內容簡介
《萬水ANSYS技術叢書:ANSYS流固耦閤分析與工程實例》不涉及係統理論以及具體算法的介紹,而是從實際應用角度齣發,通過大量的原創性分析實例,嚮讀者細緻地講解流固耦閤分析。全書共分5章,從基礎開始講解,層層深入到ANSYS單嚮流固耦閤分析、雙嚮流固耦閤分析,以及動網格和網格重構技術。為,瞭讓讀者能夠更好地理解ANSYS流固耦閤分析的工程應用,本書還詳細講解瞭4個工程實例。
本書案例豐富,覆蓋麵廣,通過實例一步步地講解具體的分析思路以及實現步驟,並對分析中容易遇到的問題給齣特彆提示。
本書可以作為機械專業、力學專業、電子電氣等專業的教材,也適閤應用ANSYS進行流固耦閤分析的初學者學習和參考。
內頁插圖
目錄
前言
第1章 流固耦閤分析基礎
1.1 流固耦閤基礎
1.1.1 認識流固耦閤分析的重要性
1.1.2 流體控製方程
1.1.3 固體控製方程
1.1.4 流固耦閤方程
1.2 ANSYS流固耦閤分析
1.2.1 單嚮流固耦閤分析
1.2.2 雙嚮流固耦閤分析
1.2.3 耦閤麵的數據傳遞
1.2.4 網格映射和數據交換類型
1.3 ANSYS流固耦閤分析的基本步驟
1.3.1 CFX+ Mechanical APDL單嚮耦閤基本設置
1.3.2 FLUENT+ANSYS單嚮耦閤基本設置
1.3.3 通過Mechanical APDL Product Launcher設置MFX分析
1.4 本章小結
第2章 單嚮流固耦閤分析
2.1 單嚮流固耦閤分析基礎
2.2 三通管的熱強度計算
2.2.1 問題描述
2.2.2 ICEM CFD劃分三通管流場網格
2.2.3 利用CFX求解三通管流場
2.2.4 利用Workbench進行三通管熱強度分析
2.3 風力發電葉片及支架整體分析
2.3.1 問題描述
2.3.2 幾何模型處理
2.3.3 流場網格劃分
2.3.4 流體分析設置
2.3.5 開始流體計算
2.3.6 流體計算過程中的參數監控和修改
2.3.7 查看流體計算結果
2.3.8 結構分析的模型處理
2.3.9 結構網格劃分
2.3.10 加載與求解
2.4 軸流葉片的應力分析
2.4.1 問題描述
2.4.2 創建分析項目
2.4.3 BladeGen中葉片的設計
2.4.4 TurboGrid結構網格劃分
2.4.5 流體分析設置
2.4.6 流體計算和結果查看
2.4.7 Static Structural(ANSYS)結構分析
2.5 燃燒室流場計算及熱變形分析
2.5.1 問題描述
2.5.2 ICEM CFD劃分燃燒流場網格
2.5.3 利用FLUENT求解燃燒流場
2.5.4 NOx排放量預測
2.5.5 Workbench進行結構分析
2.6 水流衝擊平闆分析
2.6.1 問題描述
2.6.2 創建分析項目
2.6.3 建立幾何模型
2.6.4 流體分析
2.6.5 結構分析
2.7 泥漿攪拌器預應力下的模態分析
2.7.1 問題描述
2.7.2 創建分析項目
2.7.3 Fluent流場分析
2.7.4 結構分析
2.8 本章小結
第3章 ANSYS雙嚮流固耦閤分析
3.1 雙嚮流固耦閤分析基礎
3.2 血管和血管壁耦閤分析
3.2.1 問題描述
3.2.2 創建分析項目
3.2.3 結構分析設置
3.2.4 流場模型處理
3.2.5 流體分析設置
3.2.6 求解計算和結果監視
3.2.7 查看流體計算結果
3.2.8 查看結構計算結果
3.2.9 創建動畫文件
3.3 泥漿衝擊立柱分析
3.3.1 問題描述
3.3.2 創建分析項目
3.3.3 添加新材料(concrete)
3.3.4 建立模型
3.3.5 結構分析設置
3.3.6 流場模型處理
3.3.7 流場網格劃分
3.3.8 流體分析設置
3.3.9 求解和計算結果
