Optistruct流固耦合分析（一）

流固耦合是指结构在流体载荷作用下会产生变形或运动，而结构的变形和运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小。海洋中的钻井平台、飞机机翼的颤振、大桥在风中的振动都属于流固耦合现象。流固耦合按其耦合的强弱程度又可分为单向耦合和双向耦合。当结构体在流体的作用下变形不大，对流场的影响非常有限时，可只考虑流体对结构的影响，即将流体压力作为外载施加到结构上，忽略结构变形对流场的影响;当结构变形较大时，需要实时更新流体边界得到更新后的表面压力并施加于结构上。

流固耦合的本质决定了该现象的仿真不能单独在流体仿真软件或结构仿真软件中完成，而需要联合流体仿真软件及结构仿真软件。HyperWorks平台上提供了流体仿真软件 AcuSolve 及结构仿真软件 OptiStruct，两者之间可实时通信，进行双向耦合求解。

OptiStruct与AcuSolve的联合求解主要应用于瞬态流固耦合分析，其求解功能如下

1）流固耦合下的结构强度、刚度及流场分析。其中的结构求解采用非线性瞬态分析。

2）流固耦合下的热传导问题。其中，结构-热采用线性热传导分析，不包含由于热导致的结构应力。当前不支持结构-热-流体三者的耦合分析。

本节主要阐述结构-流体的瞬态双向耦合分析。

模型的拆分

在流固耦合分析中，需要将一个物理模型拆分为结构仿真模型和流体仿真模型。以风洞中的高层建筑为例，如图28-36所示，需要建立两个模型，一个为高层建筑的结构模型，另一个为以高层建筑边界作为流体边界的流体模型。在进行流固耦合分析前，可分别建模，让这两个模型独立成功运行。

图28-36 流固耦合模型拆分

OptiStruct 结构模型设置

在已有的可独立求解的 OptiStruct模型基础上，需要添加流固耦合的交界面、时间步及OptiStruct与AcuSolve 的数据传输、数据交换设置。

（1）交界面设置

流固耦合通过交界面传递压力、位移，在OptiStruct中可创建接触面，在FSI卡片上的 SURFID引用该接触面即可。需要指出的是，AcuSolve中的交界面位置与OptiStruct中的交界面位置必须相同，但允许有小的位置误差。AcuSolve前处理会检查两个交界面的位置，并给出位置误差信息，详见27.3.3节。AcuSolve中的交界面与OptiStruct中的交界面网格可以不同，交界面上的位移及压力结果会自动映射。

（2）时间步设置

在流固耦合分析中，OptiStruct及AcuSolve 必须使用固定的时间步，且两者必须使用相同的时间步长，总的仿真时间必须相同。OptiStruct瞬态非线性分析的总时间可通过TSTEP卡片上的Ni·DT得到，也可通过NLPARM卡片上的TTERM进行设置，如果两者都定义了，后者会覆盖前者。OptiStruct 默认会对流固耦合分析采用固定的时间步，不需要额外的设置。时间步可在NLPARM卡片上的 DT 字段进行设置。

（3）数据传输、数据交换OptiStruct模型及 AcuSolve模型可在同一台机器上计算，也可在不同机器上计算。当两者不在同一台机器上计算时，应确保两台机器的网络连接保持畅通。Acusolve和OptiStruct 之间通过 Socket通信，OptiStruct端需要通过FSI卡片的 PORT字段设置通信端口号，AcuSolve 端需要设置 OptiStruct计算的服务器地址及端口号。

在流固耦合分析中，整个时间域被分为多个增量步，每个增量步的收敛又需要很多迭代步，流固耦合在迭代步交换数据，FSI卡片上的MINEX及MAXEX可设置一个增量步内的最大、最小数据交换次数。流固耦合分析中，交界面上会交换位移、压力，当位移、压力在两次交换中的变化很小时，可认为计算已经收敛，可进行下一个增量步的计算。FSI卡片上的FCNVTOL、DCNVTOL字段可设置力及位移的收敛准则。

当 Optistruct完成模型的预处理后，需要AcuSolve来初始化 SOCKET，FSI卡片上的 WAITTIME可设置等待时间，在这个时间内AcuSolve初始化成功，则 OptiStruct 进行下面的计算，否则退出。在两者连接成功后，WAITTIME就不再起作用。整个过程如图28-37所示流固耦合关键卡片FSI定义见表28-5，卡片说明见表28-6。

表28-5 FSI卡片定义

图 28-37流固耦合分析流程

表28-6 FSI卡片说明

本篇内容取自HyperWorks进阶教程系列的《OptiStruct结构分析与工程应用》，版权归原作者所有，如有侵犯您的权益，请及时联系我们，我们将立即删除。