ABAQUS空气弹簧(基于表面的流体模型).doc

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11.5基于表面的流体模型

•

“基于流体腔表面：

概述，“第11.5.1

•

“液腔的定义，“第11.5.2

•

“流体交换的定义，“部分11.5.3

•

“打气筒的定义，”部分11.5.4

11.5.1surface-based流体腔：

概述

概述

基于表面的充液腔是由：

•

用标准有限元法对充液结构进行建模；

•

利用表面定义来提供充液结构的变形和流体在结构腔边界上施加的压力之间的耦合；

•

定义流体行为；

•

使用流体交换定义来模拟流体在腔和环境之间或多个腔之间的流动；

•

使用充气器定义将气体混合物注入流体腔以模拟汽车安全气囊的膨胀。

基于表面的流体腔能力可以用来模拟液体或充气结构。

它取代了基于元件的静液腔能力的功能，不需要用户定义流体或流体链接元素。

介绍

在某些应用中，可能需要预测充液或A的机械响应。

充气结构。

例如压力容器，液压或气动驱动机构，

汽车安全气囊。

解决此类应用程序的一个主要困难是

结构变形与含流体对结构的压力。

图1说明了一个简单的–11.5.1对系统外部进行流体填充结构的例子

荷载.结构的响应不仅取决于外部载荷，还取决于压力。

由流体施加的，而流体又受结构变形的影响。

基于表面

流体腔能力提供了分析腔体可以使用的情况所需的耦合。

假设完全由具有相同性质和状态的流体填充。

应用与意义

空腔内的空间变化不能用这个特性建模。

例如，考虑

流体-结构相互作用和耦合EulerianLagrangian能力的应用涉及

晃动和波传播通过流体（见“欧拉分析，“第14.1.1条；“流体结构

互动”中的“协同仿真：

概述，“第17.1.1；和“流体结构的协同仿真和

共轭传热，”部分17.3.2）。

离散液腔

流体腔的边界由一个基于单元的表面定义，表面法线指向

腔内。

底层元素可以是标准的固体或结构元素，也可以是

表面元素。

表面元素可以用来模拟结构中的空洞或填充刚性区域。

在刚性或其他承载元素不存在（见“表面元素，”部分32.7.1）。

护理

当使用表面元素，使节点完全被唯一的表面包围时，必须使用该元素。

元素有适当的边界条件。

considertheexamplepresentedinfigure11.5.1–1。

solidelementsaredefinedonthetopandsideof

图2表明，腔–11.5.1。

在底部刚性边界上定义了一个曲面单元。

没有标准元素存在的空洞。

节点位于对称轴的交点处。

腔的下刚性边界必须被约束在r和z方向是因为它

仅与表面元素相连接。

定义空腔的表面是基于底层固体和

表面元素。

在Abaqus中，可以将额外的用户定义卷添加到实际或几何体中。

空腔体积。

如果腔的边界不是由一个基于单元的表面定义的，流体

腔被假定有一个固定的体积等于附加的体积。

定义空腔参考节点的位置

一个被称为空腔参考节点的单一节点与流体腔相关联。

这一腔的参考

nodehasasingledegreeoffreedomrepresentingthepressureinsidethefluidcavity。

thecavityreference

节点也用于计算腔体体积。

如果空腔不受对称平面的约束，则定义空腔的表面必须完全。

封闭空腔以确保其容积的正确计算。

在这种情况下，空腔的位置

参考节点是任意的，不必在空腔内。

如果由于对称性，只有空腔边界的一部分用标准元素建模，

腔参考节点必须位于对称平面或轴线（图11.5.1–2）。

如果多个

对称平面存在，腔参考节点必须位于对称的交点上。

飞机（图11.5.1–3）。

对于轴对称分析，空腔参考节点必须位于

对称轴。

这些要求是流体腔未完全封闭的结果。

定义空腔的表面。

有限元计算

采用体积元法对基于表面的空腔进行有限元计算。

在“流体静压计算描述，“ABAQUS理论指导第3.8.1。

体积

腔的元素是由Abaqus利用表面小面几何和

你定义的空洞参考节点。

在Abaqus/标准中，表面刻面用

以下元素类型：

fax2和F2D2（这是线性，两级，轴对称和平面元素，

分别）和f3d3和f3d4（这是线性的，分别为3-4节点三维元素，）。

Abaqus的二阶刻面进一步细分为多个线性面或

元素.

