(完整版)流固耦合教学

1打开ANSYS Workbench ,拖动各模块到空白区，并照此连接各模块。

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
白、心 1 Part, 1 Body
® Ship &olid
在 Con cept 中选择 Surfaces From Faces ，选中模型的六个面，然后 Apply 、Gen erate 。

三 2 Part&, 2 Bodies
® Ship Solid
' rt 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)
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重命名第二个 Ship Solid 为 Ship Shell
為百和匚审叔蹲
(2)在YZ Plane内建立液舱
单击乐(New Plane),选择YZ plane斗世PI酋ne , Apply 一下
将YZ Plane向X正方(图中为法向，即Z)向偏移0.02m
Details View 耳
DeUi K &f
Plane Plane4
0k From Plans
B&M Plane V2Plane
Transform 1 fRMB) off5etr
■ FDl d Value 10 02 m
Trans-form 2 fRMBl N □ ne
Reverse h ormal/Z-Axi 5? No
FlipXV-Axw?Na
Export Coordinate Sy No
Gen erate 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 —下
-妇卜Plane4
日-#临i 2 Parts. 2 Bodies
新建一个Sketch :单击i.7，显示匚「川-人，在此Sketch中建立液舱模型
草图
单击Extrude （拉伸），设置Operation （下拉列表中改选为 Add Frozen ）与拉伸尺寸
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：
Hli
0 01m
HI1+
H15 3 lrn
V13
□ 01m ■ V16
il l m
(0.1m ):
然后Gen erate 一下
定义尺寸:
将第三个Solid重命名为Fluid，拉伸后的效果如下:
£] 3 Parts, 2 Bodies
■ Ship Solid
tZl Ship Shell
i ,
:怕Fluid
再新建一个Sketch，显示VC® Sketch3，在空缺处画一个长方形，然后拉伸o.im ,（其中Operatio n属性同样选为Add Frozen），Gen erate 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Gen erate 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，Gen erate，同样将其重命名为Fluid Shell
\ - ^ ® Fluid
-
",：「；选中Fluid （内流场），将其属性改为Fluid , （Flue nt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）
-'、*口Fluid Sh«ll
冷口FbitJ Shtll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，•:&爭％叶，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Operati on 选择Add Froze n , Gen erate 一下
图中显示外流场把船体的位置给空了出来，将 ® Solid 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。

在 Slice Targets 中选择 Selected Bodies ，点击一下 Bodies ，选中外流场, Apply 一下，再Gen erate,此时外流场就被分为两部分。

