Abaqus滲流及流固耦合分析的認識

(一)當(dāng)進行滲流模擬時要注意:

1、由于Abaqus中缺乏非耦合的孔壓單元,這時可采用耦合單元,但要約束住所有位移的自由度。

2、滲流材料參數(shù)選擇。在CAE中都是(Material-creat-other-porefluid)選項中。

(1)Gel:定義凝膠微粒吸濕膨脹的發(fā)育過程,這在一般的巖土分析中應(yīng)用不多。

(2)Moistureswelling:定義由于吸濕飽和所引起的固體骨架體積膨脹(或負吸力引起的骨架收縮)。

(3)Permeability:定義飽和介質(zhì)的滲透系數(shù),該滲透系數(shù)可以在type選項中定義為各向同性、正交各向異性和各向異性,并且可以根據(jù)VoidRatio定義為孔隙比的函數(shù)。在Suboptions中選擇SaturationDependent參數(shù)來指定與飽和度相關(guān)性系數(shù)ks(s),缺省設(shè)置為ks=s3,而非飽和介質(zhì)滲透系數(shù)k’=ksk。選擇Velocitydependence參數(shù)可以激活Forchheimer定律,缺省的是Darcy定律。

(4)PoreFluidExpansion:定義固體顆粒與流體體積熱變化效應(yīng)。

(5)PorousBulkModuli:定義固體顆粒與流體體積模量。

(6)Sorption:定義負孔隙壓力與飽和度之間的相關(guān)性。當(dāng)type=Absorption時,定義吸濕曲線,type=Exsorption時定義排水曲線。

3、載荷及邊界條件

(1)通過(Load-creat-step-fluid-surfaceporefluid)選項定義沿著單元表面的外法線方向的滲流速度vn,當(dāng)考慮降雨影響時可采用此載荷。

(2)邊界條件(Boundarycondition-creat-other-porepressure)選項定義孔壓邊界條件,此時要先假定浸潤面的位置,然后定義浸潤面上的孔壓為零,Abaqus會在后續(xù)的分析計算中自動計算出浸潤面的位置。Abaqus默認的是不透水邊界。

(3)當(dāng)滲流自由面遇到臨空的自由排水面時,需要定義一個特殊的邊界條件。此時可以通過在inp文件中加入*Flow或*Sflow來定義

(二)流固耦合中的歐拉分析淺議

1、概述:

在傳統(tǒng)的拉格朗日分析中,節(jié)點是由材料確定的,材料變形則單元也變形。拉格朗日單元通常是100%的單一材料,因此材料邊界和單元邊界是一致的。

相對的,在歐拉分析中,節(jié)點是空間固定的,單元不會發(fā)生變形,而材料在單元間流動。歐拉單元可能不會是100%的充滿材料,很多情況下可能是部分的材料甚至是空的。因此,歐拉材料的邊界必須在每個增量步中進行計算,通常和單元邊界并不一致。歐拉網(wǎng)格通常是由簡單的矩形單元組成,為材料提供流動和變形的空間。一旦歐拉材料移動到歐拉網(wǎng)格以外,它就不再參與到歐拉分析中了。

歐拉材料可以通過歐拉-拉格朗日接觸(CEL)和拉格朗日單元聯(lián)系起來。這個強健而易用通用接觸特征能分析多場耦合仿真,比如;流固耦合問題。

2、應(yīng)用:

歐拉分析在用于解決極端變形情況以及包含流體流動的情況很有效。在這些應(yīng)用中,傳統(tǒng)的拉格朗日單元變得極端扭曲而失去了原有的精度。液體晃動、氣體流動、以及穿透問題都可以用歐拉分析有效的進行處理。CEL技術(shù)允許歐拉材料和傳統(tǒng)的非線性拉格朗日分析聯(lián)合使用。

3、歐拉體積分數(shù)(Eulerianvolumefraction):

在Abaqus/Explicit中歐拉方法的實現(xiàn)是基于流體體積方法的。在這種方法中,材料在網(wǎng)格中流動的軌跡是通過計算每一個單元中的歐拉體積分數(shù)(EVF)來確定的。這個分數(shù)是這樣定義的:如果一個材料完全充滿了一個單元,它的體積分數(shù)便為1;如果一個單元中材料為空,它的體積分數(shù)便為0。歐拉單元可能同時包含對于一種的材料。如果一個單元中所有材料體積分數(shù)的總和小于1,這個單元的剩余部分自動被“虛”材料所占據(jù)?!疤摗辈牧霞葲]有質(zhì)量也沒有強度。

4、材料分界面:

