NX中流固耦合分析方法
流固耦合算法研究报告
流固耦合算法研究报告1 流固耦合的概念流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。
变形或运动又反过来影响流，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。
流固耦合问题可由其耦合方程定义，这组方程的定义域同时有流体域与固体域。
而未知变量含有描述流体现象的变量和含有描述固体现象的变量，一般而言具有以下两点特征：1）流体域与固体域均不可单独地求解2）无法显式地削去描述流体运动的独立变量及描述固体现象的独立变量从总体上来看，流固耦合问题按其耦合机理可分为两大类：第一类问题的特征是耦合作用仅仅发生在两相交界面上，在方程上的耦合是由两相耦合面上的平衡及协调来引入的如气动弹性、水动弹性等。
第二类问题的特征是两域部分或全部重叠在一起，难以明显地分开，使描述物理现象的方程，特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立，其耦合效应通过描述问题的微分方程来体现。
实际上流固耦合问题是场（流场与固体变形场）间的相互作用：场间不相互重叠与渗透其耦合作用通过界面力（包括多相流的相间作用力等）起作用，若场间相互重叠与渗透其耦合作用通过建立不同与单相介质的本构方程等微分方程来实现。
流固耦合的数值计算问题，早期是从航空领域的气动弹性问题开始的，这也就是通过界面耦合的情况，只要满足耦合界面力平衡，界面相容就可以。
气动弹性开始主要是考虑机翼的颤振边界问题，计算采用简化的气动方程和结构动力学方程，从理论推导入手，建立耦合方程，这种方法求解相对容易，适应性也较窄。
现在由于数值计算方法，计算机技术的发展，整个的求解趋向于N S方程与非线性结构动力学。
一般使用迭代求解，也就是在流场，结构上分别求解，在各个时间步之间耦合迭代，收敛后再向前推进。
流固耦合计算方法及应用
流固耦合计算方法及应用【摘要】流固耦合计算方法是一种涉及流体和结构相互影响的计算方法，其在工程领域具有广泛的应用。
本文首先介绍了流固耦合计算方法的基本概念，包括流体和结构之间的相互作用机制。
然后回顾了流固耦合计算方法的发展历程，从最初的理论探讨到现在的数值模拟技术。
接着探讨了流固耦合计算方法在工程领域的具体应用，例如飞行器设计和水力机械优化。
对于数值模拟技术方面，本文强调了其在流固耦合计算方法中的重要性，并展望了未来发展方向。
本文总结了流固耦合计算方法的重要性、在工程实践中的应用以及对工程领域的影响，强调了其在现代工程设计中的关键作用。
【关键词】流固耦合计算方法，基本概念，发展历程，工程领域应用，数值模拟技术，未来发展方向，重要性，工程实践，影响。
1. 引言1.1 流固耦合计算方法及应用引言流固耦合计算方法及应用是一种新兴的计算方法，它在工程领域中有着广泛的应用。
流固耦合计算方法是将流体动力学和固体力学结合起来进行计算的一种方法，通过对流体和固体之间相互作用的数值模拟，可以更准确地预测工程系统中的复杂现象。
流固耦合计算方法的发展历程可以追溯到数十年前，随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的不断完善，流固耦合计算方法得到了越来越广泛的应用。
在工程领域，流固耦合计算方法被广泛应用于飞机、汽车、船舶等领域的设计和优化，为工程带来了新的突破和进步。
在我们将探讨流固耦合计算方法的重要性、在工程实践中的应用以及对工程领域的影响。
流固耦合计算方法的引入和应用将为工程领域带来新的思路和方法，推动工程技术的发展和进步。
2. 正文2.1 流固耦合计算方法的基本概念流固耦合计算方法是一种综合了流体动力学和固体力学的计算方法，用于分析和解决流体与固体同时存在且相互影响的问题。
在这种方法中，流体与固体之间的相互作用是通过力学和数学模型来描述和计算的。
流固耦合问题的本质是描述流体和固体之间的相互作用及其影响。
流体在固体表面施加压力和剪切力，而固体的形变又会影响流体的运动状态，这种相互作用是流固耦合问题的核心。
第九讲 流固耦合
