基于ANSYS的流固耦合动力分析方法

第 37 卷 第 6 期 2008 年 12 月
船 海工程 SH IP & OCEA N ENG IN EERI NG
文章编号: 1671- 7953( 2008) 06- 0086- 04
V ol. 37 N o. 6 Dec. 2008
基于 AN SYS 的流固耦合动力分析方法
杨吉新, 张 可, 党慧慧
2) 标记流固耦合界面。选取流体单元中流 固交界面上的节点, 执行 FSI 命令, 标记耦合界 面。
3) 建立固体结构实体模型。建立固体结构 模型, 定义单元属性, 采取映射方式进行网格的划 分。
4) 施加约束条件。由于流体区域的尺寸是 远大于固体结构的尺寸, 故在流场边界处的单元 节点上施加压力( PRES) = 0 约束。又因为结构 为悬臂结构模型, 并认为流体区域在悬臂根部的 平面内有边界, 所以固体结构模型底部固结, 流场 底部定义 Z 方向约束。
图 1 模型 截面尺寸( 单位: cm)
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第6期
船海工程
流体模型参数: 密度 Q= 1. 0 @ 103 kg / m3 ; 声速 c= 1 460 m/ s。
利用 ANSYS 建立结构三维 模型视图, 见图 2。
第 37 卷
图 2 三维模型视图
经计算模型的前 3 阶固有频率见表 1。
表 1 ANSYS 计算结果表
研究方向: 土木工程与力学。
sis; deep- water structur e; A N SYS
E- mail: whutvses@ 163. co m
交贯线附近区域首先开始达到极限载荷, 从而引 起支撑大面积失效。
2) 支、主管直径比 B和主管径厚比 C是影响 节点受力性能的主要因素。节点的强度和刚度随 着支主管直径比 B的增大而增加, 随着主管径厚 比 C的增大而降低。当 B> 0. 7, 10< C< 20 时, 节 点的极限强度增长较快, 且 C越大, 节点的变形越 大。因此, 为提高这种连接方式节点的强度, 设计 中应使支管直径尽量接近主管直径。
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3) 支主 管厚度 比 S 对极 限强 度影响 不大。 随着 S的增加, 节点的抗屈曲能力有提高的趋势。
参考文献
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6) 查看结果。进入后处理器, 查看结构模型 频率及振型图。
3 悬臂结构模态分析算例
举例介绍长方体悬臂结构在刚好被水淹没的 情况下的模态分析过程。悬臂模型具体尺寸及参 数如下。
尺寸: 长度 20 mm; 宽度 5. 5 mm; 高度 373 mm 参数: 弹性模量 210 GPa; 密度 7. 85 @ 103 kg/ m3; 泊松比 0. 3。 流体模型尺寸见图 1。
FL UID30 是流体声单元, 用于模拟流体介质 及流固耦合[ 3-4] 问题。该单元有 8 个节点, 每个节 点上有 4 个自由度, 分别是 X 、Y 、Z 3 个方向的位 移自由度和 1 个压力自由度, 为各向同性材料。 输入材料属性时, 需要输入流体的材料密度( 作为 DENS 输入) , 及流体声速( 作为 SONC 输入) , 流 体粘性产生的损耗效应忽略不计。
SOL ID45 单元用于构 造三维实体结 构。单 元通过 8 个节点来定义, 每个节点有 3 个沿着 X 、 Y 、Z 方向平移的自由度。
在利用 ANSYS 建模分析时, 流场域单元属性 分为 2 种, 由 KEYOPT ( 2) ( 指定流体和结构分界 面处结构是否存在) 控制, 在流固耦合交界面上的 单元 KEYOPT ( 2) = 0, 表示分界面处有结构, 其他 流体单元 KEYOPT ( 2) = 1, 表示分界面处无结构。
datum to v erif y the feasibilit y o f the calculat ion method. T he numerical r esults of the fir st thr ee natur al fre-
quencies and vibrat ion modes of the spindle in w ater o f
流体- 结构分界面应通过面载荷标志出来, 指 定 F SI label( 不需数值) 可以把分界面处的结构 运动和流体压力耦合起来, 分界面标志必须在分 界面处的流体单元标出。
2 模态分析的步骤
