关于ABAQUS在流固耦合方面的应用

关于ABAQUS 在流固耦合方面的应用

摘 要：针对ABAQUS 有限元分析软件中的流固耦合功能，简述了其中理想气体状态方程的各参数含义以及流固耦合的分析要点。文章通过ABAQUS 仿真分析和理论数值解的对比，证明了ABAQUS 软件计算理想气体状态方程的可信性，最后介绍其在某型号弹上的分析应用。

关键词： 理想气体方程 流固耦合 ABAQUS

前言

随着有限元技术的发展和用户要求的提高，各大有限元软件都含有流固耦合模块，其主要用于液体、理想气体和JWL 的模拟，本文着重介绍ABAQUS 中理想气体状态方程的功能和应用。为了验证ABAQUS 理想气体状态方程模拟气体压缩的正确性，首先利用其模拟简单的气体压缩过程，并获得该过程中气体的状态变化曲线（仿真曲线）；然后通过matlab 求解该模型理论上的气体状态方程，并在Matlab 上获得数值解（理论曲线）。将仿真曲线和理论曲线进行对比，发现二者非常吻合，证明了ABAQUS 模拟理想气体状态的可信性。在此基础上，将其用在某型号弹上的流固耦合分析。

1 理想气体方程的参数含义

在ABAQUS 有限元分析软件中，气体压缩方程为：

()a z p p R ρθθ?+=- (1)

其中：p ?：气体压强的增量，初始增量为零，ODB 文件输出的压强 a p ：初始的气体压强，标准大气压为51.01310?Pa

ρ：气体密度，这里设为31.17/kg m

R ：气体常数，这里为287

θ：气体温度，初始温度设为20℃，ODB 文件输出的温度 z θ：绝对温度的零值，这里为-273℃

在分析时，需要在定义系统的绝对零度值，如图1所示

图1 定义系统的绝对零度

2 ABAQUS 仿真

建立如图2所示的装配图，气体在一个封闭的环境内受到活塞的压缩。假设整个过程没有任何能量的损失，及活塞气体和活塞之间没有热传递，且活塞以一定的速度向前运动。

图2 气体未压缩和压缩后体积的变化

在设置模型过程中，活塞和气体之间的接触通过inp文件的关键字实现，经过实践证明，这样的定义方式可以有效避免气体的泄露。其定义过程为：*******************为气体分配材料属性**********************

*Initial Conditions, type=VOLUME FRACTION

Set-inner-gas, gas-1.gas-inner, 1.

******************定义气体的欧拉接触面********************

*Surface, type=EULERIAN MATERIAL, name=inner-gassurface

gas-1.gas-inner

******************定义活塞和气体之间的接触******************

*Contact Inclusions

inner-gassurface,Surf-contact-huosai

***************************************************

通过仿真计算后，在压缩终结束时刻，气体的压强和温度如图3和图4所示。

图3 压缩结束时，气体压强p ?

图4压缩结束时，气体温度θ 3 理论计算

上节模拟的气体压缩过程是一个“等熵过程”它的气体状态参数关系为：

2121121

()()k k k p V T p V T -==.................................（2） 其中k 为等熵指数，这里取k=1.4，T 为绝对温度k 。

如图2所示，气体在初始状态下体积3571171V mm =，活塞投影面21698S mm =，代入式（2）后气体压缩理论方程为

1.421571171()5711711689P P h

=-?.................（3） 0.421571171()5711711689T T h

=-?.................（4） 其中h 为活塞投影面与底面的距离，初始条件下280h mm =，初始大气压51 1.010p Pa =?，初始温度127320293T K =+=。结合Abaqus 参数名称，定义气体压强增量P ?和温度θ：

21P P P ?=- (5)

2273T θ=- (6)

4 结果对比

采集967号节点的压强和温度，并绘制曲线（仿真曲线）。结合式（3）、（4）、

（5）、（6），利用Matlab 软件绘制出压强增量P ?和气体温度θ与h 之间的曲线（理论曲线）。将ABAQUS 的仿真结果和理论计算结果进行对比，二者变化曲线如图5和图6所示。

图 5 仿真压强曲线和理论计算压强曲线的对比

图 6 仿真压强曲线和理论计算压强曲线的对比

图5和图6中蓝线表示的是用气体状态方程计算的气体参数曲线，红线表示的是ABAQUS有限元软件仿真模拟的参数曲线，从图可以看出，两条曲线基本是重合的，因此ABAQUS有限元软件在模拟理想气体状态方面具有非常大的可靠性。

5 流固耦合的应用

某型号弹的结构如图7所示，它有弹筒、弹头和筒盖组成，筒内密封有空气。筒盖的材料是一种脆性塑料，弹筒和弹头认为是刚体。当弹头压缩前面的空气并达到一定的气压时，筒盖就会破裂。利用ABAQUS的流固耦合模块，计算出弹头移动多少距离时，筒盖会破损。

图7 结构装配示意图

脆性材料采用Brittle Cracking的失效准则，模拟出筒盖破损的状态如图8所示。

图8 筒盖破损画面

6结论

通过计算比较，ABAQUS有限元软件在模拟理想气体状态方程上，有着很高的可信度，它的模拟结果和理论上的状态方程基本重合。因此在实际操作中，结合材料的变形和失效，它可以模拟多种情况下的流固耦合问题。但是，在流固耦合分析中，应尽量细化网格，否则不能真实的模拟由于边界的变形而导致气体形状的改变。

参考文献

[1] 范仲书,刘亚飞.弹丸空气动力学[M].南京：南京理工大学，1983

[2] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006

[3] ABAQUS 帮助文件