基于ANSYS的输流管道液固耦合有限元仿真
ansys fluent中文版流体计算工程案例详解
ansys fluent中文版流体计算工程案例详解ANSYS Fluent是一种流体计算动力学软件，可用于解决各种流体力学问题。
本文将详细介绍ANSYS Fluent中文版的流体计算工程案例，包括案例的基本背景、模拟过程和结果分析。
这些案例旨在帮助用户深入了解ANSYS Fluent的使用方法和流体计算工程实践。
一个典型的案例是流体在管道中的流动。
该案例背景是，一根长直管道内有水流动，管道的直径为0.1米，长度为10米。
水的初始速度为1 m/s，管道的壁面是光滑的，管道两端的压差为100Pa。
现在需要使用ANSYS Fluent模拟该流体流动过程，并进一步分析不同参数对流动的影响。
首先，在ANSYS Fluent中创建一个新的仿真项目，并选择“仿真”模块。
在界面上点击“新建”按钮，在弹出的对话框中填写相应的参数，例如案例名称、计算器类型和尺寸单位。
点击“确定”后，进入模拟设置页面。
首先，需要定义获得流动场稳定解所需的物理模型和求解方法。
在“物理模型”选项卡中，选择“连续相”和“非恒定模型”。
在“湍流模型”中选择某种适合的模型，例如k-ε模型。
在“重力”选项卡中，定义流体的密度和重力加速度。
接下来，在“模型”选项卡中，定义管道的几何和边界条件。
选择“管道”作为流体领域的几何模型，并定义长度、直径和内壁面的润滑系数。
在“边界”选项卡中，定义管道两端的入口和出口条件，例如速度和压力。
将管道两端的压力差设置为100Pa，在入口处设置水的初始速度为1 m/s。
在出口处选择“出流”边界条件。
完成几何和边界条件的定义后，点击“模拟”选项卡进入模拟设置界面。
在“求解控制”中，设置计算时间步长和迭代次数。
选择合适的网格划分方法，并进行网格划分。
点击“网格”选项卡，选择合适的网格类型，并进行网格划分。
在划分网格后，可以使用“导入”按钮导入网格文件，并进行网格优化。
完成设置后，点击“计算”按钮开始进行模拟计算。
在计算过程中，可以实时观察流体场的变化情况，并通过Fluent Post-processing工具进行结果分析。
ANSYS软件在求解地应力与流体耦合作用中的应用
第14卷第2期2008年6月地质力学学报J OURNAL OF GEOMECHANICSVol 114No 12Jun.2008 文章编号:100626616(2008)022*******收稿日期223作者简介王连捷(332),男,研究员,从事地质灾害、地应力测量、应力场数值分析及应用研究;2j @1。
ANSY S 软件在求解地应力与流体耦合作用中的应用王连捷,孙东生,周春景,王 薇,赵卫华,王红才(中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081)摘 要:地应力与流体的耦合作用是近年来研究的热点,是工程和地质研究中经常遇到的重要课题。
因此,寻找简便的求解流固耦合的方法具有重要的意义。
本文根据流固耦合方程和热传导方程的对应关系,找出了在一定边界条件下,可用A NSY S 中的结构力学模块和热传导模块求解流固耦合方程的简便方法。
并将该方法所得结果与理论解和实际结果进行了对比,结果显示他们具有很好的一致性,说明简便方法是可行的。
关键词:地应力;A NSY S 软件;流固耦合;Biot 方程中图分类号:P553文献标识码:A0 前言地应力与流体的耦合作用(简称流固耦合)是近年来研究的热点,是工程和地质研究中经常遇到的重要课题,如岩土的固结、地面沉降、油气运移、油井出砂、油井套损、采油引起的井压变化、水力压裂岩石的破坏、煤矿瓦斯突出、煤层底板突水、边坡灾害、地震活动等现象都与流固耦合有关。
因此,寻找简便的求解流固耦合的方法具有重要的意义。
A NSY S 软件是一种大型通用有限元分析软件,有强大的前后处理功能,具有广泛的应用性和普及性,因而基于A NSY S 软件基础上的求解流固耦合的简便方法具有更广泛的应用性。
