ABAQUS流固耦合模拟分析的可信度探讨

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，将其用在某产品上的流固耦合分析。

1、理想气体方程的参数含义在ABAQUS 有限元分析软件中，气体压缩方程为：

其中：Δp：气体压强的增量，初始增量为零，ODB文件输出的压强 pD

Pa：初始的气体压强，标准大气压为Pa a p 5 1.01310 ´

ρ：气体密度，这里设为r3 1.17/ kg m

R：气体常数，这里为287 R

θ：气体温度，初始温度设为20℃，ODB 文件输出的温度 q

θz：绝对温度的零值，这里为-273℃ z q

在分析时，需要在定义系统的绝对零度值，如图1 所示

2、ABAQUS仿真建立

如图2所示的装配图，气体在一个封闭的环境内受到活塞的压缩。假设整个过程没有任何能量的损失，及活塞气体和活塞之间没有热传递，且活塞以一定的速度向前运动。

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 FRACTIONSet-inner-gas, gas-1.gas-inner, 1.******************定义气体的欧拉接触面*********************Surface, type=EULERIAN MATERIAL, name=inner-gassurfacegas-1.gas-inner******************定义活塞和气体之间的接触*******************Contact Inclusionsinner-gassurface,Surf-contact-huosai***************************************************通过仿真计算后，在压缩结束时刻，气体的压强和温度如图3和图4所示。

3、理论计算

上节模拟的气体压缩过程是一个“等熵过程”它的气体状态参数关系为：

其中k 为等熵指数，这里取k=1.4，T 为绝对温度k。如图2 所示，气体在初始状下体积 V=571171mm3，，活塞投影面S=1698mm²，，代入式（2）后气体压缩理论方程为

；

4、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Δp和气体温度θ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。

5、流固耦合的应用

某产品的结构如图7 所示，它有筒体、活塞头和筒盖组成，筒内密封有空气。筒盖的材料是一种脆性塑料，筒体和活塞头认为是刚体。当活塞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，计算出活塞头移动多少距离时，筒盖会破损。

脆性材料采用Brittle Cracking的失效准则，模拟出筒盖破损的状态如图8所示。

6、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。

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删