滚筒洗衣机ABAQUS流固耦合实例分析(步骤)

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。

Abaqus液固耦合-⼤桶⽔的跌落分析该实例应⽤了abaqus的以下技术：--⽤abaqus/cae中的体积系数⼯具箱来模拟欧拉单元中的材料分布。

--使⽤欧拉-拉格朗⽇接触算法来模拟液体材料流动与结构材料边界的相互作⽤的⾼速动⼒学事件。

--使⽤光滑质点流体动⼒学(SPH)技术在⼀个纯拉格朗⽇环境下，来模拟⾼速动⼒学事件。

问题描述：在消费品包装⾏业中，为了节省使⽤物理模型进⾏实验的时间和成本，使⽤仿真模拟技术是⼀个不错的选择，跌落测试是模拟⼀个物体撞击刚性表⾯，通常被⽤来观察⼀个物体在苛刻环境条件下的响应。

本实例模拟⼀个⼏乎充满⽔的⾼密度的聚⼄烯塑料桶从300mm⾼处以⼀个斜度撞击到刚性地⾯上的响应。

⼀个真实的模拟必须描述出撞击时刻地⾯与塑料桶，⽔与塑料桶之间的相互作⽤⼒，以及塑料桶上⾯的应⼒和应变结果来判断结构的强度⽔平。

⼏何模型和装配体效果图如上图2所⽰，本模型中塑料桶被定义为⼀个有塑性强化的材料模型。

液体⽔被定义为⼀个近乎不可压缩，近乎⽆粘性的⽜顿流体。

整个模型受到重⼒载荷，刚性地⾯完全固定。

整个装配件设置为⽆摩擦的通⽤接触。

具体的模型定义参考abaqus实例⼿册，2.3.2 Impact of a water-filled bottle分析难点：本模型模拟的难点在于液体和固体在撞击的时候的⾼度⾮线性。

分别使⽤液固耦合的分析⽅法和SPH技术来模拟。

流固耦合就是使⽤欧拉单元来模拟流体材料，并使⽤拉格朗⽇单元来模拟结构材料。

结构的边界和流体的边界可以产⽣接触。

并且要模拟欧拉单元内的材料分布。

⽤欧拉单元模拟的分析部件可以克服⼤变形时⽹格严重变形问题。

在欧拉⽹格中，材料在固定的⽹格内流动，在每⼀个增量步中，计算每个单元内的材料分布，也就体积填充率。

通过材料分布来描述流体的变形状态。

因此，欧拉材料边界⽐传统的拉格朗⽇材料边界更适合⽤来描述极度的⼤变形现象，⽐如液体晃动。

⽹格中，使⽤⼀个规则的⽴⽅体来模拟欧拉区域。

当只进行渗流计算时：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中都是在(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)(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。

一种基于abaqus-starccm+的流固耦合计算方法基于Abaqus和STAR-CCM+的流固耦合计算方法可以分为以下几个步骤：1. 几何建模和网格划分：使用Abaqus进行固体部件的几何建模，定义流体区域和固体区域。

然后使用STAR-CCM+进行流体网格划分和固体网格划分。

2. 材料属性和约束条件定义：使用Abaqus定义固体部件的材料属性，包括弹性模量、泊松比、密度等。

使用Abaqus定义固体部件的边界条件和加载条件，包括约束条件、力、压力等。

使用STAR-CCM+定义流体区域的材料属性，包括密度、粘度等。

使用STAR-CCM+定义流体区域的边界条件和加载条件，包括速度、压力、流量等。

3. 边界条件传递：将Abaqus中定义的固体部件的边界条件传递给STAR-CCM+，将STAR-CCM+中定义的流体区域边界条件传递给Abaqus。

这个过程可以使用接口程序或者脚本实现。

4. 解算过程：使用Abaqus和STAR-CCM+分别进行固体和流体的独立求解，得到固体的位移和应力以及流体的速度和压力分布。

5. 耦合过程：将固体位移场和流体速度场进行耦合，计算固体表面上的应力和流体内部的压力之间的相互作用。

这个过程通常使用迭代法进行求解。

6. 后处理：根据需要，进行结果的后处理和分析，包括应力分布、位移分布、流速分布、压力分布等等。

总结起来，基于Abaqus和STAR-CCM+的流固耦合计算方法主要包括几何建模和网格划分、材料属性和约束条件定义、边界条件传递、解算过程、耦合过程以及后处理等步骤。

