基于 fluid cavity 的气囊充气过程模拟.pdf

基于基于 fluid cavity 的气囊充气过程模拟的气囊充气过程模拟 ABAQUS 中的 fluid cavity 功能可以模拟气体或者液体的行为 为不熟悉 CFD 或不研究复杂的结构 气体 液体 相互作用的工程师提供了有效的计算手段 现 有的 fluid cavity 的教程大多采用关键字的方法添加 实际上 fluid cavity 分析已经 可以通过 GUI 来实现 并非不许编辑关键字 本教程采用壳单元建立了三个圆形气囊 并采用 fluid cavity 模拟了三个独立 气囊依次充气的过程 本教程仅为说明 fluid cavity 功能的使用 材料参数等取值 较为随意 并未采用气囊常用的橡胶材料或织物 如有偏差请谅解 一 一 基础理论和背景知识基础理论和背景知识 ABAQUS 中的 fluid cavity 可以基于表面定义流体腔 流体腔的填充物可以使 液体或气体 在采用隐式求解器的情况下可以计算气体 液体 结构相互作用 在采用显示求解的情况下可以计算气体 液体 结构的热力耦合问题 在定义 fluid cavity 时 系统自动生成流体单元 以 F3D4 单元为例 F3D4 单元为 5 节点 金字塔形单元 底面的四个点为流体腔壁处的节点 顶部的节点为流体腔参考节 点 流体腔参考节点需位于流体腔内部 图 1 F3D4 单元 F3D4 单元采用理想气体方程描述气体的体积 压力关系 即 Pv nRT 采用静 态求解器是认为气体始终处于稳态 即温度不变 可以描述缓慢的升压或降压过 程 如需要考虑温度的影响 则必须采用显式求解器 采用液体时 则需要给出 液体的体积模量 二 二 模型的建立模型的建立 采用旋转壳的方式建立气囊模型 模型尺寸和最终效果如图 2 和图 3 所示 本模型采用 mm kg 单位制 图 2 模型尺寸 图 3 模型外观 建立几何模型以后 给上述几何模型赋截面和材料属性 本案例采用了 0 1mm 的钢板建立了气囊 即弹性模量 2 10 11Pa 泊松比 0 3 厚度 0 1mm 静 力分析不需要定义密度 完成上述建模过程后装配并定义分析步 分析步采用静力 通用分析步 考 虑几何非线性 长度 1 初始增量 0 01 最大增量 0 05 具体设置如图 图 4 定义分析步 图 5 分析步增量设置 三 三 网格划分网格划分与编辑与编辑 因为后面的设置过程中需要用到一个参考节点来定义 fluid cavity 因此先对 part 划分网格并编辑网格以定义所需的参考节点 参考节点的作用见图 1 采用 扫略方式划分网格 图 6 网格划分情况 点击网格编辑工具 选择 创建 创建节点作为流体腔的参考节点 三个参 考节点分别位于三个气囊的正中 图 7 编辑节点 以三个参考节点建立节点集 分别命名为 set c1 到 set c3 或其他易于识别的 名称 三以个气囊的内表面建立基于几何的表面 命名为 surf c1 到 surf c3 或其 他已于识别的名称 四 四 气体参数的设置气体参数的设置 在右侧树状目录中 Model 1 上单击右键 选择 编辑属性 输入绝对零度 1 1 2 2 的值和气体常数 其中通用气体常数为 8 312 MIGM 即 8 312 除以气体的摩尔质 量 单位为 kg 图 8 基本物理常数 然后在相互作用模块中 点击创建相互作用属性 选择 流体腔 图 9 创建相互作用属性 创建相互作用属性以后 在相互作用属性中定义理想气体分子量 需要说明 的是 此处的理想气体分子量的概念不同于化学中的分子量 而是与化学中的摩 尔质量相同 单位一般为 kg 此处以氮气为例 摩尔质量 28g 1 1 2 2 图 10 输入理想气体分子量 五 五 流体腔设置流体腔设置 图 11 建立流体腔 点击 创建相互作用 然后点击 流体腔 在 创建相互作用 界面中选 择之前建立的集合 如图 12 所示 以同样的方法建立另外两个流体腔 1 1 2 2 图 12 选择流体腔参考点和表面 六 六 充气过程的定义充气过程的定义 因为需要对三个流体腔依次充气 因此需要首先定义三个流体腔的充气幅值 曲线 其数值表 1 所示 表 1 气囊充气幅值 时间 Amp 1 Amp 2 Amp 3 0 0 0 0 0 25 1 0 0 0 5 1 1 0 0 75 1 1 1 1 1 1 0 然后在边界条件中定义充气过程 第一个气囊充气过程的定义如图 13 所示 具体参数的设置如图 14 所示 定义边界条件类型为 流体气蚀区压力 这个翻 译有点怪 数值为 0 1MPa 幅值曲线为 Amp 1 后两个气囊的定义过程类似 不再赘述 定义完气囊的充气过程以后 在整个模型的底部施加约束 约束模型 底部三个方向的位移 即可提交计算 具体边界条件如图 15 所示 图 13 创建边界条件 图 14 边界条件的设置 图 15 底部边界条件设置 1 1 2 2 七 七 计算结果计算结果 完成上述结果后 即可提交计算 不同时刻的计算结果如图 16 至图 18 所 示 八 八 拓展拓展 1 关于显示关于显示 进行完 fluid cavity 分析以后 有时计算结果会呈花白的迷彩状显示 如图 19 此时需要将显示组重置为 表面 并选择在 fluid cavity 中定义的所有表面 并替换现有显示组 具体设置如图 20 所示 图 16 充气前 图 17 第一个气囊充气完成 图 18 第二个气囊充气完成 图 18 第三个气囊充气完成 图 19 计算结果显示为迷彩状 图 20 显示组设置 2 关于关于进一步进一步的计算的计算 在现有的计算的基础上 增加一个分析步 step 2 在 step 2 的基础上施加如 图所示的荷载 荷载大小为 0 5MPa 提交运算 从计算结果可以看出 结构充气 后增高了 3 3mm 施加荷载后被压缩了大约 0 5mm 图 21 在模型顶端施加荷载 图 22 施加荷载后的计算结果 。