基于ABAQUS—CFD的流固耦合技術(shù)研究

鄭鑫　蔣建平

摘 要：考慮到不可壓縮流體對樁柱的作用，通過單排樁、三排樁和五排群樁對比分析，在不同時間條件下的流體對基樁的耦合應(yīng)力，采用ABAQUS-CFD進行流固耦合分析為碼頭基樁設(shè)計提供參考，具有一定的工程意義。

關(guān)鍵詞：流固耦合；有限元模型；群樁；CFD

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.054

0 引言

在海洋工程中，港口、海岸及近海工程建筑物常受到各種荷載的作用，其中最主要的影響因素是海洋流體。在沿海工程中，單樁和群樁結(jié)構(gòu)是普遍采用的結(jié)構(gòu)，當海流流向樁柱時，在一定的流速下，在柱體兩側(cè)流體會形成漩渦狀態(tài)，出現(xiàn)的共振易造成海洋結(jié)構(gòu)物的破壞，這在工程中應(yīng)避免此現(xiàn)象，因此在海洋流場中樁柱結(jié)構(gòu)所受到的影響越來越受重視，對樁柱結(jié)構(gòu)和海洋流場之間的流固耦合分析具有一定的工程意義。

目前，數(shù)值仿真模擬方法已經(jīng)成為流固耦合研究的重要方法，在耦合模擬方面取得了一些以下的進展。主要偏向于模擬波浪場，本文利用ABAQUS-CFD軟件建立了三維數(shù)值模型，實現(xiàn)了樁柱和流體之間的流固耦合模擬。

1 數(shù)值建模

1.1 模型單元

本文參考某實際工程中實測測得的海潮最大流速可達200cm/s，海水密度為1250kg/m3。分別在ABAQUS Standard模塊與ABAQUS CFD模塊建立柱體和流體的三維模型。在耦合模塊中需注意Standard與CFD模擬耦合時間一致。

在ABAQUS Standard模塊中，柱體模型取底端固嵌、頂部自由的樁為研究對象，柱體直徑1m，高度為10m。將樁視為彈性結(jié)構(gòu)，采用C3D8R網(wǎng)格劃分。彈性模量E =2.0×1011Pa，密度ρ0=8000 kg/m3。柱體表面選取Fluid Structure Co-simulation boundary耦合邊界。

1.2 模型流固界面邊界及初始條件

本例流體模型均采用用三維8節(jié)點減縮積分實體六面體單元FC3D8網(wǎng)格劃分。流體與柱體耦合面長度為10m，樁柱間距為4m，采用Su/d = 4時的群樁效應(yīng)模擬，建立三維流體模型25m×45m×10m。邊界設(shè)置如下：流體入口flow inlet的X方向速度為2m/s，流體出口flow outlet設(shè)置壓力為零，兩側(cè)邊壁far field設(shè)為對稱邊界條件，設(shè)置速度為2m/s，從而大大減少計算量，圓孔柱面即流固耦合面設(shè)置為無滑移無滲流的絕熱固壁Wall （no-slip，no-penetration），計算域的頂、底部設(shè)置Z方向速度為0，邊界上流體通量為零，切向應(yīng)力為零。模擬流體時間為t=100s。在模型樹中點擊Co-executions分別添加Standard與CFD進行job耦合模擬。

2 數(shù)值分析

（1）利用有限元軟件ABAQUS建立了流體和樁柱結(jié)構(gòu)相互作用的三維有限元數(shù)值模型，探討利用ABAQUS軟件模擬流固耦合過程的方法。

（2）通過有限元模型分析，得出了在水平流速流體作用下樁柱的耦合界面處因群樁柱體的鎖定現(xiàn)象產(chǎn)生較大應(yīng)力，且不同時段對柱體產(chǎn)生不同的應(yīng)力沖擊作用，而隨著群樁數(shù)量的增加，對前排樁應(yīng)力作用也隨之增加。

（3）對于單排樁而言，流固耦合界面在于樁前與流體入口接觸處，流體壓力變化呈波動趨于一體化狀態(tài)，其流速場可以看出在單排樁背水面為零，但稍遠處流體就會混合。而對于三排樁和五排樁柱體而言，同樣的邊界及初始條件下，前排的樁耦合處所受應(yīng)力更大，流速場由于群樁影響，其靜流速部分沿樁擴大。從這三種不同形式的模型中可以看出，其前排樁間處，流體應(yīng)力呈拱形狀，這與流體樁柱間的作用有著一定的聯(lián)系。在其后排樁間處卻都出現(xiàn)了負壓狀態(tài)，最大可達到-8.737kPa。其對實際工程中需要注意的地方，需得到相應(yīng)的借鑒。工程人員可以在遇到類似問題時借鑒上述研究結(jié)果中的提供參考，簡便地對應(yīng)設(shè)計有效、低成本的采取加固方式應(yīng)用于樁柱設(shè)計中。

（4）通過有限元CFD模型中分析，得出在流體通過樁柱結(jié)構(gòu)時，其樁間會產(chǎn)生一定的負應(yīng)力狀態(tài)，這對實際工程問題中著重對樁的材質(zhì)性能需要更多的處理措施，由于力的變化幅度很大，樁柱在水中的相互作用會明顯加大。流體的沖擊振動破壞就會急劇增加，這對于工程設(shè)計師提供重要的參考，以防止流體對樁柱的破壞，給工程帶來不可預(yù)見的后果。

（5）鑒于對于ABAQUS中的CFD模塊的初步研究分析，尚需要構(gòu)建了一套基于ABAQUS有限元軟件分析的水—樁流固優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化模擬波浪方程的邊界設(shè)置，為實際工程的樁柱受流體破壞提供參考，需進行深一步的了解。

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作者簡介：鄭鑫（ 1991—），男，浙江寧波人，碩士，研究方向：樁柱在波流作用下的流固耦合。