飞机机翼弹性不足、桥梁晃动频率过高，重要的流固耦合 FSI 如何用技术解决

背景介绍

最初的流固耦合 FSI(Fluid-Solid Interaction)专指研究流体载荷对弹性结构的影响，例如飞机机翼气动弹性问题，船舶螺旋桨的水弹性问题，核反应堆燃料棒的涡激振动问题等等。在数值仿真领域 FSI 概念扩展到一般性的 CFD 模型和 FEA 模型的数据交换问题。

FSI 真实案例：大桥与风场组成了耦合系统，大风产生了一定频率的卡门涡脱落，这个频率与耦合系统中的结构固有频率相近，使系统发生了共振，大桥剧烈晃动直至崩塌。

大桥剧烈晃动直至崩塌

HyperWorks 的流体求解器 AcuSolve 流固耦合分析分为四种情况： 

• 分析稳态的流场压力和温度场对固体变形的影响，也叫 TFSI (Thermal-FSI)属于单向耦合； 

• 分析流体动载荷引起的固体振动现象，也叫 P-FSI (Practical FSI)，属于单向耦合；

• 瞬态流动引起固体大变形，并反馈给流场，也叫 DC-FSI (Direct Coupling FSI)，属于双向耦合。

• 固体本身的变形量很小，可以认为是刚体，但是整体产生比较大的位移，可以采用 CFD 耦合 MBD 多体动力学分析，也属于双向耦合。

以上几种分析都可以在 SimLab 模块中完成，流固交界面的耦合数据在后台传递，无需用户编辑脚本。

TFSI 模型的计算代价最小，通常用于流体静载荷或温度梯度引起的固体小变形，例如汽车排气管的热应力，发动机水套的热应力，车灯的热应力等等场景。

排气歧管的 TFSI 分析案例

AcuSolve 模型的管路入口为高温高压气体，管路出口为大气压和环境温度，管路外壁面是自然对流散热边界。AcuSolve 结果传递给求解器 OptiStruct 再分析管路的热应力和变形。

AcuSolve 模型的边界

OptiStruct 模型的约束

AcuSolve 分析温度场

OptiStruct 分析变形量

SimLab 发动机壳体的 TFSI 分析案例

P-FSI 计算代价中等。首先进行 OptiStruct 的模态分析，将模态频率和振型（*op2 文件）传递给 AcuSolve，模态向量从固体网格映射到流体网格的湿表面上。接着打开 ALE 动网格开关，Moving Mesh → Computed 求解湿表面的变形。需要注意的是：P-FSI 固体变形必须在线性范围内，无法考察固体内的真实应力，但是可以评估结构的疲劳水平。

P-FSI 案例

海洋工程上采用的圆柱形断面结构物，在洋流冲刷下产生周期性脱落的旋涡，由此产生脉动压力，引发结构的周期性振动，这种规律性的管体振动反过来又会改变旋涡的频率。如果卡门涡频率和结构模态吻合，振幅会达到最大。这种现象也称为“涡激振动”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

安装了扰流片的海工结构

AcuSolve 的 ALE 动网格

圆形截面管振动幅度较大

安装扰流片改变了卡门涡频率，从而减少了结构振幅

射流主动控制技术

除了安装扰流片，也可以在结构的表面安装射流装置，同样可以改变卡门涡的频率，从而破坏 VIV 的“吻合”效应。

圆柱绕流的卡门涡

无射流控制

有射流控制

流体侧向力的时间历程曲线

无射流控制（蓝色），有射流控制（红色）

大型的结构或建筑也要考虑风载荷的激励。一方面改变风涡脱落频率，或者通过安装加强筋，配重等手段改变结构的固有频率，避免严重的 VIV 现象。

案例：风力发电机的叶片在强风下产生显著变形，不仅会改变叶片的空气动力学性能，如果翼尖变形量过大，甚至会影响塔架安全。

风力发电机风洞试验

OptiStruct 分析叶片的振动形式：摆振和扭转

2 叶片风力机的外流场和翼尖的变形曲线

案例：100 米长风力机叶片的 P-FSI 分析

OptiStruct 叶片模态分析

AcuSolve 计算叶片外流场

AcuSolve 计算叶片的变形

案例：大型天线的风载荷分析（静载荷和风振）

大型天线的风振 FSI 分析

案例：路牌的风振分析

案例：赛车尾翼的风振分析

除了 VIV， 还有一类现象，叫做 VIM (Vortex Induced Motion)，分析刚体在流体载荷下的运动规律。

VIM 案例：复杂的圆柱绕流问题

AcuSolve 输出流体载荷，更新固体的位移，MotionSolve 接受流体载荷并求解固体速度/加速度/位移。

VIM 案例：AcuSolve 模拟水池晃动，耦合连杆机构运动

MotionSolve 的湿表面必须是刚体，其余部分可以是柔性体，分析结构应力应变。

VIM 案例：海工结构在洋流下的运动

DC-FSI 同时计算 AcuSolve 和 OptiStruct 模型，在相同的时间步交换数据，计算代价最大。可以考虑固体的大变形和材料非线性，并评估固体变形的真实应力。

DC-FSI 原理图

隔膜阀 DC-FSI 分析案例

隔膜阀置于轴向流道,隔膜材料能承受较大变形, 在大流量下隔膜产生形变，逐步减小过流面积，起到自动节流的效果。

隔膜阀的瞬态流场

隔膜阀的 Von Mises 应力

隔膜阀中心点位移

 总 结 

• 首先用户判断 FSI 问题属于哪一类，采取合理假设，降低计算代价。

• 流固交界面的网格不要求节点一一匹配，但是如果流体侧和固体侧的网格尺寸差太多，可能会造成数据映射的误差。

• P-FSI 和 DC-FSI 的流体都要求是瞬态计算，估算时间步长，既要满足振动最高频率的要求，还要满足一个时间步内网格变形量不能过大（否则造成 CFD 网格负体积而发散）。

• 避免在一个时间步内传递很大的力给 OptiStruct，或反之，在一个时间步内传递很大的位移给 AcuSolve。可以通过增加一个 Multiplier 的方法分步加载，提高 FSI 耦合计算的收敛稳定性。

• HyperWorks 的 FSI 计算可以跨平台，比如把 AcuSolve 计算放在 Linux 的集群上，而 OptiStruct 的计算放在 Windows 的台式机，通过 TCP 端口进行网络通讯。

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