流固耦合分析之竹蜻蜓旋轉升空模擬教學-Abaqus光滑粒子流體動力學方法SPH

今天來聊聊SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法，通過模擬一個竹蜻蜓在空氣中旋轉獲得升力的過程來掌握由Abaqus/CAE界面定義SPH粒子的方法。

平滑粒子流體動力學（SPH）是一種用於模擬連續介質動力學的計算方法，如固體力學和流體流動。它由Gingold和Monaghan（1977）和Lucy（1977）最初為天體物理學問題開發。它已被用於許多研究領域，包括天體物理學，彈道學，火山學和海洋學。這是一種無網格拉格朗日方法（坐標隨流體移動），方法的解析度可以方便地根據密度等變數進行調整。

-wikipedia

Abaqus自6.11版本開始引入該分析方法，該方法可以使用ABAQUS/Explicit中的所有材料（包括用戶自定義材料），還可以定義其他拉格朗日模型中的任何初始條件、邊界條件，也支持與其他拉格朗日網格的相互接觸，擴大了該方法應用範圍。

竹蜻蜓旋轉升力模擬案例教學

1、材料、分析步與接觸設置

建立一個較長的空氣區域和竹蜻蜓模型（都是deformable part）；在mm-tone單位制下定義竹蜻蜓材料為塑料（密度，楊氏模量，泊松比）=（1.8e-9，8300,0.28）；空氣定義（密度，動粘度）=（1.2e-12，1.82e-10），EOS類型選擇Us-Up，（c0,s0,Gamma0）=（340000,0,0）；分析類型為顯式動力學分析Abaqus/Explicit，t=1.5s；把竹蜻蜓約束為剛體，並定義通用接觸。

2、邊界條件設定

給竹蜻蜓參考點施加Y向旋轉角速度70rad/s,並約束其它方向自由度；空氣狀態參數已經考慮重力，為避免計算開始後空氣下沉，可以僅對竹蜻蜓施加重力場。

3、SPH粒子設置

在空氣域的element type里定義由拉格朗日網格到光滑粒子的轉化方法為按照時間為判斷標準，閾值設為0，即分析開始，網格都轉化為SPH粒子。

4、分析結果

可以看到，由於旋轉並與空氣發生相互作用，竹蜻蜓在角速度的方向上產生了升力，獲得了向上飛行的速度。

說明：嚴格來說，Us-Up類型的EOS狀態方程大多數情況下更適用於液體與固體，不太用於氣體分析，所以需要聲明的是，本文中的案例只作為SPH使用方法的教學，並未對結果解讀的準確性持嚴格立場。

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