因为渗流场与温度场具有相似的微分方程,所以可以用ANSY S 软件中的温度模块求解渗流问题,但由于流固耦合问题,既要考虑渗流场,还要考虑应力场,所以流固耦合问题更加复杂。
应用ANSY S 软件简化方法只能在一定条件下求解流固耦合问题。
基于ANSYS软件的输气管道应力研究
输入如下 的材料属性 ： 氏模量 Ｅ ２ １ 自 比 Ｐ Ｘ ０２ 。 杨 Ｘ＝ Ｅ 松 ｌ Ｒ Ｙ＝ ．６ ４网格 划 分 ． 网 格 划分 后 如 图 ２ 。 ５加载求解 ． 在管道内表面加载气体压力 Ｐ Ｉ ａ加载及定义约束后见图 ３ ＝ ＭＰ ， 。
６读取结果 ．
宽调速 系统的研 究［ 硕士学位论 文］ ． 西安： 西安交通大学，９３ １９． ［］ ２ 张曼若． 无刷直流电动机 的发展与应 用． 微特 电机 ，９ ５２ （ ） １９ ，８ １ ：
２ ￣ ５ ３ ２
［］ ３ 郑吉． 无刷直流 电机控 制技术综述． 微特电机 ，０２ （ ）１￣ ３ ２ ０ ，３ ：１ １． ［ ］ 季秩． 电机的现在 与将来． ４． Ｅ － 无刷 微特电机 ，９ ９ （ ）２￣ ４ １９ ，５ ：３ ２ ．
后处理主要包括 ： 读取结果数据 、 图形显示结果数据 、 表显示结 列 果数据以及进行其他相应后续分析。 三、 天然 气 输送 管道 强 度 分 析过 程 由于天然气输送管道沿长度方向的尺寸远大于管道的直径 ，在计 算过程中忽略管道的断 面效应 ， 认为在其长度方向无应变产 生， 即可 以 简化为平 面问题进行求解 。
１建模 ．
建模不仅是前处理 中的重要工作 ， 也是整个分析过程 中关键 步骤 。 建立模型是否符合实际结构 ， 决定了分 析结果的准确和可靠程度。 建立
模 型 如 图 ｌ 。
图 ４位移 场等值线图
四、 结论
图 ５等效应力等值线图
从天然气输送管道的应力应变分析可知 ： （） １该天然气输送管道在内表面受到 １ Ｐ 的气体压力作用下 ， ａ Ｍ 其内 表 面 所受 的应 力 最 大 ， 大 应 力 为 ２ ９ ａ如 图 ５ 最 ． ＭＰ ， ５ 。 （ 该天然气输送管道的最大变形也在内表面， ２） 最大变形为 ５５Ｌ ．１ ． ｍ， 如图 ４ 。 由此可知 ，应用 Ａ Ｓ Ｓ有 限元 分析软件 可以对管道进行结构分 ＮＹ 析， 其分析结果能准确地 反映实际情况 ， 于确保管道安全运行具有重 对
基于ANSYS的温度场仿真分析
基于ANSYS的温度场仿真分析引言：在工程领域中，温度场分布的仿真分析是一项重要的工作。
温度场分布的准确预测和优化设计对于许多工业过程和产品的设计和改进至关重要。
在这里，我们将介绍一种基于ANSYS软件的温度场仿真分析方法。
一、ANSYS软件简介ANSYS是一种广泛使用的通用有限元分析（FEA）软件。
它提供了强大的功能，可以进行多种物理和工程仿真分析。
其中，温度场分布的仿真分析是ANSYS的一个主要功能之一二、温度场仿真分析的步骤1.几何建模：使用ANSYS的几何模块进行物体的几何建模。
可以通过绘制二维或三维几何形状来定义和创建模型。
2.网格划分：对几何模型进行网格划分，将其划分为小的单元，以便进行离散化计算。
网格划分的质量直接影响到仿真结果的准确性和计算速度。
3.边界条件设置：根据具体的问题，设置物体表面的边界条件。
边界条件包括固定温度、传热系数、对流换热等。
边界条件设置的准确与否对温度场的分布有重要影响。
4.材料属性定义：为物体的各个部分定义材料属性，包括热导率、热容量等。
这些属性是模型中的重要参数，直接影响到温度场的分布。
5.求解和后处理：设置求解算法和参数，开始进行仿真计算。
求解器根据网格和边界条件，通过计算方程的数值解确定温度场的分布。
计算完成后，可以进行后处理，生成温度场分布的图表和报告。
三、温度场仿真分析的应用温度场仿真分析在多个工程领域中得到广泛应用。
以下是几个示例：1.电子设备散热优化：通过温度场仿真分析，可以评估电子设备中的热量分布，优化散热设计，确保电子设备的正常运行和寿命。
2.汽车发动机冷却系统：通过温度场仿真分析，可以预测汽车发动机冷却系统中的温度分布，优化冷却器的大小和位置，提高冷却效果。