3.4 飛機副翼轉動耦閤分析
3.4.1 問題描述
3.4.2 創建分析項目
3.4.3 選用新材料(Aluminum Alloy)
3.4.4 導入模型
3.4.5 結構分析設置
3.4.6 流場模型處理
3.4.7 流場網格劃分
3.4.8 流體分析設置
3.4.9 求解和計算結果
3.5 圓柱繞流耦閤振動分析
3.5.1 問題描述
3.5.2 ICEM CFD劃分流場網格
3.5.3 無耦閤的圓柱繞流分析
3.5.4 流固耦閤圓柱繞流分析
3.6 水潤滑橡膠軸承分析
3.6.1 問題描述
3.6.2 利用ICEM劃分水膜網格
3.6.3 利用Workbench完成結構設置
3.6.4 流體分析設置
3.6.5 開始計算及計算結果監測
3.6.6 查看水膜流場結果
3.7 本章小結
第4章 ANSYS動網格技術應用
4.1 動網格分析基礎
4.2 大變形網格重構功能分析
4.2.1 問題描述
4.2.2 網格劃分和腳本錄製
4.2.3 流體分析設置
4.2.4 求解和計算結果
4.3 FLUENT Remesh 6DOF分析
4.3.1 問題描述
4.3.2 FLUENT 6DOF UDF的編譯
4.3.3 FLUENT查看流場結果
4.3.4 利用Tecplot進行流場後處理
4.4 本章小結
第5章 ANSYS流固耦閤工程實例
5.1 某型號離心泵分析
5.2 問題描述
5.2.1 網格劃分
5.2.2 流體分析設置
5.2.3 結構分析設置
5.3 泄壓閥動態特性分析
5.3.1 問題描述
5.3.2 創建CFX分析項目
5.3.3 流體分析設置
5.3.4 求解計算和結果監視
5.4 止迴閥動態分析
5.4.1 問題描述
5.4.2 FLUENT DEFINE CG Motion UDF編譯
5.4.3 止迴閥動網格的編譯
5.4.4 壓力進口UDF編寫
5.4.5 FLUENT止迴閥流場求解設置
5.4.6 流場後處理
5.5 滑動軸承玻璃軸瓦強度分析
……
前言/序言
《萬水ANSYS技術叢書:ANSYS流固耦閤分析與工程實例》圖書簡介 本書聚焦於工程領域中日益重要的流固耦閤(Fluid-Structure Interaction, FSI)分析,旨在為讀者提供一套全麵、係統且實用的ANSYS軟件在FSI問題求解上的技術指南。全書以理論講解與實際案例相結閤的方式,深入淺齣地闡述瞭流固耦閤現象的物理本質、數值模擬的原理與方法,並詳細介紹瞭如何利用ANSYS Workbench平颱強大的FSI模塊進行建模、設置、求解和後處理。 第一部分:流固耦閤理論基礎與ANSYS實現 本部分將為讀者打下堅實的理論基礎,確保讀者能夠深刻理解流固耦閤的內在機理,並掌握在ANSYS中實現相關分析的關鍵技術。 第一章:流固耦閤現象概述 1.1 什麼是流固耦閤? 詳細闡述流固耦閤現象在自然界和工程界中的普遍存在性,例如風力作用下的橋梁振動、水流衝擊下的船舶結構變形、血液在血管中的流動與血管壁的相互作用等。 區分靜態流固耦閤和動態流固耦閤,以及強耦閤和弱耦閤的概念。 強調流固耦閤問題處理的復雜性,它需要同時考慮流體動力學和固體力學行為,並它們之間的相互影響。 1.2 流固耦閤的關鍵物理機製 流體對結構的載荷作用: 壓力、剪切力、渦激振動、空化腐蝕等。 結構對流場的影響: 邊界變形、流道變化、湍流增強或抑製等。 能量和動量的傳遞: 詳細解釋流體與固體之間能量和動量是如何交換的,這是耦閤分析的核心。 1.3 流固耦閤分析的重要性與挑戰 重要性: 提高設計精度,優化結構性能,預測潛在失效模式,降低研發成本,確保工程安全。 挑戰: 數值模型復雜,網格處理難度大,計算量巨大,求解穩定性要求高,耦閤算法的選擇與實現。 1.4 ANSYS在流固耦閤分析中的地位與優勢 介紹ANSYS作為領先的工程仿真軟件,其FSI模塊的強大功能和廣泛的應用前景。 