abaqus与fluent流固耦合

基于MPCC的流固耦合成功案例

基于MPCC的流固耦合成功案例

（一）机翼气动弹性分析

1问题陈述

机翼绕流问题是流固耦合中的经典问题。以前由于缺乏考虑流固耦合的软件，传统的分析方

法是将机翼视为刚体，不考虑其弹性变形，通过CFD软件来计算机翼附近的流场。这个强硬的假设很难准确的描述流场的实际情况。更无法预测机翼的振动。MPCCI是基于代码耦合的

并行计算接口，它可以同时调用结构和流体的软件来实现流固耦合。我们通过MPCCI能很

好的预测真实情况下的机翼绕流问题。采用ABAQU结构分析软件来求解结构在流畅作用下

的变形和应力分布，通过Flue nt软件来计算由于固体运动和变形对整个流场的影响。

2模拟过程分析顺序

MpCC的图形用户界面可以方便的读入结构和流体的输入文件。后台调用ABAQUS口FLUENT

在MPCCI耦合面板中选择耦合面，然后选择在相应耦合面上流体和固体需要交换的量。启动MpCCI进行耦合。

3边界条件设置

图1无人机模型和流体计算模型

结构部分单个机翼跨度在1.5m左右，厚度为0.1m左右。边界条件为机翼端部的固定，三个方向的位移完全固定，另一端完全自由。在固体中除了固定端的面外，其他三个面为耦合面。流体部分采用四面体网格，采用理想气体作为密度模型。流体的入口和出口以及对称性边界

条件如下图所示。

图2固体有限元模型

4计算方法的选择

通过结合ABAQUS口FLUENT使用MPCCI计算流固耦合。在本例中，固体在流场作用下产生很大的变形和运动。在耦合区域，固体结构部分计算耦合面上的节点位移，通过MPCC传输

给FLUENT勺耦合界面，FLUENT计算出耦合区域上的节点力载荷，然后通过MPCCI传给结构

软件ABAQU S在MPCC的耦合面板中选择的耦合面如图所示，交换量为：节点位移、相对受力。采用ABAQU中的STANDAR算法，时间增量步长为0.1毫秒。

5计算结论

通过MPCC结合ABAQUS口FLUENT成功地计算在几何非线性条件下的气动弹性问题，得到

了整个流体区域的流场分布以及结构的动态响应历程。

图3不同时刻的机翼变形

（二）节流阀流固耦合

阀耐实验有限公司的流体流动阀模拟（几何模型和试验值由Vernay Laboratories 提供）

世界最领先的阀门公司Vernay公司，应用MpCCI结合ABAQUS口FLUENT寸气阀进行优化设

计。设计目标为：在定制的工程阀上，要求在变化的入口压力条件下得到恒定的流量输出。

气阀的工作原理：在变压的入口，气流作用在阀门口的超弹性材料上，随着入口压力的增大,

超弹性材料，产生很大的变形，从而逐渐缩小入口口径，这样保证通过气阀的流量是一定的。示意如下图：

Un der low pressure Un der high pressure

图4流动控制阀刨面

实际几何结构和模型如下所示

(a ) (b )

图5气阀耦合计算结构和模型

固体部分材料是超弹性材料，变形存在很大的非线性，采用 ABAQU 作为流固耦合的固体耦

合软件，采用 C3D8RH 杂交减积分单元，单元数大约是 22000个。橡胶气阀部分和外边界采 用有限滑移摩擦(Fi ni te-slidi ng frictio nal con tact )。流体部分采用 FLUENT 软件作为 耦合的流体计算软件，采用标准的

k- &模型，四面体单元，单元数大约在 233000个单元。

通过试验值和数值模拟值得比较可以，

MpCCI 集合ABAQUS 口 FLUENT 有很好的预测效果。

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图6流量和入口压力关系曲线

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为此，得到阀耐公司的高度评价，Vernay是ABAQU的长期客户。当流体流动扮演重要作用时与流体的耦合分析将排除传统的反复切割实验的方法来开发新产品”。

（三）滑翔机机翼的空气动力学研究

图7滑翔机结构

采用的模型是DG-1000 滑翔机机翼。Zentrum f n Strukturtechnologien, ETHZ n ich 最先采用采用了小变形线弹性模拟了这个模型，采用MpCCI模拟大变形对气流场的影响。

模拟的目标：决定不同的机翼设计对气动性能的影响。

DG-1000滑翔机机翼具有大的机翼跨度和机身长度，机翼跨度是20米。结构性能是柔性、低阻尼。在计算分析中采用三种不同前倾斜角分别为-1度，-5度和-10度，如下图所示

因此将改变其空气动

Dehning, C., P. Post, C. Rumpier, K. Wolf, C. Ledermann, F. Hurlimann, P. Ermanni,

Fluid-Strukturkopplungen mit MpCCI , ”2004

图8三种不同的前倾角度

由于机翼的扭转响应将随着前倾角变化而改变在机翼周围的流体流动, 力学性能。 在模拟过程中，固体耦合软件采用 ABAQUST 限元软件，采用S4/S3单元，总的单元数为37000 个。考虑材料的大变形，线弹性复合材料。流体采用

FLUENT 为耦合的流体计算软件，采用

了 723000个四面体单元，流场为不可压层流。结论的比较如下所示