[发明专利]贯穿微型腔液滴的有限元流固耦合建模及其模态分析方法

摘要

本发明公开了一种贯穿微型腔液滴的有限元流固耦合建模及其模态分析方法，将液滴模型分割成两个部分划分单元：一部分为液滴流体介质，另一部分是将液滴表层看成包裹的一层橡胶薄膜，克服了传统仿真方法将液体直接近似成弹性体的理论缺陷；液滴表面生成一层薄膜单元模拟膜结构，通过改变壳单元的本构参数和赋予其材料阻尼、阻抗来更加逼真的模拟自由界面的表面张力；采用板材壁面与液滴壁面节点耦合的方式更加真实的模拟壁面粘附力的特性。使得仿真结果更加接近液体真实的模态。

主权项

一种贯穿微型腔液滴的有限元流固耦合建模及其模态分析方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、有限元建模思想采用液滴分割建模的思想，液滴有限元模型由薄膜介质包裹流体介质共同组成，并且生成微型腔有限元模型，使液滴固着在微型腔内，其中薄膜介质起到表征液体表面张力的作用；S2：单元类型的选取根据以上的液滴、薄膜和微型腔三种结构，选取三种不同类型的单元，选用流体介质单元划分液滴结构，用该单元模拟液体内部惰性；选用壳单元划分薄膜结构，特别设置壳单元的单元劲度、积分项和本构参数，用于表征自由界面的表面张力；选取固体单元划分微型腔结构，用该单元模拟液滴固着的微型腔；S3、有限元建模根据上述的有限元仿真思想，利用液体、薄膜及微型腔材料属性对液滴及微型腔建立完整的有限元模型，以所述完整的有限元模型模拟贯穿微型腔液滴的振动过程，并采用自由边界条件、重力场和固定约束等条件，模拟自激振固着液滴的工况环境；所述液体、薄膜及微型腔材料的材料属性是以材料参数进行表征，所述材料参数是指液体的密度、流密度，薄膜和微型腔的密度、弹性模量、泊松比；S4、网格划分对液滴网格采用自由网格划分，并且使液滴球冠表面与薄膜结构的各四面体网格大小一致，定义所述完整有限元模型中每个四面体单元网格所包络的体积为一个单元；由于微型腔的形状规则，对微型腔网格采用映射网格划分；S5、流固耦合设置采用所述的有限元工具中的流固耦合命令，将薄膜的内表面节点与液滴球冠表面节点，微型腔内壁节点与液滴圆柱侧壁节点，分别流固耦合，实现流体介质和固体介质之间的力与位移的交互和传递；采用所述的有限元工具对物理环境进行设置，给有限元模型施加一个标准大气压；采用所述的有限元工具对微型腔材料进行固定约束；采用所述的有限元工具对完整的有限元模型设置全局重力场；采用所述的有限元工具对液滴球冠与微型腔接触线，设置线节点耦合，模拟微型腔对液滴的固着作用；完成有限元模型的建立；S6：有限元分析根据试验要求采用所述有限元工具对有限元模型进行模态分析，由于本模型涉及到流体模拟，采用非对称模态提取方式，提取模态信息。利用所述的有限元工具获得贯穿微型腔液滴的固有频率和其固有振型。