強調ANSYS Workbench集成化平颱在簡化FSI流程中的作用,以及Fluent、CFX、Mechanical等模塊協同工作的能力。 第二章:ANSYS Workbench流固耦閤分析流程 2.1 ANSYS Workbench平颱概覽 詳細介紹ANSYS Workbench的工作空間、項目流圖、組件係統等基本概念。 說明如何通過組件之間的連接來構建完整的FSI分析流程。 2.2 流固耦閤分析的基本步驟 幾何建模: 介紹如何創建或導入流體域和固體域的幾何模型,以及如何進行布爾運算和幾何清理。 網格劃分: 講解對流體域和固體域分彆進行網格劃分的原則和技巧,包括網格質量檢查、邊界層網格設置、網格尺寸控製等。 物理模型設置: 詳細闡述流體模型(如Navier-Stokes方程、湍流模型選擇、材料屬性設置)和固體模型(如材料屬性、本構模型、載荷和邊界條件設置)的配置。 流固耦閤接口設置: 這是FSI分析的核心,將詳細介紹如何定義流體域和固體域之間的耦閤接口,包括傳遞的物理量(壓力、位移、速度、力等)和耦閤方式。 求解器設置: 介紹瞬態分析和穩態分析的選擇,時間步長控製,收斂準則設置,以及並行計算的配置。 結果後處理: 講解如何查看和分析流場(速度、壓力、湍動能等)和結構場(位移、應力、應變、模態等)的結果,以及如何進行耦閤結果的可視化。 2.3 FSI耦閤類型與接口設置詳解 弱耦閤(One-Way Coupling): 流體載荷對結構的影響,結構變化不影響流場。詳細介紹如何在Workbench中設置,例如從CFD結果中導齣載荷到FEA。 強耦閤(Two-Way Coupling): 流固相互影響,需要迭代求解。詳細介紹Workbench中的Multipoint Constraint (MPC) 接口、System Coupling組件、以及直接在CFD求解器內部激活FSI選項等方法。 不同耦閤組件的適用場景: 分析何時適閤使用System Coupling,何時適閤使用內置的FSI接口。 接口網格匹配問題: 討論當流固界麵網格不匹配時,ANSYS提供的插值算法和處理方法。 第三章:CFD模塊(Fluent/CFX)在FSI中的應用 3.1 Fluent/CFX流體建模基礎 迴顧Fluent/CFX的基本操作流程,包括前處理、求解和後處理。 重點介紹在FSI分析中需要特彆關注的設置,如求解器類型、時間步長、湍流模型選擇(如k-epsilon, k-omega, Spalart-Allmaras等及其在FSI中的適用性)、壓力-速度耦閤算法(如SIMPLE, COUPLED等)等。 3.2 動網格技術(Dynamic Meshing) 詳細講解動網格在處理邊界變形時的重要性。 介紹Fluent中的動網格技術,包括Smoothing, Layering, Remeshing等方法。 闡述如何根據結構的運動方式選擇閤適的動網格方法。 3.3 變形體(Deforming Body)與自由錶麵(Free Surface)模型 介紹如何定義流體域內的變形體,並將其與結構力學計算結果關聯。 探討在FSI中,如水下結構受力變形,可能引入自由錶麵問題,並介紹相關的模型設置。 3.4 耦閤接口的CFD側設置 在Fluent/CFX中,如何定義流體域與固體域的耦閤邊界,並指定傳遞的物理量。 講解如何與Mechanical模塊或外部FEA軟件進行數據交換。 第四章:Mechanical模塊在FSI中的應用 4.1 Mechanical結構力學建模基礎 迴顧Mechanical的基本操作流程,包括幾何導入、材料定義、網格劃分、載荷施加、邊界條件設置。 重點介紹在FSI分析中需要特彆關注的設置,如接觸類型(對於變形體)、求解器類型(瞬態非綫性)、載荷施加方式(如壓力載荷、力載荷)。 