3.空调系统设计：通过温度场仿真分析，可以预测房间内的温度分布，优化空调系统的风口布置和参数设置，实现舒适的室内温度。
4.熔炼和混合过程优化：通过温度场仿真分析，可以预测熔炼和混合过程中的温度分布，优化加热和冷却控制，提高生产效率和产品质量。
基于ANSYS WORKBENCH的装配体有限元分析
基于ANSYS WORKBENCH的装配体有限元分析模拟装配体的本质就是设置零件与零件之间的接触问题。
装配体的仿真所面临的问题包括：（1）模型的简化。
这一步包含的问题最多。
实际的装配体少的有十几个零件，多的有上百个零件。
这些零件有的很大，如车门板；有的体积很小，如圆柱销；有的很细长，如密封条；有的很薄且形状极不规则，如车身；有的上面钻满了孔，如连接板；有的上面有很多小突起，如玩具的外壳。
在对一个装配体进行分析时，所有的零件都应该包含进来吗？或者我们只分析某几个零件？对于每个零件，我们可以简化吗？如果可以简化，该如何简化？可以删除一些小倒角吗？如果删除了，是否会出现应力集中？是否可以删除小孔，如果删除，是否会刚好使得应力最大的地方被忽略？我们可以用中面来表达板件吗？如果可以，那么，各个中面之间如何连接？在一个杆件板件混合的装配体中，我们可以对杆件进行抽象吗？或者只是用实体模型？如果我们做了简化，那么这种简化对于结果造成了多大的影响，我们可以得到一个大致的误差范围吗？所有这些问题，都需要我们仔细考虑。
（2）零件之间的联接。
装配体的一个主要特征，就是零件多，而在零件之间发生了关系。
我们知道，如果零件之间不能发生相对运动，则直接可以使用绑定的方式来设置接触。
如果零件之间可以发生相对运动，则至少可以有两种选择，或者我们用运动副来建模，或者，使用接触来建模。
如果使用了运动副，那么这种建模方式对于零件的强度分析会造成多大的影响？在运动副的附近，我们所计算的应力其精确度大概有多少？什么时候需要使用接触呢？又应该使用哪一种接触形式呢？（3）材料属性的考虑。
在一个复杂的装配体中所有的零件，其材料属性多种多样。
我们在初次分析的时候，可以只考虑其线弹性属性。
但是对于高温，重载，高速情况下，材料的属性不再局限于线弹性属性。
此时我们恐怕需要了解其中的每一种材料，它是超弹性的吗？是哪一种超弹性的？它发生了塑性变形吗？该使用哪一种塑性模型？它是粘性的吗？它是脆性的吗？它的属性随着温度而改变吗？它发生了蠕变吗？是否存在应力钢化问题？如此众多的零件，对于每一个零件，我们都需要考察其各种各样的力学属性，这真是一个丰富多彩的问题。
利用ANSYSLS-DYNA仿真计算
利用ANSYS/LS-DYNA仿真计算ANSYS/LS-DYNA的前后处理器是ANSYS/PRE-POST,求解器LS-DYNA，是全世界范围内最知名的有限元显式求解程序。
LS-DYNA在1976年由美国劳伦斯·利沃莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）J.O.Hallquist博士主持开发，时间积分采用中心差分格式，当时主要用于求解三维非弹性结构在高速碰撞、爆炸冲击下的大变形动力响应，是北约组织武器结构设计的分析工具。
LS-DYNA的源程序曾在北约的局域网Pubic Domain公开发行，因此在广泛传播到世界各地的研究机构和大学。
从理论和算法而言，LS-DYNA是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论基础。
1988年，J.O.Hallquist创建利沃莫尔软件技术公司（Livermore Software Technology Corporation），LS-DYNA开始商业化进程，总体来看，到目前为止在单元技术、材料模式、接触算法以及多场耦合方面获得非常大的进步。
1996年功能强大的ANSYS前后处理器与LS-DYNA合作，命名为ANSYS/LS-DYNA，目前是功能最丰富，全球用户最多的有限元显式求解程序。
