ABAQUS在流固耦合领域的应用探索

针对ABAQUS有限元分析软件中的流固耦合功能，简述了其中理想气体状态方程的各参数含义以及流固耦合的分析要点。文章通过ABAQUS仿真分析和理论数值解的对比，证明了ABAQUS软件计算理想气体状态方程的可信性，最后介绍其在某型号弹上的分析应用。

随着有限元技术的发展和用户要求的提高，各大有限元软件都含有流固耦合模块，其主要用于液体、理想气体和JWL的模拟，本文着重介绍ABAQUS中理想气体状态方程的功能和应用。为了验证ABAQUS理想气体状态方程模拟气体压缩的正确性，首先利用其模拟简单的气体压缩过程，并获得该过程中气体的状态变化曲线（仿真曲线）；然后通过matlab求解该模型理论上的气体状态方程，并在Matlab上获得数值解（理论曲线）。将仿真曲线和理论曲线进行对比，发现二者非常吻合，证明了ABAQUS模拟理想气体状态的可信性。在此基础上，将其用在某型号弹上的流固耦合分析。

在设置模型过程中，活塞和气体之间的接触通过inp文件的关键字实现，经过实践证明，这样的定义方式可以有效避免气体的泄露。其定义过程为：

为气体分配材料属性

*Initial Conditions, type=VOLUME FRACTION

Set-inner-gas, gas-1.gas-inner, 1.

定义气体的欧拉接触面

*Surface, type=EULERIAN MATERIAL, name=inner-gassurface

gas-1.gas-inner

定义活塞和气体之间的接触

*Contact Inclusions

inner-gassurface,Surf-contact-huosai

通过仿真计算后，在压缩终结束时刻，气体的压强和温度如图3和图4所示。

结果对比
 

采集967号节点的压强和温度，并绘制曲线（仿真曲线）。结合式（3）、（4）、（5）、（6），利用Matlab软件绘制出压强增量和气体温度与h之间的曲线（理论曲线）。将ABAQUS的仿真结果和理论计算结果进行对比，二者变化曲线如图5和图6所示。

图5和图6中蓝线表示的是用气体状态方程计算的气体参数曲线，红线表示的是ABAQUS有限元软件仿真模拟的参数曲线，从图可以看出，两条曲线基本是重合的，因此ABAQUS有限元软件在模拟理想气体状态方面具有非常大的可靠性。

流固耦合的应用
   

某型号弹的结构如图7所示，它有弹筒、弹头和筒盖组成，筒内密封有空气。筒盖的材料是一种脆性塑料，弹筒和弹头认为是刚体。当弹头压缩前面的空气并达到一定的气压时，筒盖就会破裂。利用ABAQUS的流固耦合模块，计算出弹头移动多少距离时，筒盖会破损。

结论
   

通过计算比较，ABAQUS有限元软件在模拟理想气体状态方程上，有着很高的可信度，它的模拟结果和理论上的状态方程基本重合。因此在实际操作中，结合材料的变形和失效，它可以模拟多种情况下的流固耦合问题。但是，在流固耦合分析中，应尽量细化网格，否则不能真实的模拟由于边界的变形而导致气体形状的改变。

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