基于 fluid cavity 的气囊充气过程模拟

基于fluid cavity 的气囊充气过程模拟

ABAQUS中的fluid cavity 功能可以模拟气体或者液体的行为，为不熟悉CFD 或不研究复杂的结构-气体（液体）相互作用的工程师提供了有效的计算手段。现有的fluid cavity的教程大多采用关键字的方法添加，实际上fluid cavity分析已经可以通过GUI来实现，并非不许编辑关键字。

本教程采用壳单元建立了三个圆形气囊，并采用fluid cavity模拟了三个独立气囊依次充气的过程。本教程仅为说明fluid cavity 功能的使用，材料参数等取值较为随意，并未采用气囊常用的橡胶材料或织物，如有偏差请谅解。

一、基础理论和背景知识

ABAQUS中的fluid cavity可以基于表面定义流体腔，流体腔的填充物可以使液体或气体。在采用隐式求解器的情况下可以计算气体（液体）-结构相互作用，在采用显示求解的情况下可以计算气体（液体）-结构的热力耦合问题。在定义fluid cavity时，系统自动生成流体单元，以F3D4单元为例，F3D4单元为5节点金字塔形单元，底面的四个点为流体腔壁处的节点，顶部的节点为流体腔参考节点，流体腔参考节点需位于流体腔内部。

图 1 F3D4 单元

F3D4单元采用理想气体方程描述气体的体积-压力关系，即Pv=nRT。采用静态求解器是认为气体始终处于稳态，即温度不变。可以描述缓慢的升压或降压过

程。如需要考虑温度的影响，则必须采用显式求解器。采用液体时，则需要给出液体的体积模量。

二、模型的建立

采用旋转壳的方式建立气囊模型，模型尺寸和最终效果如图2和图3所示。本模型采用mm-kg单位制。

图 2 模型尺寸

图 3 模型外观

建立几何模型以后，给上述几何模型赋截面和材料属性，本案例采用了0.1mm的钢板建立了气囊，即弹性模量2*10^11Pa,泊松比0.3，厚度0.1mm。静力分析不需要定义密度。

完成上述建模过程后装配并定义分析步。分析步采用静力-通用分析步，考

虑几何非线性，长度1。初始增量0.01，最大增量0.05。具体设置如图。

图 4 定义分析步

图 5 分析步增量设置

三、网格划分与编辑

因为后面的设置过程中需要用到一个参考节点来定义fluid cavity，因此先对part划分网格并编辑网格以定义所需的参考节点。参考节点的作用见图1。采用扫略方式划分网格。

图 6 网格划分情况

点击网格编辑工具，选择“创建”创建节点作为流体腔的参考节点。三个参考节点分别位于三个气囊的正中。

图 7 编辑节点 以三个参考节点建立节点集，分别命名为set-c1到set-c3或其他易于识别的名称。三以个气囊的内表面建立基于几何的表面，命名为surf-c1到surf-c3或其他已于识别的名称。

四、 气体参数的设置

在右侧树状目录中Model-1上单击右键，选择“编辑属性”

，输入绝对零度1 2

的值和气体常数。其中通用气体常数为8.312/M IGM，即8.312除以气体的摩尔质量，单位为kg。

图8 基本物理常数

然后在相互作用模块中，点击创建相互作用属性，选择“流体腔”。

1

2

图9 创建相互作用属性

创建相互作用属性以后，在相互作用属性中定义理想气体分子量，需要说明的是，此处的理想气体分子量的概念不同于化学中的分子量，而是与化学中的摩尔质量相同，单位一般为kg，此处以氮气为例，摩尔质量28g。

图10 输入理想气体分子量

五、流体腔设置

1

2

图11 建立流体腔

点击“创建相互作用”，然后点击“流体腔”在“创建相互作用”界面中选择之前建立的集合，如图12所示。以同样的方法建立另外两个流体腔。

图12 选择流体腔参考点和表面

六、充气过程的定义

因为需要对三个流体腔依次充气，因此需要首先定义三个流体腔的充气幅值曲线，其数值表1所示。

表 1 气囊充气幅值

然后在边界条件中定义充气过程，第一个气囊充气过程的定义如图13所示，具体参数的设置如图14所示。定义边界条件类型为“流体气蚀区压力”（这个翻译有点怪），数值为0.1MPa，幅值曲线为Amp-1。后两个气囊的定义过程类似，不再赘述。定义完气囊的充气过程以后，在整个模型的底部施加约束，约束模型底部三个方向的位移，即可提交计算。具体边界条件如图15所示。

1

2

图13 创建边界条件

图14 边界条件的设置

图15 底部边界条件设置

七、 计算结果

完成上述结果后，即可提交计算。不同时刻的计算结果如图16至图18所示。

八、 拓展

1 关于显示

进行完fluid cavity 分析以后，有时计算结果会呈花白的迷彩状显示（如图

19），此时需要将显示组重置为“表面”，并选择在fluid cavity 中定义的所有表面，并替换现有显示组，具体设置如图20所示。

图 16 充气前 图 17 第一个气囊充气完成

图 18 第二个气囊充气完成 图 18 第三个气囊充气完成

图19 计算结果显示为迷彩状

图20 显示组设置

2 关于进一步的计算

在现有的计算的基础上，增加一个分析步step-2,在step-2的基础上施加如图所示的荷载，荷载大小为0.5MPa,提交运算，从计算结果可以看出，结构充气后增高了3.3mm，施加荷载后被压缩了大约0.5mm。

图21 在模型顶端施加荷载

图22 施加荷载后的计算结果

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tyhe.html