8/19/2019 FSI Abaqus
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STAR-CCM+ with v8.06 / Abaqus Co-Simulation with 6.13
简单说明
May 2013
8/19/2019 FSI Abaqus
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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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Abaqus输入文件(.inp) 详解(3)
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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Abaqus输入文件(.inp) 详解(5)
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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Abaqus输入文件(.inp) 详解(6)
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