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流固耦合现象的力学分析流固耦合现象是指在流体与固体互相作用下产生的力学现象。
它在许多实际问题中都扮演着重要的角色，例如河流冲刷、风力发电机叶片受到的风压力、飞机机翼与空气的相互作用等。
在物理学中，我们可以通过一系列定律来分析流固耦合现象，并通过实验来验证我们的理论。
首先，流固耦合现象的分析离不开连续介质力学定律。
连续介质力学是物质运动的宏观力学理论，它假设物质是连续的，并考虑了宏观尺度上的平均效应。
其中最基本的定律是质量守恒定律和动量守恒定律。
质量守恒定律指出，在任何物理过程中，质量是守恒的。
具体到流固耦合现象中，我们可以通过实验来验证这一定律。
例如，我们可以设计一个容器，将含有某种流体的管道与固体结构相连接。
通过流体在管道中的流动，我们可以测量流体的质量，并与实验前后的质量进行比较。
如果质量守恒定律正确，那么我们应该得到相同的结果。
动量守恒定律则描述了物体上力的作用和物体运动之间的关系。
在流固耦合现象中，我们需要考虑流体和固体之间的相互作用力。
在实验中，我们可以通过建立一个闭合系统来验证动量守恒定律。
具体来说，我们可以设计一个装置，其中一个部分是由流体构成的，另一个部分是由固体构成的。
通过观察流体和固体之间的相互作用力，我们可以验证动量守恒定律是否成立。
除了连续介质力学定律，流固耦合现象的分析还需要考虑流体力学和固体力学的相关定律。
在流体力学中，纳维-斯托克斯方程是最基本的定律之一。
该方程描述了流体在不同条件下的运动。
我们可以通过使用带有适当边界条件的纳维-斯托克斯方程来分析流固耦合现象。
例如，我们可以考虑一个水流经过一个固体结构的情况。
我们可以通过实验来观察水流的流速和固体结构上的压力分布，并将这些观察结果与纳维-斯托克斯方程的解进行比较，以验证该定律的准确性。
在固体力学中，弹性力学定律是重要的分析工具。
弹性力学定律描述了固体在受到外力作用下的变形行为。
对于流固耦合现象，我们需要考虑固体结构受到流体力作用引起的变形。
液力变矩器流体-固体耦合压力脉动分析闫清东;刘博深;魏巍【摘要】在冲焊型高功率密度液力变矩器的设计过程中,需要考虑在油液非定常流动下叶片所受压力载荷脉动,以及在载荷脉动激励下结构的振动响应.采用基于动网格的流体-固体耦合方法,沿叶片入口至出口方向设定监测点,分析对应位置压力载荷脉动与叶轮振动时域特性,对载荷脉动进行频率转换并对叶轮模态进行频域分析.分析表明:涡轮叶片所受压力载荷脉动幅值最大处位于叶片入口与外环连接处;压力载荷脉动与叶片振动的幅值沿叶片入口到出口逐渐减弱,且随着速比升高载荷脉动幅值与叶片振动响应明显减弱;涡轮脉动峰值频率在叶轮第2阶与第3阶模态之间,随速比升高,压力载荷脉动频域幅值明显减弱.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2016(037)004【总页数】7页(P577-583)【关键词】兵器科学与技术;液力变矩器;流体-固体耦合;压力脉动;结构振动【作者】闫清东;刘博深;魏巍【作者单位】北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学车辆传动国家重点实验室,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学机械与车辆学院,北京100081;北京理工大学车辆传动国家重点实验室,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TH137.332液力变矩器是一种广泛应用于传动的液力元件，其叶轮内部流场压力脉动是引起叶轮工作不稳定的主要原因之一。
变矩器内流动复杂，尤其是在起动工况时泵轮、涡轮较大的转速差引起的非定常流动现象较为明显。
王玉川等［1］采用基于RNG和滑移网格的方法对不同工况下离心泵进行瞬态流场分析，分析了叶片压力脉动主频与叶轮转频的关系，认为叶轮出口处附近随时间变化的漩涡是内部流动不均匀的主要原因，这使得压力脉动强度增大。
田辉等［2］分析了单级单吸蜗壳式离心泵的叶轮蜗壳的非定常流动特性，认为蜗壳的几何不对称影响了动静干涉作用在泵内部的传播。
固流耦合模态
固流耦合模态是指结合了固体力学和流体力学的模态分析方法。
它可
以模拟流固耦合系统中的振动和波动现象，可以广泛应用于制造、力学、机械等领域。
固流耦合模态分析方法的基本原理是将流体、结构和流体-结构相互作用的数学模型组合起来进行计算。
这种方法可以识别流体对结构的振
动响应产生的影响。
具有以下几个特点:
1.高可靠性。
固流耦合模态分析考虑了结构和流体之间的相互作用，因此更加准确及可靠。