这样的方法可以用来研究流固耦合问题，如液体在固体表面的流动、液体对固体的冲击、固体表面对液体的阻力等等。

Abaqus热流固耦合——围绕圆柱形热源进行固结翻译抖音号abaquser，qq443941211这个问题提出了在圆柱形热源周围饱和土壤中固结的解决方案。

布克和萨维维杜（Booker and Savvidou，1985）对该问题进行了研究，它代表了埋在饱和土壤中的放射性废物罐问题的理想化。

由于来自罐的热辐射而发生的温度变化导致孔隙水的膨胀量大于土壤中的孔隙，导致热源周围的孔隙压力增加。

产生的孔隙压力梯度将孔隙流体驱离热源，导致孔隙压力随时间消散。

Booker和Savvidou开发了针对点热源深埋在饱和土壤中的基本问题的分析解决方案。

随后，他们使用该分析解决方案得出了圆柱热源周围固结问题的近似解决方案。

该问题为Abaqus中的耦合热固结能力提供了验证。

饱和土壤的分析需要耦合应力-扩散方程的解，Abaqus中使用的公式在《Abaqus理论指南》第2.8节“多孔介质分析”中有详细描述。

热固结能力还可以与应力扩散方程完全耦合地求解传热方程（同时考虑传导和对流效应），从而模拟孔隙压力对孔隙流体和管道中温度场的影响。

土壤，反之亦然。

定义几何形状和材料特性的参数的数值是基于Lewis和Schrefler（2000）对这个问题进行的参数研究中给出的细节。

问题描述问题设置如图1.15.7-1所示。

半径为0.1604m，高度为2.5m的圆柱形热源被埋在半径和高度均等于10m的圆柱形土壤中。

实际上，土壤的圆柱形体积代表了围绕热源的无限介质。

重力被忽略了。

由于边界条件（下面将详细讨论），问题基本上是一维的，唯一的梯度是在径向上。

分析的目的是预测整个土壤质量，特别是热源附近的孔隙压力和温度随时间的变化。

几何和模型利用垂直方向的对称性，仅对问题的一半进行建模。

使用三维和轴对称的温度-孔压力元件均可解决此问题。

为了呈现结果，选择了三维元素类型C3D8RPT。

三维分析和轴对称分析均使用基本三维8节点或轴对称4节点元素以及修饰的四面体元素的不同变体（例如，积分和混合）进行。

湖南大学先进动力流固耦合过程（仅耦合热边界）准备软件：¾AVL-FIRE¾Hypermesh（用于划分和处理网格）¾ABAQUS（熟悉inp文件结构和语句）¾MSC-Patran湖南大学先进动力以AVL-FIRE安装目录下面简单例子为例，位于以下目录：D（安装盘符）:\AVL\FIRE\v（版本号）\exam湖南大学先进动力第一步：CFD计算所有设置与例子中保持一致湖南大学先进动力第一步计算CFD的时候，不需要选上Mesh FEM format，只需指定输出Frequency即可。

湖南大学先进动力第一步计算完之后会产生一个htcc 文件，如下图：湖南大学先进动力第二步：耦合面网格及固体网格获取为了便于统一坐标位置和热边界插值，不用例子中的FEM 网格。

FEM 网格将从CFD 网格（cyl.flm ）中“抽取”，如下图，在Fire 中导出.nas 格式文件。

湖南大学先进动力在hypermesh中TOOl>faces 板块中把流体网格的外表面抽取，然后删除两端面的面网格选择全部网格（displayed）即可湖南大学先进动力通过3D>elem offset 来获得实体网格湖南大学先进动力第三步：映射（mapping ）热边界条件上一步得到的面网格导出为.nas 文件（如sur_mesh_for_mapping.nas ）FIRE 中FEM Interface中设置如下两图湖南大学先进动力保存之后，Start ，next 直到如图所示界面，输入-fem –mode=mapping湖南大学先进动力第四步：查看热边界结果（这一步不是必需的，为了Mapping之后会产生一个包含热边界的inp文件，用于后续的固体温度场计算。

湖南大学先进动力映射距离与用例子比较（用三角形面单元）湖南大学先进动力第五步：在MSC-Patran 中做MPC注意：这里的面网格节点号和单元号要与前面用来mapping 的面网格对应上，可以在patran 或者hypermesh 中通过renumber 来实现，固体网格最好也把节点号和单元号renumber ，记下所有的节点号和单元号，以备后用。

