Abaqus流固耦合仿真方法 附ABAQUS初学者用户子程序小例子下载

对于一般的流固耦合问题,Abaqus提供的仿真方法多种多样,最常用的三大类是:

1.协同求解

需要不同求解器之间进行通信:

a.使用SIMULIA 协同仿真引擎

b.使用多场耦合分析工具MpCCI

c.使用Abaqus的ZAERO接口程序

2.CEL

3.SPH

而特殊流固耦合问题,比如渗流(Seepage分析)、湿模态(可用Acoustic单元)、流体腔(Fluid Cavity)等,Abaqus也都有对应的分析手段。

最近问到的流固耦合问题比较多,这期文章就介绍一下Abaqus常用的三大类流固耦合分析方法。


1.协同求解

a.使用SIMULIA协同仿真引擎

首先要有两个model,一个CFD,一个Structure,定义耦合界面,并分别创建两个作业;然后通过SIMULIA协同仿真引擎引用两个model的作业,创建一个协同仿真;最后提交协同仿真任务,在模型树中可调出两个协同分析作业的监控。

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Abaqus/CFD特点:

能够进行不可压缩流体(通常认为是液体或者密度变化相对较小的气体,0≤Ma≤0.1~0.3)动力学分析,可以是层流或湍流(4种湍流模型)、稳态或瞬态(能够使用ALE变形网格)。

流体参数:

密度、粘度、初始速度、等压比热容、热膨胀系数。

工程应用领域:

大气扩散、汽车气动设计、生物医药、食品加工、电器冷却、模具填充等。

6.10版引入CFD求解器,2017版取消,因此该方法只能在Abaqus有限版本内使用:

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SIMULIA Co-simulation Engine简介:

达索SIMULIA的多场耦合求解平台,内置于Abaqus Job模块,功能强大,可以用于耦合Abaqus不同求解器或第三方求解器,比如单独在Abaqus内可以做到:

①流固耦合

将一个Abaqus/Standard或Abaqus/Explicit分析过程与一个Abaqus/CFD分析过程进行协同;

②共轭热传导

将一个Abaqus/Standard分析过程与一个Abaqus/CFD分析过程进行协同;

③电磁-热或电磁-力学耦合

将两个Abaqus/Standard分析过程进行协同;

④隐式瞬态分析和显式动态分析之间耦合

将一个Abaqus/Standard分析过程与一个Abaqus/Explicit分析过程进行协同。

b.使用多场耦合分析工具MpCCI

Mesh-based parallel Code Coupling Interface(基于网格的交互式耦合并行程序),通过松耦合方式实现多场问题的求解分析。

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特点:

1996年开始,支持大多数主流CAE软件,现已成为全球唯一的多场耦合分析的工业标准和平台。

数据通信方式:

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序列式

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并行式

应用领域:

航空航天、汽车行业、大气环境、生物医药、机械电子、化工等。

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c.使用Abaqus的ZAERO接口程序

通过 abaqus tozaero interface可以在Abaqus和ZAERO之间交换气弹数据。

流程:

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Universal文件:

包含节点、坐标系、模态频率、质量归一化的振型、质量矩阵等。

执行:

abaqus tozaero interface在Abaqus/CAE中没有图形界面,只能手动修改inp文件来定义universal文件的输出项,再通过command窗口运行接口程序:

abaqus tozaero

job=job-name


[unvfile=unv-file-name]
[odbfile=odb-file-name]

[mtxfile=mtx-file-name]

[step=step-number]

[mode={text | binary}]

2.CEL

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拉格朗日网格:

节点与材料绑定,单元随材料变形而变形,拉格朗日单元总是100%充满单一的材料,故材料边界与单元边界永远一致。

欧拉网格:不动

节点在空间固定,材料流过不变形的单元。欧拉单元可以不总是100%的充满材料,许多可以是部分的或完全空的,因此每个时间增量步都会重新确定材料边界。注意:欧拉分析中,欧拉网格要大于材料的活动范围。

欧拉-拉格朗日接触算法:

欧拉材料(使用状态方程描述材料的流变行为)可以和拉格朗日单元通过欧拉-拉格朗日接触来进行相互作用。包括此类接触的分析通常称为耦合的欧拉-拉格朗日分析( Coupled Eulerian-Lagrangian)。

揭谛:风动?幡动?仁者心动;拉格朗日网格在动,欧拉网格不动

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特点:

a.可用于固体材料的大变形分析;

b.支持自适应网格细化;

c.可以定义网格运动:欧拉网格移动、旋转、缩放等来包络欧拉材料;

应用领域:

常规流固耦合:如液体箱晃动分析、飞机水域迫降、产品包装模拟、填充模拟等;多相流固耦合:抛锚在水和泥中的沉降深度,带空气域的轮胎滑水性能分析;固体大变形分析:如轧制、鸟撞、切削等;爆炸分析:JWL状态方程。

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3.SPH

Smoothed Particle Hydrodynamics(平滑粒子流体动力学)  无网格法,注意:不是基于离散粒子间的碰撞、粘附等行为,这是跟DEM的最大区别。

这种方法是通过粒子间的物理距离、平滑距离h来确定“内核方程”,进而确定周围粒子对中心粒子自由度的影响。

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应用:

液体晃动、波浪、喷漆、水压切割、气流、填塞、破碎后的二次冲击,鸟撞分析、射流爆破等。

方法:

把有限元网格转化为SPH粒子,可以按照应力、应变或时间阈值来确定SPH粒子的转化。

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Tips:上图是Abaqus自带的流固耦合经典案例,帮助文档搜索“Impact of a water-filled bottle”即可找到水壶跌落CEL/SPH两种方法的inp文件。当初第一次看到CEL方法很震惊,下载完模型怎么也找不到里面的水在哪!(奥秘就藏在VFT工具里)~为了搞懂,我把这个案例说明翻译了一遍,很有收获。


三大类方法在流固耦合方面的表现:

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根据具体计算需求,结合各种方法的特点,选择最合适的手段进行流固耦合仿真分析。

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下载地址:ABAQUS初学者用户子程序小例子

ABAQUS

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