一种大变形超弹性结构流激振动特性预测方法技术

本发明专利技术提出一种大变形超弹性结构流激振动特性预测方法，属于生物力学及其系统耦合模拟技术领域。将结构及其周围流场视为一个三维流固耦合系统，设计一套基于浸入边界法的耦合求解方法，获得超弹性结构流激振动特性和非定常流场特性。该方法采用两套网格，整个流体和结构组成的耦合系统区域在Euler描述下采用笛卡尔网格求解，固体区域在Lagrange描述下使用适体曲线网格求解。该发明专利技术方法不再使用动网格技术，避免了网格畸形以及离散网格几何不守恒等问题，能够有效地处理大变形柔性结构与流体的相互作用问题，尤其在柔性生物结构与流体的耦合运动中能得到广泛的应用。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提出，属于生物力学及其系统耦合模拟
。将结构及其周围流场视为一个三维流固耦合系统，设计一套基于浸入边界法的耦合求解方法，获得超弹性结构流激振动特性和非定常流场特性。该方法采用两套网格，整个流体和结构组成的耦合系统区域在Euler描述下采用笛卡尔网格求解，固体区域在Lagrange描述下使用适体曲线网格求解。该专利技术方法不再使用动网格技术，避免了网格畸形以及离散网格几何不守恒等问题，能够有效地处理大变形柔性结构与流体的相互作用问题，尤其在柔性生物结构与流体的耦合运动中能得到广泛的应用。【专利说明】
本专利技术涉及，具体涉及到生物力学及其系统领域内超弹性结构的流激振动预测方法，属于生物力学及其系统耦合模拟
。
技术介绍
流固耦合问题的难点之一是流体和固体使用不同的数学描述框架。通常，流体运动使用Euler描述，而固体运动使用Lagrange描述。浸入边界法提供了一种方式，使这两种框架相互联系在一起。而浸入边界法将浸入流体的弹性体模化成Navier-Stokes动量方程中的体力，这样整个物理区域(流体区域和固体区域)可以看成一个流场进行求解。浸入边界法采用两套网格，整个物理区域在Euler描述下采用笛卡尔网格求解，固体区域在Lagrange描述下使用适体曲线网格求解。Lagrange变量和Euler变量的信息交换通过近似光滑函数实现。两套网格互不关联，流场求解不再使用动网格技术，从而避免了网格畸形以及离散网格几何不守恒等问题，能够有效地处理大变形柔性结构与流体的相互作用问题，尤其在柔性生物结构与流体的耦合运动中得到广泛的应用。早期的浸入边界法，固体简化成弹性纤维模型(承受拉伸、压缩和弯曲)，数值上易于离散，此模型广泛地应用于生物力学中各项异性材料。但是，对于非纤维组成的弹性体，纤维模型不能很好的适用，因为纤维模型不占用体积，不能考虑材料剪切变形。近几年来，扩展的浸入边界法得到快速发展，被广泛用于处理复杂动边界和流固耦合大变形问题，如浸入边界有限元方法，浸入边界有限体积方法，基于变分方法处理力源项及Dirae Delta函数分布，无网格的浸入边界法等。本专利技术采用混合有限元/有限体积浸入边界法对方柱绕流后柔性超弹性悬臂梁的流激振动问题进行数值模拟，研究了悬臂梁的耦合振动特性和流场动态分布特性。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服传统计算超弹性结构流激振动方法的不足，提出，具体是一种基于浸入边界法的大变形超弹性结构流激振动特性预测方法，流场求解不再使用动网格技术，避免了网格畸形以及离散网格几何不守恒等问题，使之能更有效地预测大变形超弹性柔性结构的流激振动行为。本专利技术的技术方案是:采用数值计算技术对超弹性结构流激振动特性进行预测，该方法具体步骤如下: (1)利用网格划分模块，将整个流体和结构组成的耦合系统区域在Euler描述下采用笛卡尔网格划分，并将单元坐标信息输出到文件fnode.txt ;超弹性体在Lagrange描述下使用适体曲线网格划分，相应网格节点信息文件输出到snode.txt ； (2)利用初值计算模块，加载流体计算的边界条件，将流体和超弹性体组成的耦合系统区域看成Euler描述下单一流场的求解，求得流体和结构组成的稱合系统区域的稳态流场作为流场瞬态计算的初值条件； (3)利用浸入边界法模块，在时间上推进由超弹性结构和周围流场组成的整个物理系统，并设定流场计算模块、信息交换模块和弹性力计算模块: A、流场计算模块:将流体笛卡尔网格单元中心上附加的流体力密度fforce.txt对应加载到相应的流体单元上，然后调用流体求解器，求解附加了流体力密度的瞬态流体控制方程，并通过程序接口，提取笛卡尔网格流体单元中心速度，输出到文件fvelocity.txt ； B、信息交换模块:利用信息交换模块的主要作用就是实现拉格朗日变量与欧拉变量之间的转换，得到的变换结果为:【权利要求】1.