ANSYS/LS-DYNA的用户主要是发达国家的研究机构、大学和世界各地的工业部门（航空航天、汽车、造船、零件制造和军事工业等）。
应用领域是：高速碰撞模拟（如飞机、汽车、火车、船舶碰撞事故引起的结构动力响应和破坏）、乘客的安全性分析（保护气囊与假人的相互作用，安全带的可靠性分析）、零件制造（冲压、锻压、铸造、挤压、轧制、超塑性成形等）、罐状容器的设计、爆炸过程、高速弹丸对板靶的穿甲模拟、生物医学工程、机械部件的运动分析等。
ANSYS/LS-DYNA强大功能的基础是求解器的理论基础和丰富算法。
下面仅就LS-DYNA在模拟冲压、锻压和铸造等工艺过程的功能和特色进行说明：1. 冲压薄板冲压过程的物理描述是：在模具各部件（通常是凸模、凹模和压料板）的共同作用下，板料发生大变形，板料成形的变形能来自强迫模具部件运动外功，而能量的传递完全靠模具与板料的接触和摩擦。
流固耦合分析(FSI)理论详解
流固耦合分析（FSI）流固耦合分析（FSI）是涉及流体和固体之间相互作用的问题研究，其理论包括了几个主要方面：流体力学、固体力学、耦合边界条件、求解器等。
以下是流固耦合分析的详细理论讲解，带有相关公式和尽量详细的说明。
一、流体力学1. 守恒定律质量守恒定律：$$ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0 $$动量守恒定律：$$ \rho \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \rho (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = \nabla \cdot \tau + \mathbf{f} $$其中，$\rho$是流体密度，$\mathbf{u}$是流体速度，$\tau$是应力张量，$\mathbf{f}$是体力。
2. 纳维-斯托克斯方程$$ \rho \frac{\partial \mathbf{u}}{\partial t} + \rho (\mathbf{u} \cdot \nabla) \mathbf{u} = \nabla \cdot (-p\mathbf{I} + \tau) + \mathbf{f} $$其中，$p$是静压力，$\mathbf{I}$是单位张量。
3. 边界条件（1）速度边界条件：$\mathbf{u} = \mathbf{u}_b$，其中$\mathbf{u}_b$是边界上的速度。
（2）压力边界条件：$p = p_b$，其中$p_b$是边界上的压力。
4. 流体力学求解器常用的流体力学求解器有OpenFOAM、ANSYS Fluent等。
二、固体力学1. 力学基本方程$$ \tau = \sigma\cdot \mathbf{n} $$其中，$\tau$是表面上的接触力，$\sigma$是固体的应力张量，$\mathbf{n}$是表面的单位法向量。
基于ANSYS储罐的建模研究
基于ANSYS储罐的建模研究摘要: 本文介绍了液固耦合的基本概念和储罐的有限单元类型，并利用大型有限元软件ANSYS建立了储罐液固耦合的有限元模型，为进一步开展储罐结构的静力和动力性能分析奠定基础。
关键词: 液固耦合储罐ANSYS 有限元模型Abstract：This paper introduces the basic concept of solid-liquid coupling and finite element type of tank, solid-liquid coupling finite element model of tank is established by finite element software ANSYS, and it lay the foundation for further developing the static and dynamic performance analysis of tank structure.Key Words: solid-liquid couplingtankANSYSfinite element model1.引言石油是工业的血液，在国民生产生活中有着举足轻重的作用[1]。