ห้องสมุดไป่ตู้ 软件的主要优势之一
3D耦合菜单
耦合类型 刚性 全耦合 弱耦合
欧拉子循环 欧拉爆轰波求解器 多物质欧拉求解器
Test in Large Blast Simulator
Standard Glazing
Polycarbonate Glazing
全耦合– 刚体碰撞
刚性弹冲击平板
刚体欧拉耦合
全耦合– 水下爆炸
水下爆炸对舰艇的影响
刚体欧拉耦合 刚体壳 水和空气使用3D多物质欧拉
全耦合 – 水面爆炸对舰艇的影响
全耦合
破片碰撞
接触
侵蚀
余留的惯性
全耦合 – 爆炸侵彻 RPG
RPG爆炸冲击波和破片对 CFRP翼箱的破坏
空气中爆炸采用冲击波求 解器
RPG壳体 (破片) 和翼箱
采用拉格朗日求解器
流固耦合
接触+侵蚀
Calculation performed by the Ernst-Mach Institute
网格用小时间步长更新计算； 欧拉用大时间步长更新计算；使用优化时间步长可以
减少耗散。
厚度壳
壳单元在流固耦合中，定义人工厚度来 进行欧拉耦合
必须为壳定义人工厚度 人工壳单元厚度必须至少是它周围欧拉单
元最小尺寸的两倍 人工厚度与物理模型的厚度是不同的
对多个壳连接时，默认壳法线方向可以 不考虑
第九讲 流固耦合
Blended cells
流固耦合问题的描述方法及分类简化准则
第２４誊第１０期、ｂＩ．２４Ｎｏ．１０２００７年１０月ｏｃｌ２００７工程ＥＮＧＩＮＥＥＲｌＮＧ）３粤ＭＥＣＨＡＮＩＣＳ文章编号：１０００．４７５０（２００７）１０－００９２—０８流固耦合问题的描述方法及分类简化准则朱洪来，＋白象忠（燕『１Ｉ大学建筑工稗与力学学院，河北豢皇岛０６６００４）摘要：在流崮耦台的工程实际问题中的大多数情况下，弹性薄壁构件的变形为几何非线性，再加上流体方程的非线性，将导致流体和弹性体相互作用界面上的强非线性。
在界面上便可以结合拉格朗Ｌ＿｜法和欧拉浊建立方程和接触条件。
其方法手耍有单一拉格朗日法、单一欧拉法、帽容拉格朗Ｕ一欧拉法和任意扎格朗日．欧拉法网种方法。
引入描述弹性体变形特征的数值胧、”、七和描述流体运动特征的数值丑、ｙ，可将流固耦合问题进行分类。
在流体弹性力学理论的基础上，介绍了流同耦合问题界面相互作用的捕述方法，并根据诺沃日洛丈ＢＢ（ＨＯＢ０煳ｏＢＢＢ）在非线性弹性力学中，从几何非线性方面对弹性力学问题的分类方法ｍ发，对流体弹性力学中的流固耦合问题进行分类，由此，可为按类另Ⅱ对运动学条件、动力学条件及界而上的接触条件进行相应的简化提供可靠的依据。
关键词：流同耦合：相容拉格朗日．欧拉法；单拉格朗日让；任崽扎格朗日．欧拉法；几何非线性；分类简化准则中图分类号：０３３文献标识码：ＡＤＥＳＣＲＩＰＴＩｏＮＭＥＴＨｏＤＡＮＤＳＩＭＰＬＩＦＩＥＤＣＬＡＳＳＩＦＩＣＡＴＩｏＮＲＵＬＥＦｏＲＦＬＵＩＤ—ＳｏＬＩＤＩＮＴＥＲＡＣＴＩｏＮＰＲｏＢＬＥＭＳＺＨＵＨｏｎｇ．１ａｉ，＋ＢＡＩⅪａｎｇ—ｚｈｏｎｇ回ｅｐ盯仃ｎ锄ｔｏｆｃｌｖｊｌＥｎｇｍｅｅｎｎｇａｎｄＭｅｃｈ哪ｓ，Ｙ蛐ｓｈ蛐ｕｎｌｖｅ％ｌ咿．ｑｎｈｕａｎｇｄａｏ，Ｈｈｉ０６６００４，ｃ】１ｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｍｏｓｔｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅ订ｎｇｐｒｏｊｅｃｔｓｏｎｆｌｕｉｄ＿ｓ０１ｉｄＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｅｆ０皿ａ石ｏｎｏｆｔｈｉｎｅｈｓ硅ｃｃｏｒⅡｐｏⅡｅｎｔｉｓｇｅｏｍｅｃｒｌｃａｌｌｙｎｏｎｌｉｎｅａｒ，ａ１１ｄｔｈｅｅｑｕａｔｌｏｎｓｆｏｒｎｕｉｄａｒｅａｌｓｏｎｏｎｌｌｎｅａｒ，ｈｃｌｌｃｅｍｅｒｅｅ）【ｉｓｔｓ订ｏｎｇｎｏｎｌｉｎｅ撕ｔｙｏｎｔｈｅｉＩｌｔｅ—ｈｃｅｂｅ钾ｅｅｎⅡｌｅⅡｕｉｄａｎｄ廿１ｅｅｌａｓ石ｃｂｏｄｙ．Ｔｈｅｅｑｕ撕ｏｎｓａｎｄｃｏｎｔａｃｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｅｓ协ｂｌｉｓｈｅｄｂｙｃｏｍｂｉＩｌｉｌｌｇＬａｇｍｌｌｇｉａｎ枷Ｅｕｌｅｒｉａｎｍｅｍｏｄｓｏｎｔｈｅｉｎｔｅ曲ｃｅ．