液腔的行为

流体填充腔中的流体的行为可以基于液压或

气动模型。

水力模型可以模拟几乎不可压缩的流体行为。

Abaqus/标准中的不可压缩行为。

通过定义一个体积来引入压缩性。

模量。

气动模型是以理想气体为基础的。

气体可以由多个物种来定义。

在ABAQUS/显式中，你可以指定气体的温度，或者根据

绝热行为假设。

具有绝热温度更新的多物种理想气体是

汽车安全气囊的合适模型。

模腔流入或流出的模型

ABAQUS中有许多方法来模拟流体进出腔。

流量可以是

specifiedasaprescribedmassorvolumefluxhistoryorcanmodelphysicalmechanismsduetoapressure

differentialsuchasventingthroughanexhaustorificeorleakagethroughaporousfabric。

fluidexchange

定义用于此目的，可以模拟流体腔与其周围环境之间的流动。

两液腔之间（见“流体交换的定义，“部分11.5.3，详情）。

此外,

ABAQUS/Explicit有能力模型充气机用于汽车安全气囊的展开。

可以直接指定充气器上的条件，也可以使用罐试验数据（见“充气机定义”）。

第11.5.4，详情）。

模拟多室

许多充液系统，如气囊，有多个腔室，流体在腔室之间通过孔或织物泄漏流动。

在其他情况下，将一个单独的物理室分割成多个腔室，并用假想的壁来模拟整个物理室的压力梯度是有利的。

一些虚拟泄漏机制通过室间墙可以被定义以获得合理的行为。

当模拟气囊的复杂展开时，这可能是一种有用的建模技术。

为了模拟多个腔室，为每个腔室定义一个流体腔，并将流体腔与适当的流体交换定义联系起来。

平均性能的多室模型可以输出如果要求（见“液腔的定义，“第11.5.2，详情）。

在动态过程中定义流体惯性

流体腔内的流体惯性或空穴之间流体交换的惯性不会自动考虑在内。

为了增加惯性效应，在腔体边界上使用质量单元。

你应该确保总的附加质量相当于腔中流体的质量，质量元素的分布是结构承受荷载的分布流体质量的合理表示。

只有流体惯性的整体效应可以被建模；腔中的均匀压力假设使得不可能模拟任何压力梯度驱动的流体运动。

因此，该方法假定激励的时间尺度与流体的典型响应时间相比非常长。

涉及空腔边界的接触模拟

如果从空腔中取出大量流体或围绕空腔的材料是非常灵活的，空腔可以部分塌陷，并且空腔壁的部分可以彼此接触。

通过使用Abaqus现有的标准技术来模拟接触，可以有效地处理空腔壁的自接触和与周围结构的接触。

ABAQUS/Explicit也能说明堵塞流出由于接触表面的空腔（见“占堵塞由于接触界面”中的“体液交换的定义，“部分11.5.3）。

解释负特征值消息

在某些应用程序中，在求解过程中会遇到负本征值。

这些负的本征值并不一定意味着超过了分叉或屈曲载荷。

如果预测响应似乎是合理的，这些消息可以忽略。

详细描述如何负特征值可以开发静压流体元问题的解决在“流体静压的计算方法中，“ABAQUS理论指导第3.8.1。

程序

基于表面的流体腔的能力可以用在除了耦合孔隙流体扩散/应力分析程序以外的任何程序（见“耦合孔隙流体扩散和应力分析，“部分6.8.1）。

初始条件

初始流体压力和温度可指定（见“初始条件在Abaqus/标准和ABAQUS/Explicit”部分34.2.1）。

