流固耦合抗震分析:ADINA有限元经典实例

1.前处理

1）进入结构分析模块。

启动ADINA-AUI，从程序模块的下拉式菜单中选择ADINA Structures。

图10-92 方形沉箱示意图

单击图标来清除图形区中的信息并创建一个新模型。单击图标来打开命令流文件011_model_str-initial.in。

2）设置求解控制。

求解控制：将分析类型选择为Dynamics-Implicit分析。

打开流固耦合FSI：在类型栏内打开FSI选项。

打开自动时间步：单击图标，在弹出的对话框中勾选Use Automatic Time-Stepping选项，单击右侧的按钮，将弹出Automatic Time-Stepping对话框，将Maximun Subdivisions Allowed设置为100。

打开线性搜索选项：单击菜单Control→Solution Process，在弹出的对话框中单击Iteration Method，将Use of Line Searches设置为Yes，并在Maximun Number of Iterations处输入30。

定义时间步：单击菜单Control→Time Step来定义时间步长0.02，共计算2000步。

设置结果输出控制：单击菜单Control→Porthole（.por）→Time Steps（Nodal Results），在弹出的对话框中依次输入1、1、2000、10，并将Copy Time Step Blocks To Element Results设置为Copy over if it is Empty。

3）定义并施加地震波。

定义地震波的时间函数：ADINA软件中不同方向的地震加速度均通过时间函数曲线的方式来输入。需要注意的是：时间函数中的Value指的是比例因子，在不同时刻对加速度载荷定义中的Magnitude进行放大或缩小。首先输入不同方向的Time Function，对应的操作如下：单击Control→Time Function...，在弹出的对话框中单击Add...按钮，然后单击Import选择地震波文件a050_002_0050_01.txt，以输入X方向的地震加速度曲线，如图10-93所示。

图10-93 输入X方向地震加速度曲线

定义地震载荷：单击图标，在弹出的对话框中将载荷类型选择为Mass Proportion，单击Define按钮，在弹出的对话框中，将Magnitude输入0.01，确认Direction Vector下的X为1，Y与Z为0，将Interpret Loading as（for potential-based fluid element only）选择Groud Acceleration，如图10-94所示。

当返回到Apply Load窗口时，将Load Number选择为2，在表格第一行输入2，载荷数与时间函数的对应关系如图10-95所示。

4）对结构施加FSI边界。

单击菜单Model→Boundary Con-ditions→FSI Boundary...，在弹出的对话框中单击Add...按钮来定义Boundary Number 1，将Type设置为Surfaces，单击Import...来导入文件fsi-boundary-str_01.txt（保存于随书光盘的文件夹\10-6\in_model\中），如图10-96左 图 所 示，单 击Save按钮。

图10-94 定义X方向的地震加速度载荷

单击Add...按钮来定义Boundary Number 2，将Type设置为Surfaces，单击Import...按钮来导入文件fsi-boundary-str_02.txt（保存于随书光盘的文件夹\10-6\in_model\中），如图10-96右图所示，单击OK按钮退出对话框。

图10-95 载荷数与时间函数的对应关系

图10-96 为结构施加FSI边界

5）定义材料。

定义混凝土弹性材料属性：单击图标，在弹出的对话框中单击Elastic Isotropic按钮，在Define Isotropic Linear Elastic Material对话框中单击Add...按钮来定义材料1，在Young’s Modulus处输入3.25 E10，在Poisson’s ratio处输入0.167，在Density处输入1500，单击Save按钮。

定义坝基弹性材料属性：在Define Isotropic Linear Elastic Material对话框中单击Add...按钮来定义材料2，在Young’s Modulus处输入2.5 E10，在Poisson’s ratio处输入0.167，在Density处输入1000，单击Save按钮。

定义基岩（石头）弹性材料属性：在Define Isotropic Linear Elastic Material对话框中单击Add...按钮来定义材料3，在Young’s Modulus处输入3.0 E10，在Poisson’s ratio处输入0.167，在Density处输入1000，单击OK按钮和Close按钮退出对话框。

提示：对于水下结构需按照浮容重来考虑。

6）定义单元组。

对于刚才定义的3种材料可以定义6个单元组，分别为箱底、箱体、箱内抛石、箱盖、坝基、基岩。将相同材料定义成两个或多个单元组，这样做的优点是便于在后处理时对不同部位可以按照不同单元组进行显示查看。

定义箱底单元组：单击菜单Meshing→Element Group（或图标），在弹出的定义单元组对话框中单击Add...按钮，定义单元组1，将Type选择为3D Solid，将Default Material选择为1，单击Save按钮。

定义箱体单元组：单击Add...按钮，定义单元组2，将Default Material选择为1，单击Save按钮。

定义箱内抛石单元组：单击Add...按钮，定义单元组3，将Default Material选择为3，单击Save按钮。

定义箱盖单元组：单击Add...按钮，定义单元组4，将Default Material选择为1，单击Save按钮。

定义坝基单元组：单击Add...按钮，定义单元组5，将Default Material选择为2，单击Save按钮。

定义基岩单元组：单击Add...按钮，定义单元组6，将Default Material选择为3，单击OK按钮。

7）划分网格。

划分箱底的网格：单击菜单Meshing→Create Mesh→Volume（或图标），在弹出的对话框中将Type选择为3-D Solid，将Element Group选择为1，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate，并在表格中输入Volume 1～Volume 86（应用Auto功能），单击Apply按钮。

