一種大變形超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種大變形超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性預(yù)測(cè)方法，屬于生物力學(xué)及其系統(tǒng)耦合模擬【技術(shù)領(lǐng)域】。將結(jié)構(gòu)及其周圍流場(chǎng)視為一個(gè)三維流固耦合系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套基于浸入邊界法的耦合求解方法，獲得超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性和非定常流場(chǎng)特性。該方法采用兩套網(wǎng)格，整個(gè)流體和結(jié)構(gòu)組成的耦合系統(tǒng)區(qū)域在Euler描述下采用笛卡爾網(wǎng)格求解，固體區(qū)域在Lagrange描述下使用適體曲線網(wǎng)格求解。該發(fā)明方法不再使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，避免了網(wǎng)格畸形以及離散網(wǎng)格幾何不守恒等問題，能夠有效地處理大變形柔性結(jié)構(gòu)與流體的相互作用問題，尤其在柔性生物結(jié)構(gòu)與流體的耦合運(yùn)動(dòng)中能得到廣泛的應(yīng)用。
【專利說明】一種大變形超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大變形超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性預(yù)測(cè)方法，具體涉及到生物力學(xué)及其系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)超彈性結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)預(yù)測(cè)方法，屬于生物力學(xué)及其系統(tǒng)耦合模擬【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]流固耦合問題的難點(diǎn)之一是流體和固體使用不同的數(shù)學(xué)描述框架。通常，流體運(yùn)動(dòng)使用Euler描述，而固體運(yùn)動(dòng)使用Lagrange描述。浸入邊界法提供了一種方式，使這兩種框架相互聯(lián)系在一起。而浸入邊界法將浸入流體的彈性體模化成Navier-Stokes動(dòng)量方程中的體力，這樣整個(gè)物理區(qū)域(流體區(qū)域和固體區(qū)域)可以看成一個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行求解。浸入邊界法采用兩套網(wǎng)格，整個(gè)物理區(qū)域在Euler描述下采用笛卡爾網(wǎng)格求解，固體區(qū)域在Lagrange描述下使用適體曲線網(wǎng)格求解。Lagrange變量和Euler變量的信息交換通過近似光滑函數(shù)實(shí)現(xiàn)。兩套網(wǎng)格互不關(guān)聯(lián)，流場(chǎng)求解不再使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，從而避免了網(wǎng)格畸形以及離散網(wǎng)格幾何不守恒等問題，能夠有效地處理大變形柔性結(jié)構(gòu)與流體的相互作用問題，尤其在柔性生物結(jié)構(gòu)與流體的耦合運(yùn)動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]早期的浸入邊界法，固體簡(jiǎn)化成彈性纖維模型(承受拉伸、壓縮和彎曲)，數(shù)值上易于離散，此模型廣泛地應(yīng)用于生物力學(xué)中各項(xiàng)異性材料。但是，對(duì)于非纖維組成的彈性體，纖維模型不能很好的適用，因?yàn)槔w維模型不占用體積，不能考慮材料剪切變形。近幾年來，擴(kuò)展的浸入邊界法得到快速發(fā)展，被廣泛用于處理復(fù)雜動(dòng)邊界和流固耦合大變形問題，如浸入邊界有限元方法，浸入邊界有限體積方法，基于變分方法處理力源項(xiàng)及Dirae Delta函數(shù)分布，無網(wǎng)格的浸入邊界法等。
[0004]本發(fā)明采用混合有限元/有限體積浸入邊界法對(duì)方柱繞流后柔性超彈性懸臂梁的流激振動(dòng)問題進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了懸臂梁的耦合振動(dòng)特性和流場(chǎng)動(dòng)態(tài)分布特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)計(jì)算超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)方法的不足，提出一種大變形超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性預(yù)測(cè)方法，具體是一種基于浸入邊界法的大變形超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性預(yù)測(cè)方法，流場(chǎng)求解不再使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，避免了網(wǎng)格畸形以及離散網(wǎng)格幾何不守恒等問題，使之能更有效地預(yù)測(cè)大變形超彈性柔性結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)行為。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:采用數(shù)值計(jì)算技術(shù)對(duì)超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，該方法具體步驟如下:
