基于LSDYNA及FLUENT的板壳结构流固耦合分析

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
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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。

板壳是基本的结构单元，研究其与流体相互作用的过程的仿真方法对水下结构的设计 具有一定的指导意义。文献[1,2]利用 ANSYS/LS-DYNA 对板壳结构在水下爆炸冲击载荷作 用下的动力学响应进行了仿真分析和试验研究，文献[3]对窄流道中柔性单板流致振动引起 的流-固耦合问题进行了数值模拟，但以上文献所进行的分析均为板壳结构处于约束状态下 的平衡位置附近的振动耦合分析。 利用 ANSYS 静力学分析模块以及 CFX 或 FLUENT 等流 体分析模块对有固定约束条件的板壳结构进行流-固耦合分析的实例已经很多，ANSYS Workbench 中也有这方面的耦合实例。但是对于流体冲击引起结构的大位移以及较大变形 的动力学分析目前还不完善，有待进一步的研究。因此本文应用大型通用有限元分析软件 ANSYS13.0 中的显示动力分析模块 LS-DYNA 以及流体分析模块 FLUENT，对受流体冲击 作用下兼有大位移及较大变形的板壳结构的流-固耦合作用进行了仿真分析。
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有限元分析
2.1 问题描述
本文针对板壳结构受流体冲击载荷作用下的动力学响应进行分析，主要研究板壳结构 的运动时间历程、应力分布规律以及对流场分布的影响。 用于仿真对照的试验方案如图 1 所示，矩形薄板一端固定于转轴上，并全部浸于水箱 中，同时在正对薄板中心的水箱壁上设有一个高速水流进口，以保证水流在初始时刻可垂 直冲击薄板中心。此外，在水箱中薄板旋转方向上的特定位置处设置有一个平行于转轴中 心线的刚性挡杆，旨在对因受流体冲击而发生旋转的薄板起到反向阻碍作用，使其出现较 大变形。测量的薄板的转动角度、板面应力分布等参数可作为仿真对比的依据。
a） 正视图 图 1 流-固耦合分析模型
b） 俯视图
2.2 计算模型
2.2.1 结构模型 结构模型包括四部分：矩形薄板、转轴、轴承以及刚性挡杆。运用 ANSYS 程序的参 数化建模功能即可快速得到结构模型。利用复杂的实体切割及布尔运算功能将结构模型全 部采用 sweep 方法进行六面体网格划分，所选用的单元类型为显式 solid164 单元，有限元 网格模型如图 2 所示。此外，由于要接受来自流体域计算的压强载荷，而压强载荷在体单 元上进行施加很难保证加载的正确性，因此需要在薄板的表面建立一层虚拟的薄壳单元， 此薄壳单元在计算过程中只起到传递压强载荷的作用，不应对薄板结构起到任何的加强作 用，所以就需要保证壳单元的厚度值的数量级远远小于薄板的厚度，以尽可能降低计算过