NX中流固耦合分析方法

流固耦合算法研究报告1 流固耦合的概念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，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。

流固耦合问题可由其耦合方程定义，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和含有描述固体现象的变量，一般而言具有以下两点特征：1）流体域与固体域均不可单独地求解2）无法显式地削去描述流体运动的独立变量及描述固体现象的独立变量从总体上来看，流固耦合问题按其耦合机理可分为两大类：第一类问题的特征是耦合作用仅仅发生在两相交界面上，在方程上的耦合是由两相耦合面上的平衡及协调来引入的如气动弹性、水动弹性等。

第二类问题的特征是两域部分或全部重叠在一起，难以明显地分开，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，其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。

实际上流固耦合问题是场（流场与固体变形场）间的相互作用：场间不相互重叠与渗透其耦合作用通过界面力（包括多相流的相间作用力等）起作用，若场间相互重叠与渗透其耦合作用通过建立不同与单相介质的本构方程等微分方程来实现。

流固耦合的数值计算问题，早期是从航空领域的气动弹性问题开始的，这也就是通过界面耦合的情况，只要满足耦合界面力平衡，界面相容就可以。

气动弹性开始主要是考虑机翼的颤振边界问题，计算采用简化的气动方程和结构动力学方程，从理论推导入手，建立耦合方程，这种方法求解相对容易，适应性也较窄。

现在由于数值计算方法，计算机技术的发展，整个的求解趋向于N S方程与非线性结构动力学。

一般使用迭代求解，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。

流固耦合计算方法及应用【摘要】流固耦合计算方法是一种涉及流体和结构相互影响的计算方法，其在工程领域具有广泛的应用。

本文首先介绍了流固耦合计算方法的基本概念，包括流体和结构之间的相互作用机制。

然后回顾了流固耦合计算方法的发展历程，从最初的理论探讨到现在的数值模拟技术。

接着探讨了流固耦合计算方法在工程领域的具体应用，例如飞行器设计和水力机械优化。

对于数值模拟技术方面，本文强调了其在流固耦合计算方法中的重要性，并展望了未来发展方向。

本文总结了流固耦合计算方法的重要性、在工程实践中的应用以及对工程领域的影响，强调了其在现代工程设计中的关键作用。

【关键词】流固耦合计算方法，基本概念，发展历程，工程领域应用，数值模拟技术，未来发展方向，重要性，工程实践，影响。

1. 引言1.1 流固耦合计算方法及应用引言流固耦合计算方法及应用是一种新兴的计算方法，它在工程领域中有着广泛的应用。

流固耦合计算方法是将流体动力学和固体力学结合起来进行计算的一种方法，通过对流体和固体之间相互作用的数值模拟，可以更准确地预测工程系统中的复杂现象。

流固耦合计算方法的发展历程可以追溯到数十年前，随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的不断完善，流固耦合计算方法得到了越来越广泛的应用。

在工程领域，流固耦合计算方法被广泛应用于飞机、汽车、船舶等领域的设计和优化，为工程带来了新的突破和进步。

在我们将探讨流固耦合计算方法的重要性、在工程实践中的应用以及对工程领域的影响。

流固耦合计算方法的引入和应用将为工程领域带来新的思路和方法，推动工程技术的发展和进步。

2. 正文2.1 流固耦合计算方法的基本概念流固耦合计算方法是一种综合了流体动力学和固体力学的计算方法，用于分析和解决流体与固体同时存在且相互影响的问题。

在这种方法中，流体与固体之间的相互作用是通过力学和数学模型来描述和计算的。

流固耦合问题的本质是描述流体和固体之间的相互作用及其影响。

流体在固体表面施加压力和剪切力，而固体的形变又会影响流体的运动状态，这种相互作用是流固耦合问题的核心。

第２４誊第１０期、ｂＩ．２４Ｎｏ．１０２００７年１０月ｏｃｌ２００７工程ＥＮＧＩＮＥＥＲｌＮＧ）３粤ＭＥＣＨＡＮＩＣＳ文章编号：１０００．４７５０（２００７）１０－００９２—０８流固耦合问题的描述方法及分类简化准则朱洪来，＋白象忠（燕『１Ｉ大学建筑工稗与力学学院，河北豢皇岛０６６００４）摘要：在流崮耦台的工程实际问题中的大多数情况下，弹性薄壁构件的变形为几何非线性，再加上流体方程的非线性，将导致流体和弹性体相互作用界面上的强非线性。

