将 Autodesk CFD 流体边界载荷应用于 Simulation Mechanical 应力分析

Autodesk ® CFD 和 Autodesk ® Simulation Mechanical 之间的互操作性支持流体结构相互作用 (FSI）。特别是，此实施是一种单向耦合多物理分析。用户可将来自 CFD 仿真的流体边界载荷（即静水压力结果）应用为结构分析模型上的载荷。软件会将 CFD 静水压力（在流体-固体部件边界处）转换为 Mechanical 模型上的节点力。

网格不需要相同，但必须根据相同的 CAD 几何体绘制这两种网格。互操作性过程可验证 CFD 和 Mechanical 模型是否具有匹配的 CAD 几何体。CFD 和结构分析的网格划分要求可以明显不同。将一种网格单元面上的压力映射到另一种网格节点上的力可实现重要的建模灵活性。此过程允许用户将最适当的网格类型分别别应用于各个分析类型。

以下 Simulation Mechanical 分析类型支持使用 Autodesk CFD 结果的 FSI 工作流：

注意：
  1. 对于线性静态应力分析，“分析参数”对话框的“载荷工况乘子”表中包括“流体载荷”列。用户可以采用不同的乘法因子将来自 Autodesk CFD 分析的反作用力应用为多个载荷工况中的载荷。
  2. 如果在 Simulation Mechanical 中运行非线性分析，则必须使用“载荷曲线 1”控制流体载荷的数值与时间的函数关系。使用“载荷曲线 2”及以上的曲线可控制其他外施载荷。

Autodesk CFD 流体分析可以是稳态或瞬态分析。但是，如果 CFD 分析是瞬态分析，则必须选择将结果应用到 Simulation Mechanical 模型时使用的时间步。

当前，CFD 和 Mechanical 之间的流体结构相互作用限制为基于 CAD 实体几何体的三维模型。

示例

下面是单向 FSI 示例。确定产品（在此情况中为室外灯柱）是否可以承受恶劣天气条件下的风力载荷。在 CAD 模型中，包括包含灯柱的地上部分的流体区域。

将 CAD 模型导入 Autodesk CFD。将流体定义为“空气”。将流体入口面处的流体速度指定为 150 英里/小时（风速）。完成必要的网格划分和稳态流体分析的设置，然后运行仿真。

图 1：CFD 分析的静水压力结果

将相同的 CAD 几何体导入 Simulation Mechanical，但抑制表示空气的部件。约束灯柱底部（埋入地下的部分）。指定流体反作用力的源以及 CFD 分析和设计工况。完成必要的网格划分和线性静态应力分析的设置，然后运行仿真。

图 2：Mechanical 分析的 Von Mises 应力和位移数值结果。

过程

注意： 不需要在 Autodesk CFD 模型和对应的 Simulation Mechanical 模型之间使用相同的单位制。将自动转换 CFD 结果的力和长度的单位与数值。但是，Autodesk CFD 不支持微米级长度单位。因此，在用作 CFD 和 Simulation Mechanical 分析的基础的 CAD 模型中，请避免使用微米级单位。
  1. 在 Autodesk CFD 中设置并运行流体仿真。在此阶段中，流体和实体部件均处于活动状态。
  2. 不需要将这两个仿真程序安装在同一台计算机上，即可实现互操作性。如果 Autodesk CFD 和 Mechanical 位于不同的工作站，请将 CFD 模型文件传送到 Mechanical 工作站。为了方便传送必要的文件，请归档分析和结果。然后，将 *.cfz 文件复制到 Mechanical 分析计算机并解压缩内容。*.cfz 文件是标准 zip 压缩包，可将其与首选 zip 文件管理器关联。
    重要： 如果要在同一工作站上运行 CFD 和 Mechanical，请先退出 Autodesk CFD，再继续操作。退出 Autodesk CFD 将关闭分析并释放所有结果文件，以便 Simulation Mechanical 可以正确访问它们。
  3. 将相同的 CAD 模型导入 Simulation Mechanical。抑制未在结构分析中使用的流体部件。仅考虑实体部件。
  4. 访问“分析参数”对话框的“流体载荷”选项卡。有多种方式可以访问此选项卡：
    • 单击“设置”“载荷”“CFD 结果”“流体载荷”。
    • 单击“设置”“模型设置”“参数”以访问“分析参数”对话框。然后，单击“流体载荷”选项卡。
    • 在浏览器的“分析类型”标题上单击鼠标右键，然后选择“编辑分析参数”命令。然后，单击“流体载荷”选项卡。
  5. 从“反应载荷源”下拉菜单选择“Autodesk CFD 文件”。
    1. 单击“浏览”并导航到 CFD 分析所在的文件夹。选择相应的 *.cfdst 文件，然后单击“打开”。
    2. 使用设计分析路径和文件名正下方的下拉式菜单从 CFD 模型选择要使用的设计工况。
    3. 当应用以下两个条件之一时，必须指定要用于反应载荷的时间步。使用“要使用的时间步”下拉菜单选择时间步。如果只有一个时间步可供输入，则此选项不会显示在对话框中。
      • 所选的设计工况是输出多个时间步的瞬态流体分析
      • 所选的设计工况是选择要保存中间时间步的稳态分析。
  6. 单击“分析参数”对话框的“常规”选项卡，然后在“流体载荷”列中为每个载荷工况指定所需的乘子。
  7. 完成所有所需的网格划分和模型设置步骤。（添加约束，应用其他载荷，定义材料属性、其他载荷工况乘子等。）
  8. 运行仿真。
  9. 除了查看应力、应变和位移结果之外，还可以验证施加的流体反应载荷。单击“结果等值线”“其他结果”“反作用力”“指定力”，然后选择其中一个可用选项：
    • 数值
    • X
    • Y
    • Z
    • 矢量绘图
    注： 载荷映射和插值过程会在 CFD 壁面力和 Mechanical 反作用力之间引入少量误差。此误差由 CFD 和 Mechanical 网格之间的单元面的尺寸、形状和方向不同导致。可比较的流体边界力结果通常在彼此的 10 或 15% 之内。
    提示： 如果 Mechanical 网格比 CFD 网格更精细，将易于获得更好的结果。
父主题： 与 Autodesk ® CFD 的互操作性