基于LSDYNA及FLUENT的板壳结构流固耦合分析

基于 LS-DYNA 及 FLUENT 的板壳结构流-固耦合分析汪丽军 北京航空航天大学，交通科学与工程学院 100191[摘 要]： 本文采用 ANSYS 显示动力分析模块 LS-DYNA 及流场分析模块 FLUENT，对水下的板壳 结构运动及其界面的流-固耦合现象进行了仿真分析。

流场计算得到的界面压强数据以外载荷 的形式施加于结构表面，使其产生位移及变形；同时，结构的变化又进一步影响了流场的分 布。

通过往复的双向耦合迭代，得到了板壳结构的动力学响应以及流场的分布情况。

仿真结 果与试验结果的对比表明，此方法适用于解决兼有大位移及较大变形特征的流-固耦合问题。

[关键词]： 板壳结构 流-固耦合 有限元方法 ANSYSAnalysis of Fluid-Structure Interaction for Plate/Shell Structure Based on LS-DYNA and FLUENTWang Lijun School of Transportation Science & Engineering, Beihang University 100191Abstract: In this paper，the movement of plate under water and the fluid-structure interaction(FSI) is simulated numerically by combining explicit dynamic solver LS-DYNA and computational fluid dynamics solver FLUENT in ANSYS. The pressure obtained from the calculation of flow field are applied as external loads on the surface of the plate, then the structural deformation and displacement can be calculated as well, which will affect the shape and pressure distribution of the flow field reversely. After sequential coupling iterations the dynamic response of the structure and flow field distribution are obtained consequently. By comparing numerical and experimental results it is proved that this proposed coupling method is suitable for solving such a kind of FSI problems considering both large displacement and comparatively large deformation. Keyword: Plate/shell structure, Fluid-Structure Interaction, Finite element method，ANSYS1前言在自然界中，流-固耦合现象广泛存在于航空、航天、汽车、水利、石油、化工、海洋 以及生物等领域。

很多实际问题中流体载荷对于结构的影响不可忽略；同时，结构的位移 和变形也会对流场的分布产生重要影响。

例如各种水下运动机构都需要考虑这种现象。

板壳是基本的结构单元，研究其与流体相互作用的过程的仿真方法对水下结构的设计 具有一定的指导意义。

文献[1,2]利用 ANSYS/LS-DYNA 对板壳结构在水下爆炸冲击载荷作 用下的动力学响应进行了仿真分析和试验研究，文献[3]对窄流道中柔性单板流致振动引起 的流-固耦合问题进行了数值模拟，但以上文献所进行的分析均为板壳结构处于约束状态下 的平衡位置附近的振动耦合分析。

利用 ANSYS 静力学分析模块以及 CFX 或 FLUENT 等流 体分析模块对有固定约束条件的板壳结构进行流-固耦合分析的实例已经很多，ANSYS Workbench 中也有这方面的耦合实例。

但是对于流体冲击引起结构的大位移以及较大变形 的动力学分析目前还不完善，有待进一步的研究。

因此本文应用大型通用有限元分析软件 ANSYS13.0 中的显示动力分析模块 LS-DYNA 以及流体分析模块 FLUENT，对受流体冲击 作用下兼有大位移及较大变形的板壳结构的流-固耦合作用进行了仿真分析。

2有限元分析2.1 问题描述本文针对板壳结构受流体冲击载荷作用下的动力学响应进行分析，主要研究板壳结构 的运动时间历程、应力分布规律以及对流场分布的影响。

用于仿真对照的试验方案如图 1 所示，矩形薄板一端固定于转轴上，并全部浸于水箱 中，同时在正对薄板中心的水箱壁上设有一个高速水流进口，以保证水流在初始时刻可垂 直冲击薄板中心。

此外，在水箱中薄板旋转方向上的特定位置处设置有一个平行于转轴中 心线的刚性挡杆，旨在对因受流体冲击而发生旋转的薄板起到反向阻碍作用，使其出现较 大变形。

测量的薄板的转动角度、板面应力分布等参数可作为仿真对比的依据。

a） 正视图 图 1 流-固耦合分析模型b） 俯视图2.2 计算模型2.2.1 结构模型 结构模型包括四部分：矩形薄板、转轴、轴承以及刚性挡杆。

运用 ANSYS 程序的参 数化建模功能即可快速得到结构模型。

利用复杂的实体切割及布尔运算功能将结构模型全 部采用 sweep 方法进行六面体网格划分，所选用的单元类型为显式 solid164 单元，有限元 网格模型如图 2 所示。

此外，由于要接受来自流体域计算的压强载荷，而压强载荷在体单 元上进行施加很难保证加载的正确性，因此需要在薄板的表面建立一层虚拟的薄壳单元， 此薄壳单元在计算过程中只起到传递压强载荷的作用，不应对薄板结构起到任何的加强作 用，所以就需要保证壳单元的厚度值的数量级远远小于薄板的厚度，以尽可能降低计算过程中壳单元对实际计算模型的影响。