在界面上便可以结合拉格朗Ｌ＿｜法和欧拉浊建立方程和接触条件。

其方法手耍有单一拉格朗日法、单一欧拉法、帽容拉格朗Ｕ一欧拉法和任意扎格朗日．欧拉法网种方法。

引入描述弹性体变形特征的数值胧、”、七和描述流体运动特征的数值丑、ｙ，可将流固耦合问题进行分类。

在流体弹性力学理论的基础上，介绍了流同耦合问题界面相互作用的捕述方法，并根据诺沃日洛丈ＢＢ（ＨＯＢ０煳ｏＢＢＢ）在非线性弹性力学中，从几何非线性方面对弹性力学问题的分类方法ｍ发，对流体弹性力学中的流固耦合问题进行分类，由此，可为按类另Ⅱ对运动学条件、动力学条件及界而上的接触条件进行相应的简化提供可靠的依据。

关键词：流同耦合：相容拉格朗日．欧拉法；单拉格朗日让；任崽扎格朗日．欧拉法；几何非线性；分类简化准则中图分类号：０３３文献标识码：ＡＤＥＳＣＲＩＰＴＩｏＮＭＥＴＨｏＤＡＮＤＳＩＭＰＬＩＦＩＥＤＣＬＡＳＳＩＦＩＣＡＴＩｏＮＲＵＬＥＦｏＲＦＬＵＩＤ—ＳｏＬＩＤＩＮＴＥＲＡＣＴＩｏＮＰＲｏＢＬＥＭＳＺＨＵＨｏｎｇ．１ａｉ，＋ＢＡＩⅪａｎｇ—ｚｈｏｎｇ回ｅｐ盯仃ｎ锄ｔｏｆｃｌｖｊｌＥｎｇｍｅｅｎｎｇａｎｄＭｅｃｈ哪ｓ，Ｙ蛐ｓｈ蛐ｕｎｌｖｅ％ｌ咿．ｑｎｈｕａｎｇｄａｏ，Ｈｈｉ０６６００４，ｃ】１ｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｍｏｓｔｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅ订ｎｇｐｒｏｊｅｃｔｓｏｎｆｌｕｉｄ＿ｓ０１ｉｄＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｅｆ０皿ａ石ｏｎｏｆｔｈｉｎｅｈｓ硅ｃｃｏｒⅡｐｏⅡｅｎｔｉｓｇｅｏｍｅｃｒｌｃａｌｌｙｎｏｎｌｉｎｅａｒ，ａ１１ｄｔｈｅｅｑｕａｔｌｏｎｓｆｏｒｎｕｉｄａｒｅａｌｓｏｎｏｎｌｌｎｅａｒ，ｈｃｌｌｃｅｍｅｒｅｅ）【ｉｓｔｓ订ｏｎｇｎｏｎｌｉｎｅ撕ｔｙｏｎｔｈｅｉＩｌｔｅ—ｈｃｅｂｅ钾ｅｅｎⅡｌｅⅡｕｉｄａｎｄ廿１ｅｅｌａｓ石ｃｂｏｄｙ．Ｔｈｅｅｑｕ撕ｏｎｓａｎｄｃｏｎｔａｃｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｅｓ协ｂｌｉｓｈｅｄｂｙｃｏｍｂｉＩｌｉｌｌｇＬａｇｍｌｌｇｉａｎ枷Ｅｕｌｅｒｉａｎｍｅｍｏｄｓｏｎｔｈｅｉｎｔｅ曲ｃｅ．Ｔ１１ｅｒｅｅＸｉｓｔｆｏｕｒ印ｐｒｏａｃｈｅｓ：ｓ埘ｅＬａＦａｎｇｉａｌｌｍｅｔｈｏｄ，ｓｉｎｇｌｅＥｕｌｅｄａＩｌｍｅｔｈｏｄ，ｃｏｎｌｐａｔｉｂｌｅＬａｇｒａＩｌｇｉａｎ—Ｅｕｌｅｒｉａｎｍｅｔｈｏｄａｎｄａｒｂｉ们ｒｙＬａｇｒａｎｇｉａｎ·Ｅｕｌｅｒｉａｎｍｅｍｏｄ．Ｔｈｅｎｕｉｄ－ｓｏｌｉｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｃａｎｂｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｔ１１ｒｏｕ曲棚、胛、＿ｊ｝ｆｏｒｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇｍｅｃｈａｒａ曲撕ｓｔｉｃｓｏｆｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｍｌａｔｉｏｎａ１１ｄ五、ｙｆｏｒｅｘｐｒｅｓｓｉｎｇｔｈｅｔｍ“ｏｆｎｏｗ．Ｂａｓｅｄ０ｎｔ１１ｅｏｒｙｏｆｎｕｉｄｅｌａｓｔｉｃｍｅｃｈａｍｃｓ，ｔｈｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆ叶ｆｌｕｉｄ—ｓ０１ｉｄｉｎｔｅｍｃｔｉｏｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔｃｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏＨ℃ｓｐｏｎｄｉｎｇｃｌａｓｓｉｎｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｊｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ丘ｏｍｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃ石ｖｅｏｆｇｅｏｍｅ仃ｉｃａｌＤ皿１ｉｎｅａ打哼ｕｓｉｎｇｔｈｅｎｏｎ—ｈｎｅａｒｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｔｈｅｏｒｙｂｙＶ．Ｖ，Ｎｏｖｏｊｉｌｏｖ．Ｔｈｅｓｉ唧ｌｉｆｉｃａ石肌ｆｏｒｃｏｍａｃｔｃｏｎｄｉ石０ｎ，ｋｉｎｅｍｔｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｄ”ａ耐ｃｃｏｎｄ城ｏｎｏｎｔｈｅｉｎｆｃｒｆｈｃｅｉｓｃｒｅｄｉｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｌｌｉｄ－ｓｏｌｉｄｉＩｌｔｅｒａｃ位ｏｎ；ｂｅｎｄｉｎｇｄｅｆｏｍｌａｔｉｏｎ；ｄｉｓ证ｂｕｔｌｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｍａｌｆｏｒｃｅ；ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅＥｕｌｃｒｉａＩｌ－Ｌａｇｒａｎ百ａｎｍｅｔｈｏｄ；ａｍｉｎｃｙｌｉＤｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌ；ｎｕｉｄ－ｅｌａｓｔｉｃ毋ｐ砌ｅｔｅｆ当前，流体弹性力学或变形固体同流体相互作容，它是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力用的理论，是连续介质力学中十分流行的研究内学分支。