作为石油生产加工运输的重要设备储罐的抗震性能的好坏，就决定了石油工业的安全。
储罐是由管壁、底板和储液三部分组成，受力性能较复杂，大型有限元软件ANSYS 用于分析这种复杂结构的静力、动力、线性、非线性等响应特征时具有强大优势，可以很好地反映这种结构在各种复杂因素作用下的力学特征。
本文利用大型有限元软件ANSYS建立了储罐液固耦合的有限元模型，详细介绍了整个建模过程，为进一步开展储罐的静力和动力性能分析奠定基础。
2.液固耦合的基本概念流固耦合力学的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。
其重要特征是在于两相介质之间的相互作用，固体在流体动载荷作用下产生变形或运动，而固体的变形或运动反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。
ansys fluent 里的coupled方法
ansys fluent 里的coupled方法ANSYS Fluent是用于计算流体力学的软件，可以模拟各种工业过程，如燃烧、流动、传热等现象。
在ANSYS Fluent中，有两种不同类型的求解器方法：分离式和耦合式。
本篇文章将深入介绍ANSYS Fluent耦合式求解器中的coupled方法。
1. 什么是Coupled方法？ANSYS Fluent中的Coupled方法是一种耦合求解器方法，可以同时求解不同类型的流场问题，例如流动和传热问题。
这种方法将动量方程、质量方程和能量方程组合在一起求解，以提高求解的精度和效率。
Coupled方法通过将所有方程同时求解来解决拆分方程带来的误差问题。
2. Coupled方法有哪些优点？Coupled方法优点之一是提高求解器的稳定性。
在传统的分离式方法中，不同方程求解的迭代步骤通常不同，使得求解器不够稳定。
耦合式方法可以同时进行迭代求解，减小不同方程求解的误差。
另外，Coupled方法在处理非线性问题时十分有效。
在非线性问题的求解过程中，需要同时求解动量、质量和能量方程，而这三个方程之间具有相互作用的关系。
这种相互作用在传统方法中可能会被忽略，但耦合式方法可以更好地处理这种相互作用。
3. 如何使用Coupled方法？在ANSYS Fluent中，使用Coupled方法很简单。
只需在求解器设置中选择“Coupled”作为求解方法即可。
在使用Coupled方法求解流场问题时，应该按照以下步骤进行操作：（1）准备求解器设置：在Workspace下选择Setup，然后在Solver 常规属性中选择Coupled方法。
（2）设定初始条件：在Boundary Conditions中设定初始条件。
设定每个边界的流速、流量、温度等。
（3）定义边界条件：在Boundary Conditions中设定边界条件。
确定边界属于wall或inlet或outlet或no-slip或流速范围等。
“工作流程很重要”——说说ANSYS CFD的仿真分析步骤
文章来源：安世亚太官方订阅号（搜索：peraglobal）计算流体力学（Computational Fluid Dynamics简称CFD）是利用数值方法通过计算机求解描述流体运动的数学方程，揭示流体运动的物理规律，研究定常流体运动的空间物理特性和非定常流体运动的时空物理特征的学科。
其基本思想可以归纳为：把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关十这些离散点上场变量之间的关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。
CFD 也可以称之为流体仿真，是从属于CAE（计算机辅助工程）的一个重要组成部分，从这个角度来讲，CFD 的本质仍旧是工程，所以必须要遵循通常意义上工程的一些原则。
