深入理解Abaqus渗流与流固耦合分析

(一)当进行渗流模拟时要注意：

1、由于Abaqus中缺乏非耦合的孔压单元，这时可采用耦合单元，但要约束住所有位移的自由度。

2、渗流材料参数选择。在CAE中都是(Material-creat-other-porefluid)选项中。

1)Gel：定义凝胶微粒吸湿膨胀的发育过程，这在一般的岩土分析中应用不多。

2)Moistureswelling：定义由于吸湿饱和所引起的固体骨架体积膨胀(或负吸力引起的骨架收缩)。

3)Permeability：定义饱和介质的渗透系数，该渗透系数可以在type选项中定义为各向同性、正交各向异性和各向异性，并且可以根据VoidRatio定义为孔隙比的函数。在Suboptions中选择SaturationDependent参数来指定与饱和度相关性系数ks(s)，缺省设置为ks＝s3，而非饱和介质渗透系数k’=ksk。选择Velocitydependence参数可以激活Forchheimer定律，缺省的是Darcy定律。

4)PoreFluidExpansion：定义固体颗粒与流体体积热变化效应。

5)PorousBulkModuli：定义固体颗粒与流体体积模量。

6)Sorption：定义负孔隙压力与饱和度之间的相关性。当type=Absorption时，定义吸湿曲线，type=Exsorption时定义排水曲线。

3、载荷及边界条件

1)通过(Load-creat-step-fluid-surfaceporefluid)选项定义沿着单元表面的外法线方向的渗流速度vn，当考虑降雨影响时可采用此载荷。

2)边界条件(Boundarycondition-creat-other-porepressure)选项定义孔压边界条件，此时要先假定浸润面的位置，然后定义浸润面上的孔压为零，Abaqus会在后续的分析计算中自动计算出浸润面的位置。Abaqus默认的是不透水边界。

3)当渗流自由面遇到临空的自由排水面时，需要定义一个特殊的边界条件。此时可以通过在inp文件中加入*Flow或*Sflow来定义

二）流固耦合中的欧拉分析浅议

1、概述：

在传统的拉格朗日分析中，节点是由材料确定的，材料变形则单元也变形。拉格朗日单元通常是100%的单一材料，因此材料边界和单元边界是一致的。

相对的，在欧拉分析中，节点是空间固定的，单元不会发生变形，而材料在单元间流动。欧拉单元可能不会是100%的充满材料，很多情况下可能是部分的材料甚至是空的。因此，欧拉材料的边界必须在每个增量步中进行计算，通常和单元边界并不一致。欧拉网格通常是由简单的矩形单元组成，为材料提供流动和变形的空间。一旦欧拉材料移动到欧拉网格以外，它就不再参与到欧拉分析中了。

欧拉材料可以通过欧拉-拉格朗日接触（CEL）和拉格朗日单元联系起来。这个强健而易用通用接触特征能分析多场耦合仿真，比如；流固耦合问题。

2、应用：

欧拉分析在用于解决极端变形情况以及包含流体流动的情况很有效。在这些应用中，传统的拉格朗日单元变得极端扭曲而失去了原有的精度。液体晃动、气体流动、以及穿透问题都可以用欧拉分析有效的进行处理。CEL技术允许欧拉材料和传统的非线性拉格朗日分析联合使用。

3、欧拉体积分数（Eulerianvolumefraction）：

在Abaqus/Explicit中欧拉方法的实现是基于流体体积方法的。在这种方法中，材料在网格中流动的轨迹是通过计算每一个单元中的欧拉体积分数（EVF）来确定的。这个分数是这样定义的：如果一个材料完全充满了一个单元，它的体积分数便为1；如果一个单元中材料为空，它的体积分数便为0。欧拉单元可能同时包含对于一种的材料。如果一个单元中所有材料体积分数的总和小于1，这个单元的剩余部分自动被“虚”材料所占据。“虚”材料既没有质量也没有强度。