对于理想气体，初始压力表示高于或超过环境压力的压力表。

初始温度应在所使用的温标中给出。

绝对零度的温度范围，对于理想气体另行规定（见“液腔的定义，“第11.5.2）。

如果膜元件作为流体腔的基本元素，参考网格（IMM）也可以指定（见“初始条件在Abaqus/标准和ABAQUS/Explicit”部分34.2.1）。

边界条件

空腔参考节点的自由度（自由度8）是问题的主要变量。

因此，可以通过定义边界条件的规定（见“边界条件在Abaqus/标准和ABAQUS/Explicit”部分34.3.1），其方式类似于结构节点位移可以规定。

处方的压力腔参考节点相当于施加均匀压力腔边界采用分布式负载定义（见“分布载荷，”部分34.4.3）。

如果压力是用边界条件规定的，则流体体积自动调节以填充空腔（即，流体被假定为进入并离开所需的腔以维持规定的压力）。

这种行为对于在引入流体作用之前变形的空腔是有用的。

在随后的步骤中您可以删除在自由的压力程度的边界条件（参见拆卸边界条件”在“边界条件在Abaqus/CFD，”部分34.3.2），因此“封”与当前的流体体积的腔。

荷载

分布式压力和身体的力量，以及集中的节点力，可应用于充满液体的结构，如在集中荷载描述”部分34.4.2，和“分布载荷，”部分34.4.3。

预定义场

预定义的温度场和用户自定义场变量可以为充满液体的结构和封闭的流体的定义，如“预定义场描述”部分34.6.1。

温度

流体温度可在所有的指定参考节点腔预定义的字段（见“预定义温度”在“预定义字段，”部分34.6.1），除非一个绝热过程是指定或耦合温度位移程序是用。

应用和初始温度之间的任何差异都会引起气动流体的热膨胀，如果给定热膨胀系数，则会对液压流体产生热膨胀。

一个特定的温度场也可以影响温度相关的材料性质，如果有的话，对于流体填充的结构和封闭流体。

场变量

用户定义的字段变量的值可以在所有腔参考节点指定（见“预定义场变量”中的“预先定义的领域，”部分34.6.1）。

这些值将影响封闭流体的场变量相关的材料性质。

输出

腔内流体状态可利用节点输出变量度和cvol历史输出，代表测量流体的压力和容积，分别。

在稳态的动态程序的大小和流体压力的相位角可以得到节点变差。

ABAQUS/Explicit还提供了把腔温度、腔的表面积，和流体质量（节点输出变量ctemp，csarea，和cmass，分别）。

输出变量ctemp仅当理想气体模型是在绝热条件下使用。

如果节点设置为输出的要求是包含一个以上的液腔，历史的平均流体压力、总体积、流体平均温度，和所有的外腔的表面区域，和这些空腔的总质量也提出了利用节点输出变量apcav，tcvol，actemp，tcsarea，和tcmass，分别。

在Abaqus/明确，当模型包括流体交换的定义，利用节点输出变量CMFL和cmflt获得的总流量和累计流量的历史输出一腔创面肉芽和ceflt获得的总热流量和累计流量历史热能输出腔。

如果为一个空腔定义了不止一种流体交换，那么质量或热能流量和累积的质量或热能流的时间历程就会从

每个流体交换腔也将被输出。

如果流体腔是由一个混合理想气体模型，分子的质量分数各流体的物种内流体腔时程可以利用节点输出变量CMF获得。

如果使用充气器，利用节点输出变量minfl，minflt，和tinfl获得质量流量的历史，积累了大量的流量，和每一个打气筒充气温度定义（见“ABAQUS/Explicit输出变量标识符，“4.2.2节）。

