流固耦合命令求解流固耦合问题

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　　使用ANSYS计算结构在水中的模态时, FLUID29,FLUID30单元分别用来模拟二维和三维流体部分,相应的结构模型则利用PLANE42单元和SOL ID45等单元来构造，其中，PLANE42和SOL ID45分别是用来构造二维和三维结构模型的单元。FLUID30是流体声单元,主要用于模拟流体介质及流固耦合问题。该单元有8 个节点,每个节点上有4 个自由度,分别是XYZ上3个方向位移自由度和1个压力自由度,为各向同性材料。输入材料属性时,需要输入流体的材料密度(作为DENS 输入)及流体声速(作为SONC输入),流体粘性产生的损耗效应忽略不计。FLUID29是FLUID30单元在二维上的简化，少了一个Z向的位移。SOLID45单元用于构造三维实体结构。单元通过8 个节点来定义,每个节点有3 个沿着XYZ方向平移的自由度。PLANE42是SOLID45单元在二维上的简化。
　　在利用ANSYS建模分析时,流场域单元属性分为2种,由KEYOPT(2)(指定流体和结构分界面处结构是否存在) 控制,在流固耦合交界面上的单元KEYOPT(2) = 0 ,表示分界面处有结构,其他流体单元KEYOPT(2)=1,表示分界面处无结构。流体-结构分界面通过面载荷标志出来,指定FSI label可以把分界面处的结构运动和流体压力耦合起来,分界面标志在分界面处的流体单元标出。
　　数值分析的步骤
　　1) 建立流体单元的实体模型。建立流体模型,需要确定流体域的范围,可以把无限边界流体简化成流体区域的半径为固体结构半径的10倍。
　　2) 标记流固耦合界面。选取流体单元中流固交界面上的节点,执行FSI 命令,流固耦合交界面的处理:流体与固体是两个独立的实体,在划分单元时在两者交界面上的单元网格要划分一致,这样在交界面上的同一位置一般就有两个重合的节点,一个节点属于流体单元,一个节点属于固体单元,这两个重合节点在交界面的位移强制保持一致。
　　3) 建立固体结构实体模型。建立固体结构模型，定义单元属性，采用映射方式进行网格的划分。
　　4) 施加约束条件。由于流体区域的尺寸远大于固体结构尺寸，故可以不考虑流体液面的重力的影响，将流体边界处的单元节点上施加压力(PRES) 为零的约束。因为选择的算例为悬臂结构，在固体结构底部加全约束。
　　5) 选择求解算法，进行求解。定义分析类型为模态分析，设定提取频率阶数和提取模态的方法。因为耦合问题的刚度矩阵，质量矩阵都不对称，需要采用非对称矩阵法(UNSYMMETRIC)求解。
　　6) 查看结果。进入后处理模块，查看结构模型的频率及振型。
　　以半浸没与水中的桥墩模态问题为背景，并假设：
　　1. 桥墩为实心等截面的实体，实际桥墩模型应该是空心壳体，截面尺寸也非常复杂，因而需要分块划分单元。
　　2. 不考虑桥墩中的钢筋，简化为由单一的混凝土构成桥墩，密度1.265e4 kg/m3,弹性模量3.15e10 N/m2，泊松比0.167。
　　3. 不考虑水面重力影响，忽略自由表面波，水的密度1e3 kg/m3,音速 1.44e3 m/s。
　　4. 坝体和水的交界面上，固体节点和液体节点位移耦合在一起，在单元中液体和固体粘在一起。
　　划分网格后的模型如下：
      
      
      
　　计算后的模态结果如下，为了方便对比，左侧给出了空气中的模态。
      
      
      
      
　　对于半浸没与水中桥墩结构，ANSYS计算的模态结果有点奇怪。对于梁式振动，基本上都没有看出水做为附加质量加入运动微分方程的影响，而将流固耦合交界面上分别属于液体单元和固体单元上的节点强制位移一致，耦合在一起后，计算得到的纵向振动有水和无水的频率差别很大，扭转振动却一样。




来源：CAE技术联盟