Ｔ１１ｅｒｅｅＸｉｓｔｆｏｕｒ印ｐｒｏａｃｈｅｓ：ｓ埘ｅＬａＦａｎｇｉａｌｌｍｅｔｈｏｄ，ｓｉｎｇｌｅＥｕｌｅｄａＩｌｍｅｔｈｏｄ，ｃｏｎｌｐａｔｉｂｌｅＬａｇｒａＩｌｇｉａｎ—Ｅｕｌｅｒｉａｎｍｅｔｈｏｄａｎｄａｒｂｉ们ｒｙＬａｇｒａｎｇｉａｎ·Ｅｕｌｅｒｉａｎｍｅｍｏｄ．Ｔｈｅｎｕｉｄ－ｓｏｌｉｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｃａｎｂｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｔ１１ｒｏｕ曲棚、胛、＿ｊ｝ｆｏｒｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇｍｅｃｈａｒａ曲撕ｓｔｉｃｓｏｆｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｍｌａｔｉｏｎａ１１ｄ五、ｙｆｏｒｅｘｐｒｅｓｓｉｎｇｔｈｅｔｍ“ｏｆｎｏｗ．Ｂａｓｅｄ０ｎｔ１１ｅｏｒｙｏｆｎｕｉｄｅｌａｓｔｉｃｍｅｃｈａｍｃｓ，ｔｈｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆ叶ｆｌｕｉｄ—ｓ０１ｉｄｉｎｔｅｍｃｔｉｏｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔｃｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏＨ℃ｓｐｏｎｄｉｎｇｃｌａｓｓｉｎｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｊｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ丘ｏｍｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃ石ｖｅｏｆｇｅｏｍｅ仃ｉｃａｌＤ皿１ｉｎｅａ打哼ｕｓｉｎｇｔｈｅｎｏｎ—ｈｎｅａｒｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｔｈｅｏｒｙｂｙＶ．Ｖ，Ｎｏｖｏｊｉｌｏｖ．Ｔｈｅｓｉ唧ｌｉｆｉｃａ石肌ｆｏｒｃｏｍａｃｔｃｏｎｄｉ石０ｎ，ｋｉｎｅｍｔｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｄ”ａ耐ｃｃｏｎｄ城ｏｎｏｎｔｈｅｉｎｆｃｒｆｈｃｅｉｓｃｒｅｄｉｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｌｌｉｄ－ｓｏｌｉｄｉＩｌｔｅｒａｃ位ｏｎ；ｂｅｎｄｉｎｇｄｅｆｏｍｌａｔｉｏｎ；ｄｉｓ证ｂｕｔｌｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｍａｌｆｏｒｃｅ；ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅＥｕｌｃｒｉａＩｌ－Ｌａｇｒａｎ百ａｎｍｅｔｈｏｄ；ａｍｉｎｃｙｌｉＤｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌ；ｎｕｉｄ－ｅｌａｓｔｉｃ毋ｐ砌ｅｔｅｆ当前，流体弹性力学或变形固体同流体相互作容，它是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力用的理论，是连续介质力学中十分流行的研究内学分支。
探讨流固耦合分析方法
] {
{
{
{
[ ]
T
，
（5）
式中
T ⎧ ⎡ = [ a ] [ M ][ a ] = I M∗⎤ ⎣ ⎦ ⎪ T ⎪ ∗ ⎡K ⎦ ⎤ = [ a ] [ K ][ a ] = diag (ωi2 ) （6） ⎨⎣ ⎪ T ⎪ [ F ] = [a] { f } ⎩ 2 其中 I 为 n 阶单位阵， diag (ωi ) 为 n 阶对角阵.
