Abaqus流固耦合仿真方法大全

对于一般的流固耦合问题，Abaqus提供的仿真方法多种多样，最常用的三大类是：

1.协同求解

需要不同求解器之间进行通信：

a.使用SIMULIA 协同仿真引擎

b.使用多场耦合分析工具MpCCI

c.使用Abaqus的ZAERO接口程序

2.CEL

3.SPH

而特殊流固耦合问题，比如渗流（Seepage分析）、湿模态（可用Acoustic单元）、流体腔（Fluid Cavity）等，Abaqus也都有对应的分析手段。

最近问到的流固耦合问题比较多，这期文章就介绍一下Abaqus常用的三大类流固耦合分析方法。

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1.协同求解

a.使用SIMULIA协同仿真引擎

首先要有两个model，一个CFD，一个Structure，定义耦合界面，并分别创建两个作业；然后通过SIMULIA协同仿真引擎引用两个model的作业，创建一个协同仿真；最后提交协同仿真任务，在模型树中可调出两个协同分析作业的监控。

Abaqus/CFD特点：

能够进行不可压缩流体（通常认为是液体或者密度变化相对较小的气体，0≤Ma≤0.1~0.3）动力学分析，可以是层流或湍流（4种湍流模型）、稳态或瞬态（能够使用ALE变形网格）。

流体参数：

密度、粘度、初始速度、等压比热容、热膨胀系数。

工程应用领域：

大气扩散、汽车气动设计、生物医药、食品加工、电器冷却、模具填充等。

6.10版引入CFD求解器，2017版取消，因此该方法只能在Abaqus有限版本内使用：

SIMULIA Co-simulation Engine简介：

达索SIMULIA的多场耦合求解平台，内置于Abaqus Job模块，功能强大，可以用于耦合Abaqus不同求解器或第三方求解器，比如单独在Abaqus内可以做到：

①流固耦合

将一个Abaqus/Standard或Abaqus/Explicit分析过程与一个Abaqus/CFD分析过程进行协同；

②共轭热传导

将一个Abaqus/Standard分析过程与一个Abaqus/CFD分析过程进行协同；

③电磁-热或电磁-力学耦合

将两个Abaqus/Standard分析过程进行协同；

④隐式瞬态分析和显式动态分析之间耦合

将一个Abaqus/Standard分析过程与一个Abaqus/Explicit分析过程进行协同。

b.使用多场耦合分析工具MpCCI

Mesh-based parallel Code Coupling Interface（基于网格的交互式耦合并行程序），通过松耦合方式实现多场问题的求解分析。

特点：

1996年开始，支持大多数主流CAE软件，现已成为全球唯一的多场耦合分析的工业标准和平台。

数据通信方式：

序列式

并行式

应用领域：

航空航天、汽车行业、大气环境、生物医药、机械电子、化工等。

c.使用Abaqus的ZAERO接口程序

通过 abaqus tozaero interface可以在Abaqus和ZAERO之间交换气弹数据。

流程：

Universal文件：

包含节点、坐标系、模态频率、质量归一化的振型、质量矩阵等。

执行：

abaqus tozaero interface在Abaqus/CAE中没有图形界面，只能手动修改inp文件来定义universal文件的输出项，再通过command窗口运行接口程序：

abaqus tozaero	job=job-name
	[unvfile=unv-file-name] [odbfile=odb-file-name] [mtxfile=mtx-file-name] [step=step-number] [mode={text | binary}]

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2.CEL

拉格朗日网格：运动

节点与材料绑定，单元随材料变形而变形，拉格朗日单元总是100%充满单一的材料，故材料边界与单元边界永远一致。

欧拉网格：不动

节点在空间固定，材料流过不变形的单元。欧拉单元可以不总是100%的充满材料，许多可以是部分的或完全空的，因此每个时间增量步都会重新确定材料边界。注意：欧拉分析中，欧拉网格要大于材料的活动范围。

欧拉-拉格朗日接触算法：

欧拉材料（使用状态方程描述材料的流变行为）可以和拉格朗日单元通过欧拉-拉格朗日接触来进行相互作用。包括此类接触的分析通常称为耦合的欧拉-拉格朗日分析（ Coupled Eulerian-Lagrangian）。

揭谛：风动？幡动？仁者心动；拉格朗日网格在动，欧拉网格不动

特点：

a.可用于固体材料的大变形分析；

b.支持自适应网格细化；

c.可以定义网格运动：欧拉网格移动、旋转、缩放等来包络欧拉材料；

应用领域：

常规流固耦合：如液体箱晃动分析、飞机水域迫降、产品包装模拟、填充模拟等；多相流固耦合：抛锚在水和泥中的沉降深度，带空气域的轮胎滑水性能分析；固体大变形分析：如轧制、鸟撞、切削等；爆炸分析：JWL状态方程。

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3.SPH

Smoothed Particle Hydrodynamics(平滑粒子流体动力学)  无网格法，注意：不是基于离散粒子间的碰撞、粘附等行为，这是跟DEM的最大区别。

这种方法是通过粒子间的物理距离、平滑距离h来确定“内核方程”，进而确定周围粒子对中心粒子自由度的影响。

应用：

液体晃动、波浪、喷漆、水压切割、气流、填塞、破碎后的二次冲击，鸟撞分析、射流爆破等。

方法：

把有限元网格转化为SPH粒子，可以按照应力、应变或时间阈值来确定SPH粒子的转化。

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Tips：上图是Abaqus自带的流固耦合经典案例，帮助文档搜索“Impact of a water-filled bottle”即可找到水壶跌落CEL/SPH两种方法的inp文件。当初第一次看到CEL方法很震惊，下载完模型怎么也找不到里面的水在哪！（奥秘就藏在VFT工具里）~为了搞懂，我把这个案例说明翻译了一遍，很有收获。

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三大类方法在流固耦合方面的表现：

根据具体计算需求，结合各种方法的特点，选择最合适的手段进行流固耦合仿真分析。