Abaqus 间接耦合(Co-simulation)

Abaqus间接耦合技术是指耦合多物理场时,协同多个求解程序同步求解,比如常提到的流固耦合FSI(Fluid-structure Interaction)就主要用于求解气流-结构的热交互、水流-结构的力交互。

实现Abaqus间接耦合多物理场,是同时调用多个Abaqus求解程序,以及第三方程序,比如流-固耦合,即同时调用Abaqus/Standard或Abaqus/Explicit和Abaqus/CFD或Fluent等,所以求解可以是线性或非线性、稳态或瞬态。

注意


相同物理场,也可使用间接耦合,即多区域协同求解方法,比如:Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit协同仿真求解大变形问题,使用Abaqus/Explicit求解变形大难收敛区域,而用Abaqus/Standard求解变形小易收敛区域,以加快求解速度。

01

间接耦合原理

Abaqus 间接耦合(Co-simulation)的图1

间接耦合是基于分域求解,即多物理场域之间通过接触区交换数据,实现Abaqus和耦合程序协同求解。在协同求解中,一个物理场的域变化可能影响到其他物理场域的响应,比如图1所示流(气体)-固耦合中,空气流动对结构施加压力,引起结构变形,同时结构变形也会影响空气流速。

Abaqus 间接耦合(Co-simulation)的图2

图1 流-固耦合示例

Abaqus提供两种间接耦合的协同求解:协同仿真引擎(Co-Simulation Engine)和基于网格并行代码的耦合接口(MpCCI, Mesh-based parallel Code Coupling Interface)。

(1)Co-simulation Engine。
此引擎是由Abaqus公司自己开发的协同仿真程式,不需要借用任何第三方交互工具,全程在Abaqus/CAE界面操作。其能够对如下耦合场进行数据交互:兼有热传的流-固耦合、 电磁-结构耦合、电磁-热耦合,以及隐式动态(Abaqus/Standard)和显式动态(Abaqus/Explicit)的耦合。
(2)MpCCI。
MpCCI是由德国Fraunhofer研究所算法与计算科学SCAI研究中心研发出来的一款多物理场代码耦合工具。

注意


MpCCI与众多仿真软件有数据交换接口,如Fluent、Flux、Abaqus、ANSYS、MD Nastran、NUMECA、STAR-CD、STAR-CCM+、MSC.Marc等。

02

间接耦合强度

Abaqus 间接耦合(Co-simulation)的图3

间接耦合主要适用于多物理场之间具有明显界线的情况,各物理场独自求解仅通过接触交换数据。

大多数情况下,间接耦合是双向耦合,比如图1所示的流-固耦合,流体流动会对结构施加压力,引起结构变形,同时结构变形也会对流体流速造成影响。

少数情况,间接耦合多物理场的强度相对较弱。比如,电磁-结构耦合中,电磁力对结构的响应较大,但相反,结构变形对电磁力影响甚微,则可假设成电磁→结构单向耦合。

03

Abaqus/CFD

Abaqus 间接耦合(Co-simulation)的图4

基于Abaqus/CAE的前后处理,日趋成熟的Abaqus/CFD已完全具备计算流体动力学(Computational FluidDynamics)能力,能够求解具有以下特征的不可压缩流-热(Fluid-Thermal)、流-固(Fluid-Structural)等问题:层流或湍流(Laminar or Turbulent)、稳态或瞬态(Steady-state or Transient)、图2所示内流或外流(Internal or Externalflows)、热传导(Thermal convective)、网格变形(Deforming-mesh ALE)等。

针对任意控制体积的稳动量守恒方程可表达为

Abaqus 间接耦合(Co-simulation)的图5

式中,V为任意控制体积,其表面积为S;n为表面S的外法向;р为流体密度;P为压强;v为速度矢量,f为体积力;τ为黏性剪切应力。

而针对能量守恒的温度传递可表达为

Abaqus 间接耦合(Co-simulation)的图6

式中,Cp为压强P下的比热;θ为温度;q为热流密度;r为每单位体积外部供热。

Abaqus 间接耦合(Co-simulation)的图7

图2内流或外流

在Abaqus/CAE的Step模块调用流体分析:Create Step→General:Flow。


文章来源:精准CAE部落

ABAQUS多物理场仿真

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