ANSYS流固耦合分析与工程实例

基于ANSYS 12.0平台，深入解析流固耦合分析实例

多年ANSYS实际科研与工程经验的总结

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经过几十年的发展，计算机数值分析已经逐渐从科学研究领域走进工业应用领域。其中，作为计算机数值分析中的两个重要分支，计算固体分析和计算流体分析逐渐完善和成熟，目前已经广泛地应用于机械、航空、造船、建筑、电子等各种行业。全国各大高校相关专业也都陆续开设了有关结构分析和流体分析的专业课程，如有限元法（FEM）、计算流体力学（CFD）等。

随着理论和应用的不断发展和融合，一种古老而又全新的分析方法——流固耦合分析，逐渐走进了广大研究人员和工程师的视野。流固耦合分析（Fluid - Structure Interaction Analysis）是流体分析与固体分析交叉耦合而生成的分析方法，它是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门分析方法。在某些特定研究和分析中，由于涉及的固体变形和流场变化都不能忽视，流固耦合分析便显得极为重要和不可缺少。

作为世界著名的通用仿真分析软件，ANSYS很早便开始流固耦合分析方面的研究和应用。其先后并购和组合了流体仿真中的著名软件CFX和FLUENT，使得新开发的ANSYS Workbench有能力在不需要第三方软件的情况下，实现单向和双向的流固耦合分析。大量的流固耦合分析研究和应用已经证明，通过ANSYS Workbench进行流固耦合分析操作简单、计算迅速、结果可靠。

尽管如此，辅助和培训教材的缺失仍然极大地制约着初学者对流固耦合分析的学习、掌握和使用。即使非常精通结构分析和流体分析的研究人员和工程师也时而对流固耦合分析中的关键步骤一头雾水。本书不涉及系统理论以及具体算法的介绍，而是从实际应用角度出发，通过大量的工程分析实例，向读者细致地讲解流固耦合分析。全书共分5章，从基础开始讲解，层层深入到ANSYS单向流固耦合分析、双向流固耦合分析，以及动网格和网格重构技术。为了让读者能够更好地理解ANSYS流固耦合分析的工程应用，本书还详细讲解了4个工程实例。

第1章：流固耦合分析基础，主要介绍流固耦合的基本概念以及ANSYS流固耦合分析的基础知识。

第2章：单向流固耦合分析，主要讲解单向流固耦合分析的应用。

第3章：双向流固耦合分析，主要讲解双向流固耦合分析的应用。

第4章：CFX和FLUENT动网格分析，主要讲解大变形情况下的流体网格重构。

第5章：流固耦合工程实例，主要介绍4个实际工程项目中的流固耦合分析。

需要注意的是，本书中的实例都在ANSYS 12.1版本中完成。其中，大多数使用的是ANSYS Workbench平台，即在ANSYS Workbench中建立结构分析和流体分析系统的方法；少数例子使用CFX+ANSYS Workbench，或者FLUENT+ANSYS Workbench，或ICEM CFD+CFX/ FLUENT +ANSYS Workbench等组合软件。目前，ANSYS已有最新版本发布，经过验证，本书中所有例子在ANSYS最新版本上也运行良好，并不影响读者学习并参照这些实例来解决自己所遇到的工程问题。另外，为了最大限度地简化不必要过程和帮助读者多方面体验ANSYS的各种技巧，除了工程实例中的分析，其他分析演示中，很多方面如网格精度、边界条件、材料属性等的设置都与实际情况有所出入，读者可学习参考，但切不可直接拷贝应用。

本书特色

 贴近工程实际——本书的实例多从实际工程、科研项目中提炼出来，具有很强的参考价值，其中包括热应力、水压、旋转域turbo建模、周期边界、燃烧、热应力、血管壁耦合、模态分析、流体冲击、自由页面、结构振动、活动域、大变形Remesh、FLUENT Remesh 6 DOF等方面的技术或问题。

 配套模型文件下载——为了方便读者更有效地学习，本书还配套提供模型文件的下载，网址为http://www.waterpub.com.cn/softdown/及http://www.wsbookshow.com，这样读者学习起来效率更高。

致谢与分工

本书由宋学官、蔡林和张华编写，其中宋学官主要侧重于CFX模块的耦合分析，蔡林主要侧重于FLUENT模块的耦合分析，张华主要侧重于旋转机械部分的分析模拟。全书由宋学官统稿。