4.2 結構動力學與模態分析 介紹結構在流體作用下可能産生的動力學響應,如振動、屈麯、模態分析。 闡述如何利用Mechanical進行模態分析,為FSI提供基礎。 4.3 變形體(Deforming Body)的設置 在Mechanical中,如何定義結構域的變形區域,並設置其與流體域的耦閤。 討論網格在結構變形過程中的行為,以及如何避免網格質量惡化。 4.4 耦閤接口的Mechanical側設置 在Mechanical中,如何定義結構域與流體域的耦閤邊界,並指定接收的物理量。 講解如何從CFD求解器接收載荷(如壓力)或嚮CFD求解器傳遞位移。 第二部分:ANSYS流固耦閤工程實例與進階應用 本部分將通過一係列具體的工程實例,帶領讀者將理論知識應用於實際問題,並介紹一些FSI分析的進階技巧和注意事項。 第五章:常見流固耦閤工程實例解析(一)——風緻振動 5.1 橋梁風緻顫振分析 問題描述: 以著名的橋梁風緻失事案例為例,闡述風速、結構參數等對橋梁穩定性的影響。 建模思路: 如何建立橋梁的三維結構模型和考慮風場效應的流體模型。 ANSYS實現: 使用CFD模塊(如Fluent)模擬橋梁周圍的流場,獲取不同迎角和風速下的氣動載荷。 使用Mechanical模塊進行結構的模態分析,提取橋梁的固有頻率和振型。 通過弱耦閤方式,將CFD計算得到的時變氣動載荷施加到結構模型上,進行瞬態結構動力學分析,預測結構的振動響應。 討論如何通過強耦閤方式,實現風載荷和結構變形的迭代耦閤,更準確地預測顫振現象。 結果分析與優化: 分析結構的位移、速度、加速度響應,評估風荷載下的安全性,並提齣結構優化建議(如改變截麵形狀、增加阻尼等)。 5.2 高層建築風壓分布與振動 問題描述: 分析高層建築在不同風況下的錶麵風壓分布及其引起的結構振動。 建模思路: 簡化建築幾何,建立風洞實驗式的流場模型。 ANSYS實現: 使用CFD模塊模擬建築周圍的均勻來流,捕捉風壓分布。 將CFD計算得到的麵平均風壓施加到結構模型上,進行穩態或瞬態結構分析。 討論如何通過耦閤分析,考慮建築變形對局部風壓的影響。 結果分析: 評估結構整體受力情況,預測可能齣現的結構振動和舒適度問題。 第六章:常見流固耦閤工程實例解析(二)——水動力學與結構 6.1 船體與水流相互作用 問題描述: 分析船舶在航行過程中,船體與水流的相互作用,包括水動力載荷、船體變形、濕錶麵波浪效應等。 建模思路: 建立船體模型和周圍水域模型。 ANSYS實現: 使用CFD模塊(如Fluent或CFX)模擬船體在水中的流體動力學行為,計算船體錶麵受到的壓力和剪切力。 使用Mechanical模塊進行船體結構的力學分析,考慮結構彈性變形。 通過強耦閤方式,實現船體變形和水流狀態的相互影響,尤其關注船體航行姿態和波浪爬升問題。 結果分析: 評估船體的阻力、穩性,預測結構在復雜海況下的安全性。 6.2 水輪機葉片與流體耦閤 問題描述: 分析水輪機葉片在高速鏇轉的水流作用下産生的形變和應力,以及葉片形變對水流效率的影響。 建模思路: 建立水輪機葉片模型和內部流道模型。 ANSYS實現: 使用CFD模塊模擬葉片周圍的鏇轉流場,計算葉片受到的水動力載荷。 使用Mechanical模塊進行葉片的結構分析,考慮離心力和水動力載荷。 通過強耦閤方式,讓葉片變形影響流道形狀,進而影響流場分布,形成迭代優化。 結果分析: 優化葉片設計,提高水輪機效率,確保葉片結構的可靠性。 6.3 海洋平颱結構與波浪耦閤 問題描述: 分析海洋平颱結構在復雜海浪作用下的受力響應,包括波浪載荷、結構變形、疲勞損傷等。 建模思路: 建立海洋平颱結構模型和海浪傳播的模型。 ANSYS實現: 使用CFD模塊模擬海浪的生成、傳播和與平颱結構的相互作用,計算波浪對平颱的衝擊力和壓力分布。 使用Mechanical模塊進行平颱結構的結構動力學分析,考慮結構自身的剛度和阻尼。 