关于Abaqus在流固耦合方面的应用

5 流固耦合的应用
某产品的结构如图 7 所示， 它有筒体、 活塞头和筒盖组成， 筒内密封有空气。 筒盖的材料是一种脆性塑料，筒体和活塞头认为是刚体。当活塞头压缩前面的空
气并达到一定的气压时，筒盖就会破裂。利用 ABAQUS 的流固耦合模块，计算 出活塞头移动多少距离时，筒盖会破损。
图 7 结构装配示意图
前言
随着有限元技术的发展和用户要求的提高， 各大有限元软件都含有流固耦合 模块，其主要用于液体、理想气体和 JWL 的模拟，本文着重介绍 ABAQUS 中理 想气体状态方程的功能和应用。为了验证 ABAQUS 理想气体状态方程模拟气体 压缩的正确性，首先利用其模拟简单的气体压缩过程，并获得该过程中气体的状 态变化曲线（仿真曲线） ；然后通过 Matlab 求解该模型理论上的气体状态方程， 并获得数值解（理论曲线） 。将仿真曲线和理论曲线进行对比，发现二者非常吻 合，证明了 ABAQUS 模拟理想气体状态的可信性。在此基础上，将其用在某产 品上的流固耦合分析。
5.0E+05
理论压强 仿真压强
气室压强（Pa）
4.0E+05 3.0E+05 2.0E+05 1.0E+05 0.0E+00 0 40 80 120 160 200 240 280 活塞位移（mm）
图 5 仿真压强曲线和理论计算压强曲线的对比
250 200
气室温度（℃）
理论温度 仿真温度
150 100 50 0 0 40 80 120 160 200 240
T2 273 ...........................................（6）
4 结果对比 采集 967 号节点的压强和温度，并绘制曲线（仿真曲线） 。结合式（3） 、 （4） 、
（5） 、 （6） ，利用 Matlab 软件绘制出压强增量 P 和气体温度 与 h 之间的曲线 （理论曲线） 。将 ABAQUS 的仿真结果和理论计算结果进行对比，二者变化曲 线如图 5 和图 6 所示。
脆性材料采用 Brittle Cracking 的失效准则， 模拟出筒盖破损的状态如图 8 所 示。
图 8 筒盖破损画面
6 结论
通过计算比较，ABAQUS 有限元软件在模拟理想气体状态方程上，有着很 高的可信度，它的模拟结果和理论上的状态方程基本重合。因此在实际操作中， 结合材料的变形和失效，它可以模拟多种情况下的流固耦合问题。但是，在流固 耦合分析中，应尽量细化网格，否则不能真实的模拟由于边界的变形而导致气体 形状的改变。 参考文献
：气体密度，这里设为 1.17kg / m3
R ：气体常数，这里为 287
：气体温度，初始温度设为 20℃，ODB 文件输出的温度
z ：绝对温度的零值，这里为-273℃
在分析时，需要在定义系统的绝对零度值，如图 1 所示
图 1 定义系统的绝对零度
2 ABAQUS 仿真
建立如图 2 所示的装配图，气体在一个封闭的环境内受到活塞的压缩。 假设整个过程没有任何能量的损失，及活塞气体和活塞之间没有热传递，且 活塞以一定的速度向前运动。
1 理想气体方程的参数含义
在 ABAQUS 有限元分析软件中，气体压缩方程为：
p pa R( z ) ...............................（1）
其中： p ：气体压强的增量，初始增量为零，ODB 文件输出的压强
pa ：初始的气体压强，标准大气压为 1.013 105 Pa
活塞位移（mm）
图 6 仿真压强曲线和理论计算压强曲线的对比
图 5 和图 6 中蓝线表示的是用气体状态方程计算的气体参数曲线， 红线表示 的是 ABAQUS 有限元软件仿真模拟的参数曲线，从图可以看出，两条曲线基本 是重合的，因此 ABAQUS 有限元软件在模拟理想气体状态方面具有非常大的可 靠性。
通过仿真计算后，在压缩终结束时刻，气体的压强和温度如图 3 和图 4 所示。
图 3 压缩结束时，气体压强 p
Biblioteka Baidu图 4 压缩结束时，气体温度
3 理论计算
上节模拟的气体压缩过程是一个“等熵过程”它的气体状态参数关系为：
p2 V T k ( 1 ) k ( 2 ) k 1 .................................（2） p1 V2 T1
其中 h 为活塞投影面与底面的距离，初始条件下 h 280mm ，初始大气压
p1 1.0 105 Pa ，初始温度 T1 273 20 293K 。结合 Abaqus 参数名称，定义气
体压强增量 P 和温度 ：
P P2 P 1 ...........................................（5）
图 2 气体未压缩和压缩后体积的变化
在设置模型过程中， 活塞和气体之间的接触通过 inp 文件的关键字实现， 经过实践证明，这样的定义方式可以有效避免气体的泄露。其定义过程为：
*******************为气体分配材料属性********************** *Initial Conditions, type=VOLUME FRACTION Set-inner-gas, gas-1.gas-inner, 1. ******************定义气体的欧拉接触面******************** *Surface, type=EULERIAN MA TERIAL, name=inner-gassurface gas-1.gas-inner ******************定义活塞和气体之间的接触****************** *Contact Inclusions inner-gassurface,Surf-contact-huosai ***************************************************
[1] 范仲书, 刘亚飞. 弹丸空气动力学[M]. 南京：南京理工大学，1983 [2] 石亦平, 周玉蓉.ABAQUS 有限元分析实例详解[M]. 北京：机械工业出版社，2006 [3] ABAQUS 帮助文件
其中 k 为等熵指数，这里取 k=1.4，T 为绝对温度 k。 如 图 2 所 示 ， 气 体 在 初 始 状 态 下 体 积 V 571171mm3 ， 活 塞 投 影 面
S 1698mm 2 ，代入式（2）后气体压缩理论方程为 571171 P2 ( )1.4 P 1 .................（3） 571171 1689 h 571171 T2 ( ) 0.4 T1 .................（4） 571171 1689 h
关于 ABAQUS 在流固耦合方面的应用
左 辉 阚玉红 黄彦 中国兵器工业第二零八研究所 北京 102202 摘 要：针对 ABAQUS 有限元分析软件中的流固耦合功能，简述了其中理 想气体状态方程的各参数含义以及流固耦合的分析要点。文章通过 ABAQUS 仿 真分析和理论数值解的对比，证明了 ABAQUS 软件计算理想气体状态方程的可 信性，最后介绍其在某产品上的分析应用。 关键词： 理想气体方程 流固耦合 ABAQUS