感谢成都道然科技有限责任公司为本书策划与质量控制所做的大量工作，同时感谢南京蓝深制泵集团股份有限公司给予的协助，感谢中国仿真互动网（www.Simwe.com）各位朋友的热情支持。在本书的编辑过程中，参与具体工作的还有：李伟、景小艳、许志清、刘军华、夏惠军、张赛桥、张强林、张代全、万雷、王斌、江广顺、李强、余松、郭敏、董茜、陈鲲、王晓、李晓宁、丁佳、虞志勇、吴艳。在本书创作期间获得中国水利水电出版社老师的大力支持，正是他们的辛苦付出，才使得本书能够在第一时间面向读者。若读者在学习过程中发现问题或有更好的建议，可以通过www.dozan.cn/bbs与我们联系。

由于时间仓促，作者水平有限，书中错误、纰漏之处难免，敬请广大读者批评指正。

编 者

2011年12月

前言

第1章 流固耦合分析基础 1
1.1 流固耦合基础 1
1.1.1 认识流固耦合分析的重要性 1
1.1.2 流体控制方程 3
1.1.3 固体控制方程 3
1.1.4 流固耦合方程 4
1.2 ANSYS流固耦合分析 5
1.2.1 单向流固耦合分析 5
1.2.2 双向流固耦合分析 6
1.2.3 耦合面的数据传递 7
1.2.4 网格映射和数据交换类型 9
1.3 ANSYS流固耦合分析的基本步骤 9
1.3.1 CFX + Mechanical APDL单向
耦合基本设置 10
1.3.2 FLUENT+ANSYS单向耦合
基本设置 11
1.3.3 通过 Mechanical APDL Product
Launcher设置MFX分析 12
1.4 本章小结 13
第2章 单向流固耦合分析 14
2.1 单向流固耦合分析基础 14
2.2 三通管的热强度计算 16
2.2.1 问题描述 16
2.2.2 ICEM CFD划分三通管流场网格 16
2.2.3 利用CFX求解三通管流场 19
2.2.4 利用Workbench进行三通管
热强度分析 25
2.3 风力发电叶片及支架整体分析 29
2.3.1 问题描述 29
2.3.2 几何模型处理 30
2.3.3 流场网格划分 31
2.3.4 流体分析设置 33
2.3.5 开始流体计算 38
2.3.6 流体计算过程中的参数监控和修改 40
2.3.7 查看流体计算结果 41
2.3.8 结构分析的模型处理 44
2.3.9 结构网格划分 45
2.3.10 加载与求解 46
2.4 轴流叶片的应力分析 48
2.4.1 问题描述 49
2.4.2 创建分析项目 50
2.4.3 BladeGen中叶片的设计 50
2.4.4 TurboGrid结构网格划分 57
2.4.5 流体分析设置 60
2.4.6 流体计算和结果查看 61
2.4.7 Static Structural(ANSYS)结构分析 62
2.5 燃烧室流场计算及热变形分析 66
2.5.1 问题描述 66
2.5.2 ICEM CFD划分燃烧流场网格 66
2.5.3 利用FLUENT求解燃烧流场 70
2.5.4 NOX排放量预测 77
2.5.5 Workbench进行结构分析 81
2.6 水流冲击平板分析 86
2.6.1 问题描述 86
2.6.2 创建分析项目 86
2.6.3 建立几何模型 88
2.6.4 流体分析 88
2.6.5 结构分析 93
2.7 泥浆搅拌器预应力下的模态分析 96
2.7.1 问题描述 96
2.7.2 创建分析项目 96
2.7.3 Fluent流场分析 98
2.7.4 结构分析 109
2.8 本章小结 116
第3章 ANSYS双向流固耦合分析 117
3.1 双向流固耦合分析基础 117
3.2 血管和血管壁耦合分析 119
3.2.1 问题描述 119
3.2.2 创建分析项目 119
3.2.3 结构分析设置 123
3.2.4 流场模型处理 124
3.2.5 流体分析设置 126
3.2.6 求解计算和结果监视 130
3.2.7 查看流体计算结果 132
3.2.8 查看结构计算结果 133
3.2.9 创建动画文件 135
3.3 泥浆冲击立柱分析 137
3.3.1 问题描述 137
3.3.2 创建分析项目 138
3.3.3 添加新材料（concrete） 139
3.3.4 建立模型 140
3.3.5 结构分析设置 141
3.3.6 流场模型处理 143
3.3.7 流场网格划分 143
3.3.8 流体分析设置 144
3.3.9 求解和计算结果 151
3.4 飞机副翼转动耦合分析 156
3.4.1 问题描述 157
3.4.2 创建分析项目 157
3.4.3 选用新材料（Aluminum Alloy） 158
3.4.4 导入模型 159
3.4.5 结构分析设置 159
3.4.6 流场模型处理 164
3.4.7 流场网格划分 164
3.4.8 流体分析设置 166
3.4.9 求解和计算结果 171
3.5 圆柱绕流耦合振动分析 175
3.5.1 问题描述 176
3.5.2 ICEM CFD划分流场网格 177
3.5.3 无耦合的圆柱绕流分析 180
3.5.4 流固耦合圆柱绕流分析 186
3.6 水润滑橡胶轴承分析 191
3.6.1 问题描述 191
3.6.2 利用ICEM划分水膜网格 192
3.6.3 利用Workbench完成结构设置 195
3.6.4 流体分析设置 199
3.6.5 开始计算及计算结果监测 202
3.6.6 查看水膜流场结果 203
3.7 本章小结 204
第4章 ANSYS 动网格技术应用 205
4.1 动网格分析基础 205
4.2 大变形网格重构功能分析 206
4.2.1 问题描述 207
4.2.2 网格划分和脚本录制 207
4.2.3 流体分析设置 211
4.2.4 求解和计算结果 217
4.3 FLUENT Remesh 6DOF分析 220
4.3.1 问题描述 220
4.3.2 FLUENT 6DOF UDF的编译 221
4.3.3 FLUENT查看流场结果 230
4.3.4 利用Tecplot进行流场后处理 230
4.4 本章小结 234
第5章 ANSYS流固耦合工程实例 235
5.1 某型号离心泵分析 235
5.2 问题描述 236
5.2.1 网格划分 236
5.2.2 流体分析设置 237
5.2.3 结构分析设置 245
5.3 泄压阀动态特性分析 253
5.3.1 问题描述 253
5.3.2 创建CFX分析项目 256
5.3.3 流体分析设置 256
5.3.4 求解计算和结果监视 263
5.4 止回阀动态分析 266
5.4.1 问题描述 266
5.4.2 FLUENT DEFINE CG_Motion UDF的
编译 267
5.4.3 止回阀动网格的编译 267
5.4.4 压力进口UDF编写 269
5.4.5 FLUENT止回阀流场求解设置 269
5.4.6 流场后处理 275
5.5 滑动轴承玻璃轴瓦强度分析 277
5.5.1 问题描述 278
5.5.2 FLUENT分析滑动轴承油膜流场 278
5.5.3 油膜流场结果后处理 283
5.5.4 流场与结构分析耦合 285
5.5.5 结构分析设置 286
5.5.6 结构求解及结果分析 289
5.6 本章小结 291
参考文献 292