1) 建立流体单元的实体模型。建立流体模 型, 首先需要确定流体域的范围, 针对这个问题,
本文假定固体结构周围只有有限范围的流体, 数 值实验表明, 当流体区域足够大时, 这一假定的结 果与假定流体为无限边界流体的结果的误差应小 于 1% [ 1] 。一般情况下可以取流体区域的半径为 固体结构半径( 其中矩形截面取其边长的 1/ 2 作 为半径) 的 5 倍以上。确定出流体区域的范围后, 建立 流 体 单 元, 并 将 分 界 面 处 的 流 体 单 元 的 KEYOP T ( 2 ) 值 设 置 为 0, 其 他 流 体 单 元 KEYOP T 值设置为 1。
( 武汉理工大学 交通学院, 武汉 430063)
摘 要: 在对 AN SYS 的相关单元进行分析的基础上, 重 点研究 悬臂柱 模型在 不同水 位下的模 态计算 方
法, 进行数值演算, 给出计算步骤和计算结果, 并将其 与实验结果 相比较, 验证计算 方法的可 行性。通过对 不
同水位下结构模型的前 3 阶频率值进行比较, 得出当水 深达到一定深度时, 水对结 构的自振频率的影响 将不
表 2 列出的 4 组数据分别为上述长方体悬臂 结构分别在水位高度为 0、115、265 mm 及刚好淹 没悬臂结构的情况下的 ANSYS 计算的结果和实 验结果的比较数据。通过对比可以 得到以下结 论:
1) 实验结果与利 用 AN SYS 计 算结果的差 值均小于 10% , 说明了这种方 法是可行的, 可以 用于结构的模态分析研究。
5) 选择 求解类型, 进行求解。进入 SOL UT ION 求解器, 定义分析类型为模态分析, 设定提 取频率阶数及提取模态的方法。由于非对称矩阵 法( U NSYMM ET RIC) 主要用于求解模型生成的 刚度矩阵、质量矩阵不对称等问题, 故本文采用非 对称矩阵法( UNSYMMET RIC) 进行模态的提取。
1 相关的单元
在使用 ANSYS 计算结 构在水中的模态时, FL UID29、F LU ID30 单元分别用来模拟二维和三 维流体部分, 相应的结构模型则利用 PL ANE42、 SOL ID45 等 单 元 来 构 造, 其 中, P LA NE42 和 SOL ID45 单元 用来构 造二维 和三 维结构 模型。 本文采用的是三维模型, 所以流体选用 F L UID30 单元, 结构则采用 SOL ID45 单元[ 2] 。
基金项目: 863 项目( 2007A A 11Z107) 。
caused by w ater can not be neg lected.
作者简介: 杨吉新( 1964- ) , 男, 博士生。
Key words: fluid- str ucture int eraction; modal analy-
1994: 341- 349. [ 7] 张剑波. 半潜式 海洋 平台 结构极 限强 度分析 及疲 劳
寿命预测[ D] . 上海交通大学, 2006.
基于 AN SY S 的流固耦合动力分析方法 ) ) ) 杨吉新, 张 可, 党慧慧
在跨海大桥深水墩的抗震设计时, 需要考虑 结构的动力特性, 即结构的固有频率和振型。目 前, 对深水墩动态性能研究的方法主要是模态分 析法[ 1] 。在利 用 A N SY S 进行结 构的 模态 分析 时, 国内外对在空气中结构的模态分析的研究已 比较成熟, 但由于流体单元、流固耦合界面的标 记、流体区域范围及约束条件的确定等方面的困 难, 流体环境下结构的模态计算的研究还相对较 少。本文将着重探讨利用 AN SYS 进行模拟分析 的方法、步骤, 并计算不同水位悬臂模型的模态, 通过实验结果相比较, 来验证这种方法的正确性。
能忽略的结论。
关键词: 流固耦合; 深水结构; 模态分析; A NSY S
中图分类号: U 661. 1
文献标志码: A
Dynam ic Analysis M ethod f or Fluid-St ructure
Int eraction Based on ANSYS
YANG J-i xin, ZHANG Ke, DANG Hu-i hui ( Schoo l of T ranspo rtation, W uhan U niversity o f T echnolog y, Wuhan 430063, China) Abstract: Based on the t heo retical analy sis o f the elements in A N SY S, t he modal analysis metho d and steps