Abaqus流体腔体与压力模拟——以气球为例

经常有朋友问我，Abaqus中模拟气球膨胀用fluid cavity和pressure是不是一样的？这里我们先了解下fluid cavity是用来模拟什么的。在help文档，对于fluid cavity是这么描述的：基于表面的流体腔：
 

可用于对液体或气体填充结构进行建模；与称为腔参考节点的节点关联；通过指定一个完全包围空腔的表面来定义；仅适用于特定腔中流体的压力和温度在任何时间点均一的情况；可以在绝热条件下使用理想气体混合物的假设来对安全气囊进行建模。

由以上描述，大概可以知道这是一种模拟气体或液体填充结构的建模方法，需要注意的是，这里的腔体内部是通过一个点和内腔表面进行关联的，这个点就表示了腔体内的压强和温度，所以它只能模拟腔体内压强和温度均一的腔体，因此这是一种简化模型。

另外，它可以用来模拟气体腔的膨胀行为及气囊的充气膨胀过程。那么，在采用fluid cavity模拟气球膨胀和直接在气球表面通过加内压里实现膨胀是否一样呢？理论上来说，气球膨胀最终都是因为内部压力增加，也就是气球内表面的压力增大，这么说来，直接在气球表面施加压力载荷不是应该一样的吗？分析的没错，那么就让我们建个简单模型测试一下吧。

图1 几何模型

如图一所示，通过旋转建立3D面体，表示气球。材料采用超弹性材料Mooney-Rivillin模型，参数如2图（仅作演示，不表示任何真实材料）。采用壳单元，厚度2mm，赋予截面属性，然后建立static分析步，开启大变形，设置增量步如图3，这就是要分析的模型了。

图2 材料属性

图3 分析步定义

接下来，我们先试试fluid cavity方法。建立坐标位于腔体内部的参考点，创建腔体内表面的surface，用于创建fluid cavity。创建Fluid cavity属性，流体可以是气体或液体，这里用气体，需要定义摩尔分子量。然后创建fluid cavity，选择参考和之前创建的面。在boundary condition定义fluid cavity压力，如图4所示。约束气球末端，划分网格后，提交计算。

图4 fluid cavity压力设置

图5 pressure载荷设置

第二种直接施加pressure，作用域内表面，同样约束末端，画分网格后进行计算。

接下来对比下两种方法的计算结果，如图6，7，8所示，分别壁厚，应力，位移云图，左侧为fluid cavity计算结果，右侧为加载pressure计算结果。可见，两者是完全一样的，与之前的分析吻合。当然fluid cavity有其它的好处，比如可以直接输出腔内压强，温度，体积等随时间的变化。当内部压力变化不确定时，就无法用pressure来做了。

图6  厚度分布云图

图7 应力云图

图8 位移云图

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