Fluent小学生学习笔记（一）: udf——DEFINE_SDOF_PROPERTIES入门

写在前言，此文章本意用于学习过程中的自我回顾及参考记录，本文章内容主要来源于ANSYS FLUENT 官方帮助文档，网络资料及部分使用过程中自己的理解。由于鄙人涉世未深，学历低下，资质愚钝，内容若有不对之处，请大家批评指正。

6dof模型用于指定物体被动运动，DEFINE_SDOF_PROPERTIES可为求解器指定对象的六自由度属性 。包括质量及惯性张量 ，以及外力和力矩的性质。

DEFINE_SDOF_PROPERTIES (name, properties, dt, time, dtime)

DEFINE_SDOF_PROPERTIES有四个参数:name、properties、dt和dtime。用户可以指定udf名称，属性、dt和dtime是由ANSYS Fluent求解器传递给UDF 的变量。用户可以为传递给求解器的属性数组指针指定如下所示的任意6dof特性值：

SDOF_MASS /* 质量 kg */

SDOF_IXX, /* 转动惯量 kgm2 */

SDOF_IYY, /* 转动惯量 kg m2 */

SDOF_IZZ, /*转动惯量 kg m2 */

SDOF_IXY, /* 惯性积kg m2 */

SDOF_IXZ, /* 惯性积kg m2 */

SDOF_IYZ, /* 惯性积kg m2 */

SDOF_LOAD_LOCAL, /* boolean */ 不清楚干啥的，欢迎解答

SDOF_LOAD_F_X, /*外力N */

SDOF_LOAD_F_Y, /* 外力 N*/

SDOF_LOAD_F_Z, /* 外力N */

SDOF_LOAD_M_X, /* 外力矩N M */

SDOF_LOAD_M_Y, /* 外力矩N M*/

SDOF_LOAD_M_Z, /* 外力矩N M*/

SDOF_ZERO_TRANS_X, /* 约束X方向平移 */

SDOF_ZERO_TRANS_Y, /* 约束Y方向平移 */

SDOF_ZERO_TRANS_Z, /* 约束Z方向平移 */

SDOF_ZERO_ROT_X, /* 约束绕X轴转动 */

SDOF_ZERO_ROT_Y, /* 约束绕Y轴转动*/

SDOF_ZERO_ROT_Z, /* 约束绕Z轴转动 */

SDOF_SYMMETRY_X, /* 对称模型对称面法向向量*/没用过，理解不透

SDOF_SYMMETRY_Y, /* 对称模型对称面法向向量*/

SDOF_SYMMETRY_Z, /* 对称模型对称面法向向量 */

例：

#include "udf.h"

DEFINE_SDOF_PROPERTIES(delta_missile, prop, dt, time, dtime)
 /* 指定6dof特性 */
{
   prop[SDOF_MASS]       = 907.185;
   prop[SDOF_IXX]        = 27.116;
   prop[SDOF_IYY]        = 488.094;
   prop[SDOF_IZZ]        = 488.094;


   {
     register real dfront = fabs (DT_CG (dt)[2] - (0.179832*DT_THETA (dt)[1]));
     register real dback  = fabs (DT_CG (dt)[2] + (0.329184*DT_THETA (dt)[1]));
/*定义实值dfront、dback,fabs函数取DT_CG重心z做表的绝对值，后面的DT_THETA（dt）[1]我认为是取得刚体y轴的方向矢量，但
如如此理解的话，0.179832*DT_THETA（dt）[1]应如何理解？翻阅了很多资料，都没有得到清楚的解释，此处暂放。如果有懂的大牛，欢迎讲解*/

     if (dfront <= 0.100584)
       {
         prop[SDOF_LOAD_F_Z] = 10676.0;
         prop[SDOF_LOAD_M_Y] = -1920.0;
       }

     if (dback <= 0.100584)
       {
         prop[SDOF_LOAD_F_Z] += 42703.0;
         prop[SDOF_LOAD_M_Y] += 14057.0;
       }
   /*判断语句，指定的dfront和dback达到设定条件后，即施加外力、力矩 */
   }

   printf ("\ndelta_missile: updated 6DOF properties"); /*输出6dof运动轨迹 */
}

tips：1.6dof特性可通过udf指定，较新版本中也可通过gui界面指定，但gui界面指定灵活性较差。

2.6dof特性只能通过udf或gui界面中的一种指定，二者不可兼容。

3.6dof模型只需制定初始位置的刚体重心，刚体速度，刚体方位角，刚体角速度等，开始计算后刚体重心和方位角数据会由软件中自动追踪并更新。

讨论：1.一般情况下，6dof模型所设置重心为真实重心，刚体运动将绕该点进行，此时惯性张量一般只存在于Ixx、Iyy及Izz方向，其他似乎均为零。简单回顾相关力学课程内容，认为也应如此。

2.特殊运动，如6dof下的单摆运动，旋转中心与重心并不重合。该情况下，凭借臆测，未经证实，我认为有两种处理方法，简述如下：

1）该方法由网上案例教程在半睡半醒状态下推理并胡乱理解得到。在6dof gui设置页面中，重心位置指定为所期望的单摆旋转中心。此时，重心≠真实的重心。但转动惯量仍可按照真实重心计算得到的转动惯量定义，但需通过UDF应用CG_DISTANCE宏指定重心与旋转中心距离，并结合Gui界面中刚体方位角参数，以及转轴偏心带来的额外重力矩，由Fluent重新求解转动情况。网上案例及所用udf如下：

#include "udf.h"

#define CG_DISTANCE 0.5

DEFINE_SDOF_PROPERTIES(flap, prop, dt, time, dtime)
{
	prop[SDOF_MASS] = 828.47;
	prop[SDOF_IZZ]  = 310.5;
  prop[SDOF_IXX]  = 306.36;
  prop[SDOF_IYY]  = 4.1328;
  prop[SDOF_IXY]  = 0.0;
  prop[SDOF_IYZ]  = 0.0;
  prop[SDOF_IXZ]  = 0.0;
	prop[SDOF_ZERO_TRANS_X] = TRUE; 
	prop[SDOF_ZERO_TRANS_Y] = TRUE;
	prop[SDOF_ZERO_TRANS_Z] = TRUE;
	prop[SDOF_ZERO_ROT_X]   = TRUE;
	prop[SDOF_ZERO_ROT_Y]   = TRUE;
	prop[SDOF_ZERO_ROT_Z]   = FALSE;
	prop[SDOF_LOAD_M_Z] = -9.81 * 0.5 * sin(DT_THETA(dt)[2]) * 828.47;
}

2）第二种方案是我自己的理解，这种情况下，可以通过建模软件直接将重心指定在期望的旋转中心上，得到一组新的惯性张量用于6dof特性定义。然后，仍在Gui界面中设定所期望的旋转中心为重心，并指定初始的刚体方位等参数。但无需在udf中通过 CG_DISTANCE指定重心和旋转中心的距离，且无需并添加由于旋转偏心产生的额外的重力矩问题。

随笔写此，日后领悟加深后再行补充修改。