(1)利用網(wǎng)格劃分模塊，將整個(gè)流體和結(jié)構(gòu)組成的耦合系統(tǒng)區(qū)域在Euler描述下采用笛卡爾網(wǎng)格劃分，并將單元坐標(biāo)信息輸出到文件fnode.txt ;超彈性體在Lagrange描述下使用適體曲線網(wǎng)格劃分，相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)信息文件輸出到snode.txt ；
(2)利用初值計(jì)算模塊，加載流體計(jì)算的邊界條件，將流體和超彈性體組成的耦合系統(tǒng)區(qū)域看成Euler描述下單一流場(chǎng)的求解，求得流體和結(jié)構(gòu)組成的稱合系統(tǒng)區(qū)域的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)作為流場(chǎng)瞬態(tài)計(jì)算的初值條件；
(3)利用浸入邊界法模塊，在時(shí)間上推進(jìn)由超彈性結(jié)構(gòu)和周圍流場(chǎng)組成的整個(gè)物理系統(tǒng)，并設(shè)定流場(chǎng)計(jì)算模塊、信息交換模塊和彈性力計(jì)算模塊:
A、流場(chǎng)計(jì)算模塊:將流體笛卡爾網(wǎng)格單元中心上附加的流體力密度fforce.txt對(duì)應(yīng)加載到相應(yīng)的流體單元上，然后調(diào)用流體求解器，求解附加了流體力密度的瞬態(tài)流體控制方程，并通過程序接口，提取笛卡爾網(wǎng)格流體單元中心速度，輸出到文件fvelocity.txt ；
B、信息交換模塊:利用信息交換模塊的主要作用就是實(shí)現(xiàn)拉格朗日變量與歐拉變量之間的轉(zhuǎn)換，得到的變換結(jié)果為:
【權(quán)利要求】
1.一種大變形超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性預(yù)測(cè)方法，其特征在于具體步驟包括: (1)利用網(wǎng)格劃分模塊，將整個(gè)流體和結(jié)構(gòu)組成的耦合系統(tǒng)區(qū)域在Euler描述下采用笛卡爾網(wǎng)格劃分，并將單元坐標(biāo)信息輸出到文件fnode.txt ;超彈性體在Lagrange描述下使用適體曲線網(wǎng)格劃分，相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)信息文件輸出到snode.txt ； (2)利用初值計(jì)算模塊，加載流體計(jì)算的邊界條件，將流體和超彈性體組成的耦合系統(tǒng)區(qū)域看成Euler描述下單一流場(chǎng)的求解，求得流體和結(jié)構(gòu)組成的稱合系統(tǒng)區(qū)域的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)作為流場(chǎng)瞬態(tài)計(jì)算的初值條件； (3)利用浸入邊界法模塊，在時(shí)間上推進(jìn)由超彈性結(jié)構(gòu)和周圍流場(chǎng)組成的整個(gè)物理系統(tǒng)，并設(shè)定流場(chǎng)計(jì)算模塊、信息交換模塊和彈性力計(jì)算模塊； (4)調(diào)用結(jié)果輸出模塊，將步驟(3)得到的每一時(shí)間步計(jì)算的超彈性結(jié)構(gòu)瞬態(tài)位移響應(yīng)以及流場(chǎng)信息輸出到文件result, txt ； (5)根據(jù)步驟(4)得到的結(jié)果，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為u要求計(jì)算的總物理時(shí)間為τ時(shí)間步數(shù)為》，若^ ?<7，則進(jìn)入下一時(shí)間步，繼續(xù)調(diào)用浸入邊界法模塊進(jìn)行下一時(shí)間步的計(jì)算，即重復(fù)執(zhí)行步驟(3)和(4);若^ ,則結(jié)束整個(gè)計(jì)算，得到預(yù)測(cè)的大變形超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大變形超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性預(yù)測(cè)方法，其特征在于步驟(3)的具體方法為: A、流場(chǎng)計(jì)算模塊:將流體笛卡爾網(wǎng)格單元中心上附加的流體力密度fforce.txt對(duì)應(yīng)加載到相應(yīng)的流體單元上，然后調(diào)用流體求解器，求解附加了流體力密度的瞬態(tài)流體控制方程，并通過程序接口，提取笛卡爾網(wǎng)格流體單元中心速度，輸出到文件fvelocity.txt ； B、信息交換模塊:利用信息交換模塊實(shí)現(xiàn)拉格朗日變量與歐拉變量之間的轉(zhuǎn)換，得到的變換結(jié)果為:


3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大變形超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所述流體計(jì)算的邊界條件包括無滑移無滲透壁面邊界條件、速度進(jìn)口邊界條件和自由出流邊界條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大變形超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所述流體計(jì)算模塊中流體求解器是CFD流體求解器、開源的程序代碼或自編程序代碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大變形超彈性結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性預(yù)測(cè)方法，其特征在于:所述時(shí)間步是指把物理上連續(xù)的·時(shí)間分割成的有限時(shí)間段，每一時(shí)間段即為一個(gè)時(shí)間步。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103853921SQ201410061229
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】王文全, 閆妍, 郝棟偉 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)