ANSYS FSI

结构与流体相互作用称作流固耦合。在现代产品设计中经常会遇到流体压力作用 于结构表面引起结构变形、结构变形又反过来影响流体流动的情况。ANSYS FSI流固 耦合分析技术为设计师和分析师们提供了方便、快捷、高效的流固耦合分析工具。流 固耦合技术的应用范围非常广泛，比如生物医学（动脉血管）、航天航空（机翼颤 振）、土木工程（结构风荷载）等。流固耦合技术在行业设计和生产中的重要性日益 提高，使得设计师设计出来的产品材质更轻、使用更灵活、制造更容易，同时保证并 提高了产品质量及可靠性。
湍流扰动和壁面剪切应力线
温度
ANSYS Workbench网格
Von Mises应力
在设计流程前期通过流固耦合技术可以获得燃气涡轮机叶片的热力学特性
热传递系数
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双向流固耦合计算
在某些实际工况中，结构变形对流体产生的影响不可忽略，这 就需要采用双向流固耦合技术。双向流固耦合的行业应用例子非常 多，例如航空航天中的机翼颤振、汽车引擎罩的振动问题、建筑桥 梁中的风荷载、生物医学中的血管血液流动等。诸如此类问题， ANSYS Mechaincal和CFX/FLUENT必须同步计算并且在两个求解器 之间互相传递荷载数据。ANSYS Mechanical与CFX/FLUENT这种耦合 方式的独特之处在于耦合过程中的数据交换是内部自动建立的，无 需第三方的耦合软件。ANSYS多物理场求解器提供了真正的双向流 固耦合技术，针对运动/变形几何体进行稳态和瞬态分析。
利用ANSYS CFX自由面和动网格功能与 ANSYS Mechanical耦合计算的船舶动力
学沉降和剪切
FSI 排气管热应力分析
CFD网格
CFD分析连接器热传递
ANSYS变形结果
在同一分析环境中进行T型连接器的单向流固耦合分析。通过CFD分析得到温度场，并以热荷
载的形式施加于结构，再通过FEA计算结构变形
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FSI流固耦合分析是ANSYS独具特色的高级分析技术，它在ANSYS Mechanical和 CFX/FLUENT两个模块的基础上，通过专用的流固耦合算法实现结构分析和流体分析的 单向耦合计算和双向耦合计算。
单向流固耦合分析的模型、网格、流体流线、流体压力引起的结构变形
单向流固耦合计算
单向耦合可以通过下图中的T型连接器的例子说明，流体流动使连接器内部产 生温度梯度，从而引起明显的热应力；然而，由于结构变形很小，对流体的影响不 大。因此，这就使得CFD求解和FEA求解独立进行，荷载数据由流体单向传递给结构。
ＡＮＳＹＳ ＦＳＩ
—— 流固耦合分析技术
特色技术
产品概述
特色与优势 ● 耦合分析中可以使用ANSYS Mechanical
和CFX/FLUENT的所有分析功能，包括 各种非线性分析 ● 结构分析模型和流体分析模型相互独 立，几何和网格可以不匹配 ● 利用界面上的载荷自动传递实现耦合 ● 支持所有面载荷和体载荷（力、压 力、位移、温度、热流密度、热交 换系数等） ● 结构分析和流体分析可分别在不同的 计算机上进行计算 ● 结构分析和流体分析可以有不同的分 析类型（瞬态/非定常分析、稳态/定 常分析、谐响应分析等） ● 流体网格根据结构变形而自动变化 ● 在同一界面下监控结构计算、流体计 算、以及耦合计算的过程参数 ● 在同一环境下处理结构计算和流体计 算的计算结果 ● 无需任何第三方程序的支持 ● 完全统一的图形用户界面（GUI），方 便学习和使用 ● 采用稳健可靠的隐式耦合技术，通过 每个时间步内交错循环步和中间数据 交换确保耦合场收敛，实现耦合计算 的高效率 ● 支持分布式并行计算
CFD计算肺动脉的压力分布
肺动脉的变形
采用双向流固耦合技术模拟动脉血管中血液流动的脉冲问题。生物医学
通过这种无侵害研究方法能够更好地分析高血压产生机理，同时发现一
些潜在规律。
利用ANSYS和CFX耦合计算的机翼颤振
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左：结构部分的温度分布 右：结构部分的热应力 中：通过CFD得到流体部分的流场以及结构部分的热荷载
采用ANSYS FSI技术进行内燃机排气头的热应力分析
ANSYS Workbench下流固耦合的流程建立
采用FSI技术，可以在ANSYS Workbench下分析热应力问题。下图所示的内燃机排气头的例子中，热荷载由ANSYS CFX传递给 ANSYS结构分析软件，由此完成了热荷载从流体向结构的传递。基于上述操作及相关信息，可以在ANSYS Workbench环境中进行应 力分析以及最终的疲劳分析。
ANSYS FSI
流固耦合分析技术
单向流固耦合最常见的应用就是热应力问题。流场计算相对复杂，通过 CFD求解得到流体和结构相交面的温度分布，结合CFD和CAE进行耦合求解并 不是一种新的处理方法，大多数的CFD和CAE软件都支持基于文件形式的热 荷载传递。然而，CFD和CAE分别在不同环境中进行，大量的模型几何定位 和荷载历程匹配工作需要客户手工确定，因此，经常出现荷载传递的错误。 ANSYS Workbench环境中流体和结构共享分析模型，克服了上述问题。
ANSYS用于FSI计算的MFX多物理场求解器提供了易于操作的 框架平台，用于求解许多行业中的耦合问题，而在此之前针对此类 问题是没有准确的处理方法的。多物理场求解器是自动交互式的耦 合求解器，可用于所有物理场，支持与CFX/FLUENT的流固耦合 分析。其中，结构部分采用ANSYS Mechaincal或Multphysics求 解，流体部分采用CFX/FLUENT求解。由于功能得到增强，多物理场 求解器技术支持在一台或者多台机器同步进行结构和流体的计算， 与单机耦合求解相比，在求解大型问题时更为高效。多物理场耦合 基于客户化的信息传递技术，保证了CFX/FLUENT求解器在并行求 解过程中采用自带信息传递方法，不会与其它参与耦合的求解器发生 冲突。因此，流体和结构计算可以在不同的机器进行，并且任意数 目的计算机都可参与耦合计算，大大缩短了流体部分的计算时间。 ANSYS多物理场求解器为更广泛的应用领域提供了高效快捷的流固 耦合分析工具，很好地解决了耦合中的数据传递和流体结构模型建 立等关键问题。
特色与优势耦合分析中可以使用ansysmechanical和cfxfluent的所有分析功能包括各种非线性分析结构分析模型和流体分析模型相互独立几何和网格可以不匹配利用界面上的载荷自动传递实现耦合支持所有面载荷和体载荷力压力位移温度热流密度热交换系数等结构分析和流体分析可分别在不同的计算机上进行计算结构分析和流体分析可以有不同的分析类型瞬态非定常分析稳态定常分析谐响应分析等流体网格根据结构变形而自动变化在同一界面下监控结构计算流体计算以及耦合计算的过程参数在同一环境下处理结构计算和流体计算的计算结果无需任何第三方程序的支持完全统一的图形用户界面gui方便学习和使用采用稳健可靠的隐式耦合技术通过每个时间步内交错循环步和中间数据交换确保耦合场收敛实现耦合计算的高效率支持分布式并行计算fsi排气管热应力分析cfd网格cfd分析连接器热传递ansys变形结果在同一分析环境中进行t型连接器的单向流固耦合分析