[发明专利]计算流体力学与有限元分析联合仿真方法

说明书

本发明公开了一种计算流体力学与有限元分析联合仿真方法，该方法通过编程读取计算流体力学(CFD)结果文件以及有限元分析(FEA)模型文件中的信息，实现了将CFD计算结果通过程序加载到任意FEA网格中进行联合仿真。本发明可灵活地读取CFD软件结果和FEA网格信息，并可灵活地选取载荷分配范围和方式，将流体产生的压力载荷合理地分配到结构网格之上，极好地解决了传统流固耦合中对界面贴合度要求较高的难题，使得计算流体力学和有限元程序联合仿真变得更为容易高效。

技术领域

本发明属于流固耦合分析领域，尤其涉及一种计算流体力学与有限元分析联合仿真方法。

背景技术

数值仿真，也叫数值模拟、数值实验，是通过数值计算的方法，对物理、力学及其它问题进行离散求解、反复迭代后求得最接近真实结果的一种技术手段，由于其相较于传统实验方法成本更低、耗时更短、修改实验条件更便捷、结果更直观以及能完成一些传统实验无法进行的模拟，其已经成为了一门前沿科学研究领域和一种大量投入工程应用的技术手段。

流固耦合，指的是将流体计算与固体计算相结合起来，这被应用于流体计算结果对固体变形有着决定性影响，或是固体变形对流场有着极大影响，抑或两者反复相互作用影响的领域。比如飞机机翼结构上所承载的力主要是由流场产生的气动力，需要通过软件计算得到相应的气动载荷并加载到结构上。

在仿真领域，流体计算与固体计算往往采用不同的参考坐标系统、求解公式以及相对应的仿真软件，所以往往很少有力学仿真软件能单独同时计算进行流场分析和结构分析。有个别学者提出的算法或少数大型仿真软件虽然具备这个能力，但前者很难进行工程应用，而后者只能对该软件内部的CFD和FEA模块进行数据传递，而无法联合其它CFD或FEA软件进行流固耦合分析，并且对流体和固体网格的交界面重合度有着极高要求。然而，在仿真中由于流体和固体对网格的要求不尽相同，即流体需要高质量的表面网格，而固体更加需要详尽的结构内部网格，因此流体网格往往与固体网格并不能高度的重合。同时不同的商业仿真软件各有侧重和所长，在特殊的需求下往往会使用特定的软件，因此很难进行计算流体力学与有限单元法的联合仿真。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种计算流体力学与有限元分析联合仿真方法。本发明可解决固体网格与流体网格不匹配导致无法相互传递数据的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种计算流体力学与有限元分析联合仿真方法，包括以下步骤：

步骤一：读取CFD流体域体网格的压力载荷计算结果文件和FEA网格节点信息文件，并对源数据做一定预处理。

步骤二：对两套网格进行对齐。

步骤三：将CFD计算所得的压力载荷分配到FEA网格节点上。

步骤四：将FEA网格节点力按FEA软件中节点力的格式输出到有限元软件模型文件中。

步骤五：在FEA软件中进行在CFD计算的流体作用力下的有限元结构分析。

进一步地，所述步骤二具体为：通过设定平移量及旋转角度进行对齐，或直接输入转动矩阵对网格进行平移、旋转操作。

进一步地，所述步骤三保证距CFD网格载荷所在位置越近的FEA网格节点获得更多的载荷分配，而对过远的FEA网格节点不进行载荷分配。

进一步地，所述步骤三包括以下子步骤：

(3.1)遍历所有CFD网格单元中心点，所述CFD网格单元中心点为计算流体力学软件计算所得压力分布的载荷所在点，计算对应单元的搜索半径r。

(3.2)针对每个CFD网格单元中心点，循环遍历每个FEA网格节点，计算FEA网格节点与CFD网格单元中心点的距离d。