搜索ABAQUS中聲固耦合的應用
2016-10-26 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
在計算水中結構物的各項性能時,不可避免會涉及到流體與船體外表面的耦合效應。例如:在考慮潛艇在水中的各項性能方面,ABAQUS中的聲固耦合方法絕對是最方便高效的有限元軟件。下面將以潛艇的基本結構(環肋圓柱殼)的接觸設置,向大家介紹ABAQUS中流固耦合向聲固耦合的轉換。
用ABAQUS中計算水下結構時,采用聲固耦合法來實現流體與固體之間的耦合作用,需要用聲學介質來描述包圍在圓柱殼外部的水域。水域模型由居中的圓柱體和兩端的半球體組成。為了提高計算效率而不影響計算精度時,這里選取的水域模型的半徑是圓柱殼半徑的4倍,水域靠近結構表面的單元較密。導入建好的有限元模型之后,如下圖所示。
圖1 模型示意圖
模型導入之后需要在ABAQUS/CAE中改變單元類型:結構單元采用三維應力單元C3D8R,流體單元采用Acoustic(聲學)單元AC3D8R。
圖2 聲學單元設定界面
正確模擬流體和結構之間的相互作用是分析水下問題的關鍵,ABAQUS基于表面使用“Tie”中的Surfaceto Surface約束,通過線性動量守衡將結構的位移場和流體的壓力場耦合起來。在結構和流體的界面處不需要網格一一對應,但為保證耦合精度,通常要求網格大小一致,且需根據曲面形狀分面進行耦合定義。系統通過“Tie”約束自動對耦合進行計算,通常選取圓柱殼結構與水域耦合的濕表面作為耦合面。
在ABAQUS/CAE面板中設置聲固耦合面的操作如下圖所示:
圖3 聲固耦合設置界面
另外需要注意的是,水域的外表面需要施加無反射邊界面以模擬無限水域。在ABAQUS/CAE中的接觸里選擇Acoustic impedancy定義Nonreflecting,本例中兩種無反射類型:一種是中間部分圓柱形狀,另一種是兩端球形,兩者均要輸入半徑,分別進行選擇賦予。
在ABAQUS/CAE面板中設置無反射邊界面的操作如下圖所示。
圖4 無反射邊界面的設置
進行以上兩步操作之后就定義了的聲固耦合以及無反射邊界面兩種水下計算必要的條件,如下圖所示。.
圖5 聲固耦合與無反射邊界示意圖
至于聲固耦合面是否添加正確,聲學單元與結構單元是否正確連接?
很簡單,我們可以進行模態分析進行驗證。對該內環肋圓柱殼結構的有限元模型進行濕模態分析(即在進行模態分析過程中考慮附連水質量的影響),得到如下圖所示的濕模態振型圖。可以看出,殼體濕表面與水域耦合良好,即聲固耦合正確施加到模型中。
圖6 濕模態驗證
檢驗好模型的正確性之后就可以進行水下結構的各種復雜的有限元分析。當然ABAQUS中強大的聲固耦合算法不僅適用于水下結構物,同樣適合于航空航天領域。
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