ANSYS CFD 的基本工作流程可以认为分成三个主要的部分：⚫提出问题⚫化简问题⚫解决问题（一）提出问题提出问题，就是要明确仿真目的；这一点其实是最为重要的，但是对于一些仿真工程师来讲却是最容易被忽略的。
好多流体仿真工程师在仿真之前难以讲清楚自己的目的是什么、希望通过仿真得到什么，甚至一部分人还希望先做一个流体仿真“看一看情况”，这都是不正确的仿真起点。
任何的流体仿真都必须要有明确的目的，只有在明确的目的引导下，才能够忽略目的之外的次要因素，我们的仿真才能够顺利的进行；否则，如果我们的目的越多、想要得到（或考虑）的内容越多、我们的仿真规模就会过大，从而导致工作效率降低，无法满足工程上的需求。
常见的CFD流体仿真目的有以下几个方面：⚫得到温度的分布、温度最值的位置等（如电子散热行业等）⚫得到力、力矩或压力系数分布等（如航空航天、汽车行业等）⚫得到多相流中某一相（或多相）的分布情况（如石油行业、化工行业等）⚫得到管路中的压降（能量损失）和流量分布情况（如流体机械行业等）⚫得到流场分布来配合其他的需求⚫……当然，不同的行业仿真目的和需求通常是不一样的，因此我们忽略的次要因素也是不尽相同的。
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Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．４，２０１０ 研究与设计 微型电脑应用 ２０１０年第２６卷第４期 文章编号：１００７．７５７Ｘ（２０１０）４—０００９．０３ 基于ＡＮＳＹＳ的输流管道液固耦合有限元仿真
郭庆，范启富 摘要：本文利用ＡＮＳＹＳ软件建立输流直管有限元模型，仿真给定输入流体流速脉冲时管道在３种不同支撑方式下的动力 学响应；分析不同支撑条件下管道振动（固支点反作用力、特征点、截面位移及截面应力）的情况，并根据分析结果对输流 管路的支撑方式提出建议，以减小液固耦合引起的管路振动及其对管道支撑结构的破坏，计算结果对管道系统的优化设计和 振动对策有一定的指导意义。 关键词：ＡＮＳＹＳ；输液管道；液固耦合；动力学响应；有限元ｊ液压系统 中图分类号：Ｖ２４５ 文献标志码：Ａ
０ 引言 管道作为输送流体或进行流体动力传输和控制的基本 元件，广泛应用于石油、化工、土建、核能和航空航天等领 域。液压系统的压力脉动不仅影响系统正常工作，降低系统 性能，如果压力脉动诱发大的管路振动，会降低管路以及液 压部件的寿命，严重时甚至会造成管壁的破裂、管路支撑结 构的破坏，引起支撑刚度下降，使管路系统失效，液压油液 流失从而导致严重的灾难性事故的发生。因此，弄清楚液压 系统液固耦合振动的机制，对于设计安全可靠新型液压系统 和对于现有液压系统的振动抑制对策都是非常重的。
１ ＡＮＳＹＳ有限元液固耦合仿真原理 ＡＮＳＹＳ以管道动力学方程组作为耦合场分析的出发 点。有限元方法是为了对某些工程问题求得近似解的～种数 值分析方法。采用有限元法对耦合场进行分析，就是用变分 原理或加权余量法，将偏微分方程表征的连续函数的封闭场 域划分成许多小区域，对微分形式管路的控制方程进行离 散，导出一个代数方程组。代数方程组具有庞大稀疏对称的 系数矩阵，经强加边界条件约束处理后成为正定矩阵，即可 求其近似解。 ＦＳＩ液固耦合分析技术是ＡＮＳＹＳ软件独具特色的高级 分析技术，它在Ｄｅｓｉｇｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ和ＣＦＸ两个模块的基础 上，通过专用的液固耦合算法，实现结构分析和流体分析的 单向耦合计算和双向耦合计算，使用Ｄｅｓｉｇｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ和 ＣＦＸ的所有分析功能，包括各种非线性分析，可以在结构 与流体分析模型相互独立、几何与网格不匹配的情况下，利 用界面上的载荷自动传递实现耦合。使用双向耦合求解法， 让不同的耦合场迭代求解，通过场问耦合媒介交换耦合信 息，在各个时间步之间耦合迭代，收敛后再向前推进。在固 液边界的相关参数设置中定义：①当流体推动固体时，流体 的流动参数计算＞ＦＳＩ耦合边界＞固体的变形或移动参数计 算。②当固体推动流体时，固体的变形或移动＞ＦＳＩ耦合边 界＞流体的流动计算。计算结果在ＣＦＸ．Ｐｏｓｔ中显现，进行流 体分析；将结果导入Ｄｅｓｉｇｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ后进行结构分析。
