[發(fā)明專利]貫穿微型腔液滴的有限元流固耦合建模及其模態(tài)分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610992315.8
• 申請日: 2016-11-11
• 公開（公告）號: CN106599364B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 石廣豐;王子濤;朱可可
• 申請（專利權(quán)）人: 長春理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種貫穿微型腔液滴的有限元流固耦合建模及其模態(tài)分析方法，將液滴模型分割成兩個部分劃分單元：一部分為液滴流體介質(zhì)，另一部分是將液滴表層看成包裹的一層橡膠薄膜，克服了傳統(tǒng)仿真方法將液體直接近似成彈性體的理論缺陷；液滴表面生成一層薄膜單元模擬膜結(jié)構(gòu)，通過改變殼單元的本構(gòu)參數(shù)和賦予其材料阻尼、阻抗來更加逼真的模擬自由界面的表面張力；采用板材壁面與液滴壁面節(jié)點耦合的方式更加真實的模擬壁面粘附力的特性。使得仿真結(jié)果更加接近液體真實的模態(tài)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及有限元分析方法的數(shù)值仿真領(lǐng)域，具體涉及一種貫穿微型腔液滴的有限元流固耦合建模及其模態(tài)分析方法。

背景技術(shù)

隨著科技的進步，傳統(tǒng)的變焦系統(tǒng)已經(jīng)不能再滿足高速變焦和高成像質(zhì)量的市場要求。而近年來剛剛興起的一種新型光學(xué)元件—液體透鏡，它是利用某種控制方法改變鏡頭的折射率或形狀來調(diào)整焦距，實現(xiàn)變焦功能的，是一種全新的變焦方式。液體透鏡的變焦響應(yīng)速度快、功耗低、無噪聲等諸多特點完全不同于傳統(tǒng)鏡片，透鏡參數(shù)的可調(diào)性為光學(xué)設(shè)計過程提供了一個全新的自由度，必將會使現(xiàn)有的諸多變焦系統(tǒng)得到大幅度的簡化。如果能將液體透鏡應(yīng)用于變焦系統(tǒng)的設(shè)計而不需要引入任何機械運動部件，將會給變焦距光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展帶來革命性的變化。因此，利用液體透鏡獲得高成像質(zhì)量的變焦距光學(xué)系統(tǒng)是一個非常具有吸引力的研究方向。

流固耦合方法是研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場影響,兩者交互作用的一種方法。流固耦合方法的重要特征是兩相介質(zhì)之間的交互作用:彈性固體在流體載荷作用下會產(chǎn)生變形或運動,而變形或運動又反過來影響流場,從而改變流體載荷的分布和大小。

數(shù)值模擬因其經(jīng)濟性和高效性成為研究固著液滴有限元分析的重要手段，可以節(jié)省實驗的巨大投入。目前國內(nèi)對固著液滴的固有頻率和固有振型有限元模擬現(xiàn)狀為：將液體近似處理為彈性體，強制賦于其彈性模量和泊松比，這樣的處理方法使仿真結(jié)果遠遠偏離實際工況，引起以下錯誤：

1、首先，用上述方法賦給液體的泊松比和彈性模量是實驗結(jié)果所得，由于 工況不統(tǒng)一，材料參數(shù)是時變的，材料參數(shù)的近似會引起結(jié)果的巨大偏差；而且液體本身不具備泊松比和彈性模量，上述方法缺少理論支撐。

2、其次，上述方法將液體處理為彈性體，忽略了液體相對于固體最重要的性質(zhì)：粘性和表面張力，這是彈性體無法模擬，并且在振動分析中粘性和表面張力起到主要作用。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種貫穿微型腔液滴的有限元流固耦合建模及其模態(tài)分析方法，考慮了液體粘性、液體表面張力和固液之間的固著作用。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種貫穿微型腔液滴的有限元流固耦合建模及其模態(tài)分析方法，包括如下步驟：

S1、有限元建模思想

采用液滴分割建模的思想，液滴有限元模型由薄膜介質(zhì)包裹流體介質(zhì)共同組成，并且生成微型腔有限元模型，使液滴固著在微型腔內(nèi)，其中薄膜介質(zhì)起到表征液體表面張力的作用；

S2：單元類型的選取

根據(jù)以上的液滴、薄膜和微型腔三種結(jié)構(gòu)，選取三種不同類型的單元，選用流體介質(zhì)單元劃分液滴結(jié)構(gòu)，用該單元模擬液體內(nèi)部惰性；選用殼單元劃分薄膜結(jié)構(gòu)，特別設(shè)置殼單元的單元勁度、積分項和本構(gòu)參數(shù)，用于表征自由界面的表面張力；選取固體單元劃分微型腔結(jié)構(gòu)，用該單元模擬液滴固著的微型腔；

S3、有限元建模

根據(jù)上述的有限元仿真思想，利用液體、薄膜及微型腔材料屬性對液滴及微型腔建立完整的有限元模型，以所述完整的有限元模型模擬貫穿微型腔液滴的振動過程，并采用自由邊界條件、重力場和固定約束等條件，模擬自激振固 著液滴的工況環(huán)境；所述液體、薄膜及微型腔材料的材料屬性是以材料參數(shù)進行表征，所述材料參數(shù)是指液體的密度、流密度，薄膜和微型腔的密度、彈性模量、泊松比；