Abaqus热流固耦合——围绕圆柱形热源进行固结翻译抖音号abaquser，qq443941211这个问题提出了在圆柱形热源周围饱和土壤中固结的解决方案。

布克和萨维维杜（Booker and Savvidou，1985）对该问题进行了研究，它代表了埋在饱和土壤中的放射性废物罐问题的理想化。

由于来自罐的热辐射而发生的温度变化导致孔隙水的膨胀量大于土壤中的孔隙，导致热源周围的孔隙压力增加。

产生的孔隙压力梯度将孔隙流体驱离热源，导致孔隙压力随时间消散。

Booker和Savvidou开发了针对点热源深埋在饱和土壤中的基本问题的分析解决方案。

随后，他们使用该分析解决方案得出了圆柱热源周围固结问题的近似解决方案。

该问题为Abaqus中的耦合热固结能力提供了验证。

饱和土壤的分析需要耦合应力-扩散方程的解，Abaqus中使用的公式在《Abaqus理论指南》第2.8节“多孔介质分析”中有详细描述。

热固结能力还可以与应力扩散方程完全耦合地求解传热方程（同时考虑传导和对流效应），从而模拟孔隙压力对孔隙流体和管道中温度场的影响。

土壤，反之亦然。

定义几何形状和材料特性的参数的数值是基于Lewis和Schrefler（2000）对这个问题进行的参数研究中给出的细节。

问题描述问题设置如图1.15.7-1所示。

半径为0.1604m，高度为2.5m的圆柱形热源被埋在半径和高度均等于10m的圆柱形土壤中。

实际上，土壤的圆柱形体积代表了围绕热源的无限介质。

重力被忽略了。

由于边界条件（下面将详细讨论），问题基本上是一维的，唯一的梯度是在径向上。

分析的目的是预测整个土壤质量，特别是热源附近的孔隙压力和温度随时间的变化。

几何和模型利用垂直方向的对称性，仅对问题的一半进行建模。

使用三维和轴对称的温度-孔压力元件均可解决此问题。

为了呈现结果，选择了三维元素类型C3D8RPT。

三维分析和轴对称分析均使用基本三维8节点或轴对称4节点元素以及修饰的四面体元素的不同变体（例如，积分和混合）进行。

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。

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-15. 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。

基于ABAQUS的洗衣机门铰链有限元分析摘要本文以滚筒洗衣机门铰链为研究对象，应用Abaqus软件来分析门铰链在反复开门时受多次撞击力情况下，门铰链强度是否满足使用要求，以防止铰链结构设计及材料选择不合理，造成门铰链强度不够，出现开裂等问题。

在滚筒洗衣机的产品设计阶段，应用有限元分析，可以提高结构设计的可靠性，缩短产品的开发周期。

关键词有限元；门铰链；Abaqus/Standard0引言洗衣机门铰链是滚筒洗衣机的非常重要的零部件，其结构设计合理性与否直接关系到洗衣机门开启是否方便，洗衣机门铰链的寿命是否满足要求等问题。

本文主要讨论滚筒洗衣机门铰链强度校核问题。

下图为夏普门铰链3D模型，在反复的开门撞击下，门铰链会出现断裂，现在对结构进行分析，并根据分析结果进行结构改善，保证其在要求2.4万次寿命情况下门铰链不出现断裂。

由于每次开门力度大小不一样，具有随机性，如果精确预测门铰链在随机性载荷下的寿命是很困难的，且寿命计算也是需要实验得到材料的S-N曲线，所以对该分析做一定的转换。

根据一般金属材料应力寿命曲线可知，承受的应力越小，则寿命越长，因此对原来的结构的铰链进行分析，加强其薄弱处，再对改善后的结构以相同的载荷条件进行分析，只要与之前相比，应力大大减小，则寿命也将较大提高。

1 仿真分析模型的简化有限元分析的前提条件是要对实际模型进行简化处理，建立仿真分析模型。

由于Abaqus/CAE的Part模块实体建模功能不是很强大，所有的三维建模工作在UG软件中完成，再将简化的实体模型，再转化为STP格式后导入到Abaqus/CAE 中。

2 材料及截面属性的创建3 网格划分4 边界条件和载荷5 计算结果及结果分析5.1 分析结果5.2 分析结论及改进措施1）如果提高门铰链的寿命，需把最大应力值降低。

