利用Abaqus的CEL方法模拟水轮冲击

这篇文章介绍的内容是模仿USIM大神的公众号一个案例。

Part模块：

共3个零件，一个为欧拉体，一个为水管，一个为水轮。

水管进行了切分，方便划分六面体网格

   水管（透视）
 

对欧拉体进行切分，不仅是为了划分六面体网格，还是为了方便在后面定义水的初始流域。

   欧拉体
 

   水轮
 

Property模块：

共3个定义了三种材料，水轮为铝合金，水管为钢，欧拉体的材料为水，也可以将水轮与水管定义为刚体。水的材料属性在其它的CEL系列文章中已经介绍过了，不再啰嗦了。

Assembly模块：

为了能够看清楚装配图中模型的位置，把转配图透视处理，肉色的为欧拉体，绿色的为水管，红色的为水轮。

   有限元模型
 

Step模块：

Explicit显示动力学，分析时间为0.01s，CEL分析只能用于显示动力学。

   分析步
 

场输出与历史变量输出默认，场变量的默认输出中就有CEL分析的必要选项。

Interaction模块：

接触方式为通用接触（设置默认），接触属性为法向硬接触（Hard Contact），切向无摩擦接触（Frictionless）。

   通用接触
 

水轮的内表面Coupling到中心点上，方便后续施加边界条件。

   水轮的Coupling约束
 

施加重力，重力加速度为9810m/s2。

   定义重力加速度
 

约束水管端部的自由度，实际上实体单元只有3个自由度，约束前三个即可。

   水管的约束
 

约束水轮除了沿X轴转动外的5个自由度，因为要模拟水轮的转动。

   水轮的约束
 

设置水的速度为10000mm/s。水的速度载荷我只定义在了水初始流域的一个表面上，读者可自己尝试对水的全部初始流域定义速度载荷。

   定义水的速度
 

约束欧拉体的边界，即约束表面的Y方向不会有水流出。此处应注意定义欧拉体的边界条件时，只能用速度载荷约束自由度，不能用位移载荷。

定义初始水域，下图中紫色的部分为欧拉体的初始水域，水只能在这个欧拉体中流动，如果超出欧拉体，无法看到水的流动效果。紫色的区域需要在Part模块手动切分。

Mesh模块：

CEL分析只能用六面体网格，所以欧拉体只能划分为六面体网格，其它物体随意，其实六面体网格也不是很难画，懂得映射规则，然后把模型切分一下就可以。

Visualization模块：

在后处理中，把显示方式换为Part instances即可将显示方式变为模型本身的颜色，因为后处理默认显示的是云图。

然后勾选下图中的图标即可将显示方式切换成上述的状态。不要在选择那个云图的变形图标。

勾选EVF_VOID选项即可清楚的看清水的流动状态。但是从下图可以看出水在冲击水轮后，直接消失了，因为欧拉体的边界条件没有约束完全。

如下图所示，如果约束下图中圆柱表面的3个自由度，后处理会是不一样的现象。对这种柱状的表面添加自由度约束，个人认为应该用柱坐标系，但是不知道具体应该约束哪个方向，我尝试过约束V1的自由度，但是没有效果，索性就把三个自由度都约束了。

如下图所示，水在冲击水轮后，留在了欧拉体中。由于我电脑的配置不高，欧拉体画的网格比较少，所以水的流动效果不是很好看。读者可自行增大欧拉体的网格数量及分析时间。

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