输入文件模板

流体静力学分析：

*HEADING

…

*FLUIDCAVITY,NAME=cavity_name,BEHAVIOR=behavior_name,

REFNODE=cavity_reference_node,SURFACE=surface_name

*FLUIDBEHAVIOR,NAME=behavior_name

*FLUIDDENSITY

Datalinetodefinedensity

*FLUIDBULKMODULUS

Datalinetodefinebulkmodulus

*FLUIDEXPANSION

Datalinetodefinethermalexpansion

**

*FLUIDEXCHANGE,NAME=exchange_name,PROPERTY=exchange_property_name

cavity_reference_node

*FLUIDEXCHANGEPROPERTY,NAME=exchange_property_name,TYPE=MASSFLUX

Datalinetodefinemassflowrateperunitarea

**

*INITIALCONDITIONS,TYPE=TEMPERATURE

Datalinetodefineinitialtemperature

*INITIALCONDITIONS,TYPE=FLUIDPRESSURE

Datalinetodefineinitialpressure

**

*STEP

**

*TEMPERATURE

Datalinetodefinetemperature

*FLUIDEXCHANGEACTIVATION

exchange_name

**

*ENDSTEP

*标题

…

*液腔，名称=cavity_name，行为=behavior_name，

参考节点==surface_namecavity_reference_node，表面

*流体的行为，behavior_name名称=

*流体密度

定义密度的数据线

流体体积模量

定义体积模量的数据线

*流体膨胀

定义热膨胀的数据线

**

*体液交换，名字=exchange_name，产权=exchange_property_name

cavity_reference_node

*流体交换性能、名称=exchange_property_name，类型=质量通量

确定单位面积质量流量的数据线

**

*初始条件，类型=温度

确定初始温度的数据线

*初始条件，类型=流体压力

确定初始压力的数据线

**

*步

**

*温度

定义温度的数据线

*流体交换活化

exchange_name

**

*结束步骤

用理想气体混合的气囊分析：

*HEADING

…

*FLUIDCAVITY,NAME=chamber_1,MIXTURE=MOLARFRACTION,ADIABATIC,

REFNODE=chamber_1_reference_node,SURFACE=surface_name_1

blankline

Oxygen,0.2

Nitrogen,0.75

Carbon_dioxide,0.05

**

*FLUIDCAVITY,NAME=chamber_2,BEHAVIOR=Air,ADIABATIC,

REFNODE=chamber_2_reference_node,SURFACE=surface_name_2

blankline

**

*FLUIDBEHAVIOR,NAME=Air

*CAPACITY,TYPE=POLYNOMIAL

Datalinetodefineheatcapacitycoefficient

*MOLECULARWEIGHT

Datalinetodefinemolecularweight

**

*FLUIDBEHAVIOR,NAME=Oxygen

*CAPACITY,TYPE=POLYNOMIAL

Datalinetodefineheatcapacitycoefficient

*MOLECULARWEIGHT

Datalinetodefinemolecularweight

**

*FLUIDBEHAVIOR,NAME=Nitrogen

*CAPACITY,TYPE=POLYNOMIAL

Datalinetodefineheatcapacitycoefficient

*MOLECULARWEIGHT

Datalinetodefinemolecularweight

**

*FLUIDBEHAVIOR,NAME=Carbon_dioxide

*CAPACITY,TYPE=POLYNOMIAL

Datalinetodefineheatcapacitycoefficient

*MOLECULARWEIGHT

Datalinetodefinemolecularweight

**

*FLUIDINFLATOR,NAME=inflator,PROPERTY=inflator_property

chamber_1_reference_node

*FLUIDINFLATORPROPERTY,NAME=inflator_property,

TYPE=TEMPERATUREANDMASS

Datalinestodefinemassflowrateandgastemperature

*FLUIDINFLATORMIXTURE,TYPE=MOLARFRACTION,NUMBERSPECIES=2