基于有限元方法的流固耦合分析研究随着人们对材料和结构性能的需求不断提高，流固耦合问题研究越来越受到关注。

流固耦合分析主要研究流体流动与固体变形之间的相互作用和耦合效应。

在流固耦合分析中，有限元方法成为最常用的分析方法之一。

本文将从三个方面对基于有限元方法的流固耦合分析进行讨论。

一. 基本原理在流固耦合分析中，有限元方法起到了至关重要的作用。

在有限元方法应用中，流场模拟和固体变形分析的研究已经非常成熟。

但是，在将流场和固体变形结合起来进行研究时，需要考虑流场对固体进行的压力和剪切载荷以及固体对流体流动的影响。

这是一种非线性问题，需要进行高效的数值分析.有限元方法的基本原理是将运动的物体划分成有限个小部分，然后用有限元模型离散处理每个小部分，通过简单的微分方程组成了均衡方程，然后使用数值法求解。

这种方法是一种数值分析方法，主要用来解决固体强度、稳定性、弹性和塑性分析问题。

同时，它还能够被用于研究流体流动、热传递和电磁场问题的解决方案。

二. 动力学中的应用在动力学中，有限元方法是一种广泛应用的方法，可以帮助人们准确预测材料和结构的力学性能。

基于有限元方法的流固耦合分析使得我们能够更为准确地预测材料结构的变形。

通过对其物理和机械属性的模拟，我们能够更好地了解物体的反应和行为。

流固耦合分析可用于模拟一般材料和技术性成分的结构，如飞机飞行时飞行表面的变形，以及汽车发动机在运行时的振动和变形。

同时，它还可以用于研究核反应堆的材料和组件，以及火箭发动机的设计。

三. 工业中的应用有限元方法的工业应用很广泛。

对于自动化工业而言，这种方法可以减少费用和时间，同时提高产品的质量。

例如，有限元模拟可以使用软件来模拟产品的变形，如汽车的碰撞试验，振动，加速度等。

有限元方法还可以用于模拟钢铁、铝和塑料的加工，同时还可用于气动设计和水动力学分析。

总结：流固耦合分析是一项复杂的工程技术，而有限元方法则是一种解决流固耦合问题的重要方法。

仿真笔记——流固耦合问题研究概述及几类典型应用一、流固耦合概述历史上，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. 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：•流体域或固体域均不可能单独地求解；•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。

