Abaqus液固耦合-大桶水的跌落分析

有限元在线 2018-12-05 13:35:30

该实例应用了abaqus的以下技术:

--abaqus/cae中的体积系数工具箱来模拟欧拉单元中的材料分布。

--使用欧拉-拉格朗日接触算法来模拟液体材料流动与结构材料边界的相互作用的高速动力学事件。

--使用光滑质点流体动力学(SPH)技术在一个纯拉格朗日环境下,来模拟高速动力学事件。

问题描述:

在消费品包装行业中,为了节省使用物理模型进行实验的时间和成本,使用仿真模拟技术是一个不错的选择,跌落测试是模拟一个物体撞击刚性表面,通常被用来观察一个物体在苛刻环境条件下的响应。

本实例模拟一个几乎充满水的高密度的聚乙烯塑料桶从300mm高处以一个斜度撞击到刚性地面上的响应。一个真实的模拟必须描述出撞击时刻地面与塑料桶,水与塑料桶之间的相互作用力,以及塑料桶上面的应力和应变结果来判断结构的强度水平。

几何模型和装配体效果图如上2所示,本模型中塑料桶被定义为一个有塑性强化的材料模型。液体水被定义为一个近乎不可压缩,近乎无粘性的牛顿流体。整个模型受到重力载荷,刚性地面完全固定。整个装配件设置为无摩擦的通用接触。具体的模型定义参考abaqus实例手册,2.3.2 Impact of a water-filled bottle

分析难点:

本模型模拟的难点在于液体和固体在撞击的时候的高度非线性。分别使用液固耦合的分析方法和SPH技术来模拟。

流固耦合就是使用欧拉单元来模拟流体材料,并使用拉格朗日单元来模拟结构材料。结构的边界和流体的边界可以产生接触。并且要模拟欧拉单元内的材料分布。

用欧拉单元模拟的分析部件可以克服大变形时网格严重变形问题。在欧拉网格中,材料在固定的网格内流动,在每一个增量步中,计算每个单元内的材料分布,也就体积填充率。通过材料分布来描述流体的变形状态。因此,欧拉材料边界比传统的拉格朗日材料边界更适合用来描述极度的大变形现象,比如液体晃动。

网格中,使用一个规则的立方体来模拟欧拉区域。流体只能在这个欧拉区域内流动,因此欧拉区域要完整地覆盖流体可能运动到的地方。欧拉和拉格朗日单元的重叠是允许的,因为流固耦合发生相互作用的区域为赋予拉格朗日材料的单元边界和赋予欧拉材料的单元边界。所以必须定义欧拉网格中欧拉材料的初始位置。

默认情况下,欧拉网格内是没有任何材料的。欧拉部件在赋予截面属性时并不是像常规部件赋予属性一样,它仅提供了一系列可以在欧拉区域内使用的材料。在创建完截面属性后,用户必须在load模块的初始场定义中去为相应的欧拉网格区域赋予相应的材料属性。

欧拉网格区域内材料的分布情况用Eulerian volume fraction-欧拉体积分数来定义,它表示一个单元内有多少体积是被赋予的材料填充。Abaqus/CAE提供了一个辅助材料填充定义的工具,极大地简化了初始材料体积分数的定义,尤其是对于复杂欧拉材料区域的的定义。简单地说就是通过volume fraction tool定义一个离散场。该离散场是欧拉体与参考体之间做的一个“交”布尔运算。该离散场被赋予相应的欧拉材料。

在后处理中可以通过观察EVF变量来观察流体材料的流动情况。

SPH技术方法中,水是使用连续的伪颗粒质点来模拟,在显式分析的每一个增量步中,更新质点的运动。这种方法稳健第解决了大液面的猛烈晃动问题。伪颗粒使用PC3D单元来模拟,这种单节点单元可以以较少的单元数获得较大的计算精度。abaqus/CAE不支持该方法,可以通过编辑关键字来生成INP

分析结果:在跌落过程中不同时刻,流体分布与结构变形图,(左为CEL方法,右为SPH方法)。








通过9可以看出,使用SPH技术输出的支反力相比使用CEL技术来说,变化剧烈,在跌落过程中产生了噪声。这主要是由于接触不平稳造成的传力不均匀现象。

扩展阅读:关于液固耦合的理论参看帮助文档中abaqus分析用户手册,14.1- Eulerian analysis,相关的实例参看abaqus实例手册,铆钉成型分析-主要是使用欧拉单元解决坯料的大变形问题,上述实例都是通过结构的边界条件来驱动流体分布变化。弹性坝(Elastic damCEL分析-则是使用流体边界条件来驱动结构的变化。

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