ANSYS 流固耦合分析的基本步骤

ANSYS在原有Mechanical APDL(也叫ANSYS Classical)的基础上，相继合并开发了ANSYS Workbench CFX和ANSYS CFX,从12.0版本开始又合并集成了另一款著名的计算流体力学软件FLUENT。通过坚持不懈的努力，ANSYS流固耦合分析从单向到双向、从简单二维模型到复杂三维模型、从小变形分析到基于动网格或网格重构的大变形分析，功能不断增加，分析能力大幅加强、分析结果日益精确。

同时，由于集成了多个产品，流固耦合的分析使用方法也变得多种多样，比如可以通过Mechanical APDL Product Launcher设置基于MFX的双向耦合分析，可以通过Mechanical APDL本身设置与CFX或FLUENT的单向耦合分析，可以通过ANSYS Workbench设置与CFX和FLUENT的单向耦合分析，通过ANSYS Workbench平台设置ANSYS和CFX的双向耦合分析，

到13.0版本虽然还不支持ANSYS与FLUENT的双向耦合分析，但是通过第三方软件MPCCI也可以轻松实现双向耦合分析，具体的可行性设置方式如表1所示。

表1  ANSYS流固耦合可行性设置方式

因为通过ANSYS Workbench设置单向和双向耦合分析有相应的快捷菜单，所以大致过程十分简单，只需注意各个求解器的内部设置即可，此处不做多讲。以下简单介绍一下非Workbench方式设置的单向耦合和双向耦合分析的基本步骤。

对于单向耦合分析，因为没有流场和固体的交错迭代求解，所以，耦合其实主要是指耦合界面处的数据传递。以CFX-Post传递耦合面数据的方式创建ANSYS Mechanical APDL载荷为例，其单向数据传递过程设置大致如下：

Step 1：打开Mechanical APDL导入模型，设置结构单元类型、面单元(SURF154)和实参数，然后分别划分结构网格和耦合面网格。完毕后，通过单击Preprocessor>Archive Model>Write输出包含所有有限单元信息(DB All Finite Element Information)的CDB文件(见图3(左))。

Step2：在CFX-Post中打开流体分析的.res结果文件。单击File>ANSYS Import/Export>Import ANSYS CDB Surface。此时，会弹出Import ANSYS CDB Surface对话框，见图1所示。

Step 3：在Import ANSYS CDB Surface对话框中，指定File为之前使用Mechanical APDL保存的CDB文件，也就是指定目标传递面。然后指定流体分析中的相应面为AssociatedBoundary,映射到结构面(目标传递面),并适当设置其他选项。单击OK按钮导入ANSYS CDB网格。

Step 4：此时，只是面面映射完成，接着进行数据传递并导出文件。单击File>ANSYSImport/Export>Export ANSYS Load File,弹出Export ANSYS Load File对话框，见图2所示。

图1  加载ANSYS .cdb结构文件

图2  导出ANSYS.sfe载荷文件

Step 5：在ExportANSYS Load File对话框中，设定文件名保存数据。Location参数值中指定导入的ANSYS结构面。File Format下拉菜单中选择ANSYS Load Commands (SFE or D),或者，选择包含所有传递信息的WB Simulation Input (XML)方式输出。然后，在Export Data中选择要输出的数据：Normal Stress Vector, Tangential Stress Vector,Stress Vector, Heat TransferCoefficient, Heat Flux或者Temperature。单击Save按钮，ANSYS载荷数据文件就创建好了。

Step 6：回到Mechanical APDL界面，单击File>Read Input From..导入刚才生成的.sfe载荷文件。然后设置约束等其他边界条件，全部设置完毕后，即可求解，如图3(右)所示。

FLUENT+ Mechanical APDL的单向耦合分析过程与CFX+ Mechanical APDL单向耦合过程十分相似，单击File>FSI Mapping>Surface,在弹出的Surface FSI Mapping对话框中，指定保存的ANSYS CDB文件为FEA File,单击Read按钮，便可以导入CDB文件(见图4)。检查无误后，设置对话框右侧的Output File属性，单击Write按钮可以导出具有载荷信息的新CDB文件(注意不是.sfe文件)。然后在Mechanical APDL中通过Read input from...可以加载新的CDB文件完成载荷加载。

图3 Mechanical APDL导出.cdb文件(左)和加载.sfe载荷文件(右)

图4 通过FLUENT中的FSI Mapping导入、导出CDB文件

相较于单向耦合分析，双向耦合分析的设置要复杂得多，除了设置求解顺序、求解器之间的数据传递属性外，还需要仔细设定各个求解器的迭代属性等众多相关内容。所以，目前常用的双向耦合分析都是通过ANSYS Workbench设置的，ANSYS Workbench提供了便捷的快捷菜单设置方式，可以方便地完成双向耦合分析的数据传递部分。本书中的双向耦合分析有大量实例，此处不作讲解，下面简单介绍一下通过ANSYS Mechanical APDL Product Launcher设置双向耦合分析，大致设置步骤如下：

Step 1：打开ANSYS Mechanical APDL Launcher,在Simulation Environment中选择MFX-ANSYS/CFX。然后选择License为ANSYS Multiphysics(见图4)。

图4 ANSYS Mechanical APDL Launcher窗口

Step 2：在MFX-ANSYS/CFX Setup选项卡中，设置ANSYS Run..属性，如WorkingDirectory、Job name等。

Step 3：设置CFX Run..属性，如Working Directory、Definition File、Initial Values File等。Step 4单击Run按钮。

通过ANSYS Mechanical APDL Product Launcher设置MFX分析时，ANSYS和CFX会自动启动，用户需要分别设置其属性和参数。同时，需要在本地机器使用CFX,如果想在不同机器运行CFX,需要通过命令流方式设置，参见ANSYS帮助文件中的Starting an MFX Analysisvia the Command Line。

文章来源：精准CAE部落