[發明專利]一種針對彈性薄壁結構的流固耦合方法

有效

• 申請號: 201810580464.2
• 申請日: 2018-06-07
• 公開（公告）號: CN108920768B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 賀銘;徐萬海;高喜峰;王洪樹
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉玥

1.一種針對彈性薄壁結構的流固耦合方法，其中，所述的彈性薄壁結構至少包括在土木、水利、海洋工程領域應用的一切厚度相對于長度能忽略不計的結構構件，其特征在于，包括以下步驟：

步驟(1)、流體運動由流體連續性方程和納維-斯托克斯方程控制，并利用流體狀態方程閉合；采用光滑粒子流體動力學方法對由所述流體連續性方程、所述納維-斯托克斯方程和所述流體狀態方程組成的流體控制方程進行離散，得到常微分方程組；利用預報矯正數值積分方法求解所述常微分方程組，得到流體粒子的位移、速度和密度；利用動力學邊界粒子方法施加流體固壁邊界條件，基于流體粒子和動力學邊界粒子間的動量守恒原理求得流體對固體的作用力；

步驟(2)、固體彈性變形由結構動力學方程控制；采用有限元方法離散所述結構動力學方程，得到常微分方程；利用紐馬克數值積分方法求解離散后的所述常微分方程，得到固體上各有限元單元的位移、速度和加速度；

其中，所述的有限元方法是利用整齊排列的四節點四邊形網格來離散固體域；所述的有限元方法的具體求解方法為：采用紐馬克數值積分方法求解離散后的結構動力學方程，通過調整積分參數，使數值解法無條件穩定且具有二階精度；時間步長的選取應保證一個結構自振周期內至少包含8個時間步，其中所述的結構自振周期指二階或二階以上；所述的有限元方法中設置了結構剛度阻尼來吸收于弱流固耦合系統交界面處產生的多余能量；

步驟(3)、建立起有限元網格和動力學邊界粒子間的空間位置對應關系；

步驟(4)、建立起有限元網格和動力學邊界粒子間的信息傳遞關系，其中，所述的建立起有限元網格和動力學邊界粒子間的信息傳遞關系為利用動力學邊界粒子將流體作用力傳遞至固體域，同時將固體域的變形和運動速度傳遞至流體域，具體包括以下步驟：

步驟(4-1)、在流體域內應用光滑粒子流體動力學方法求解得到流體粒子對動力學邊界粒子的作用力；

步驟(4-2)、將步驟(4-1)中所求得的作用力散布在動力學邊界粒子所在有限元網格的各個節點上，接著應用有限元方法求解固體網格節點的位置和速度；

步驟(4-3)、將步驟(4-2)中所求得的網格節點位置和速度集中在動力學邊界粒子上，并傳遞至流體域；

至此完成了一個求解步驟，重復步驟(4-1)至步驟(4-3)，直至到達所設定的模擬時間上限。

2.根據權利要求1所述的一種針對彈性薄壁結構的流固耦合方法，其特征在于，步驟(1)所述的光滑粒子流體動力學方法是基于弱可壓縮流體計算模式，所述的弱可壓縮流體計算模式具體表現為引入流體狀態方程來補充流體密度與壓強間的關系；所述的光滑粒子流體動力學方法中還采用了Shepard密度過濾法來減弱弱可壓縮流場中的高頻壓力振蕩。

3.根據權利要求1所述的一種針對彈性薄壁結構的流固耦合方法，其特征在于，步驟(3)所述的有限元網格和動力學邊界粒子間的空間位置對應關系為在每一個有限元網格的幾何形心位置均設置一個動力學邊界粒子，動力學邊界粒子的位置隨有限元網格位置的改變而改變。