通過強耦閤方式,準確預測平颱結構在極端海況下的動態響應。 結果分析: 評估平颱的抗風浪能力,優化結構設計,確保海洋工程的安全。 第七章:常見流固耦閤工程實例解析(三)——其他領域應用 7.1 航空發動機壓氣機/渦輪葉片振動 問題描述: 分析高速鏇轉的航空發動機葉片在氣流作用下産生的氣動彈性效應,例如顫振、渦激振動等。 建模思路: 建立葉片模型和周圍氣流通道模型。 ANSYS實現: 使用CFD模塊模擬葉片錶麵的氣流,獲取氣動載荷。 使用Mechanical模塊進行葉片的結構動力學分析,考慮鏇轉效應。 通過強耦閤方式,分析氣動載荷與葉片變形的相互影響,預測氣動彈性不穩定現象。 結果分析: 確保葉片在高溫高壓下的結構可靠性,避免發生災難性失效。 7.2 醫療器械仿真(如心髒瓣膜、血管支架) 問題描述: 分析人工心髒瓣膜在血液流動中的開閤過程,以及血液對瓣膜的載荷和形變;或者分析血管支架在血流作用下的受力與形變。 建模思路: 建立瓣膜或支架的精細幾何模型,以及血液流動的生物力學模型。 ANSYS實現: 使用CFD模塊(或專門的生物力學求解器)模擬血液流動,考慮血液的非牛頓流體特性(如果需要)。 使用Mechanical模塊模擬瓣膜或支架的彈性形變。 通過強耦閤方式,分析血液流動對器械的力學影響,以及器械變形對血流動力學的影響。 結果分析: 評估器械的生物相容性,優化器械設計,提高治療效果。 7.3 汽車零部件(如雨颳器、製動係統) 問題描述: 分析雨颳器在雨颳過程中與風擋玻璃的耦閤作用;或分析製動係統中的液壓與固體部件的相互作用。 建模思路: 針對具體問題建立相應的流體和固體模型。 ANSYS實現: 采用適閤的弱耦閤或強耦閤方式進行分析。 結果分析: 優化零部件性能,提高可靠性。 第八章:流固耦閤分析的進階技巧與注意事項 8.1 網格策略與質量控製 流固界麵網格匹配: 詳細討論如何處理流固界麵的網格匹配問題,包括手動調整、自動匹配工具的使用。 適應性網格(Adaptive Meshing): 介紹如何在流固耦閤分析中根據求解結果動態調整網格密度,提高計算效率和精度。 網格質量評估: 強調在FSI分析中,網格質量對計算結果的穩定性和準確性的重要影響,講解網格質量指標及其判彆。 8.2 耦閤算法的選擇與穩定性 顯式耦閤與隱式耦閤: 解釋不同耦閤算法的原理和優缺點。 時間步長控製: 詳細闡述在瞬態FSI分析中,時間步長選擇的原則,以及如何通過CFL條件、結構模態頻率等來確定閤適的步長。 收斂性問題診斷與處理: 介紹在FSI求解過程中可能齣現的收斂問題,如震蕩、發散等,以及相應的調試技巧。 8.3 計算資源優化與並行計算 模型簡化技術: 介紹如何根據工程需求,對幾何模型、物理模型進行適當簡化,以降低計算復雜度。 並行計算設置: 講解如何在ANSYS中有效配置並行計算,利用多核CPU或多颱計算機加速FSI仿真。 分布式計算: 簡要介紹分布式計算的原理及其在大型FSI問題中的應用。 8.4 FSI結果的驗證與評估 與實驗數據對比: 強調將仿真結果與實驗數據進行對比的重要性,用於驗證模型的準確性。 工程經驗的引入: 結閤實際工程經驗,對仿真結果進行閤理的解釋和判斷。 不確定性分析: 簡要介紹在FSI分析中引入不確定性分析的方法,以提高結果的可靠性。 8.5 高級FSI應用展望 多物理場耦閤: 簡要介紹FSI與其他物理場(如熱、電、磁)的耦閤分析,如熱-流-固耦閤。 用戶自定義函數(UDFs)/用戶自定義單元(UDMs): 介紹如何通過二次開發來擴展ANSYS的功能,以解決特定FSI問題。 機器學習與AI在FSI中的應用趨勢。 通過本書的學習,讀者將能夠熟練掌握使用ANSYS軟件進行流固耦閤分析的方法,並能獨立解決實際工程中的流固耦閤問題,從而提升工程設計的效率和可靠性。