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FSI流固耦合命令求解流固耦合问题
使用ANSYS计算结构在水中的模态时, FLUID29,FLUID30单元分别用来模拟二维和三维流体部分,相应的结构模型则利用PLANE42单元和SOL ID45等单元来构造，其中，PLANE42和SOL ID45分别是用来构造二维和三维结构模型的单元。FLUID30是流体声单元,主要用于模拟流体介质及流固耦合问题。该单元有8 个节点,每个节点上有4 个自由度,分别是XYZ上3个方向位移自由度和1个压力自由度,为各向同性材料。输入材料属性时,需要输入流体的材料密度(作为DENS 输入)及流体声速(作为SONC输入),流体粘性产生的损耗效应忽略不计。FLUID29是FLUID30单元在二维上的简化，少了一个Z向的位移。SOLID45单元用于构造三维实体结构。单元通过8 个节点来定义,每个节点有3 个沿着XYZ方向平移的自由度。PLANE42是SOLID45单元在二维上的简化。
在利用ANSYS建模分析时,流场域单元属性分为2种,由KEYOPT(2)(指定流体和结构分界面处结构是否存在) 控制,在流固耦合交界面上的单元KEYOPT(2) = 0 ,表示分界面处有结构,其他流体单元KEYOPT(2)=1,表示分界面处无结构。流体-结构分界面通过面载荷标志出来,指定FSI label可以把分界面处的结构运动和流体压力耦合起来,分界面标志在分界面处的流体单元标出。
数值分析的步骤
1) 建立流体单元的实体模型。建立流体模型,需要确定流体域的范围,可以把无限边界流体简化成流体区域的半径为固体结构半径的10倍。
2) 标记流固耦合界面。选取流体单元中流固交界面上的节点,执行FSI 命令,
流固耦合交界面的处理:流体与固体是两个独立的实体,在划分单元时在两者交界面上的单元网格要划分一致,这样在交界面上的同一位置一般就有两个重合的节点,一个节点属于流体单元,一个节点属于固体单元,这两个重合节点在交界面的位移强制保持一致。
3) 建立固体结构实体模型。建立固体结构模型，定义单元属性，采用映射方式进行网格的划分。
4) 施加约束条件。由于流体区域的尺寸远大于固体结构尺寸，故可以不考虑流体液面的重力的影响，将流体边界处的单元节点上施加压力(PRES) 为零的约束。因为选择的算例为悬臂结构，在固体结构底部加全约束。
5) 选择求解算法，进行求解。定义分析类型为模态分析，设定提取频率阶数和提取模态的方法。因为耦合问题的刚度矩阵，质量矩阵都不对称，需要采用非对称矩阵法(UNSYMMETRIC)求解。
6) 查看结果。进入后处理模块，查看结构模型的频率及振型。
以半浸没与水中的桥墩模态问题为背景，并假设：
1. 桥墩为实心等截面的实体，实际桥墩模型应该是空心壳体，截面尺寸也
非常复杂，因而需要分块划分单元。
2. 不考虑桥墩中的钢筋，简化为由单一的混凝土构成桥墩，密度1.265e4
kg/m3,弹性模量3.15e10 N/m2，泊松比0.167。
3. 不考虑水面重力影响，忽略自由表面波，水的密度1e3 kg/m3,音速1.44e3
m/s。
4. 坝体和水的交界面上，固体节点和液体节点位移耦合在一起，在单元中
液体和固体粘在一起。
划分网格后的模型如下：
计算后的模态结果如下，为了方便对比，左侧给出了空气中的模态。
横向振动第一阶模态
横向振动第二阶模态