2. 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。

流固耦合流固耦合定义：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。

仿真笔记——流固耦合几个基础问题及解决相关问题的软件编者按：本文发表于如干年前，但是其中涉及的基础问题仍然具有很好的借鉴意义。

文章来自于网络，作者为某论坛版主，但百度检索未能找到其原始出处，故未能标明出处和作者，望见谅！作为流流合版块的版主，我感到惭愧。

因为我几乎就没真正应用流固耦合做过工程。

第一次应用流固耦合还要追溯到做硕士毕业论文的时候，当时做的是高压水射流切割，属于一个大课题中的小项，主要用的软件是fluent。

但是利用fluent是没办法计算射流的切割效果的，流体软件只能计算流场参数（压力、速度、温度等），对于应力计算实在是力不从心。

我不知道导师是从哪里听来的风声，说让使用mpcci将fluent与abaqus耦合计算固体变形乃至断裂。

当时也是初生牛犊不怕虎，老师说用那就用呗，于是开始关注固体计算，关注abaqus，关注mpcci。

然而现实是残酷的，流体与固体采用不同的计算网格（流体用欧拉网格，固体采用拉格朗日网格），对于断裂的问题，单纯采用abaqus勉强可算，然而耦合上流体之后，通常计算会以出现负体积而告终。

多次的失败终于磨灭了导师的耐心，于是项目转而采用LS-DYNA 的ALE进行解决，而我的毕业论文，则彻底的舍弃了这一部分。

搞射流的自然离不开喷嘴的设计，在研究射流喷嘴结构在高压流体作用下的材料行为，于是又涉及到了流固耦合问题，这次很幸运，虽然压力很高，然而压差并不大，喷嘴的变形处于弹性小变形阶段，我采用workbench中的CFX+ANSYS mechanic圆满的完成了任务，计算的是双向流固耦合，虽然到现在也不敢去评判计算结果的准确性，但好歹也是计算完毕，顺利的通过了毕业答辩。

说起流固耦合，其实包含的范围很宽。

我们做流体，其实就包含了流场、温度场、组分场等的计算。

流固耦合包含的以下几类问题：(1) 单向流固耦合。

通常是忽略固体变形对流场的影响。

(2) 双向流固耦合。

考虑流场对固体变形的影响，同时也要考虑固体形变对流场的影响。

流固耦合分析（FSI）流固耦合分析（FSI）是涉及流体和固体之间相互作用的问题研究，其理论包括了几个主要方面：流体力学、固体力学、耦合边界条件、求解器等。

以下是流固耦合分析的详细理论讲解，带有相关公式和尽量详细的说明。

一、流体力学1. 守恒定律质量守恒定律：$$ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0 $$动量守恒定律：$$ \rho \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \rho (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = \nabla \cdot \tau + \mathbf{f} $$其中，$\rho$是流体密度，$\mathbf{u}$是流体速度，$\tau$是应力张量，$\mathbf{f}$是体力。

2. 纳维-斯托克斯方程$$ \rho \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \rho (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = \nabla \cdot (-p\mathbf{I} + \tau) + \mathbf{f} $$其中，$p$是静压力，$\mathbf{I}$是单位张量。

3. 边界条件（1）速度边界条件：$\mathbf{u} = \mathbf{u}_b$，其中$\mathbf{u}_b$是边界上的速度。

（2）压力边界条件：$p = p_b$，其中$p_b$是边界上的压力。

4. 流体力学求解器常用的流体力学求解器有OpenFOAM、ANSYS Fluent等。

二、固体力学1. 力学基本方程$$ \tau = \sigma\cdot \mathbf{n} $$其中，$\tau$是表面上的接触力，$\sigma$是固体的应力张量，$\mathbf{n}$是表面的单位法向量。

