1、基于MPCCI的流固耦合成功案例基于MPCCI的流固耦合成功案例（一）機(jī)翼氣動(dòng)彈性分析1問(wèn)題陳述機(jī)翼繞流問(wèn)題是流固耦合中的經(jīng)典問(wèn)題。以前由于缺乏考慮流固耦合的軟件，傳統(tǒng)的分析方法是將機(jī)翼視為剛體，不考慮其彈性變形，通過(guò)CFD 軟件來(lái)計(jì)算機(jī)翼附近的流場(chǎng)。這個(gè)強(qiáng)硬的假設(shè)很難準(zhǔn)確的描述流場(chǎng)的實(shí)際情況。更無(wú)法預(yù)測(cè)機(jī)翼的振動(dòng)。MPCCI 是基于代碼耦合的并行計(jì)算接口，它可以同時(shí)調(diào)用結(jié)構(gòu)和流體的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)流固耦合。我們通過(guò) MPCCI，能很好的預(yù)測(cè)真實(shí)情況下的機(jī)翼繞流問(wèn)題。采用ABAQUS 結(jié)構(gòu)分析軟件來(lái)求解結(jié)構(gòu)在流暢作用下的變形和應(yīng)力分布，通過(guò) Flue nt 軟件來(lái)計(jì)算由于固體運(yùn)動(dòng)和變形對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的影

2、響。2模擬過(guò)程分析順序MpCCI 的圖形用戶界面可以方便的讀入結(jié)構(gòu)和流體的輸入文件。后臺(tái)調(diào)用ABAQUS 和FLUENT。在 MPCCI 耦合面板中選擇耦合面，然后選擇在相應(yīng)耦合面上流體和固體需要交 換的量。啟動(dòng) MpCCI 進(jìn)行耦合。3邊界條件設(shè)置圖 1 無(wú)人機(jī)模型和流體計(jì)算模型結(jié)構(gòu)部分單個(gè)機(jī)翼跨度在 1.5m 左右，厚度為 0.1m 左右。邊界條件為機(jī)翼端部的固定，三 個(gè)方向的位移完全固定，另一端完全自由。在固體中除了固定端的面外，其他三個(gè)面為耦合面。流體部分采用四面體網(wǎng)格，采用理想氣體作為密度模型。流體的入口和出口以及對(duì)稱性邊界條件如下圖所示。圖 2 固體有限元模型4計(jì)算方法的選擇通過(guò)結(jié)

3、合 ABAQUS 和 FLUENT，使用 MPCCI 計(jì)算流固耦合。在本例中，固體在流場(chǎng)作用下產(chǎn)生很大的變形和運(yùn)動(dòng)。在耦合區(qū)域，固體結(jié)構(gòu)部分計(jì)算耦合面上的節(jié)點(diǎn)位移，通過(guò)MPCCI 傳輸給 FLUENT 的耦合界面，F(xiàn)LUENT 計(jì)算出耦合區(qū)域上的節(jié)點(diǎn)力載荷，然后通過(guò)MPCCI 傳給結(jié)構(gòu)軟件 ABAQUS。在 MPCCI 的耦合面板中選擇的耦合面如圖所示，交換量為：節(jié)點(diǎn)位移、相對(duì)受力。采用 ABAQUS 中的 STANDARD 算法，時(shí)間增量步長(zhǎng)為 0.1 毫 秒。5計(jì)算結(jié)論通過(guò) MPCCI 結(jié)合 ABAQUS 和 FLUENT，成功地計(jì)算在幾何非線性條件下的氣動(dòng)彈性問(wèn)題, 得到了整個(gè)流體區(qū)域的

4、流場(chǎng)分布以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)歷程。圖 3 不同時(shí)刻的機(jī)翼變形（二）節(jié)流閥流固耦合閥耐實(shí)驗(yàn)有限公司的流體流動(dòng)閥模擬（幾何模型和試驗(yàn)值由Vernay Laboratories 提供）世界最領(lǐng)先的閥門公司 Vernay 公司，應(yīng)用 MpCCI 結(jié)合 ABAQUS 和 FLUENT 對(duì)氣閥進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)目標(biāo)為：在定制的工程閥上，要求在變化的入口壓力條件下得到恒定的流量輸 出。氣閥的工作原理：在變壓的入口，氣流作用在閥門口的超彈性材料上，隨著入口壓力的增大,超彈性材料，產(chǎn)生很大的變形，從而逐漸縮小入口口徑，這樣保證通過(guò)氣閥的流量是一定的。 示意如下圖：Un der low pressure Un d

5、er high pressure圖 4 流動(dòng)控制閥刨面實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)和模型如下所示(a)(b)圖 5 氣閥耦合計(jì)算結(jié)構(gòu)和模型固體部分材料是超彈性材料，變形存在很大的非線性，采用ABAQUS 作為流固耦合的固體耦合軟件，采用 C3D8RH 雜交減積分單元，單元數(shù)大約是 22000 個(gè)。橡膠氣閥部分和外邊 界采用有限滑移摩擦(Finite-sliding frictional contact )。流體部分采用 FLUENT 軟件作為耦 合的流體計(jì)算軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-模型，四面體單元，單元數(shù)大約在233000 個(gè)單元。通過(guò)試驗(yàn)值和數(shù)值模擬值得比較可以，MpCCI 集合 ABAQUS 和 FLUENT

6、 有很好的預(yù)測(cè)效果。圖 6 流量和入口壓力關(guān)系曲線2.5S1015SO2S303$40Inlet Pressure |pgi為此，得到閥耐公司的高度評(píng)價(jià)，“Vernay是ABAQUS的長(zhǎng)期客戶。當(dāng)流體流動(dòng)扮演重要作用時(shí)與流體的耦合分析將排除傳統(tǒng)的反復(fù)切割實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)開發(fā)新產(chǎn)品”。（三）滑翔機(jī)機(jī)翼的空氣動(dòng)力學(xué)研究圖 7 滑翔機(jī)結(jié)構(gòu)采用的模型是 DG-1000 滑翔機(jī)機(jī)翼。Zentrum fur Strukturtechnologien, ETH Z rich 最先采用采用了小變形線彈性模擬了這個(gè)模型，采用MpCCI 模擬大變形對(duì)氣流場(chǎng)的影響。模擬的目標(biāo)：決定不同的機(jī)翼設(shè)計(jì)對(duì)氣動(dòng)性能的影響。DG-

7、1000 滑翔機(jī)機(jī)翼具有大的機(jī)翼跨度和機(jī)身長(zhǎng)度，機(jī)翼跨度是20 米。結(jié)構(gòu)性能是柔性、低阻尼。在計(jì)算分析中采用三種不同前傾斜角分別為-1 度，-5 度和-10 度，如下圖所示Dehning, C., P. Post, C. Rumpier, K. Wolf, C. Ledermann, F. Hurlimann, P. Ermanni,Fluid-Strukturkopplungen mit MpCCI,”2004圖8三種不同的前傾角度由于機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)將隨著前傾角變化而改變?cè)跈C(jī)翼周圍的流體流動(dòng), 力學(xué)性能。在模擬過(guò)程中，固體耦合軟件采用ABAQUS 有限元軟件，采用 S4/S3 單元，總的單元數(shù)為37000 個(gè)。考慮材料的大變形，線彈性復(fù)合材料。流體采用FLUENT 為耦合的流體計(jì)算軟因此將改變其空氣動(dòng)件，采用了 723000 個(gè)四面體單元，流場(chǎng)為不可壓層流。結(jié)論的比較如