本文所采用的壳单元为显式 shell163 单元，厚度实常 数设置为 1e-6。

矩形薄板与转轴的连接处采用共节点的方式进行处理。

转轴与两个轴承之间建立接触， 接触类型为 Automatic Surface To Surface。

由于在转动过程中薄板将与刚性挡杆发生碰撞， 因此在薄板的表面壳单元与挡杆之间也需建立接触，类型为 Automatic Node To Surface。

该 有限元模型的单元总数为 3434，节点总数为 3763。

薄板与转轴的材料均为钢。

由于不考虑轴承的应力及变形情况，故轴承及刚性挡杆均 采用 LS-DYNA 中特有的刚性材料模型，并约束所有自由度。

由于在 LS-DYNA 中压强载荷只能施加于 part 或 component 上，因此将前述所划分的 耦合界面上的每个壳单元均建立成一个 component，每个壳单元上的压强载荷由该单元四 个节点的压强值求平均得到，而各个结构节点的压强值则根据其坐标对应关系由流体域的 流体节点压强值插值得到。

得到每个单元的平均压强后，分别建立载荷数组，通过 APDL 语言可以方便的进行每个单元的载荷施加。

图 2 结构有限元模型图 3 流体域网格模型2.2.2流体域模型流体域模型采用 FLUENT 专用前处理器 GAMBIT 进行建模。

水箱长和宽均为 900mm， 水箱高为 500mm， 进口管道直径为 90mm， 进口管道长 200mm。

由于流体域模型比较复杂， 模型最小边长与最大边长数量级相差较大，故采用四面体非结构网格进行划分，划分结果 如图 3 所示。

在薄板及水流进口区域附近由于流场变化较大，故网格密度设置较大，在远 离薄板的水箱壁处网格密度设置较小， 划分后的流体域网格总数为 140369。

FLUENT 中 在 流场边界条件设置如下：入口边界为速度入口 v=5m/s，出口边界为压强出口 p=0，水箱壁、 转轴、薄板以及进水管壁均为 wall 边界。

另外，薄板的 wall 边界应单独设置，以便在流体 域计算完成后输出此耦合面上的压强数据，进而以外载的形式施加到结构求解器中。

2.3 耦合方法此流-固耦合问题属于双向耦合问题，故流体与结构之间的信息传递是交互的。

由于 LS-DYNA 与 FLUENT 之间不能直接进行结果数据的交换， 因此需要有中间数据交换步骤。

本文利用自编的数据转换程序分别对各自软件计算的结果数据进行处理，转换成能够被各 自软件读取的数据格式，从而进行耦合迭代。

耦合计算的流程如图 4 所示，由 FLUENT 开 始，首先进行流场初始化并得到初始压强分布，然后将此压强载荷通过数据处理传递到 LS-DYNA，然后进行结构场的第一时间步迭代计算，计算得到的位移数据再通过数据处理 传回 FLUENT，从而完成一个耦合迭代步。

图 4 耦合计算流程3仿真结果分析3.1 薄板运动时间历程分析利用 ANSYS 中的 LS-DYNA 求解器进行结构显式动力学计算。

薄板在水流冲击作用下 围绕转轴旋转，在 ANSYS 时间历程后处理中提取转板质心位移值随时间变化的数据，并 进行相应处理后转换为转动角度以及角速度随时间变化的历程曲线，分别如图 5 和图 6 所 示。

同时试验测得的转角及角速度曲线也在图 5 与图 6 中给出。

图 5 薄板转角时间历程曲线图 6 薄板角速度时间历程曲线通过对比试验与仿真曲线， 可以看出采用本文中流-固耦合计算方法模拟薄板的运动学 响应基本上符合试验结果。

在运动的初始阶段，由于试验水流流速是从零开始上升至稳定 流速值，而仿真的初始流速即设置为稳定流速值，故仿真得出的转角曲线略超前于试验值。

试验的最大转角略低于仿真最大转角，同时试验的碰撞时间点超前于仿真的碰撞时间点。

其共同原因是试验用薄板表面布有测试用的导线，其效果相当于增加了板厚，故其与挡杆 碰撞的时间点提前，转角最大值降低。

从以上两图的仿真曲线可以看出，整个耦合作用过 程持续时间很短，薄板最后趋于稳定的时间约为 72ms 左右。

从图 7 可以看出，在初始受到 流体冲击时，转板角速度迅速提高，这是由于在初始时刻，水流垂直冲击薄板，薄板受到 的法向力最大。

当角速度达到一定值后趋于稳定，薄板所受流体冲击载荷与水域中阻力以 及转轴的摩擦力矩达到平衡。

当 t≈56ms 时，薄板与刚性挡杆碰撞，继而产生一定的回弹， 角速度迅速跌落为负值。