fsi abaqus 耦合计算简单说明

8/19/2019 FSI Abaqus

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www.cd-adapco.com

STAR-CCM+ with v8.06 / Abaqus Co-Simulation with 6.13

简单说明

May 2013


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概要

• 引言

• 必要的版本

• 必要的程序库

• 模型描述

• STAR-CCM+设定

• 修正Abaqus输入文件

• 实行Co-Simulation计算

• 其他


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引言

背景

• STAR-CCM+v7.04以及以后的版本、都可以与Abaqus进行双向的流固耦合解析计算

• 许多参数设置可以在GUI界面中进行设置，操作更为简单快捷• STAR-CCM+与Abaqus可以自动的进行相互间数据的传递

• 为了实现双向流固耦合计算，需要使用Abaqus的Co-simulation功能，Abaqus的这一功能需要

特定的licence

• STAR-CCM+不需要特定的licence

目的

• 使用现有的模型，详细介绍使用STAR-CCM+与Abaqus进行双向流固耦合计算设置的步骤

• 讲解相关物理模型参数的含义，注意在设定过程中的关键步骤


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要求的版本

& 环境变量

• 要求的版本

• STAR-CCM+：7.04.006或者更高版本• Abaqus：6.12-1或者更高

• 需要设定以下环境变量的路径

• setenvABAQUS/u/netapps/abaqus/6.12-1/Commands

• setenvSIMULIA_CSE_LIBS/u/netapps/abaqus/6.12-1

• setpath=(.$ABAQUS$SIMULIA_CSE_LIBS$path)


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模型描述

• 流体分析与结构分析都是非定常分析

• 双向流固耦合解析计算

• STAR-CCM+开始进行流场的计算• STAR-CCM+将压力以及剪切力传递给Abaqus

• Abaqus根据耦合界面的载荷进行解析计算

• Abaqus把位移量传递给STAR-CCM+

• STAR-CCM+使用“Morpher”功能，根据Abaqus计算出来的位移量进行网格的移动

• STAR-CCM+计算更新

• 重复上面的步骤

• 耦合求解的类型

• 隐式求解：在时间步长内进行数据的相互交换

• 显式求解：在时间步长结束时进行数据的相互交换


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流体计算域固体计算域

流体

–

空气

固体

–

比较柔软的线性材料

模型描述

密闭空间

FSI界面

固定壁面

固定

对称面边界

FSI界面


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物理模型设置

设置有效的耦合计算解析模型• 打开ccmsample_start.sim文件

• Continua->Physics 1，右击打开，选择“Selectmodels”

• 选择“Co-Simulation”• 勾选“Auto-selectrecommendedmodels”选项，选择“AbaqusCo-Simulation”模型


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增加

Co-Simulation计算模型

• 点击Co-Simulation，右击选择“New”

• 增加“AbaqusCo-Simulation1”选项

• 以下各窗口的属性设置如下所示


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Co-Simulation参数设置（１）

• 设定“Abaqus Co-Simulation1”的参数

• 导出的场函数如下

Pressure,WallShearStress

• 导入的常函数如下

NodalDisplacement

• 流固耦合边界：指定载荷与位移数据交换的边界

Plate_FSI

• 当前的工作名：任意

计算时的文件名

(JobName.sim)

• 输出文件

在Abaqus生成的“*.inp”文件中指定了文件输出


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• 耦合计算的方法选择“显式求解”或者“隐式求解”（本算例选择隐式求解）

• 时间推进的顺序时间推进的顺序由那一边先进行求解决定

选择“Abaqus Leads”将会更有利于计

算的收敛

• 耦合计算的通讯方法在这里，可以控制耦合计算的时间然而，流体解析与固体解析选用同样

的时间步长，对于计算的收敛有利• 如果选用同样的时间步长，选择“Constant”即可

• 指定ABAQUS的单位

与STAR-CCM＋的单位系统相同

Co-Simulation参数设置（２）


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设置Morpher

• 设置Morpher参数使网格能够正常变形

• Tool->选择Motion右击，选择New

• 选择Morphing

• Regions->Region1->PhysicalValues->MotionSpecification，指定Motion的类型为“Morphing”


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Morpher 边界条件

• 对于壁面，Morpher默认的设置为Fixed

• 同样的，壁面在平面内的运动也被限制

• 壁面需要设置为“Abaqus Co-Simulation”，才可以实现

载荷⇔位移的变化

Regions->Boundaries->Plate_FSI-

>PhysicalConditions->选择“Morpher”

将Method改为“Abaqus Co-Simulation”