一個單元中的每種歐拉材料的體積分數(shù)都會計算。在每個增量步中,用這些數(shù)據(jù)重建歐拉材料的邊界。界面重建算法把一個單元中的材料邊界近似為一個簡單的小平面(歐拉方法只能用于三維單元)。這個假定提供了一個簡單的、近似的材料面,這個材料面可能在相鄰的單元間不連續(xù)。因此,單元中精確的材料位置可能只存在于簡單的幾何中,因此良好的網(wǎng)格在大多數(shù)歐拉分析中是必須的。

5、歐拉截面定義:

一個歐拉截面的定義包括所有可能進入到歐拉單元中的材料的清單?!疤摗辈牧献詣拥陌ㄔ谶@個清單中。材料清單中可以任意設(shè)置材料實例的名稱。材料實例名稱是唯一的,但是同一材料你可以多次使用。重復(fù)性的材料是游泳的,比如,在一個混合仿真中,一個運動的材料的分界面的計算:容器中的水可以被分開定義,材料實例“water_left”和“water_right”,這樣材料的分界面的變化就可以仿真出來了。默認的,所有的歐拉單元初始都被充滿了“虛”材料,忽視截面的指定。你應(yīng)該使用“initial condition”把非虛的材料放進你的歐拉單元中。

6、歐拉單元變形:

歐拉時間增量算法是基于控制方程的算子平衡的,傳統(tǒng)的拉格朗日分析階段后接著是歐拉分析階段。這個過程可以概括為“拉格朗日分析重劃分”。在拉格朗日階段,節(jié)點暫時的和材料固定,單元隨著材料的變形而變形。在歐拉階段,變形被緩和,有明顯變形的單元會自動的重劃分,相應(yīng)相鄰單元間的材料流動被計算。在每個時間增量步的拉格朗日階段,一個公差被用于確定單元是否明顯變形。

7、初始條件:Initialconditions

您可以用和拉格朗日節(jié)點和單元一樣的方法為歐拉節(jié)點和單元定義初始條件。初始應(yīng)力場,溫度,和速度都是普遍的例子。另外,大多數(shù)歐拉分析都要求歐拉材料的初始化。默認的,所有的歐拉單元都是初始被定義為“虛”材料。您可以用初始條件定義,來為歐拉單元充滿一種或多種材料(在歐拉截面中定義的材料清單)。通過選擇性的填滿材料,您可以創(chuàng)建每種歐拉材料的初始形狀。

為了填滿一個歐拉單元,你應(yīng)該為每一個有用的材料實例定義初始體積分數(shù)。材料被填充知道體積分數(shù)達到1為止,剩余材料被忽略。初始條件定義只在分析開始進行;在分析中,材料變形是根據(jù)定義的載荷,體積分數(shù)被重新計算。

文件輸入格式:*INITIALCONDITIONS,TYPE=VOLUMEFRACTION

Abaqus/CAE:Load模塊:CreatePredefinedField->

Step:Initial->Category:Other->MaterialAssignment

8、邊界條件:

默認的,歐拉材料可以自由的通過單元邊界流入和流出歐拉區(qū)域。您可以約束歐拉節(jié)點的自由度來限制材料的流動。舉個例子,您可以定義可流動的“粘性”或“滑動”墻限制邊界的法向和切向移動(這段話不是很理解)。歐拉節(jié)點在歐拉分析階段中會自動配置位置,因此您不能為它們指定位移自由度。(不能約束位移)您可以為歐拉節(jié)點加載預(yù)定義的速度或者加速度條件來控制材料的流動。預(yù)定義的速度或者加速度將在歐拉分析階段中起作用,因此材料經(jīng)過這些歐拉節(jié)點時速度或者加速度將會達到您給定的預(yù)定義值。如果,材料的速度直接指向歐拉單元邊界的外層(無論是您指定的還是動態(tài)平衡的計算結(jié)果),材料都將流出歐拉區(qū)域。這部分流出的材料也就不再參與到仿真計算了,整體模型的質(zhì)量和能量都會隨之而減少了。(因此定義的時候要考慮到這點,歐拉區(qū)域要足夠大哦)

同樣滴,如果速度直接指向邊界內(nèi),材料將會流進歐拉區(qū)域內(nèi)。當(dāng)材料通過邊界面流入一個單元內(nèi),流入材料的目錄和每種流入材料的狀態(tài)等于當(dāng)前存在于單元內(nèi)的材料。舉例說,如果一個邊界單元包含60%的熱水和40%的冷空氣,而材料的分界面的法向平行于邊界面,材料流進速度將是60%的熱水和40%的熱水的混合。

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