2.高灵敏度和精度。
固流耦合模态分析考虑了流体质量和结构刚性等变量的影响，还考虑了流固相互作用，具有高灵敏度和精度。
3.多领域交叉应用。
固流耦合模态分析方法可应用于制造、机械、航空、水文、机电等多个领域，是一种交叉应用广泛的分析方法。
特别是在
气动声、地震、风力以及流体介质中的振动分析方面得到了广泛应用。
4.使用方便。
与其他分析方法相比，固流耦合模态分析方法的使用越来越方便，其软件和算法也越加完善，有助于提升工作效率和准确性。
固流耦合模态分析的应用范围十分广泛。
在制造业领域，可以用来分
析枪口、叶轮、飞机翼等各种结构件的振动和波动问题。
在机械领域，可以用来分析钢铁设备、风机、汽车等的振动噪声问题。
在航空领域，可以用来分析飞机机翼的振动、噪声等问题。
在水文领域，可以用来
分析谷物筒仓等农业设备的振动噪声问题。
总的来说，固流耦合模态分析方法凭借其精确度高、应用广泛的优点，在工程领域中得到了广泛应用。
因此，未来固流耦合模态分析方法将
在制造、力学、机械等领域的精细化发展方面更为得到发展。
基于ANSYS Workbench的液压管道流固耦合振动分析夏永胜;张成龙【摘要】以噪声试验台液压系统的折弯式管道为例,采用ANSYS Workbench进行有限元联合仿真,研究了流固耦合作用对管道振动的影响.仿真结果表明,流固耦合是引发管道振动的重要原因,在双向流固耦合作用下,管道的固有频率会明显降低.通过在合适位置增加卡箍约束管道,可以在不改变管系主要特征和管道结构的基础上,降低液压管道的流固耦合振动,最终实现减小管道的振动及降低噪声的目的.【期刊名称】《流体传动与控制》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】5页(P38-41,57)【关键词】流固耦合;液压管道;ANSYS Workbench;振动【作者】夏永胜;张成龙【作者单位】合肥工业大学机械工程学院安徽合肥230009;合肥工业大学机械工程学院安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TH137汽车驱动桥中的主减速器要求工作平稳、无噪声，对主减速器进行噪声检测是保证产品性能的重要手段，实现这项工作的检验装备是噪声检测试验台。
在用噪声试验台进行主减的噪声检测时，试验台本身的振动及噪声必须控制在一定范围之内，这样测量的数据才能满足要求。
液压系统管道的振动会导致噪声污染，进而影响噪音试验台的整体性能。
因此液压管道应根据实际情况合理布置，并且采取一些有效的措施，以此来减小液压管道的振动。
压力管道内流体的流动会诱发管道振动，而管道的振动又会影响流体的运动状态，即压力管道系统中存在流体与管道结构之间的耦合振动[1]。
较强的流固耦合作用会造成液压系统中管道的振动和噪声污染，可以说液压管道中元件与液压油的流固耦合，是导致管道振动的根源之一。
以主减噪声检测试验台液压系统的某一折弯式管道为研究对象，验证了流固耦合作用对液压管道振动的影响，分析了其在振荡流体载荷的作用下管道的耦合振动特性以及相应振动控制措施，从而有效地降低了噪声试验台液压管道的振动与噪声。
液压缸的结构·液压缸通常由后端盖、缸筒、活塞杆、活塞组件、前端盖等主要部分组成；为防止油液向液压缸外泄漏或由高压腔向低压腔泄漏，在缸筒与端盖、活塞与活塞杆、活塞与缸筒、活塞杆与前端盖之间均设置有密封装置，在前端盖外侧，还装有防尘装置；为防止活塞快速退回到行程终端时撞击缸盖，液压缸端部还设置缓冲装置；有时还需设置排气装置。
上图给出了双作用单活塞杆液压缸的结构图，该液压缸主要由缸底1、缸筒6、缸盖10、活塞4、活塞杆7 和导向套8 等组成；缸筒一端与缸底焊接，另一端与缸盖采用螺纹连接。
活塞与活塞杆采用卡键连接，为了保证液压缸的可靠密封，在相应位置设置了密封圈3、5、9、11 和防尘圈12。
下面对液压缸的结构具体分析。
3.2.1 缸体组件·缸体组件与活塞组件形成的密封容腔承受油压作用，因此，缸体组件要有足够的强度，较高的表面精度可靠的密封性。
缸筒与端盖的连接形式常见的缸体组件连接形式如图 3.10 所示。
(1)法兰式连接（见图 a ），结构简单，加工方便，连接可靠，但是要求缸筒端部有足够的壁厚，用以安装螺栓或旋入螺钉，它是常用的一种连接形式。
(2)半环式连接（见图 b ），分为外半环连接和内半环连接两种连接形式，半环连接工艺性好，连接可靠，结构紧凑，但削弱了缸筒强度。
半环连接应用十分普遍，常用于无缝钢管缸筒与端盖的连接中。
(3)螺纹式连接（见图 f 、c ），有外螺纹连接和内螺纹连接两种，其特点是体积小，重量轻，结构紧凑，但缸筒端部结构复杂，这种连接形式一般用于要求外形尺寸小、重量轻的场合。