，其特征在于具体步骤包括: (1)利用网格划分模块，将整个流体和结构组成的耦合系统区域在Euler描述下采用笛卡尔网格划分，并将单元坐标信息输出到文件fnode.txt ;超弹性体在Lagrange描述下使用适体曲线网格划分，相应网格节点信息文件输出到snode.txt ； (2)利用初值计算模块，加载流体计算的边界条件，将流体和超弹性体组成的耦合系统区域看成Euler描述下单一流场的求解，求得流体和结构组成的稱合系统区域的稳态流场作为流场瞬态计算的初值条件； (3)利用浸入边界法模块，在时间上推进由超弹性结构和周围流场组成的整个物理系统，并设定流场计算模块、信息交换模块和弹性力计算模块； (4)调用结果输出模块，将步骤(3)得到的每一时间步计算的超弹性结构瞬态位移响应以及流场信息输出到文件result, txt ； (5)根据步骤(4)得到的结果，设定时间步长为u要求计算的总物理时间为τ时间步数为》，若^ ?<7，则进入下一时间步，继续调用浸入边界法模块进行下一时间步的计算，即重复执行步骤(3)和(4);若^ ,则结束整个计算，得到预测的大变形超弹性结构流激振动特性结果。2.根据权利要求1所述的大变形超弹性结构流激振动特性预测方法，其特征在于步骤(3)的具体方法为: A、流场计算模块:将流体笛卡尔网格单元中心上附加的流体力密度fforce.txt对应加载到相应的流体单元上，然后调用流体求解器，求解附加了流体力密度的瞬态流体控制方程，并通过程序接口，提取笛卡尔网格流体单元中心速度，输出到文件fvelocity.txt ； B、信息交换模块:利用信息交换模块实现拉格朗日变量与欧拉变量之间的转换，得到的变换结果为: 3.根据权利要求1所述的大变形超弹性结构流激振动特性预测方法，其特征在于:所述流体计算的边界条件包括无滑移无渗透壁面边界条件、速度进口边界条件和自由出流边界条件。4.根据权利要求1所述的大变形超弹性结构流激振动特性预测方法，其特征在于:所述流体计算模块中流体求解器是CFD流体求解器、开源的程序代码或自编程序代码。5.根据权利要求1所述的大变形超弹性结构流激振动特性预测方法，其特征在于:所述时间步是指把物理上连续的·时间分割成的有限时间段，每一时间段即为一个时间步。【文档编号】G06F19/00GK103853921SQ201410061229【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日 【专利技术者】王文全, 闫妍, 郝栋伟 申请人:昆明理工大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大变形超弹性结构流激振动特性预测方法，其特征在于具体步骤包括：（1）利用网格划分模块，将整个流体和结构组成的耦合系统区域在Euler描述下采用笛卡尔网格划分，并将单元坐标信息输出到文件fnode.txt；超弹性体在Lagrange描述下使用适体曲线网格划分，相应网格节点信息文件输出到snode.txt；（2）利用初值计算模块，加载流体计算的边界条件，将流体和超弹性体组成的耦合系统区域看成Euler描述下单一流场的求解，求得流体和结构组成的耦合系统区域的稳态流场作为流场瞬态计算的初值条件；（3）利用浸入边界法模块，在时间上推进由超弹性结构和周围流场组成的整个物理系统，并设定流场计算模块、信息交换模块和弹性力计算模块；（4）调用结果输出模块，将步骤(3)得到的每一时间步计算的超弹性结构瞬态位移响应以及流场信息输出到文件result.txt；（5）根据步骤（4）得到的结果，设定时间步长为，要求计算的总物理时间为,时间步数为，若,则进入下一时间步，继续调用浸入边界法模块进行下一时间步的计算，即重复执行步骤（3）和（4）；若，则结束整个计算，得到预测的大变形超弹性结构流激振动特性结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王文全，闫妍，郝栋伟，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53