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0.02mGenerate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一下将第三个Solid重命名为Fluid，拉伸后的效果如下：再新建一个Sketch，显示，在空缺处画一个长方形，然后拉伸0.1m，（其中Operation属性同样选为Add Frozen），Generate一下，同样把第四个Solid重命名为Fluid建立舱壁：在Concept中选择Surfaces From Faces，选中除“应变片”外的其余9个面图中“应变片”显示为未着色，即不选中，然后Generate一下将第五个Fluid重命名为Fluid Shell再Surfaces From Faces一次，选中“应变片”，Apply，Generate，同样将其重命名为Fluid Shell选中Fluid（内流场），将其属性改为Fluid，（Fluent中默认均为Solid）选中“内流场”，右击，选择Form New part，并重命名为Fluid再选中舱壁（Fluid Shell）也组成一个part，并重命名为Fluid Shell到此，液舱（内流场与舱壁）就建完了，然后将二者都执行Hide body（3）在ZX Plane内建外流场选择，调整为正视，旋转坐标系先确定外部尺寸，再确定内部尺寸：外部流场关于坐标轴（横轴）对称，两边各距离横轴0.3m，前后距离纵轴距离分别为：0.3m、3.14m. 内部为船体位置，横向（船宽）为0.14m、纵向（型深）为0.11m拉伸（Extrude）一下，拉伸长度为船长，即0.4m ，其中Operation选择Add Frozen，Generate 一下图中显示外流场把船体的位置给空了出来，将重命名为Out Fluid，同时将属性改为Fluid接下来进行流场切分（Slice）：在Tools中选择Freeze，产生透明效果单击Slice（或者在Create中单击Slice），在Slice Type中选择Slice by surface，点击Target Face，选中船体所在位置（即图中外流场所空出来的位置）内侧某一个面（以左侧面为第一个面为例），Appy一下。

第22卷第6期 工 程 力 学 V ol.22 No.6 2005年 12 月ENGINEERING MECHANICSDec. 2005———————————————收稿日期：2003-11-13；修改日期：2004-04-19 基金项目：国家自然科学基金资助(50209014)作者简介：*刘云贺(1968)，男，辽宁人，副教授，博士，中国水利水电科学院博士后，从事流固耦合及水工结构抗震研究(E-mail: liuyhe@)； 俞茂宏(1934)，男，浙江人，教授，博士生导师，从事工程力学和结构强度理论研究；陈厚群(1932)，男，江苏人，教授，中国工程院院士，中国水利学会副理事长，从事水工结构抗震研究.文章编号：1000-4750(2005)06-0001-06流体固体动力耦合分析的有限元法*刘云贺1,2，俞茂宏3，陈厚群2(1. 西安理工大学，西安 710048；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100044；3. 西安交通大学，西安 710049)摘 要：应用有限元法探讨了流体、固体接触界面由无限接触点对组成，并以接触点对的瞬态接触内力作为待定变量的流体固体动力耦合模型的数值求解方法。

分析了流体、固体域插值函数的特点，用二维八节点等参元及流固接触面上的接触点对单元，对流固耦合系统进行了离散化处理；并采用变分原理推导了反映流体固体动力相互作用机理的接触约束矩阵(或称动力耦合矩阵)，建立了有限元控制方程，给出了完整的数值计算方法, 研编了动力耦合系统的分析程序。

数值计算结果与经典理论解误差很小，验证了动力耦合模型和有限元求解方法的正确性及其较高的计算精度。

关键词：流固耦合；数值分析；接触约束矩阵；瞬态动力；变分原理 中途分类号：TV312 文献标识码：AFINITE ELEMENT METHOD FOR TRANSIENT ANALYSIS OFFLUID-STRUCTURE COUPLING PROBLEMLIU Yun-he 1,2, YU Mao-hong 3 , CHEN Hou-qun 2(1. Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; 2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100044, China;3. Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)Abstract: The transient analysis of fluid-structure coupling system is conducted using finite element method, in which the transient contact force of the unlimited contact points coupling in the contact interface between fluid and structure is taken as unknown variable. The 2-dimensional 8-node element and the contact point couple elements are used, based on the interpolating function feature in the fluid and structure domain. The fluid-structure coupling system is divided into elements, and the finite element equation with the contact constrain matrix that reflects the mechanism of interaction is derived from a variational principle. A computer program is developed for the transient analysis of fluid-solid coupling system. Numerical results are in excellent agreement with those of the available analytical solution.Key words: fluid-solid coupling; numerical analysis; contact constraint matrix; transient dynamic; variationalprinciple流体－固体动力耦合是广泛存在于水利、船舶、海洋以及航空航天等许多个工程领域中十分重要和多学科交叉的研究课题。

