一种3D单元转2D单元的流固压力载荷单向耦合的方法与流程

本发明属于汽车，具体的说是一种3d单元转2d单元的流固压力载荷单向耦合的方法。

背景技术：

1、流固耦合是研究可变形固体在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响的一门科学。它是流体力学(cfd)与固体力学(csm)交叉而生成的一门力学分支，同时也是多学科或多物理场研究的一个重要分支。在汽车仿真分析中，流固压力载荷单向耦合是一种常用的流固耦合手段，较为常见的方法是3d单元转3d单元的流固压力载荷单向耦合的方法，对于薄壁的件的仿真，固体单元往往采用2d单元进行模拟以提升固体仿真的计算效率，这时采用传统的流固压力映射方法就无法实现，具体如下：

2、1)一种流固耦合边界的分析方法，该方法包括读取待分析文件，获取第一结构控制方程和第一流体控制方程，待分析文件包括盛有液体容器的数据；根据第一结构控制方程和第一流体控制方程，得到耦合界面变分方程；基于自由液面晃动条件，获取待分析文件的耦合边界特征值，根据耦合边界特征值和耦合界面变分方程，计算流固耦合特征方程；基于流固耦合特征方程，对待分析文件进行流固耦合分析。

3、该方法提供了一种解决自由液面晃动的流固耦合分析方法，但耦合的边界仍是3d单元边界特征值的耦合，无法解决薄壁板壳2d单元耦合的问题。

4、2)一种流固耦合计算方法，该方法包括：获取流固耦合的固体域与流体域的共节点网格，所述固体域与所述流体域具有共同的交界面，获取所述固体域的第一能量方程，获取所述流体域的第二能量方程，基于所述交界面的共节点网格，对所述第一能量方程与所述第二能量方程进行耦合，生成耦合方程，将所述耦合方程组装到预设矩阵中，对所述矩阵求解。

5、该方法提供了一种共轭传热的流固耦合分析方法，但耦合的边界仍是3d单元边界特征值的耦合，无法解决薄壁板壳2d单元耦合的问题。

6、3)一种近壁状态下的涡激振动计算方法，方法包括基于圆柱的直径以及预设的第一间隙比，建立涡激振动数值模型，并对涡激振动数值模型进行划分处理；从涡激振动数值模型中确定出流体区域，并计算出流体区域的流场特性；基于流体区域的流场特性确定出受力参数，并计算出圆柱的速度参数；根据圆柱的速度参数以及预设的旋转角速度，得到圆柱的运动参数，并输出圆柱的运动参数。通过模拟出近壁状态下的模型，以及结合流场特性对流场和圆柱之间的流固耦合进行数值模拟，相较于旋转圆柱的涡激振动模型中因需要尽量避免边界对流场的影响，将上下边界设置为对称边界，所导致的无法模拟出更真实的近壁状态，可实现对该状态下的精确计算。

7、该方法提供一种涡激振动流固耦合计算方法，该方法所述结构为圆柱体边界，耦合边界仍是3d单元边界特征值的耦合，无法解决薄壁板壳2d单元耦合的问题。

8、4)一种基于单向流固耦合技术的壳体结构流固耦合解耦分析方法，首先建立了湍流场附加质量和阻尼类比转化模型，在此基础上形成了壳体结构流固耦合问题解耦分析模型，并开展壳体结构fsi系统时域响应、频域响应以及临界流速问题研究，算例验证了所建立的解耦分析模型可靠性。

9、该方法提供一种壳体结构流固耦合计算方法，该方法虽为壳体结构，但壳体结构仍采用3d网格进行表征，载荷的传递仍是以交界面表面进行耦合传递，无法解决薄壁板壳2d单元耦合的问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出了一种3d单元转2d单元的流固压力载荷单向耦合的方法，可以在流体分析中采用3d网格对模型进行离散，在固体分析中采用2d网格对模型进行离散，并保证流体的压力载荷进行稳定高精度的单向耦合传递，可大幅提升板壳结构流固耦合仿真的计算效率。

2、本发明技术方案结合附图说明如下：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种3d单元转2d单元的流固压力载荷单向耦合的方法，包括：

4、步骤一、2d固体单元依次对3d流体单元采用等效面积映射的方法在正投影方向、反投影方向进行压力载荷映射；

5、步骤二、对压力载荷映射后的关键参数进行识别；

6、步骤三、对薄壁载荷数据进行处理；

7、步骤四、对时域载荷数据进行处理；

8、步骤五、对载荷进行输出。

9、进一步的，所述步骤一的具体方法如下：

10、识别与固体单元投影方向面积重叠的流体单元1～n，并依次读取流体单元压力p1～pn；

11、计算投影重叠面积s1～sn和固体单元的映射压力pa，pa按照式(1)进行计算；

12、

13、依次获得所有时段所有固体2d单元正投影方向的压力矩阵p_sneg_ti和反投影方向的压力矩阵p_spos_ti。

14、进一步的，所述步骤二的具体方法如下：

15、识别p_spos_ti及p_sneg_ti中三个关键参数，分别为时间步数、映射单元个数及载荷前缀。

16、进一步的，所述时间步数为p_spos_ti及p_sneg_ti文件个数；所述映射单元为p_spos_ti及p_sneg_ti文件行数；所述载荷前缀为p_spos_ti及p_sneg_ti各个单元id。

17、进一步的，所述步骤三的具体方法如下：

18、将每个单元、每个时刻的p_spos_ti及p_sneg_ti矢量相加，获得固体2d单元的载荷矩阵pti。

19、进一步的，所述步骤四的具体方法如下：

20、判断初始时刻是否为0时刻，如果不是0时刻，将采用设定输入的时刻；

21、将同一时刻不同单元的压力矩阵转置成同一单元不同时刻的时域压力矩阵并输出。

22、进一步的，所述步骤五的具体方法如下：

23、输出特定格式的载荷文件，文件包含载荷名、载荷时间及压力载荷，其中载荷名为“*amplitude,name＝amp-识别的载荷前缀”；时域载荷采用“t1，p1，t2，p2，t3，p3，t4，p4”格式表示。

24、第二方面，本发明实施例还提供了一种3d单元转2d单元的流固压力载荷单向耦合的装置，包括：

25、映射模块，用于2d固体单元依次对3d流体单元采用等效面积映射的方法在正投影方向、反投影方向进行压力载荷映射；

26、识别模块，用于对压力载荷映射后的关键参数进行识别；

27、第一处理模块，用于对薄壁载荷数据进行处理；

28、第二处理模块，用于对时域载荷数据进行处理；

29、输出模块，用于对载荷进行输出。

30、第三方面，提供一种终端，包括：

31、一个或多个处理器；

32、用于存储所述一个或多个处理器可执行指令的存储器；

33、其中，所述一个或多个处理器被配置为：

34、执行本发明实施例的第一方面所述的方法。

35、第四方面，提供一种非临时性计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由终端的处理器执行时，使得终端能够执行本发明实施例的第一方面所述的方法。

36、第五方面，提供一种应用程序产品，当应用程序产品在终端在运行时，使得终端执行本发明实施例的第一方面所述的方法。

37、本发明的有益效果为：

38、本发明可以在流体分析中采用3d网格对模型进行离散，在固体分析中采用2d网格对模型进行离散，并保证流体的压力载荷进行稳定高精度的单向耦合传递，可大幅提升板壳结构流固耦合仿真的计算效率。