再分别以船体所在位置内侧（以逆 时针）第二、第三、第四个面为
Target Face ，同样进行切分操作。

最终结果如下所示：
将Ship Solid 、Ship Shell 、Fluid 及Fluid Shel l 部分同时show body ，可以看到整个模型（包 括外流场、船体、液舱及内流场）
0 Out fluid j # 0 Out fluid 卜0 Out
fluid :-* 0 Out
fluid
® Out fluid 卜 p
@ Out fluid \ 0
Out fluid
：“屛 0 Out
fluid
将这8个体组成一个 part ，并重命名为 Out Fluid :
斗 '
外流场被切分成8个体
至此，几何模型建立完毕，退出，在 project 中保存，命名为try-2015.12.07
3、材料设置
设置Structural Steel 1的材料参数（这里只对 Den sity （密度）和 You ng's Modulus （弹性模
量）进行设置）：
Props tea uf Oudine Rw 3: Sirudur^l Sted
表中找到以下两个参数，并照此设置
这代表刚性 同样对Structural Steel 2进行设置，密度一样，弹性模量改为 2E+10，这表示为弹性（相对
Structural Steel 1）
单击曲，回到Project ，并保存 4、网格划分与加载 （1）点击 Model ，即打开
表中找到结构钢（Structural ），右击，选择
Add to B2，单击
□idin 亡［/占轴耐丄mi 呂g 氏E-mg D ELS
13 Density
2700
kgm rt -3
T |
Young's Modiius 2E+14
ZI
:Tra nsient Itructurel - Mechanical [ANSVS Mufti physics']
点击打开 Engineering Data ，单击
一 -- -,选择
General Materials
，在
in 1 Engineering Data Sources
返回
将 Ship Solid 、Fluid 、Out Fluid 进行 Suppress,点击 Ship Shell ，进行如下设置
点击Fluid Shell ，把子项中全部选上，进行如下设置
Hide 一下Ship Shell ，先划液舱的网格
右击 mesh ，在Insert 中选sizing ，先选中除与"应变片”共边的其他
再选中剩下的两条边（除去了与“应变片”共部分） ，每条边撒9个点（由于“应变片”边
10条边
0.01m
Detail^ 'Edge Sizing' - Sizing
卒
长也为0.01m）
Show —下Ship Shell，同样对Ship Shell划分网格
先对船长方向的四条边划分，等分为36份
再同时选中剩下的8条短边，等分为10份
右击mesh,在Insert中选Method，在模型框（蓝底）中右击，选Select All，Apply 一下
右击mesh,左击Gen erate Mesh，生成网格
若需查看液舱的网格，则Hide —下Ship Shell，再单击一下mesh即可
（2 ）约束及时间步长的设置
-Transient ］時）
力才刮I"币创Conditions
' ■ - - ■- 单击Analysis Settings，然后进行如下设置
Details ©f "Analysis Setting 1*
Step Control s
Wurribe^r Of Step«L
Current Step Number L
Step End Time10. s
Auto Ti rn? Step pi 门号Off |
Wire By Tinw
Time Step l e-0D2 s
Tirne Integration On
Eolvier Controls
Solver Typt Program Controlled
Weak Springs Program Contra lied
Large Deflection On
施加重力：单击" …,选择Standard Earth Gravity
施加3个流固耦合：单击—，选择Fluid Solid In terface，重复操作Fljid Solid Inberfaoe
”3电.Fljid Solid In terface 2
电Fluid Soiid Interface 3
单击第一个Fluid Solid In terface，选中液舱的6个面（“应变片”处不要选）
，Apply 单击第二个Fluid Solid In terface，选中"应变片” ，Apply
Show 一下Ship Shell
单击第三个Fluid Solid In terface，选中长边所在的四个面，Apply
再选中Ship Shell的全部短边所在的两个面，单击心，选择Displacement
在Detail of Displacement中限制Y方向位移为0,其他不作设置（这是因为浪沿着x方向, 按理y方向不应该有位移）
横摇角的测量：先测出两个点在Z轴方向的位移，其位移差除以船宽，再进行一个反正弦
运算即可得到横摇角（弧度值，若需要度数，则还需乘以360再除以2 ），具体操作方法为：
右击Solution，如下选择
笛匚1
*Insert Str ess Tool
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曲笛岸
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Ji Rrfir Energy
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E ^ r-tvii-A h 置•cwrt 齢叶啊£
Ceruci Tool»
Hl fH-nbr LJI Bi=-fc>riTI 吐”科
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赢Ut+r MiZ Aetuh Position
凰Comfiundi
哄Ar»gui*r V^lwity
他Enswg岁
崛I Force Re«ticrii
怪JaittT
畑Spring
Ceformation Probe
呵Deformation Probe 2
点击第1个Deformation Probe，选中第1个点（图中所示），Apply
并在具体属性中设置
定义两个:
点击第2个Deformation Probe ，选中第2个点（图中为第一个点右侧的点），Apply ，同样在
监测模型的应力应变：右击 Solution ，如下选择
再右击Solution ，如下选择
Mechanical ，右击 Model ，单击 update ，对 setup 执行相同 的操作，保存一下，然后退出
（3）流体部分的网格划分
点击Fluid Flow 下的Mesh ，进入流体域的网格划分 在流体域中不对结构部分设置，故须将结构部分
Suppress ，只保留Fluid 和Out Fluid
i x # 9血 solid
i *tl SKPSWI 用一临FiuiG m u 昨 Fut ^"el
X^FUdSTEl
FLrtS-el
由”嗨GUI 耳Lid
Result Sekctior; Z Axis
具体属性中设置
Remit Selection Z Axis-
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X 0= H OT nwl
龜黏“「
Vector :PrifitLpal
驚 Uwr defined Resuh
得到应变与应力监测模块
竜 Equix/atent Elastic Strain 瞪| Equivalent Stress
至此，结构模块设置结束，退出
Str«5 TccJ Dc^Gtrrrtaffh
C*i
Str»r
Otar Ge<ner«：ed Dxsa
先划分内流场(Fluid )的网格，故将外流场(Out Fluid ) Hide —下划分网格的具体步骤不再赘述，看图即可
接着
Details of 'Edge Sizing 2* - Sizing 4
-
Scoping Method Geomwtry Selection
Geometry 4 Edges
-Definition
Suppressed No
Type Number Qf Divisions
■ Number of Divisions
然后Show —下Out Fluid，同时Hide —下Fluid
从左往右划分
The n
—一一.—H- ——■—
这部分网格我们定义的是由密到疏，但是划出来后发现有个别边的渐变与定义恰恰相反，这个问题可以通过Detail of Edge Sizing下的Reverse Bias来解决，点一下Reverse Bias右边的选项框，然后同时选中变化相反的几条边，Apply 一下即可（以后遇到类似的问题即可用此
功能解决，这个功能在15.0及以上的版本中都有）
The n
这部分是最上面的
Details of "Edge Sizing 61 - Sizing 斗
-1Scope
Scoping Methad Geometry Selection
Geometry S Ed-ges
-Drfini
Suppressed No
Type Number of Divisions
■ Number of Divisions
The n
Details oi 'Edge Sizing 7' - Sizing 甲
-Scope
5-copin^ Method Geometry Selection
Geometry8 Edges
-Definition
Suppressed No
Type Numt^r of Divi si ons
.■ Number of Divisions1西
这部分是最下面的 The n
这部分是中间的（要求船舶运动具有较好的精度，需加密网格） The n
这部分是外流场宽度方向的网格，划分的时候可将坐标系旋转至合适位置
Show —下 Fluid
右击Mesh,在Insert 中选择 Mapped Face Meshing ，在模型所在蓝色区域右击， 选择Select All ， Apply 一下；在工具栏中单击 Gen erate Mesh （或在 Mesh 中找到 Gen erate Mesh ）
- Detai Is of
Sizing S' - ©Hing
注：生成网格后可能会发现网格仍然不整齐或者部分区域变形严重等现象，我在初次做这个例子的时候也遇到这个问题，经检查发现，网格本身划分没错误，规整六面体网格类型的设
置也是对的，但若将所有的Behavior选项选为soft的话就会出现这种情况，当改选为hard 时，重新生成一次网格就正常了。