Carbon_dioxide,Nitrogen

Tabletodefinemolecularmassfraction

**

*FLUIDEXCHANGE,NAME=exhaust,PROPERTY=exhaust_behavior

chamber_1_reference_node

*FLUIDEXCHANGEPROPERTY,NAME=exhaust_behavior,TYPE=ORIFICE

Datalinetospecifyorificebehavior

*FLUIDEXCHANGE,NAME=leakage_1,PROPERTY=fabric_behavior

chamber_1_reference_node

*FLUIDEXCHANGE,NAME=leakage_2,PROPERTY=fabric_behavior

chamber_2_reference_node

*FLUIDEXCHANGEPROPERTY,NAME=fabric_behavior,TYPE=FABRICLEAKAGE

Datalinetospecifyfabricleakagebehavior

**

*FLUIDEXCHANGE,NAME=chamber_wall,PROPERTY=wall_behavior,

EFFECTIVEAREA=

chamber_1_reference_node,chamber_2_reference_node

*FLUIDEXCHANGEPROPERTY,NAME=wall_behavior,TYPE=ORIFICE

Datalinetospecifyorificebehavior

**

*AMPLITUDE,NAME=amplitude_name

Datalinetodefineamplitudevariations

*PHYSICALCONSTANTS,UNIVERSALGASCONSTANT=

**

*INITIALCONDITIONS,TYPE=FLUIDPRESSURE

Datalinetodefineinitialpressure

*INITIALCONDITIONS,TYPE=TEMPERATURE

Datalinetodefineinitialtemperature

**

*STEP

**

*FLUIDEXCHANGEACTIVATION

exhaust,leakage_1,leakage_2,chamber_wall

*FLUIDINFLATORACTIVATION,INFLATIONTIMEAMPLITUDE=amplitude_name

inflator

**

*ENDSTEP

*标题

…

*液腔，名称=chamber_1，混合=摩尔分数，绝热，

参考节点==surface_name_1chamber_1_reference_node，表面

空白行

氧气，0.2

氮，0.75

carbon_dioxide，0.05

**

*液腔，名称=chamber_2，行为=空气绝热，

参考节点==surface_name_2chamber_2_reference_node，表面

空白行

**

*流体行为，名称=空气

*容量，类型=多项式

定义热容量系数的数据线

*分子量

确定分子量的数据线

**

*流体行为，名称=氧气

*容量，类型=多项式

定义热容量系数的数据线

*分子量

确定分子量的数据线

**

*流体行为，名称=氮气

*容量，类型=多项式

定义热容量系数的数据线

*分子量

确定分子量的数据线

**

*流体的行为，carbon_dioxide名称=

*容量，类型=多项式

定义热容量系数的数据线

*分子量

确定分子量的数据线

**

*液充气，充气inflator_property属性名称=，=

chamber_1_reference_node

*流体的充气性能，名称=inflator_property，

类型=温度和质量

确定质量流量和气体温度的数据线

*流体充气混合物，类型=摩尔分数，种数=2

carbon_dioxide，氮

分子质量分数表

**

*体液交换，名称=排气，产权=exhaust_behavior

chamber_1_reference_node

*流体交换性能、名称=exhaust_behavior，类型=口

指定管口行为的数据线

*体液交换，名字=leakage_1，产权=fabric_behavior

chamber_1_reference_node

*体液交换，名字=leakage_2，产权=fabric_behavior

chamber_2_reference_node

*流体交换性能、名称=fabric_behavior，类型=织物泄漏

指定织物泄漏行为的数据线

**

*体液交换，名字=chamber_wall，产权=wall_behavior，

有效面积=

chamber_1_reference_node，chamber_2_reference_node

*流体交换性能、名称=wall_behavior，类型=口

指定管口行为的数据线

**

*振幅，名称=amplitude_name

定义振幅变化的数据线

*物理常数，通用气体常数=

**

*初始条件，类型=流体压力

确定初始压力的数据线

*初始条件，类型=温度

确定初始温度的数据线

**

*步

**

*流体交换活化

排气，leakage_1，leakage_2