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本文采用ANSYS显示动力分析模块LS-DYNA及流场分析模块FLUENT，对水下的板壳结构运动及其界面的流固耦合现象进行了仿真分析。流场计算得到的界面压强数据以外载荷的形式施加于结构表面，使其产生位移及变形；同时，结构的变化又进一步影响了流场的分布。通过往复的双向耦合迭代，得到了板壳结构的动力学响应以及流场的分布情况。仿真结果与试验结果的对比表明，此方法适用于解决兼有大位移及较大变形特征的流- 固耦合问题。
1 前言
在自然界中，流-固耦合现象广泛存在于航空、航天、汽车、水利、石油、化工、海洋以及生物等领域。很多实际问题中流体载荷对于结构的影响不可忽略；同时，结构的位移和变形也会对流场的分布产生重要影响。例如各种水下运动机构都需要考虑这种现象。
板壳是基本的结构单元，研究其与流体相互作用的过程的仿真方法对水下结构的设计具有一定的指导意义。文献利用ANSYS/LS-DYNA对板壳结构在水下爆炸冲击载荷作用下的动力学响应进行了仿真分析和试验研究，文献对窄流道中柔性单板流致振动引起的流-固耦合问题进行了数值模拟，但以上文献所进行的分析均为板壳结构处于约束状态下的平衡位置附近的振动耦合分析。利用ANSYS静力学分析模块以及CFX或FLUENT等流体分析模块对有固定约束条件的板壳结构进行流-固耦合分析的实例已经很多，ANSYS Workbench中也有这方面的耦合实例。但是对于流体冲击引起结构的大位移以及较大变形的动力学分析目前还不完善，有待进一步的研究。因此本文应用大型通用有限元分析软件ANSYS13.0中的显示动力分析模块LS-DYNA以及流体分析模块FLUENT，对受流体冲击作用下兼有大位移及较大变形的板壳结构的流-固耦合作用进行了仿真分析。
2 有限元分析
2.1 问题描述
本文针对板壳结构受流体冲击载荷作用下的动力学响应进行分析，主要研究板壳结构的运动时间历程、应力分布规律以及对流场分布的影响。
用于仿真对照的试验方案如图1所示，矩形薄板一端固定于转轴上，并全部浸于水箱中，同时在正对薄板中心的水箱壁上设有一个高速水流进口，以保证水流在初始时刻可垂直冲击薄板中心。此外，在水箱中薄板旋转方向上的特定位置处设置有一个平行于转轴中心线的刚性挡杆，旨在对因受流体冲击而发生旋转的薄板起到反向阻碍作用，使其出现较大变形。测量的薄板的转动角度、板面应力分布等参数可作为仿真对比的依据。 （图片） 2.2 计算模型
2.2.1 结构模型
结构模型包括四部分：矩形薄板、转轴、轴承以及刚性挡杆。运用ANSYS程序的参数化建模功能即可快速得到结构模型。利用复杂的实体切割及布尔运算功能将结构模型全部采用sweep方法进行六面体网格划分，所选用的单元类型为显式solid164单元，有限元网格模型如图2所示。（图片）
有限元网格模型 此外，由于要接受来自流体域计算的压强载荷，而压强载荷在体单元上进行施加很难保证加载的正确性，因此需要在薄板的表面建立一层虚拟的薄壳单元，此薄壳单元在计算过程中只起到传递压强载荷的作用，不应对薄板结构起到任何的加强作用，所以就需要保证壳单元的厚度值的数量级远远小于薄板的厚度，以尽可能降低计算过程中壳单元对实际计算模型的影响。本文所采用的壳单元为显式shell163单元，厚度实常数设置为1e-6。
矩形薄板与转轴的连接处采用共节点的方式进行处理。转轴与两个轴承之间建立接触，接触类型为Automatic Surface To Surface。由于在转动过程中薄板将与刚性挡杆发生碰撞，因此在薄板的表面壳单元与挡杆之间也需建立接触，类型为Automatic Node To Surface。该有限元模型的单元总数为3434，节点总数为3763。
薄板与转轴的材料均为钢。由于不考虑轴承的应力及变形情况，故轴承及刚性挡杆均采用LS-DYNA中特有的刚性材料模型，并约束所有自由度。
由于在LS-DYNA中压强载荷只能施加于part或component上，因此将前述所划分的耦合界面上的每个壳单元均建立成一个component，每个壳单元上的压强载荷由该单元四个节点的压强值求平均得到，而各个结构节点的压强值则根据其坐标对应关系由流体域的流体节点压强值插值得到。得到每个单元的平均压强后，分别建立载荷数组，通过APDL语言可以方便的进行每个单元的载荷施加。
2.2.2 流体域模型
流体域模型采用FLUENT专用前处理器GAMBIT进行建模。水箱长和宽均为900mm，水箱高为500mm，进口管道直径为90mm，进口管道长200mm。由于流体域模型比较复杂，模型最小边长与最大边长数量级相差较大，故采用四面体非结构网格进行划分，划分结果如图3所示。在薄板及水流进口区域附近由于流场变化较大，故网格密度设置较大，在远离薄板的水箱壁处网格密度设置较小，划分后的流体域网格总数为140369。在FLUENT中流场边界条件设置如下：入口边界为速度入口v=5m/s，出口边界为压强出口p=0，水箱壁、转轴、薄板以及进水管壁均为wall边界。另外，薄板的wall边界应单独设置，以便在流体域计算完成后输出此耦合面上的压强数据，进而以外载的形式施加到结构求解器中。（图片） 2.3 耦合方法
