一種大變形超彈性結構流激振動特性預測方法
【專利摘要】本發明提出一種大變形超彈性結構流激振動特性預測方法，屬于生物力學及其系統耦合模擬【技術領域】。將結構及其周圍流場視為一個三維流固耦合系統，設計一套基于浸入邊界法的耦合求解方法，獲得超彈性結構流激振動特性和非定常流場特性。該方法采用兩套網格，整個流體和結構組成的耦合系統區域在Euler描述下采用笛卡爾網格求解，固體區域在Lagrange描述下使用適體曲線網格求解。該發明方法不再使用動網格技術，避免了網格畸形以及離散網格幾何不守恒等問題，能夠有效地處理大變形柔性結構與流體的相互作用問題，尤其在柔性生物結構與流體的耦合運動中能得到廣泛的應用。
【專利說明】一種大變形超彈性結構流激振動特性預測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種大變形超彈性結構流激振動特性預測方法，具體涉及到生物力學及其系統領域內超彈性結構的流激振動預測方法，屬于生物力學及其系統耦合模擬【技術領域】。
【背景技術】
[0002]流固耦合問題的難點之一是流體和固體使用不同的數學描述框架。通常，流體運動使用Euler描述，而固體運動使用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動量方程中的體力，這樣整個物理區域(流體區域和固體區域)可以看成一個流場進行求解。浸入邊界法采用兩套網格，整個物理區域在Euler描述下采用笛卡爾網格求解，固體區域在Lagrange描述下使用適體曲線網格求解。Lagrange變量和Euler變量的信息交換通過近似光滑函數實現。兩套網格互不關聯，流場求解不再使用動網格技術，從而避免了網格畸形以及離散網格幾何不守恒等問題，能夠有效地處理大變形柔性結構與流體的相互作用問題，尤其在柔性生物結構與流體的耦合運動中得到廣泛的應用。
[0003]早期的浸入邊界法，固體簡化成彈性纖維模型(承受拉伸、壓縮和彎曲)，數值上易于離散，此模型廣泛地應用于生物力學中各項異性材料。但是，對于非纖維組成的彈性體，纖維模型不能很好的適用，因為纖維模型不占用體積，不能考慮材料剪切變形。近幾年來，擴展的浸入邊界法得到快速發展，被廣泛用于處理復雜動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及Dirae Delta函數分布，無網格的浸入邊界法等。
[0004]本發明采用混合有限元/有限體積浸入邊界法對方柱繞流后柔性超彈性懸臂梁的流激振動問題進行數值模擬，研究了懸臂梁的耦合振動特性和流場動態分布特性。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是克服傳統計算超彈性結構流激振動方法的不足，提出一種大變形超彈性結構流激振動特性預測方法，具體是一種基于浸入邊界法的大變形超彈性結構流激振動特性預測方法，流場求解不再使用動網格技術，避免了網格畸形以及離散網格幾何不守恒等問題，使之能更有效地預測大變形超彈性柔性結構的流激振動行為。
[0006]本發明的技術方案是:采用數值計算技術對超彈性結構流激振動特性進行預測，該方法具體步驟如下:
(1)利用網格劃分模塊，將整個流體和結構組成的耦合系統區域在Euler描述下采用笛卡爾網格劃分，并將單元坐標信息輸出到文件fnode.txt ;超彈性體在Lagrange描述下使用適體曲線網格劃分，相應網格節點信息文件輸出到snode.txt ；
(2)利用初值計算模塊，加載流體計算的邊界條件，將流體和超彈性體組成的耦合系統區域看成Euler描述下單一流場的求解，求得流體和結構組成的稱合系統區域的穩態流場作為流場瞬態計算的初值條件；
(3)利用浸入邊界法模塊，在時間上推進由超彈性結構和周圍流場組成的整個物理系統，并設定流場計算模塊、信息交換模塊和彈性力計算模塊:
A、流場計算模塊:將流體笛卡爾網格單元中心上附加的流體力密度fforce.txt對應加載到相應的流體單元上，然后調用流體求解器，求解附加了流體力密度的瞬態流體控制方程，并通過程序接口，提取笛卡爾網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現拉格朗日變量與歐拉變量之間的轉換，得到的變換結果為:
【權利要求】
1.一種大變形超彈性結構流激振動特性預測方法，其特征在于具體步驟包括: (1)利用網格劃分模塊，將整個流體和結構組成的耦合系統區域在Euler描述下采用笛卡爾網格劃分，并將單元坐標信息輸出到文件fnode.txt ;超彈性體在Lagrange描述下使用適體曲線網格劃分，相應網格節點信息文件輸出到snode.txt ； (2)利用初值計算模塊，加載流體計算的邊界條件，將流體和超彈性體組成的耦合系統區域看成Euler描述下單一流場的求解，求得流體和結構組成的稱合系統區域的穩態流場作為流場瞬態計算的初值條件； (3)利用浸入邊界法模塊，在時間上推進由超彈性結構和周圍流場組成的整個物理系統，并設定流場計算模塊、信息交換模塊和彈性力計算模塊； (4)調用結果輸出模塊，將步驟(3)得到的每一時間步計算的超彈性結構瞬態位移響應以及流場信息輸出到文件result, txt ； (5)根據步驟(4)得到的結果，設定時間步長為u要求計算的總物理時間為τ時間步數為》，若^ ?<7，則進入下一時間步，繼續調用浸入邊界法模塊進行下一時間步的計算，即重復執行步驟(3)和(4);若^ ,則結束整個計算，得到預測的大變形超彈性結構流激振動特性結果。
2.根據權利要求1所述的大變形超彈性結構流激振動特性預測方法，其特征在于步驟(3)的具體方法為: A、流場計算模塊:將流體笛卡爾網格單元中心上附加的流體力密度fforce.txt對應加載到相應的流體單元上，然后調用流體求解器，求解附加了流體力密度的瞬態流體控制方程，并通過程序接口，提取笛卡爾網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現拉格朗日變量與歐拉變量之間的轉換，得到的變換結果為:
3.根據權利要求1所述的大變形超彈性結構流激振動特性預測方法，其特征在于:所述流體計算的邊界條件包括無滑移無滲透壁面邊界條件、速度進口邊界條件和自由出流邊界條件。
4.根據權利要求1所述的大變形超彈性結構流激振動特性預測方法，其特征在于:所述流體計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.根據權利要求1所述的大變形超彈性結構流激振動特性預測方法，其特征在于:所述時間步是指把物理上連續的·時間分割成的有限時間段，每一時間段即為一個時間步。
【文檔編號】G06F19/00GK103853921SQ201410061229
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年2月24日 優先權日:2014年2月24日
【發明者】王文全, 閆妍, 郝棟偉 申請人:昆明理工大學