第1章有限元分析方法及NX Nastran的由来1.1 有限元分析方法介绍计算机软硬件技术的迅猛发展，给工程分析、科学研究以至人类社会带来急剧的革命性变化，数值模拟即为这一技术革命在工程分析、设计和科学研究中的具体表现。

数值模拟技术通过汲取当今计算数学、力学、计算机图形学和计算机硬件发展的最新成果，根据不同行业的需求，不断扩充、更新和完善。

1.1.1 有限单元法的形成近三十年来，计算机计算能力的飞速提高和数值计算技术的长足进步，诞生了商业化的有限元数值分析软件，并发展成为一门专门的学科——计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）。

这些商品化的CAE软件具有越来越人性化的操作界面和易用性，使得这一工具的使用者由学校或研究所的专业人员逐步扩展到企业的产品设计人员或分析人员，CAE在各个工业领域的应用也得到不断普及并逐步向纵深发展，CAE工程仿真在工业设计中的作用变得日益重要。

许多行业中已经将CAE分析方法和计算要求设置在产品研发流程中，作为产品上市前必不可少的环节。

CAE仿真在产品开发、研制与设计及科学研究中已显示出明显的优越性：❑CAE仿真可有效缩短新产品的开发研究周期。

❑虚拟样机的引入减少了实物样机的试验次数。

❑大幅度地降低产品研发成本。

❑在精确的分析结果指导下制造出高质量的产品。

❑能够快速对设计变更作出反应。

❑能充分和CAD模型相结合并对不同类型的问题进行分析。

❑能够精确预测出产品的性能。

❑增加产品和工程的可靠性。

❑采用优化设计，降低材料的消耗或成本。

❑在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题。

❑模拟各种试验方案，减少试验时间和经费。

❑进行机械事故分析，查找事故原因。

当前流行的商业化CAE软件有很多种，国际上早在20世纪50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。

其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NastranNX Nastran 基础分析指南2 有限元分析系统。

浅谈流固耦合计算最近总有人留言询问流固耦合的问题，懒得一一回复，干脆来篇总结性的文章一起回复了。

所谓流固耦合计算，通常指的是同时利用流体求解器和固体结构求解器计算流体和固体相互作用问题。

流体求解器主要负责流场压力、速度、温度、组分等物理量的计算，而固体结构求解器则负责位移、应力、应变等计算。

在这些求解变量中，同时存在于流体和固体求解中的物理量是压力和位移。

在流体求解器中，压力是直接解出量，而在固体求解器中，压力可作为载荷。

在固体求解器中，位移是直接解出量，而在流体求解器中，位移可作为载荷，表现为计算域运动或变形。

如下图所示。

因此，流固耦合问题的核心是在于共同变量的求解计算或传递问题。

1 求解方式流固耦合问题求解计算方式主要有两种：•分离求解。

采用不同的求解器计算各自的物理变量，其中共同变量采用异步传递的方式进行更新。

•联合求解。

构建一个大型物理系统将流体和固体部分全部考虑进去，然后所有的物理场变量一起求解。

目前商用软件基本上采用分离求解的方式。

2 数据传递方式分离求解方式的核心在于数据传递。

目前主要有两种传递方式：•单向传递。

例如流体求解器解算出压力，然后将压力数据作为载荷传递给固体结构求解器。

如下图所示。

在单向耦合计算中，物理量的作用是单方面的，如下图中所示，只考虑流体对固体的作用，而固体对流体的影响被忽略。

那么存不存在固体求解器向流体求解器传递位移的情况呢？当然也是存在的，但实际上这类问题通常被归类到动网格问题中，不作为流固耦合问题处理。

•双向传递。

例如流体求解器发送压力数据至固体求解器，同时接收固体求解器计算得到的位移数据。

如下图所示。

通常情况下，单向传递用于稳态计算，双向数据传递一般用于计算瞬态问题。

在ANSYS CFD中，流体求解器可使用ANSYS Fluent或CFX，固体求解器通常采用Mechanical或APDL。

常见的软件组合形式：•Fluent Mechanical：单向耦合•Fluent Mechanical System Coupling：双向耦合•CFX Mechanical：单向耦合或双向耦合3 数据同步流固耦合计算由于同时涉及到固体求解器与流体求解器，因此需要考虑数据同步问题。

