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谈流固耦合与ADINA 有限元软件的应用

原文作者:
  李霈,杨帆
发布时间:
  2014-08-13
来    源:
  青岛交通建设工程有限公司
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摘要:简要介绍了流固耦合的定义、分类及计算方法,指出其计算复杂,需要结合有限元软件计算压力、速度和位移等基本未知量,并对ADINA 有限元软件的基本知识进行了阐述,总结了ADINA 的优势,同时通过项目审查和工程测试,验证了该软件为高效的有限元分析软件。
1 流固耦合
1. 1 流固耦合的定义
    流固耦合是流体力学和固体力学合并交叉生成的一个独立的分支,它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。其重要的特性是两相介质之间的相互作用,固体在流体作用下的动态负载会产生变形或运动,固体变形或运动,反过来影响流场,从而改变流体负载范围和数值,正是这种相互作用将在不同条件下生成流固耦合现象。
    流固耦合的分类:
    总的来说,流固耦合机理可以分为两类:一种是耦合效应只发生在两相界面,平衡方程表面的耦合是由两相耦合面上协调引进;第二种是两相重叠的部分或全部,很难清楚地分开,使方程描述的物理现象,尤其是本构方程对特定的物理现象是需要建立的耦合效应,通过描述问题的微分方程表现出来。
   1980 年以后,流固耦合的研究已经得到了广泛的关注,世界学术界近年来的流固耦合研究发展的三个标志如下:
1)流固耦合问题由线性发展到非线性问题;
2)由固体结构的变形和强度到固体屈曲化;
3)计算格式从单纯的差分格式发展到兼容的流固格式。
1. 2 流固耦合研究方法
   流固耦合根据其发展顺序的步骤可以分为单步耦合、多步耦合、直接耦合三个阶段。
1)单步耦合。
    单步耦合应用频域方法假设结构在一个已知频率和振幅的运动,然后求解非定常气动力做功来确定稳定。单步耦合通常需要从解决结构变形开始,然后通过结构变形,在流场中进行稳定性计算和阻尼计算。单步耦合流场的求解过程由从线性发展到非线性。
2)多步耦合。
   同单步耦合方法一样,多步耦合方法也需要在结构和流体领域分别解决变形等问题,不同的是多步耦合在进行交互计算上不止一个时间点,也就是说每次完成后都需要进行边界流体和结构荷载、位移等参数的传输。多级耦合方法很难时间离散的互动、结构和流体场数据总是滞后的。
3)直接耦合。
    直接耦合方法对结构和流体场的描述用的是一个统一的方程,按照统一的离散数值求解方法,从而实现了同步时间,没有滞后。本迪克斯用混合欧拉—拉格朗日方程来解决流固耦合系统的耦合边界问题,并实现了欧拉方程向拉格朗日方程的转换。
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