·(4)拉杆式连接（见图d），结构简单，工艺性好，通用性强，但端盖的体积和重量较大，拉杆受力后会拉伸变长，影响效果。
只适用于长度不大的中、低压液压缸。
(5)焊接式连接（见图e），强度高，制造简单，但焊接时易引起缸筒变形。
·缸筒、端盖和导向套的基本要求·缸筒是液压缸的主体，其内孔一般采用镗削、绞孔、滚压或珩磨等精密加工工艺制造，要求表面粗糙度在0.1～0.4μm，使活塞及其密封件、支承件能顺利滑动，从而保证密封效果，减少磨损；缸筒要承受很大的液压力，因此，应具有足够的强度和刚度。
doi：10.16576/ki.l007-4414.2021.01.008基于流固耦合的长行程液压油缸强度仿真分析郭峰(兰州理工大学，甘肃兰州730300)摘要：以某型长行程液压油缸作为研究对象，应用流固耦合(FSI)的方法，对缸筒和活塞杆进行强度、刚度计算。
在液压油缸设计工况下，首先通过采用有限体积法计算缸筒內部液压油的流场，获得液压油对缸筒筒壁的作用力；再通过有限元法，以缸筒內部流场的计算结果作为边界条件，同时添加工作阻力，对整个液压油缸进行了强度及刚度校核。
通过获得缸筒和活塞杆在设计工况下的应力和应变云图，判断液压油缸的设计合理性，且根据缸筒內液压油的压力分布情况，为设计者在缸体密封设计提供参考。
此方法在液压油缸设计过程中，全面考虑了缸筒內部液压油、外部工作阻力对液压油缸的作用力，为油缸整体结构、缸体密封设计及优化提供新的便捷手段。
关键词：液压油缸；流固耦合;仿真分析；强度中图分类号:TH137.51文献标志码:A文章编号：1007-4414(2021)01-0027-03Simulation Analysis on Strength of Long-Stroke Hydraulic Cylinder Based on Fluid-Solid CouplingGUO Feng(Lanzhou University of Technology,Lanzhou Gansu730300,China)Abstract:In this paper,taking a certain type of long-stroke hydraulic cylinder as the research object,strength and stiffness of the cylinder and piston rod are calculated by using the fluid-solid coupling(FSI)method.Under the design condition of the hydraulic cylinder,firstly,the finite volume method is used to calculate the flow field of the hydraulic oil in the cylinder to get the force of hydraulic oil on the cylinder wall；Secondly,taking the calculated results of the flow field inside the cylinder and working resistance as boundary conditions,the finite element method is used to check the strength and stiffness of the whole hydraulic cylinder.Through obtaining the stress and strain nephogram of cylinder barrel and piston rod under the design condition,the rationality of hydraulic cylinder design is judged；based on the pressure distribution of the hydraulic oil in the cylinder,it provides a reference for the designer in the cylinder seal design.This method is used in the design process of hydraulic cylinder,and the force of internal hydraulic oil and external working resistance on the hydraulic cylinder are fully considered；it would provide a new convenient means for the design and optimization of the overall structure of the oil cylinder and the sealing of the cylinder block.Key words:hydraulic cylinder；fluid-solid coupling；simulation analysis；strength0引言液压油缸广泛应用于工农业、冶金、机械等各行业,随着市场对机械产品要求的多样性，除以往常用的通用零部件以外，对各类定制化产品的需求日益增长,液压油缸也不例外。