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修正

Abaqus输入文件

• 通常设置Abaqus为非定常计算

• “时间步长”与“最大物理时间”与流体设置相同

流固耦合计算的时间步长，推荐流体解析与固体解析使用同样的时间步长

• 在Abaqus的输入文件中设置出口

• 增加以下的文本内容

**OUTPUTREQUESTS***Output,field,timeinterval=0.05,timemarks=yes*nodeoutputU,CF,*elementoutputS,***CO-SIMULATION,NAME=ccmsample,PROGRAM=Multiphysics,CONTROLS=controls

*CO-SIMULATIONREGION,TYPE=SURFACE,EXPORTASSEMBLY_sfsi_interface,U*CO-SIMULATIONREGION,TYPE=SURFACE,IMPORTASSEMBLY_sfsi_interface,CF***CO-SIMULATIONCONTROLS,NAME=controls,CouplingScheme=iterative,SchemeModifier=Lead,StepSize=0.05,TIMEINCR=Subcycle,TIMEMARK=YES***EndStep


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Abaqus输入文件(.inp) 概览

*Heading

**

** Plate ViV Analysis

** Units: m, kg, s

**

*Node

1, 0.00249999994, -0.0399999991, 0.

2, 0.00249999994, -0.0350000001, 0.

...

*Element, type=C3D8R, elset=plate

1, 358, 359, 376, 375, 1, 2, 19, 18

2, 359, 360, 377, 376, 2, 3, 20, 19

...

*Solid Section, elset=plate, material=Matl-1

...

**

*Surface, type=ELEMENT, name=fsi_interface

fsi_interface_S1, S1

...

***Material, name=Matl-1

*Elastic

38.4e6, 0.3

*Density

4096

**

...

...

**

*Step, name=Step-1, nlgeom=YES, inc=1000000

*Dynamic, haftol=1.0e5

5e-4, 0.1 , 1e-6 , 5e-4

**

*Restart, write, num=1

**

*Output, field, time interval=4e-3

*Node Output

U, CF

*Element Output

S,

**

*Co-Simulation, name=plateviv,

program=MULTIPHYSICS, controls=c1

*Co-Simulation Region, type=SURFACE, export

fsi_interface, U

*Co-Simulation Region, type=SURFACE, import

fsi_interface, CF

***Co-Simulation Controls, name=c1, coupling

scheme=GAUSS-SEIDEL, scheme modifier=LEAD,

step size=5e-4, time incr=SUBCYCLE

**

*End Step

- 使用文本编辑器增加耦合计算需要添加的项目

声明单位

时间步长定

耦合算法

网格

固体材料属性定

输出以及restart文件设

置

Co-Simulation

关键字

FSI 界面


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Abaqus输入文件（.inp) 详解（１）

单位，载荷传递边界条件以及物性设置*Heading

**

** Plate ViV Analysis

** Units: m, kg, s

**

*Node

1, 0.00249999994, -0.0399999991, 0.

2, 0.00249999994, -0.0350000001, 0.

...

*Element, type=C3D8R, elset=plate

1, 358, 359, 376, 375, 1, 2, 19, 18

2, 359, 360, 377, 376, 2, 3, 20, 19

...

*Solid Section, elset=plate, material=Matl-1

...

**

*Surface, type=ELEMENT, name=fsi_interface

fsi_interface_S1, S1

...

**

*Material, name=Matl-1*Elastic

38.4e6, 0.3

*Density

4096

**

...

必须注明单位、单位与在CCM+中指定的单位致

传递载荷的边界条件列出其名称

在本算例中，名称为“Plate_FSI”