1. SwiftUI完全开发 [李智威 著]
2. ANSYS Workbench在压力容器分析中的应用与技术评论 [栾春远 编著]
3. 深入浅出OpenHarmony——架构、内核、驱动及应用开发全栈 [李传钊 著]
4. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用（第二版） [李占营 张承承 李成良 编著]
5. Android高级程序设计 [主编　周雯　舒松]
6. 基于Android平台的移动开发技术 [主编 徐硕博 黄卫东 贾雁]
7. Android 应用开发项目实战 [主编 梁 琨 朱冰鸿]
8. ANSYS AQWA软件入门与提高 [主编 高巍]
9. Android应用开发基础教程 [主编 巫湘林]
10. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例（第二版） [李占营 阚川 等编著]
11. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用 [李占营 阚川 张承承 编著]
12. Java ME手机应用程序开发 [易灿 李志勇 编著]
13. 全新Marc实例教程及常见问题解析 [孙丹丹 陈火红 编著]
14. Android软件应用与实践 [主编 梁平 高峰]
15. 移动端UI设计及规范——分分钟搞定App UI设计 [北京课工场教育科技有限公司Q]
16. 移动端UI商业项目实战——让人爱不释手的移动端UI设计 [北京课工场教育科技有限公司]
17. 基于HyperMesh的结构有限元建模技术 [付亚兰 谢素明 编著]
18. Android开发实用教程 [主编 王建华 张伟]
19. MSC产品实用技术技巧 [MSC软件公司 编著]
20. C++应用程序设计 [刘彦姝 谢景伟]
21. Android基础教程 [余 平 张建华]
22. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例 [张涛 等编著]
23. ANSYS Workbench基础教程与实例详解（第二版） [浦广益]
24. ANSYS非线性有限元分析方法及范例应用 [张洪伟 高相胜 张庆余 编著]
25. ANSYS信号完整性分析与仿真实例 [房丽丽 编著]
26. Android 4.X手机/平板电脑程序设计入门、应用到精通（第二版） [孙宏明 著]
27. 全新Marc实例教程与常见问题解析 [冯超 孙丹丹 陈火红]
28. 压力容器全模型ANSYS分析与强度计算新规范 [栾春远 编著]
29. Android开发完全讲义（第二版） [李宁 编著]
30. Android手机/平板电脑程序开发教练 [黄彬华 编著]