∂ψ iwt iw e = δ n ( onS1 ) ∂n ∂ψ ω 2 = ψ ( onS 2 ) g ∂n ∂ψ = 0 ( onS3 ) ∂n ∇ψ → 0 ( onS∞ )
由（9） 、 （10）式知
δn = iw∑ α nk q∗k eiwt
k =1
n
（17）
若考虑船体振动问题，其频率较高，只计高频 响应，则线性自由面条件可以简化为
2 干模态法
用干模态分析结构在流体中的运动问题时，结 构的有限元动力方程可以写为
} + [C ]{δ} + [ K ]{δ } = { f } + { f } （1） [ M ]{δ e 其中， [C ] , [ K ] 分别为结构在真空中的质量 阵、 阻尼阵和刚度阵； {δ } 为结构的位移失量；{ f } 为结构运动所引起的水动力矢量； { f e } 为除了 { f } 以外的其他外力矢量.
F 中的 k 个元素 Fk 可看物体作虚位移 α k 时 f 作的功.由于流体对结构的压力是沿结构湿表面法 向 n 作用的，于是
-127-
曾
娜
郭小刚：探讨流固耦合分析方法
（7）
Fk = − ∫∫ p ( x, y, z , t )α nk ( x, y, z ) ds
流_固耦合问题边界元_有限元耦合方法分析
( 2n + 2H
1)
Π;
E
n=
e-
. 2ΒnL
计及液体的液动压力后, 梁振动的控制方程为
m
52w 5t2
+
EI
54w 5z 4
=
q (z ,
t) -
P (x , z )
x= 0
(3)
( 3) 式为一微分—积分方程, 其求解比较困难, 下面利用文献[ 3 ]
提出的方法进行求解, 即利用无水梁的振型展开有水梁的挠度
图 2 载荷 (1) 情况下梁中跨挠度响应曲线 图 3 载荷 (2) 情况下梁中跨挠度响应曲线 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
1 流一固耦合问题基本方程及解析解分析
如图 1 所示, 悬臂梁在一侧受有无粘、无旋、不可压缩的理想液体作用, 则流体的控制方程为
52P 5x 2
+
52P 5z 2
=
0 (x , z ) ∈8
5P 5x
=-
x= 0
Θ552wt2 ; P
= z = H 0
(1)
5P 5z
=
z= 0
0,
5P 5x
=0
【关键词】边界元- 有限元耦合 流- 固耦合 非连续元 角点效应 【分类号】TB 115
用B EM 2FEM 耦合方法分析流- 固耦合问题引起了一些研究人员的关视。 E sto rff 和 A n tes[1]将 FEM 2B EM 耦合方法用于流- 固耦合问题瞬态响应分析, 得到了同边界元分析 一致的计算结果, 但在耦合方法分析中, 他们没有考虑对边界元分析精度有较大影响的“角点效应”问题。 T sa i 等[2]应用 FEM - B EM 耦合方法对流- 固耦合问题的固有振动进行了分析, 他们的研究也没有对边 界元离散的“角点效应”给予足够的重视。 基于如上分析, 本文利用 FEM 2B EM 耦合方法对流- 固耦合问题进行了分析, 为了有效地解决边界元 分析中的“角点效应”问题, 采用非连续元离散边界积分方程, 推导了有限元同非连续边界元耦合的公式, 并 对梁在一侧有流体作用的流- 固耦合问题进行了数值实施, 同时为了验证数值算法的精度和有效性, 对梁在 一侧有流体作用时的解析解进行了推导, 通过数值结果同解析解的比较, 表明了本文所给方法的有效性。
基于有限元方法的流固耦合分析研究
基于有限元方法的流固耦合分析研究随着人们对材料和结构性能的需求不断提高，流固耦合问题研究越来越受到关注。
流固耦合分析主要研究流体流动与固体变形之间的相互作用和耦合效应。
在流固耦合分析中，有限元方法成为最常用的分析方法之一。
本文将从三个方面对基于有限元方法的流固耦合分析进行讨论。
一. 基本原理在流固耦合分析中，有限元方法起到了至关重要的作用。
在有限元方法应用中，流场模拟和固体变形分析的研究已经非常成熟。
但是，在将流场和固体变形结合起来进行研究时，需要考虑流场对固体进行的压力和剪切载荷以及固体对流体流动的影响。
这是一种非线性问题，需要进行高效的数值分析.有限元方法的基本原理是将运动的物体划分成有限个小部分，然后用有限元模型离散处理每个小部分，通过简单的微分方程组成了均衡方程，然后使用数值法求解。
