FSI案例 | CFX和Mechanical做降落伞的FSI耦合计算

在ANSYS中，可以直接采用CFX和Mechanical的FSI耦合，实现薄壳类对象的结构变形和流场的耦合。本案例演示在ANSYS 18.0环境下，CFX+Mechanical求解降落伞流固耦合的基本操作流程。

问题描述

本案例要计算的模型如下图所示，为典型的降落伞流固耦合问题。演示如何通过CFX + Mechanical，模拟薄膜一类的对象的受力和变形。代表降落伞伞衣的薄膜假设为弹性材料，因为Mechanical暂时没有纤维材料模型。降落伞系留的载荷为一个流线体外形（如果采用钝头体外形，则产生的尾流将会与降落伞干扰，导致流场收敛困难以及周期延长，不适合立竿见影的演示内容）。

案例所需的文件为Spaceclaim格式几何文件，已经集成在sc_parachute.wpbz文件中，下载链接：http://pan.baidu.com/s/1mhZuZP2 密码：lbut

启动Workbench

打开sc_parachute.wpbz工程文件后，可以看到工作区由Static Structural，CFX和System Coupling组成，Static Structural的Geometry和CFX的Geometry相连，CFX的Setup和System Coupling的Setup连接。

几何准备

把几何部件按照Mechanical/Structural和CFX/Fluid分类为独立的part；

把伞衣曲面（Surface）复制到Fluid中，如图。在SpaceClaim中，要把“Share Topology”设为“Merge”，这样当Structural部分开始生成网格时，对应的Fluid中的伞衣曲面就会从Structural中分离出来。

Mechanical设置

在Mechanical中，打开Surface不会自动连接，即便它们在一个part中。打开Static Structural的Setup，在Mechanical中用mesh edit 操作，把伞衣曲面的连接点合并，如图。

在Static Structural下，添加“Fluid Solid Interface”，几何对象选取6个伞衣曲面，如图。

在载荷的吊挂点（伞绳汇聚点），设置一个向下的拉力，大小100N，等于载荷的重量，如图。

在降落伞顶孔的6段圆弧边上，设置位移=0的条件，即顶孔固定，如图。顶孔固定是常用的处理手段，避免因为数值非对称（如网格非对称）引起顶孔的非物理晃动。

关闭Static Structural设置。

CFX设置

打开CFX的Setup，双击“Default Domain”，选中“Mesh Deformation”功能，如图。

选择6个伞衣曲面，设置wall边界条件，把mesh motion设为由system coupling驱动。

在整个圆柱计算域的上、下端面分别设置Outlet和Inlet边界条件。

如前所述，载荷重量固定为100N，通过Workbench参数“PayloadWeight”从Mechanical传给CFX。

在计算过程中，CFX将调整来流速度，使得降落伞阻力能与载荷重量平衡，并借此计算伞-载荷系统的最终速度。

System Coupling设置

双击“System Coupling”的“Setup”， “Analysis Settings”定义了耦合计算的总步数，以及每一步耦合计算中，Mechanical和CFX求解器需要运行的迭代数。

网格的变形量是从Mechanical传递给CFX，力从CFX传递给Mechanical，如图：

明确CFX比Mechanical先运行，如图：

运行计算

点击“System Coupling”中“Solution”上的Update，开始耦合计算。

计算结果

伞衣变形和绕降落伞流场的计算结果如图所示。

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