重磅 | 某含液设备倾斜摇摆环境下流固耦合分析
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针对箱体壁厚较小或者柔性较大的结构件、管件或者设备，刚性箱体与内部液体在运动过程中存在一定的耦合作用，即当运动激烈到一定程度时，薄壁变形会改变液体的流向，与此同时，流体的不规则运动也会反作用影响箱体薄壁。
本项目利用分析软件ANSYS的流固耦合分析模块，建立含液设备在倾斜摇摆环境下的流固耦合模型。以薄壁水箱为例，建立液体-箱体流固耦合模型，重点分析箱体壁厚、倾斜角度、摇摆周期等因素对该类设备的影响特征，尤其是油箱箱体结构强度的影响，确保油箱受到液体作用的最大应力在材料的屈服强度以内。
本项目研究过程大致如下
采用仿真软件ANSYS对模型进行计算；流体部分采用全六面体单元，结构部分采用壳单元进行网格划分。
建模过程如下：
将原CAD模型导入ANSYS SpaceClaim中进行模型的修复，油箱流体域抽取，油箱壁中面抽取等几何处理工作；
将修复的数模导入ANSA前处理，完成结构部分中面的几何拓扑修复与流体域全六面体网格划分及流体边界命名，流固耦合面命名等。
在ANSYS Workbench平台下，分别建立Fluent和Mechanical分析项目，并将Fluent压力结果作为Mechanical载荷输入条件；
在Fluent程序中，使用VOF模型和运动网格，将油箱摇摆函数写入UDF，计算油箱在规定运动轨迹下液位和内部压力分布；
将Fluent计算的压力通过流固耦合面传递给Mechanical，设置固体部分材料，厚度，网格并固定底座螺栓孔；
求解及后处理。
分析模型
含液设备主要由基座、电动机、油箱、冷却器、控制阀组以及管路辅助系统等部套件构成。电动机刚性地安装在液压系统的基座上，冷却器安装在油箱侧面，左侧和右侧控制阀组分别与前后两个L形支架相连并安装在油箱上方。
将该结构的模型导入ANSYS SpaceClaim中，需基于机构的工作原理与分析类别进行模型的简化，去除一些不必要的小特征（小R角、小C角，小圆孔等），简化后的数模如下图所示。
材料参数
结构所有零部件材料如下图所示。材料的相关属性需要在有限元分析模型中定义。油箱中柴油的密度为730kg/m³，动力粘度系数为0.0024Pa.s。
边界条件及分析工况
1、边界条件
限制基座底板上所有螺栓孔的6个自由度；
箱体内部油液位置占高度2/3；
油箱初始设计厚度为6mm。
2、输入载荷工况
纯CFD工况：油箱横摇（上图绕Y轴）周期10s，幅度±45°；
工况：空油箱，横摇（上图绕Y轴）周期10s，幅度±45°；
3、油箱摇摆轨迹在Fluent UDF输入
以摇摆周期10s，幅度±45°为例，系统的运动角度θ与周期和运动时间的关系为：
运动角速度为：
运动角角速度为：
当t=T/4=2.5s时，角加速度具有最大绝对值，此时系统具有最大的转动惯性矩。因此，结构求解时需要加载这个最大角加速度。
网格划分
连接关系
电动机和支架之间共节点处理，电动机支架和底座采用绑定连接，如下图所示。
箱体和底座，管路系统和其他各零件之间采用绑定连接，如下图所示。
纯CFD工况
油箱内装满2/3体积的油，绕着Y轴以10s周期，±45°角度正弦摇摆，油箱内油的液面和内部压力分布如下图所示。吸液口始终在液态油下面，不会出现吸不到油的情况。
t=2.5s时液面和箱体内部压力分布
箱体内部最大压力和时间轴线
吸液口柴油浓度与时间曲线
工况——结果
空油箱（厚度6mm）在绕Y轴摆动，周期10s，幅度±45°。在t=2.5时，油箱的应力和位移云图如下图4-5所示。箱体的最大应力出现在隔板和箱体正面焊接处，最大值为2.4MPa，小于其材料屈服强度；箱体的最大变形量为0.01mm。
工况一下的箱体应力和移动云图
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