4、材料分界面：

一个单元中的每种欧拉材料的体积分数都会计算。在每个增量步中，用这些数据重建欧拉材料的边界。界面重建算法把一个单元中的材料边界近似为一个简单的小平面（欧拉方法只能用于三维单元）。这个假定提供了一个简单的、近似的材料面，这个材料面可能在相邻的单元间不连续。因此，单元中精确的材料位置可能只存在于简单的几何中，因此良好的网格在大多数欧拉分析中是必须的。

5、欧拉截面定义：

一个欧拉截面的定义包括所有可能进入到欧拉单元中的材料的清单。“虚”材料自动的包括在这个清单中。材料清单中可以任意设置材料实例的名称。材料实例名称是唯一的，但是同一材料你可以多次使用。重复性的材料是游泳的，比如，在一个混合仿真中，一个运动的材料的分界面的计算：容器中的水可以被分开定义，材料实例“water_left”和“water_right”，这样材料的分界面的变化就可以仿真出来了。默认的，所有的欧拉单元初始都被充满了“虚”材料，忽视截面的指定。你应该使用“initial condition”把非虚的材料放进你的欧拉单元中。

6、欧拉单元变形：

欧拉时间增量算法是基于控制方程的算子平衡的，传统的拉格朗日分析阶段后接着是欧拉分析阶段。这个过程可以概括为“拉格朗日分析+重划分”。在拉格朗日阶段，节点暂时的和材料固定，单元随着材料的变形而变形。在欧拉阶段，变形被缓和，有明显变形的单元会自动的重划分，相应相邻单元间的材料流动被计算。在每个时间增量步的拉格朗日阶段，一个公差被用于确定单元是否明显变形。

7、初始条件：Initialconditions

您可以用和拉格朗日节点和单元一样的方法为欧拉节点和单元定义初始条件。初始应力场，温度，和速度都是普遍的例子。另外，大多数欧拉分析都要求欧拉材料的初始化。默认的，所有的欧拉单元都是初始被定义为“虚”材料。您可以用初始条件定义，来为欧拉单元充满一种或多种材料（在欧拉截面中定义的材料清单）。通过选择性的填满材料，您可以创建每种欧拉材料的初始形状。

为了填满一个欧拉单元，你应该为每一个有用的材料实例定义初始体积分数。材料被填充知道体积分数达到1为止，剩余材料被忽略。初始条件定义只在分析开始进行；在分析中，材料变形是根据定义的载荷，体积分数被重新计算。

文件输入格式：*INITIALCONDITIONS,TYPE=VOLUMEFRACTION

Abaqus/CAE：Load模块：CreatePredefinedField->

Step:Initial->Category:Other->MaterialAssignment

8、边界条件：

默认的，欧拉材料可以自由的通过单元边界流入和流出欧拉区域。您可以约束欧拉节点的自由度来限制材料的流动。举个例子，您可以定义可流动的“粘性”或“滑动”墙限制边界的法向和切向移动（这段话不是很理解）。欧拉节点在欧拉分析阶段中会自动配置位置，因此您不能为它们指定位移自由度。（不能约束位移）您可以为欧拉节点加载预定义的速度或者加速度条件来控制材料的流动。预定义的速度或者加速度将在欧拉分析阶段中起作用，因此材料经过这些欧拉节点时速度或者加速度将会达到您给定的预定义值。如果，材料的速度直接指向欧拉单元边界的外层（无论是您指定的还是动态平衡的计算结果），材料都将流出欧拉区域。这部分流出的材料也就不再参与到仿真计算了，整体模型的质量和能量都会随之而减少了。（因此定义的时候要考虑到这点，欧拉区域要足够大哦） 同样滴，如果速度直接指向边界内，材料将会流进欧拉区域内。当材料通过边界面流入一个单元内，流入材料的目录和每种流入材料的状态等于当前存在于单元内的材料。举例说，如果一个边界单元包含60%的热水和40%的冷空气，而材料的分界面的法向平行于边界面，材料流进速度将是60%的热水和40%的热水的混合。这种情况下，整体模型的质量和能量将会增加哦。您也可以在欧拉区域边界上定义流入和流出条件。
 

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