２ ＡＮＳＹＳ有限元实体建模
ＡＮＳＹＳ有限元实体模型建模仿真过程包含３个步骤： 前处理（包括创建几何模型、定义材料属性、划分网格）、求 解ｆ包括加载激励、设定边界条件以及求解）和后处理（查看仿 真分析结果和验证结果）。为了使仿真和实际更吻合，仿真采 用ｓｏｌｉｄ１ ８６单元建立３Ｄ管道几何模型。 ２．１前处理 在ＡＮＳＹＳ有限元仿真中，计算量和计算精度是建模时 需要综合考虑的关键问题，而与它们密切相关的是网格数 量。本文采用ＡＮＳＹＳ ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ和ＣＦＸ软件，在ＡＮＳＹＳ Ｃｌａｓｓｉｃａｌ中绘制管道和流体模型。将管道结构单元导入 ＡＮＳＹＳ ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ Ｄｅｓｉｇｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ中，定义管道的材 料属性、网格划分。 ＡＮＳＹＳ有限元模型如下所示：取输流管路系统中的一 段直圆管为模型，管道长度Ｌ＝ｌｍ，管道内径ｄ＝Ｏ ０２ｍ，壁厚 ｔ＝０．００１ｍ，管截面流体流动面积Ａ：０．０００３１４ ，管截面惯性 矩，：３ １４×１０一 ；管道材料为普通钢材，弹性管壁，密度 ７８００ｋｇ／ 弹性模量Ｅ＝２１０ＧＰａ，泊松比ｖ＝Ｏ ３，忽略管 道阻尼，其所用单元为ｓｏｌｉｄ１８６；流体为水，密度Ｐｗ＝９９７ｋｇ／ｍ ， 温度２５℃，动力粘性系数 ＝ｏ ０００８８９９ｋｇ／ · 。固液的网格 划分采用不同的方式。将固体模犁在Ｄｅｓｉｇｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ进行 ｓｗｅｅｐ网格划分，共有５ ０４０个节点，２ ７５０个单元；将流体 模型在Ｄｅｓｉｇｎ Ｍｏｄｅｌｅｒ中，运用ＡＮＳＹＳ ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ里 的ｍｅｓｈｉｎｇ进行扫掠划分，共有７ ２３６个节点，５ ４００个单元。 管壁与流体网格图如图１和图２所示：
图１管壁网格图 图２流体网格图 作者简介：郭庆（１９８３．），男，山东聊城人，上海交通大学电子信息与电气工程学院自动化系，硕士研究生，主要从事飞机液压系统液固耦合 方向研究，Ｅ海２００２４０；范启富，上海交通大学电子信息与电气工程学院自动化系，上海２００２４０ ９· ＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．４，２０１０ 研究与设计 微型电脑应用 ２０１０年第２６卷第４期 ２．２求解和后处理 定义结构分析类型、约束条件及液固耦合边界，导出 ＡＮＳＹＳ结构文件；将流体单元导入ＣＦＸ中，导入ＡＮＳＹＳ 结构文件，设置流体材料属性及边界条件，并设置时间步长、 初始条件及ＣＦＸ求解的收敛条件，通过Ｍｕｌｔｉ２ｆｉｅｌｄ Ｓｏｌｖｅｒ 将固体模型和流体模型结合起来，对结构和流体进行耦合分 析。模型加载完成后，还需要为模型定义瞬态分析类型、时 间步和子步长，然后使用波前求解器对各个节点和单元的自 由度进行求解。文章中采用瞬态动力学分析，在ＡＮＳＹＳ ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ和ＣＦＸ中，设置相同的耦合时间和耦合时 问步，分别为０．４ｓ和０．００１ｓ，这样能够保证在流场和结构上 所求得的解，作为相互的载荷继续计算。计算结果在 ＣＦＸ．Ｐｏｓｔ中显现，将结果导入ＡＮＳＹＳ后可以进行结构分 析。 