[吐血奉献]流固耦合分析成功的条件隐居版主1#大中小发表于 2005-6-18 10:09 只看该作者[吐血奉献]流固耦合分析成功的条件本人近来查看好多CFD分析的论坛，发现好多网友都在为流固耦合而头大，且网上也没有完整的、系统的案例可供参考，目前小弟也在做流固耦合的问题，即为流体输送固体颗粒的过程的模拟，好不容易找到了完整的解决办法，不敢独享，特奉献于此。

1.首先在建模和条件设置方面要按照这样的设置顺序：(1)选取流体单元，（打开keyopt（4）选项）,建立流体模型，注意此处挖去固体所占的空间，然后分区划分流体场网格（好像在ls_dyna里面不要挖去固体所占空间），注意靠近挖去空间的部分网格应该细小些，还有若要采用remesh 在计算中重划网格，一定要使用三角形单元（所有流体场）(2)流体场模型建立完成后，首先要在流固耦合的边界上施加流体耦合标签，然后在在流体场区域施加必要的边界条件，诸如位移约束，速度、压力等等。

然后设置求解流体场的时间步长、求解时间、流体属性,打开ALE选项（瞬态分析）网格重画属性等等(3)这样的工作完成后，进入/prep7，加入固体单元，设置固体材料属性，在挖去的部分建立固体模型，划分固体网格，在固体网格与流体场接触的固体边界上施加流体耦合标签FSI，注意要和前面的number相同。

(4)为固体实际必要的约束条件（看是固体推动流体还是流体推动固体）(5)设置固体求解的时间步长和求解结束时间(6)设置流固耦合属性，（看是固体推动流体还是流体推动固体），求解时间步长和求解时间，收敛准则，迭代次数等等。

(7)保存求解。

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－总之，在流固耦合分析中，你最好要按着先流体后固体再耦合的属性设置顺序，流固耦合标签FSI要分别加在流固耦合边界的流体边界上和固体边界上，加在的顺序要按照上面所述。

在实际的建模中，流固耦合的边界上由于建模的原因会出现节点的重合现象，注意一定不要使用捏合节点的命令来将重合的节点变成一个，这个很重要。

近年来，流固耦合分析研究和应用取得了飞速的发展，尤其是 ANSYS Workbench 推广以 来，流固耦合分析变得容易起来，也因此很快在相关工程领域得到广泛应用。

本章是学习 ANSYS 流固耦合分析的入门篇，旨在介绍 ANSYS 流固耦合分析的基本知识，引导初学者由 浅入深地了解流固耦合分析的基本操作和应用。

本章内容包括：ü 流固耦合基础ü ANSYS 流固耦合分析ü ANSYS 流固耦合分析的基本步骤1.1 流固耦合基础下面简单介绍什么是流固耦合作用、流固耦合分析，流固耦合的重要性，以及流固耦合分 析用到的控制方程。

1.1.1 认识流固耦合分析的重要性随着计算科学以及数值分析方法的不断发展， 流固耦合或交互作用 （fluid structure coupling 或 fluid structure interaction ）研究从 20 世纪 80年代以来，受到了世界学术界和工业界的广泛 关注。

流固耦合问题是流体力学（Computational Fluid Dynamics ，CFD ）与固体力学 （Computational Solid Mechanics ，CSM ）交叉而生成的一门力学分支，同时也是多学科或多 物理场研究的一个重要分支， 它是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流 场影响这二者相互作用的一门科学。

流固耦合问题可以理解为既涉及固体求解又涉及流体求解， 而两者又都不能被忽略的模拟 问题。

因为同时考虑流体和结构特性，流固耦合可以有效节约分析时间和成本，同时保证结果 更接近于物理现象本身的规律。

所以， 近年来流固耦合分析在工程设计特别是虚拟设计和仿真 中的应用越来越广泛和深入。

1流固耦合分析基础ANSYS 流固耦合分析与工程实例2 图 1­1 显示了流固耦合分析在产品虚拟设计中的层次以及与各学科之间的相互联系。

整个虚拟设计流程可以分为三阶段。