ABAQUS 流固耦合模擬分析是否可信？
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2020-07-15 15:34:35
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隨著有限元技術(shù)的發(fā)展和用戶要求的提高，各大有限元軟件都含有流固耦合模塊，其主要用于液體、理想氣體和JWL 的模擬，本文著重介紹ABAQUS 中理想氣體狀態(tài)方程的功能和應(yīng)用。
為了驗(yàn)證ABAQUS 理想氣體狀態(tài)方程模擬氣體壓縮的正確性，首先利用其模擬簡(jiǎn)單的氣體壓縮過程，并獲得該過程中氣體的狀態(tài)變化曲線（仿真曲線）；然后通過Matlab 求解該模型理論上的氣體狀態(tài)方程，并獲得數(shù)值解（理論曲線）。將仿真曲線和理論曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者非常吻合，證明了ABAQUS 模擬理想氣體狀態(tài)的可信性。在此基礎(chǔ)上，將其用在某產(chǎn)品上的流固耦合分析。
在ABAQUS 有限元分析軟件中，氣體壓縮方程為：其中：Δp：氣體壓強(qiáng)的增量，初始增量為零，ODB文件輸出的壓強(qiáng) pDPa：初始的氣體壓強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為Pa a p 5 1.01310 ′ρ：氣體密度，這里設(shè)為r3 1.17/ kg mθ：氣體溫度，初始溫度設(shè)為20℃，ODB 文件輸出的溫度 qθz：絕對(duì)溫度的零值，這里為-273℃ z q在分析時(shí)，需要在定義系統(tǒng)的絕對(duì)零度值，如圖1 所示建立如圖2所示的裝配圖，氣體在一個(gè)封閉的環(huán)境內(nèi)受到活塞的壓縮。假設(shè)整個(gè)過程沒有任何能量的損失，及活塞氣體和活塞之間沒有熱傳遞，且活塞以一定的速度向前運(yùn)動(dòng)。在設(shè)置模型過程中，活塞和氣體之間的接觸通過inp文件的關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過實(shí)踐證明，這樣的定義方式可以有效避免氣體的泄露。其定義過程為：*******************為氣體分配材料屬性***********************Initial Conditions, type=VOLUME FRACTIONSet-inner-gas, gas-1.gas-inner, 1.******************定義氣體的歐拉接觸面*********************Surface, type=EULERIAN MATERIAL, name=inner-gassurface******************定義活塞和氣體之間的接觸******************inner-gassurface,Surf-contact-huosai***************************************************通過仿真計(jì)算后，在壓縮結(jié)束時(shí)刻，氣體的壓強(qiáng)和溫度如圖3和圖4所示。
上節(jié)模擬的氣體壓縮過程是一個(gè)“等熵過程”它的氣體狀態(tài)參數(shù)關(guān)系為：其中k 為等熵指數(shù)，這里取k=1.4，T 為絕對(duì)溫度k。如圖2 所示，氣體在初始狀下體積
，活塞投影面
，代入式（2）后氣體壓縮理論方程為采集967 號(hào)節(jié)點(diǎn)的壓強(qiáng)和溫度，并繪制曲線（仿真曲線）。結(jié)合式（3）、（4）、（5）、（6），利用 Matlab 軟件繪制出壓強(qiáng)增量Δp和氣體溫度θ與h之間的曲線（理論曲線）。將ABAQUS 的仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者變化曲線如圖5 和圖6 所示。
圖5 和圖6 中藍(lán)線表示的是用氣體狀態(tài)方程計(jì)算的氣體參數(shù)曲線，紅線表示的是ABAQUS 有限元軟件仿真模擬的參數(shù)曲線，從圖可以看出，兩條曲線基本是重合的，因此ABAQUS 有限元軟件在模擬理想氣體狀態(tài)方面具有非常大的可靠性。
某產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)如圖7 所示，它有筒體、活塞頭和筒蓋組成，筒內(nèi)密封有空氣。筒蓋的材料是一種脆性塑料，筒體和活塞頭認(rèn)為是剛體。當(dāng)活塞頭壓縮前面的空氣并達(dá)到一定的氣壓時(shí)，筒蓋就會(huì)破裂。利用ABAQUS的流固耦合模塊，計(jì)算出活塞頭移動(dòng)多少距離時(shí)，筒蓋會(huì)破損。
脆性材料采用Brittle Cracking的失效準(zhǔn)則，模擬出筒蓋破損的狀態(tài)如圖8所示。
通過計(jì)算比較，ABAQUS有限元軟件在模擬理想氣體狀態(tài)方程上，有著很高的可信度，它的模擬結(jié)果和理論上的狀態(tài)方程基本重合。因此在實(shí)際操作中，結(jié)合材料的變形和失效，它可以模擬多種情況下的流固耦合問題。但是，在流固耦合分析中，應(yīng)盡量細(xì)化網(wǎng)格，否則不能真實(shí)的模擬由于邊界的變形而導(dǎo)致氣體形狀的改變。
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