管路系统采用３种支撑方式：简支（ｓｕｐｐｏｒｔ１）、圆支 ｆｓｕｐｐｏｒｔ２）和固支（ｓｕｐｐｏｒｔ３），如图３所示 第一种支撑方式为简支，约束管道两端与支撑结构接触 点的径向位移；第二种支撑方式为圆支，除约束管道两端与 支撑结构接触点的径向位移外，还限制管道两端一Ｙ轴方 向位移；第三种支撑方式为固支，固定管道约束端与支撑结 构３个相切点的径向、轴向位移。目前飞机液压系统管道支 撑方式主要采用第二种。 图３管道支撑方式 初始条件中，视管道壁为光滑壁面，计算时直管两端分 别采用图３所示３种约束方式；出口压力设为零，入口处加 流速 单位为ｍ／ｓ。 Ｔ，一Ｊ １０·ｓｉｎ（石·ｆ／０．０４）０ ｒ ｏ０２ 一Ｉ １０ ｔ＞ｏ．０２ ３ 仿真 果与分析 取模型中间位置处管道特征节点和截面、入口端固支点 为研究对象。分析管道中间截面某一节点在 、Ｙ、ｚ方向的 位移时间历程曲线，图４是３种支撑方式下管道中间截面特 征点位移时问历程曲线，图５是固支点反作用力时间历程曲 线。不考虑阀门开启时管道的动力响应情况，对冲击流速达 到峰值以后的结果进行采样，计算３种支撑方式下管道中间 截面在ｔ＝Ｏ．４ｓ时刻沿ｘ、ｙ、ｚ轴的位移和应力，分析不同支 撑方式下管道截面变形情况，结果如图６所示 由图４一图６仿真结果分析表明： １）类似于阀门作用，管道在流体输送瞬变过程开始一 段时间内结构产生强迫振动，管壁中间截面特征点位移及入 口端固支点反作用力均有较大的振荡，但随着流体速度达到 稳定，输流管道的这些参数很快收敛并趋于稳定。 ２）通过对管道３种支撑方式的仿真结果比较，可以看 出，采用第１种支撑方式时管道特征点ｙ、ｚ方向位移较其 它２种方式变化剧烈，随着流体流速由瞬变量变为稳定量， 特征点位移逐渐收敛，其中第３种支撑方式下特征点位移收 ·１０· 敛效果最好，第２种次之，第１种支撑方式下各个方向数值 仍有较大振荡，收敛效果最差。采用第１种支撑方式时入口 端固支点反作用力振荡最大，且流体速度到达稳定值后，收 敛效果也最差。分析流体流速达到稳态后，从管道中间截面 的位移和应力可以看出，第１种支撑方式下管道变形和应力 都比其它２种大很多，采用第２种支撑方式时管道变形和应 力都最小。 ３）流体瞬变对管道影响较大，管壁产生较大变形，支 点产生较大的反作用力，这对管路系统的安全运行有不可忽 略的影响，因此对输流管道进行液固耦合数值模拟十分必 要。通过采用合理的管道约束方式以及操作方式，可以减小 输流管道瞬变过程中管壁变形、流体压力振荡及管壁应力振 荡，也可以改善各种参数的收敛效果。从仿真结果分析可以 看出，第２、３种支撑方式下各项参数较第１种要好，其中 第３种支撑方式可以最大程度减小输流管道瞬变过程管壁 变形、应力等振荡，减小流体脉冲诱发的管路振动；在瞬变 过程结束管道内流体流速稳定后，采用第２种约束方式时管 道变形和应力最小，这样可以减小管路振动对管道支撑结构 的破坏，进而减小支撑刚度的下降。
图４不同支撑方式下特征点位移时间历程曲线 厘
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图５不同支撑方式下固支点反作用力时间历程曲线 ＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．４，２０１０ 研究与设计 微型电脑应用 ２０１０年第２６卷第４期 ４ 结论 利用ＡＮＳＹＳ软件建立输液管道耦合场模型，可以仿真 不同支撑方式下液固耦合的动力学响应；由分析结果可以看 出，不同支撑方式下，考虑液固耦合时管道的动力响应有较 大差异。在选择输流管道支撑方式时，应尽量避免采用第一 种支撑方式：如果管路系统激励源脉冲变化较平稳，建议采 用第二种支撑方式，这样可以最大程度减小激励达到稳态后 管路振动对支撑结构的破坏；而当激励源脉冲幅值较大或变 化较快时，采用第三种支撑方式，则能更好地缓解激励脉冲 诱发的管路振动，计算结果对管道系统的优化设计和振动对 策有一定的指导意义。 参考文献
图６中间截面位移及应力
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