Abaqus流固耦合法_欧拉-拉格朗日耦合法（CEL）

本文摘要：（由ai生成）

这篇文章介绍了 CEL（Coupled Eulerian-Lagrangian）方法在 Abaqus 中的建模过程，通过一个小球入水的经典案例，详细阐述了建模方法的各个步骤，包括创建部件、材料属性设置、分析步设置、指定单元类型和划分网格、接触设置、载荷和边界条件设置、预定义场设置以及提交计算和查看结果等。最后文章总结了 CEL 分析的优势和应用领域。

1 前言  

CEL（Coupled Eulerian-Lagrangian）方法将物体划分为Eulerian网格和Lagrangian粒子，分别用于描述流体和固体的运动。Eulerian网格是一种固定的网格，在整个分析过程中不发生变形，用于描述流体介质的运动。Lagrangian粒子则随物体表面的移动而移动，用于描述固体物体的运动。CEL分析的核心是定义Eulerian网格和Lagrangian粒子之间的物理耦合关系，这通常包括流体与固体之间的接触、传热、质量传输等。通过定义这些物理耦合关系，可以模拟出复杂的物理现象。  

本文使用一个经典案例（小球入水）来详细阐述建模方法。

2 建模方法  

(1) 创建部件，装配

长方体为欧拉体（即水能流动的区域），需要把欧拉体切成两部分，见图1。上面一部分为初始没有水的区域，但是允许在分析过程中能进来水（比如溅起来的水），下面一部分为初始水域。  

图1 部件装配  

(2) 材料属性设置  

设置铁、水的材料属性，对于铁来说，只需要设置密度和弹性，重点是设置水的一些参数，参阅文献《Numerical simulationof sphere water entry problem using Eulerian–Lagrangian method》，需要的参数为：密度、状态方程、动力粘度，按图2设置。  

图2 水的参数设置  

(3) 分析步设置  

采用“通用”中的“动力显示”算法，分析时间为0.1s。  

图3  分析步设置  

(4) 指定单元类型，划分网格  

由于实心球为不规则体，使用二阶四面体单元来划分网格。欧拉体为规则的长方体，使用六面体单元来划分网格。由于采用显式动力学分析方法，需要选择“Explicit”，见图4。  

图4 实心球、欧拉体的划分网格  

(5) 接触设置  

在Abaqus进行流固耦合分析时，接触这块是比较简单的，采用通用接触算法。接触属性中，切向采用“摩擦接触”，法向采用“硬接触”。见图5。  

图5 接触设置  

(6) 载荷、边界条件、预定义场设置  

设置载荷时，整个模型受到重力加速度；设置边界条件时，让整个欧拉体的外表面固定，见图6。  

图6 载荷、边界条件设置  

在设置预定义场时，需要设置铁球的初始速度，见图7。  

图7 铁球初始速度  

在设置预定义场时，有一项重要的工作要做：指派初始欧拉域。在使用CEL方法进行流固耦合时，最重要的步骤就是指派初始欧拉域（这是本文的重点），主要由两种方法来指派初始欧拉域。  

第一种方法：直接指派方法。对于初始欧拉域比较容易选择的模型，采用该方法，本例属于这类情况。具体来讲，就是先选择整个欧拉体，再选择初始水域（长方体下部），初始水域密度设为1，其余水域（长方体上部）密度设为0，见图8。  

图8 初始水域的指派  

第二种方法：先生成离散场，再指派。对于初始欧拉域不方便指派时，采用该方法。比如在模拟注射器活塞推出水时，初始欧拉域为注射器中的水，它是包裹在整个欧拉域（长方体）中。在载荷模块下，依次选择“工具>离散场>体积分数工具”，先选中整个欧拉域，再选择注射器中的水（名称为water1），弹出“体积分数工具”对话框，填写离散场名称，命名由该离散场产生的单元、节点集 合名称，见图9。经过这一步，初始欧拉域已经被切出来了。  

图9 离散场的生成  

在集 合中，可以查看上一步骤生成的离散场产生的单元、节点，见图10。  

图10  离散场产生的单元、节点  

生成离散场后，就可以开始指派初始欧拉域了，先选择整个欧拉域，再选择定义的离散场，见图11。

图11  由离散场来指派初始欧拉域

(7)提交计算，查看结果。  

选择“EVF_VOID”查看方式，可以查看小球入水的整个过程，见图12。  

图12 查看结果  

3 总结  

CEL分析是Abaqus中一种强大的分析技术，通过耦合Eulerian网格和Lagrangian粒子的方法，可以模拟固体和液体界面的相互作用。该方法在结构力学和热力学问题的求解中具有广泛的应用。通过合理设置模型和加载条件，并进行求解和后处理，可以对物体的运动和变形行为进行深入的分析，为工程设计和科学研究提供有力的支持。