机械工程中的流固耦合问题分析与优化研究引言机械工程是现代工业中的重要学科，涉及到各种机械装置的设计和制造。
在机械装置中，流固耦合问题是一个关键的研究领域。
流固耦合问题指的是流体与固体之间的相互作用，即流体对固体的力和固体对流体的边界情况。
这种相互作用对于机械装置的设计和性能优化都有重要影响。
流固耦合的原理流体与固体之间的相互作用是通过牛顿第三定律而产生的。
流体对固体施加力，固体同时对流体施加力，这种相互作用会导致机械装置的振动、变形和损坏等问题。
因此，对流固耦合问题的研究和优化是机械工程领域的一个重要课题。
流固耦合问题的分析为了更好地理解流固耦合问题，我们需要进行详细的分析和研究。
首先，我们可以通过实验和数值模拟来观察和分析流固耦合现象。
在实验中，我们可以使用流体力学实验设备，例如风洞或水槽，观察流体对固体的影响。
同时，数值模拟方法如CFD（Computational Fluid Dynamics）也可以提供对流固耦合问题的详细分析。
通过在计算机上建立数学模型，并使用计算流体力学软件进行模拟，我们可以观察和分析不同条件下流体与固体之间的相互作用。
在分析流固耦合问题时，我们还需要考虑其他因素，如材料的性质和结构的特点。
不同的材料对流体的响应和承受能力不同，因此在优化设计中需要选择合适的材料。
此外，结构的特点也会影响流固耦合问题。
例如，在飞机设计中，机翼的形状和结构会对气流的流动产生影响，同时也会受到气流的作用力。
流固耦合问题的优化研究对于流固耦合问题的优化研究，我们可以考虑采用多种方法，并结合实验和数值模拟的结果。
首先，我们可以通过改变机械装置的结构和材料，来减小流固耦合问题的发生。
例如，在风力发电机设计中，可以通过改变叶片的形状和材料来减小风对叶片的影响。
其次，我们可以利用优化算法，如遗传算法或粒子群算法，来寻找最佳设计方案。
通过优化算法，我们可以找到最佳材料和结构参数，以最小化流固耦合问题的发生。
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。
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。
流固耦合问题流固耦合问题是一种复杂的物理问题，它涉及到流体和固体之间的相互作用。
这种问题常常出现在工程设计和生物医学领域中，比如船舶设计、飞机设计、药物输送等。
本文将分步骤阐述流固耦合问题的相关知识。
第一步：理解流固耦合问题的概念流固耦合问题是指涉及到流动和固体材料之间相互作用的物理问题。
它通常发生在可变形固体与流体之间的边界面上，例如在弹性材料的表面或开放溶液表面。
由于流体和固体的相互作用，物体的形状和运动状态会发生变化。
这种变化可能会对流体运动状态产生影响，从而改变流体的速度和压力分布。
第二步：了解流固耦合问题的类别流固耦合问题可分为两类，一种是静态耦合，另一种是动态耦合。
静态耦合是指在瞬间时间内，固体形变速度远小于流体速度的情况下发生的耦合作用。
动态耦合是指在一段时间内，固体形变和流体运动是相互影响的耦合作用。
在生物医学领域中，由于心脏的收缩和血液的流动是相互影响的动态耦合，因此对这种耦合的研究极为重要。
第三步：分析流固耦合问题的数学模型流固耦合问题的数学模型通常由连续性、动量守恒和边值条件三个方程组成。
其中，连续性方程描述了流体的质量守恒，动量守恒方程描述了流体的运动状态，边值条件则用于描述固体表面的物理特性。
根据实际问题需要，可以采用不同的数值解法对模型进行求解，例如有限元法、有限体积法和边界元法等。
第四步：应用流固耦合问题的实际案例流固耦合问题在工程设计和生物医学领域中都有广泛的应用。
例如，在飞机设计中，需要考虑飞机表面的气流对于飞机结构的影响；在生物医学领域中，需要研究血流对心脏、大脑和肝脏等器官的作用。
此外，在船舶设计、岩土工程和涂料涂装等领域中也需要考虑流固耦合问题。
总之，流固耦合问题是一个非常重要的物理问题，在工程设计和生物医学领域有着广泛的应用。
深入研究流固耦合问题的数学模型和求解方法，能够为相关领域的进一步发展提供重要的理论和实践支持。