记录物性值杨氏模量、泊松比、密度注意单位


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Abaqus输入文件(.inp) 详解（2）

设置相关的时间参数

***St ep, name=St ep- 1, nlgeom=YES, inc=1000000*Dynami c, haftol=1.0e5

5e-4, 0.1 , 1e-6 , 5e-4

指定时间步长

时间步长最大内部时间步长小内部时间步长大物理时间

是否有非线性效果最大increment数

Increment

中

残差的允许值


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设置相关的时间参数設定項目内容设定方法

时间步长 *Dynami c, haf t ol =1. 0e55e-4, 0. 1, 1e- 6, 5e- 4

• 非定常分析的时间步长 • 与流体解析的时间步长相同

最大物理时间 *Dynami c, haf t ol =1. 0e55e- 4, 0.1, 1e- 6, 5e- 4

• 实际计算的物理时间 • 与流体的最大物理时间相同

最小内部

时间步长

*Dynami c, haf t ol =1. 0e55e- 4, 0. 1, 1e-6 , 5e- 4

• 在一个时间步长内，最小的时间步长

• 比时间步长小2-4个数量级

最大内部

时间步长

*Dynami c, haf t ol =1. 0e55e- 4, 0. 1, 1e- 6, 5e-4

• 在一个时间步长内，最大的时间步长

• 流体解析与固体解析的非定常时间步长相同

非线性效果 *Step, name=Step- 1,nlgeom=YES , i nc=1000000

• 是否包含大位移以及大变形的非线性效果

• nl geom=YES：考虑非线性变形• nl geom=NO：不考虑非线性变形

最大increment数

*Step, name=Step- 1,nl geom=YES, inc=1000000

• 一个时间步长内迭代的最大数目

• 「最大/最小内部时间步长」在上述参数之前添加该值

• “ Abaqus CAE”中没有写入，需要使用文本编辑器进行添加（默认设定为100）

incrment中残

差的允许值

*Dynami c, haftol=1.0e5

5e- 4, 0. 1, 1e- 6, 5e- 4

• 时间步长内允许的残差（误差）

的最大值

• HAFTOL的单位是力的单位，允许误差设置的

比较大的话，计算结果的误差也会变得相应增大

• 该值设置为问题中包含力的10倍到100倍之间即可

• 没有必要注明，可以不用写（默认会自动进行判定）


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Abaqus输入文件(.inp) 详解（４）

设置結果输出

（

EX1）

*Restart, write, num=1

**

*Output, field, time interval=4e-3

*Node Output

U, CF

*Element Output

S,

**

控制

restart

文件输出的间隔

控制结果文件的输出

（

EX2）

** OUTPUT REQUESTS***Rest ar t , wr i t e, f r equency=0

**** FI ELD OUTPUT: F- Out put - 1

***Out put , f i el d, var i abl e=PRESELECT, f r equency=100**** HI STORY OUTPUT: H- Output - 1***Out put , hi st or y, var i abl e=PRESELECT

• “PRESELECT”是ABAQUS默认的输出变量• 输出间隔通过“frequency”或者“timeinterval”进行指定


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设置

Co-Simulation

**

*Co-Simulation, name=plateviv, program=MULTIPHYSICS, controls=c1

*Co-Simulation Region, type=SURFACE, export

fsi_interface, U

*Co-Simulation Region, type=SURFACE, import

fsi_interface, CF

**

*Co-Simulation Controls, name=c1, coupling scheme=GAUSS-SEIDEL, scheme modifier=LEAD,

step size=5e-4, time incr=SUBCYCLE

**

时间步长（流体与结构耦合计算选用同样的时间步长，对于计算的收敛有利）

传递载荷的边界名称

基于页的对应表、STAR-CCM+与Abaqus

分别有参数进行对应


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设置

Co-Simulation

STAR-CCM+设定

Abaqus输入

文件

STAR-CCM+

与

Abaqus对应＊两者的设定不一致，将会得到不正确的流场


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开始计算

• Solution->Run，开始计算


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其他

.simh文件未定义、File->Auto Export中设置非定常结果按照定的时间

间隔输出

流体解析计算的初值、可以使用同样条件定常分析的结果

— 非定常计算开始的时候压力变化很大，容易传递异常的载荷

Abaqus的FSI边界（载荷位移数据传递界面），所有的边界使用个名

称即可

— 不需要设定多个FSI的边界名


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使用

Co-Simulation进行单向流固耦合计算

修正双向流固耦合的设置、就可以进行单向流固耦合的分析了• 流体载荷→→→结构分析：有效• 流体载荷←←←结构分析：无效

流体解析的导入以及结构解析的导出不需要再进行设置

去除meshmorpher• “Tool->Motion->删除Morphing

使用显式求解，不适用隐式求解• STAR-CCM+:Co-Simulation->AbaqusCo-Simulation1->CouplingScheme• Abaqus：输入文件的耦合方法为“GAUSS-SEIDEL”

**OUTPUTREQUESTS***Output,field,timeinterval=0.05,timemarks=yes*nodeoutputU,CF,*elementoutputS,***CO-SIMULATION,NAME=ccmsample,PROGRAM=Multiphysics,CONTROLS=controls CO-SIMULATION REGION, TYPE=SURFACE, EXPORT

ASSEMBLY_sfsi_interface, U

*CO-SIMULATIONREGION,TYPE=SURFACE,IMPORTASSEMBLY_sfsi_interface,CF***CO-SIMULATIONCONTROLS,NAME=controls,Coupling Scheme=GAUSS-SEIDEL,

SchemeModifier=Lead,StepSize=0.05,TIMEINCR=Subcycle,TIMEMARK=YES***EndStep

不用导入

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