划分箱体的网格：将Element Group选择为2，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate，在表格中输入Volume 87～Volume 107（应用Auto功能），单击Apply按钮。(www.xing528.com)

划分箱内抛石的网格：将Element Group选择为3，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate，在表格中输入Volume 108～Volume 115（应用Auto功能），单击Apply按钮。

划分箱盖的网格：将Element Group选择为4，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate，在表格中输入Volume 116～Volume 164（应用Auto功能），单击Apply按钮。

划分坝基的网格：将Element Group选择为5，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate，在表格中输入Volume 65；将Nodal Coincidence选择为No Checking，单击Apply按钮。

划分基岩的网格：将Element Group选择为6，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate，在表格中输入Volume 166；将Nodal Coincidence选择为All Generated Nodes，单击OK按钮退出对话框。

8）生成ADINA结构求解文件。

单击图标，将数据库保存到文件021_Earthquake_str.idb中。生成ADINA结构求解文件的操作如下：单击图标，在弹出的对话框中将文件名设置为021_Earthquake_str，确认没有勾选Run Solution选项后单击Save按钮。

9）进入流体分析模块。

启动ADINA-AUI，从程序模块的下拉式菜单中选择ADINA CFD。

单击图标清除图形区中的信息，并创建一个新模型；单击图标打开命令流文件012_model_cfd-initial.in。

10）设置求解控制。

求解控制：将分析类型选择为Transient。

打开流固耦合FSI：在类型栏中打开FSI选项。

选择3D分析但不进行传热分析：单击菜单Model→Flow Assumptions，在弹出的对话框中将Flow Dimension选择为3D，退选Includes Heat Transfer。

打开自动时间步：单击图标，在弹出的对话框中勾选Use Automatic Time-Stepping。

选择FCBI-C单元算法：单击菜单Control→Solution Process，将Flow-Condition-Based Interpolation Element设置为FCBI-C；单击Outer Iteration，再单击Advanced Settings，勾选Use Pressure-Implicit with Splitting of Operators（PISO）Scheme选项。

定义时间步：单击菜单Control→Time Step，在弹出的对话框中定义时间步长0.02，共计算2000步。

结果输出控制：单击菜单Control→Porthole（.por）→Time Steps（Nodal Results），在弹出的对话框表格的第1行依次输入1、1、2000、10，并将Copy Time Step Blocks To Element Results设置为Copy over if it is Empty。

11）对流体施加FSI边界。

单击菜单Model→Special Boundary Conditions（或图标），在弹出的对话框中单击Add...按钮来定义Boundary Number 1，将Type设置为Fluid-Structure Interface，将Apply to设置为Surfaces，确认Fluid-Structure Boundary#处为1，在表格中依次输入Surface的面号：607、608、609、610、677、679、683、673（如图10-97所示），单击OK按钮。

单击Add...按钮来定义Boundary Number 2，将Type设置为Fluid-Structure Interface，将Apply to设置为Surfaces，在Fluid-Structure Boundary#处输入2，在表格中依次输入Sur-face的面号：622、623、631、636、672、676、684、678，如图10-98所示，单击OK按钮。

图10-97 定义FSI边界1

图10-98 定义FSI边界2

12）对流体施加自由液面边界。

单击Add...按钮来定义Boundary Number 3，将Type设置为Free Surface，将Apply to设置为Surfaces，在表格中依次输入Surface的面号：628、626、635、620、652、648、642、637、668、653、658、662，单击OK按钮退出对话框。

13）定义流体材料。

定义流体材料：单击Manage Materials图标，再单击Constant按钮，增加流体材料1，把Viscosity设置为0.001，把Density设置为1000，在Acceleration due to Gravity的Y栏输入-10，单击OK。

图10-99 定义流体材料属性

14）定义流体单元组。

定义流体单元组的操作如下：单击菜单Meshing→Element Group（或图标），将弹出定义单元组对话框。单击Add...按钮来定义单元组1，将Type选择为3D Fluid，将Default Material选择为1，单击OK按钮。

15）划分流体网格。

划分流体的网格：单击菜单Meshing→Create Mesh→Volume（或图标），在弹出的对话框中将Type选择为3-D Fluid，将Element Group选择为1，将Nodes per Element选择为8，退选Wedge Volumes Treated as Degenerate，并在表格中输入Volume 167～Volume 186（应用Auto功能），单击OK按钮。

16）生成ADINA流体求解文件。

单击图标，将数据库保存到文件022_Earthquake_cfd.idb中。生成ADINA流体求解文件的操作如下：单击图标，并将文件名设置为022_Earthquake_cfd，确认没有勾选Run Solution，并单击Save按钮。

2.求解

进行流固耦合FSI求解：单击菜单Solution→Run ADINA-FSI...，在弹出的ADINA-FSI对话框中单击Start...按钮，并选中前两次生成的求解文件021_Earthquake_str.dat和022_Earthquake_cfd.dat，再次单击Start按钮即可进行FSI求解，如图10-100所示。

图10-100 设置FSI计算对话框

3.后处理

程序模块选择为Post→Processing。单击菜单File→Open（或图标），依次打开结果文件021_Earthquake_str.por和022_Earthquake_cfd.por，这样做可以在后处理时同时查看结构和流体的分析结果。例如，图10-101为结构和流体网格的变形情况，图10-102为只包含结构场的最大主压应力云图，图10-103为只包含流体场速度矢量图。此外，还可以单击制作动画图标，通过动画来查看整个抗震过程，结果图片和动画保存于随书光盘的文件夹\10-6\结果图片及动画\Earthquake\中。