降低应力值的措施有以下几种：（1）应力最大处即结构薄弱处强度加强；（2）分散开门时撞击力大小，将接触位置增多，接触面加大；（3）采用缓冲方式，降低撞击力大小。

铰链一、创建部件1、进入部件模块。

点击创建部件。

命名为Hinge-part，其他的选项选择如右下图所示。

点击“继续”，进入绘图区。

2、点击，在绘图区绘一个矩形。

再点击，将尺寸改为0.04*0.04。

单击鼠标中键。

3、在弹出的对话框中输入0.04作为拉伸深度。

点击”确定”。

4、点击创建拉伸实体，点击六面体的一个面，以及右侧的边。

进入到绘图区域。

5、如下图那样利用创建三条线段。

利用将两条横线都改为0.02mm长。

6、选择，做出半圆。

7、点击，以半圆的圆心为圆心，做圆。

8、点击为圆标注尺寸。

输入新尺寸0.01。

9、在弹出的对话框里输入拉伸深度为0.02，拉伸方向：翻转。

点击“确定”。

10、在模型树的部件里，选择圆孔部件。

右击，编辑。

将内孔直径改为0.012.。

确定。

创建润滑孔1、进入草图模块。

创建名为hole的草图。

如右图所示。

单击“继续”。

2、单击做一个直径为0.012的圆。

单击鼠标中键。

进入部件模块。

3、选择主菜单栏的工具→基准。

对话框选择格式如下图所示。

选择半圆形边。

参数设为0.25。

单击中键，点就建好了。

软件提示选择一个轴。

那么，我们就创建一个基准轴。

如上图右侧所示。

选择刚刚建好的那一点以及圆孔的中心，过这两点创建一个轴。

再在基准处点击如下图所示，选择刚刚建好的点和轴，那么面也就建好了。

4、点击，视图左下角的显示区显示，选择上一步中创建的基准面，再选一个边。

如图所示。

进入绘图区。

6、导入之前绘制的小润滑孔hole。

利用将孔移植所需位置。

单击中键。

选择正确的翻转方向。

对话框按右下图设置。

确定。

7、将部件的名称改成hinge-hole，并复制一个命名为hinge-solid。

将hinge-solid的模型树张开，删除其下的特征，即该部件不带孔。

8、创建第三个部件：刚体销。

点击创建部件按钮，命名为pin，解析刚体，旋转壳。

具体见下图所示。

单击“继续”，在出现的旋转轴右侧画一条垂直向下的直线。

用将该直线的长度改为0.06，与旋转轴的距离为0.012，点击确定，界面出现旋转之后的销。

基于MPCCI的流固耦合成功案例基于MPCCI的流固耦合成功案例（一）机翼气动弹性分析1 问题陈述机翼绕流问题是流固耦合中的经典问题。

以前由于缺乏考虑流固耦合的软件，传统的分析方法是将机翼视为刚体，不考虑其弹性变形，通过CFD软件来计算机翼附近的流场。

这个强硬的假设很难准确的描述流场的实际情况。

更无法预测机翼的振动。

MPCCI是基于代码耦合的并行计算接口，它可以同时调用结构和流体的软件来实现流固耦合。

我们通过MPCCI，能很好的预测真实情况下的机翼绕流问题。

采用ABAQUS结构分析软件来求解结构在流畅作用下的变形和应力分布，通过Fluent软件来计算由于固体运动和变形对整个流场的影响。

2 模拟过程分析顺序MpCCI的图形用户界面可以方便的读入结构和流体的输入文件。

后台调用ABAQUS和FLUENT。

在MPCCI耦合面板中选择耦合面，然后选择在相应耦合面上流体和固体需要交换的量。

启动MpCCI进行耦合。

3 边界条件设置图1 无人机模型和流体计算模型结构部分单个机翼跨度在1.5m左右，厚度为0.1m左右。

边界条件为机翼端部的固定，三个方向的位移完全固定，另一端完全自由。

在固体中除了固定端的面外，其他三个面为耦合面。

流体部分采用四面体网格，采用理想气体作为密度模型。

流体的入口和出口以及对称性边界条件如下图所示。

图2 固体有限元模型4 计算方法的选择通过结合ABAQUS和FLUENT，使用MPCCI计算流固耦合。

在本例中，固体在流场作用下产生很大的变形和运动。

在耦合区域，固体结构部分计算耦合面上的节点位移，通过MPCCI传输给FLUENT的耦合界面，FLUENT 计算出耦合区域上的节点力载荷，然后通过MPCCI传给结构软件ABAQUS。

在MPCCI的耦合面板中选择的耦合面如图所示，交换量为：节点位移、相对受力。

采用ABAQUS中的STANDARD算法，时间增量步长为0.1毫秒。

5 计算结论通过MPCCI结合ABAQUS和FLUENT，成功地计算在几何非线性条件下的气动弹性问题，得到了整个流体区域的流场分布以及结构的动态响应历程。