（4 ）流体域边界定义
在上一项的基础上，将Out Fluid隐去，在Fluid中进行如下操作
空出“应变片”
在蓝色区域右击，选择Create Named Selection，命名为FSI1 （对应于结构模块中的Fluid Solid Surfacel）
21
用同样的方法定义“应变片”为 FSI2
Show —下Out Fluid ，为便于查看，可以点一下 用同样的方法
将Out Fluid 顶部的面选中，并命名为 Out
将Out Fluid 首部（面）选中，并命名为
moving wall
（推板） 将Out Fluid 底部的面及尾部（面）选中，并命名为 wall
分别将Out Fluid 前面及背面选中，分别命名为 sym1和sym2 （意思是对称面或镜像面）
至此，流体域的网格划分及设置结束，退出，回到 Project ， update 一下mesh ,保存，退出
Project
将已保存好的try-2015.12.07文件夹复制，将副本的尾缀“副本”改为 fuben ，后续设置及计
算在副本中进行
5、Flue nt 中的流场参数设置及初始化
在副本中打开Flue nt ，即点击Fluid Flow 模块下的setup ，如下图，选择Parallel （并行计算）
Fluent Launcher
Dimension
Options
2D
Double Piiecieion
◎ 3D
Meding Mode Display Opdors
Processing Options 匡]Display Mesh After Reading
a Sena II
Embed Graphics Windtws
Parallel
Workbench Color Scheme ]Do not show this panel again
因 SI TOW More Options
QK Cancel Ijelp T
用上述同样的方法命名其为
FSI3
mesh ，再点一下
选中与船相邻的4个面
然后点击OK ,进入Flue nt （按四核配置进行设置，如果是单核的话，选择 Serial 即可）
Frpp 廿iq iw-^h far
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这部分设置相对容易，由于没有李辰师兄的 UDF ，就不作赘述了，详细设置过程参照李辰
师兄讲解此例的视频（从第 45分43秒至第1小时04分54秒） 设置完后退出并保存
6、流固耦合设置（System Coupling ）
点击System Coupling 模块下的'9 §色血° u
-，进入流固耦合设置，设置过程 很简
单：第一个需要设置流固耦合迭代时间步长，须跟 Mechanical 和 Fluent 中保持一致， 为减少计算
D K Ed s 2015
AFE F E FlMGril li d QR pVn^
IJml
|1防荀钿|
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/ EJho Ef "MlMnS
Tiweir
iArlkn-Ec^
ESE
Mai
时间，迭代次数选择默认（减少迭代次数，计算精度也会下降）；第二个需要设置的是建立流固耦合联点，保证数据传递的双向性。

设置完以后点击update project ，然后开始进行流固耦合计算，这一部分的设置过程及后处理详见李辰师兄的视频讲解，在这就不赘述了
本文根据李辰师兄的视频讲解撰写，重点在于学习流固耦合的模型建立，希望对大家有所帮助
23。