这种方法是一种数值分析方法，主要用来解决固体强度、稳定性、弹性和塑性分析问题。
同时，它还能够被用于研究流体流动、热传递和电磁场问题的解决方案。
二. 动力学中的应用在动力学中，有限元方法是一种广泛应用的方法，可以帮助人们准确预测材料和结构的力学性能。
基于有限元方法的流固耦合分析使得我们能够更为准确地预测材料结构的变形。
通过对其物理和机械属性的模拟，我们能够更好地了解物体的反应和行为。
流固耦合分析可用于模拟一般材料和技术性成分的结构，如飞机飞行时飞行表面的变形，以及汽车发动机在运行时的振动和变形。
同时，它还可以用于研究核反应堆的材料和组件，以及火箭发动机的设计。
三. 工业中的应用有限元方法的工业应用很广泛。
对于自动化工业而言，这种方法可以减少费用和时间，同时提高产品的质量。
例如，有限元模拟可以使用软件来模拟产品的变形，如汽车的碰撞试验，振动，加速度等。
有限元方法还可以用于模拟钢铁、铝和塑料的加工，同时还可用于气动设计和水动力学分析。
总结：流固耦合分析是一项复杂的工程技术，而有限元方法则是一种解决流固耦合问题的重要方法。
仿真笔记——流固耦合问题研究概述及几类典型应用
仿真笔记——流固耦合问题研究概述及几类典型应用一、流固耦合概述历史上，人们对流固耦合现象的早期认识源于飞机工程中的气动弹性问题。
Wright兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题。
直到1939年二战前夕，由于飞机工业的迅猛发展，大量出现的飞机气动弹性问题的需要，有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究。
从而，气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支。
如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话，则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮。
事实上，从美国ASME应用力学部召开的历次流固耦合研讨会上可以看出，流固耦合问题涉及到很多方面。
比如：空中爆炸及响应，噪声相互作用问题，气动弹性，水弹性问题，充液结构内的爆炸分析，管道中的水锤效应，充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形，沉浸结构的瞬态运动，流固相互冲击，板的颤振及流体引起的振动，圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统，声音与结构的相互作用，涡流与结构的相互作用，机械工程中的机械气动弹性问题等等。
1. 流固耦合力学定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的力学分支。
顾名思义，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学。
流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid-solid interaction)。
变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动，而变形或运动又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。
正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。
流固耦合问题可由其耦合方程来定义，这组方程的定义域同时有流体域与固体域，而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象的变量，一般而言，具有以下两点特征：•流体域或固体域均不可能单独地求解；•无法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运动的独立变量。
2. 流固耦合力学涉及领域及分类流固耦合问题涉及到很多方面。