析 岩体节理边坡的稳定性受边坡后面水位所影响。本例中，水位阶段升高直到边坡失稳，当节理内的流体压力增加（节理内的有效正应力降低）以至于边坡面节理的抗剪强度达到极限时，边坡产生破坏。 包含规则节理边坡的几何模型见图8.1。水位在坡址按四个阶段逐渐升高，四个阶段的水位高程分别是6m、8m、9m和10m。在每一阶段均进行一个稳定流体的分析。 图8.1节理边坡渗流问题的几何体 假定下面的材料参数为节理边坡的岩体参数。 8.2 UDEC分析UDEC分析模型见图8.2, 本问题通过设置SET flow steady命令进行稳定流模拟,水位的上升采用BOUND pp pygrad命令改变每个阶段的流体压力梯度来实现.数据文件见8.3节. 首先,边坡在重力荷载下达到平衡,然后在右侧的水位上升到坡址上高度6m处;左侧的水位保持在坡址的水平上,在这个流体压力条件下,边坡是稳定的.此条件下的稳定流态见图8.3. 接下来,右侧的水位上升到8m,8m水位高度条件下稳定流态见图8.4.系统再次达到平衡.然后水位上升至9m.流体状态见图9.5,边坡仍旧保持稳定. 最后,水位达到边坡的顶部,此条件下的流态见图8.6.在10m水位时,边坡滑动,见图8.7的岩石楔形体. 注意.本问题采用了命令SET delc off进行设置,它将阻止接触后面破坏的岩石楔形体被删除,否则,与这些接触相关的区域将变成外部区域,并且流体压力将会消失. 当楔形体产生大位移时.这将很难确定实际的流体压力.保守的估计是假定流体压力没有消. Example 8.1 SLOPEFLO.DAT ; ================================================ ; ; --- fluid flow test run --- ; --- slope : 10 m high --- ; ; --- 2 joint sets : 20 and 80 deg. ; friction = 30 deg. ; ; --- r.h.s. water level : 6 m --- no failure ---