此流-固耦合问题属于双向耦合问题，故流体与结构之间的信息传递是交互的。由于LS-DYNA与FLUENT之间不能直接进行结果数据的交换，因此需要有中间数据交换步骤。本文利用自编的数据转换程序分别对各自软件计算的结果数据进行处理，转换成能够被各自软件读取的数据格式，从而进行耦合迭代。耦合计算的流程如图4所示，由FLUENT开始，首先进行流场初始化并得到初始压强分布，然后将此压强载荷通过数据处理传递到LS-DYNA，然后进行结构场的第一时间步迭代计算，计算得到的位移数据再通过数据处理传回FLUENT，从而完成一个耦合迭代步。（图片） 3 仿真结果分析
3.1 薄板运动时间历程分析
利用ANSYS中的LS-DYNA求解器进行结构显式动力学计算。薄板在水流冲击作用下围绕转轴旋转，在ANSYS时间历程后处理中提取转板质心位移值随时间变化的数据，并进行相应处理后转换为转动角度以及角速度随时间变化的历程曲线，分别如图5和图6所示。同时试验测得的转角及角速度曲线也在图5与图6中给出。（图片）
薄板转角时间历程曲线 （图片）
薄板角速度时间历程曲线 通过对比试验与仿真曲线，可以看出采用本文中流-固耦合计算方法模拟薄板的运动学响应基本上符合试验结果。在运动的初始阶段，由于试验水流流速是从零开始上升至稳定流速值，而仿真的初始流速即设置为稳定流速值，故仿真得出的转角曲线略超前于试验值。试验的最大转角略低于仿真最大转角，同时试验的碰撞时间点超前于仿真的碰撞时间点。其共同原因是试验用薄板表面布有测试用的导线，其效果相当于增加了板厚，故其与挡杆碰撞的时间点提前，转角最大值降低。从以上两图的仿真曲线可以看出，整个耦合作用过程持续时间很短，薄板最后趋于稳定的时间约为72ms左右。从图7可以看出，在初始受到流体冲击时，转板角速度迅速提高，这是由于在初始时刻，水流垂直冲击薄板，薄板受到的法向力最大。当角速度达到一定值后趋于稳定，薄板所受流体冲击载荷与水域中阻力以及转轴的摩擦力矩达到平衡。当t≈56ms时，薄板与刚性挡杆碰撞，继而产生一定的回弹，角速度迅速跌落为负值。在流体的持续冲击作用下，薄板角速度振荡的振幅逐渐衰减并趋于零。
3.2 薄板应力分析
利用ANSYS通用后处理可得到转板在碰撞前不同时刻的应力分布图，如图7所示。由于薄板中心区域受到流体的瞬时冲击，使其带动转轴克服轴承摩擦阻力以及薄板周围流体的阻尼作用而发生旋转，峰值应力出现在根部位置并沿着转轴的径向递减，这与材料力学中悬臂梁弯曲原理相符合。旋转过程中峰值应力维持在12MPa左右。（图片）
碰撞前不同时刻薄板应力云图 薄板旋转过一定角度后与刚性挡杆发生碰撞，碰撞瞬时板上的应力分布云图如图8所示，由图8并对比图7各图可以看出，板上的应力分布以及应力峰值均发生较大变化，应力峰值区域同时出现在根部以及碰撞接触位置处，且根部的应力峰值达到70MPa，碰撞接触位置的应力峰值也达到40Mpa。由于应力的峰值较碰撞前的峰值有了显著的提高，因此薄板会有相对较大的变形现象。（图片） 3.3 流场分析
由于薄板的转动，使得流场边界在不同时刻也随之改变。如图9所示为不同时刻薄板附近区域的压强场分布图。从图9中可以看出，在t=10ms时，由于薄板展开角度较小，其对进口水流的阻碍作用最明显，因此可以看到从进口到薄板的整个区域内都呈现出高压趋势。随着时间的增加，薄板的展开角度变大，进口水流受到薄板的阻碍作用减弱，进口区域的压强峰值逐渐降低。由于薄板始终对进口水流的阻碍，最大压强区基本保持在薄板表面的中心区域，且向边缘递减。此外还可以看到，随着时间的推移，在进口与管壁相接拐角处逐渐形成负压区，并且负压区范围逐渐变大。其原因是在此处出现了速度漩涡，时间约久，速度漩涡越明显。通过图10可以明显看到速度漩涡的形成。（图片）
不同时刻流场压强云图 （图片） 4 结论
利用ANSYS Workbench中的流-固耦合模块可以很方便的进行具有固定约束端的板壳结构的耦合分析。但是当结构在流体载荷的冲击作用下出现较大的刚性位移以及较大的变形时，ANSYS静力学隐式分析方法就不适用于此类情况，改用显示动力分析模块LS-DYNA则可以较精确的模拟出结构的运动学过程以及应力分布情况。本文利用大型通用有限元分析软件ANSYS中的显示动力分析模块LS-DYNA和流体分析模块FLUENT完成了流体冲击导致结构大位移以及较大变形的流-固耦合仿真分析。通过仿真结果与试验结果的对比表明，对于这类流-固耦合问题，显示动力分析模块可以很准确的模拟出结构的运动学和动力学响应。
9/22/2012
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