基于ABAQUS—CFD的流固耦合技术研究

郑鑫　蒋建平

摘 要：考虑到不可压缩流体对桩柱的作用，通过单排桩、三排桩和五排群桩对比分析，在不同时间条件下的流体对基桩的耦合应力，采用ABAQUS-CFD进行流固耦合分析为码头基桩设计提供参考，具有一定的工程意义。

关键词：流固耦合；有限元模型；群桩；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种荷载的作用，其中最主要的影响因素是海洋流体。在沿海工程中，单桩和群桩结构是普遍采用的结构，当海流流向桩柱时，在一定的流速下，在柱体两侧流体会形成漩涡状态，出现的共振易造成海洋结构物的破坏，这在工程中应避免此现象，因此在海洋流场中桩柱结构所受到的影响越来越受重视，对桩柱结构和海洋流场之间的流固耦合分析具有一定的工程意义。

目前，数值仿真模拟方法已经成为流固耦合研究的重要方法，在耦合模拟方面取得了一些以下的进展。主要偏向于模拟波浪场，本文利用ABAQUS-CFD软件建立了三维数值模型，实现了桩柱和流体之间的流固耦合模拟。

1 数值建模

1.1 模型单元

本文参考某实际工程中实测测得的海潮最大流速可达200cm/s，海水密度为1250kg/m3。分别在ABAQUS Standard模块与ABAQUS CFD模块建立柱体和流体的三维模型。在耦合模块中需注意Standard与CFD模拟耦合时间一致。

在ABAQUS Standard模块中，柱体模型取底端固嵌、顶部自由的桩为研究对象，柱体直径1m，高度为10m。将桩视为弹性结构，采用C3D8R网格划分。弹性模量E =2.0×1011Pa，密度ρ0=8000 kg/m3。柱体表面选取Fluid Structure Co-simulation boundary耦合边界。

1.2 模型流固界面边界及初始条件

本例流体模型均采用用三维8节点减缩积分实体六面体单元FC3D8网格划分。流体与柱体耦合面长度为10m，桩柱间距为4m，采用Su/d = 4时的群桩效应模拟，建立三维流体模型25m×45m×10m。边界设置如下：流体入口flow inlet的X方向速度为2m/s，流体出口flow outlet设置压力为零，两侧边壁far field设为对称边界条件，设置速度为2m/s，从而大大减少计算量，圆孔柱面即流固耦合面设置为无滑移无渗流的绝热固壁Wall （no-slip，no-penetration），计算域的顶、底部设置Z方向速度为0，边界上流体通量为零，切向应力为零。模拟流体时间为t=100s。在模型树中点击Co-executions分别添加Standard与CFD进行job耦合模拟。

2 数值分析

（1）利用有限元软件ABAQUS建立了流体和桩柱结构相互作用的三维有限元数值模型，探讨利用ABAQUS软件模拟流固耦合过程的方法。

（2）通过有限元模型分析，得出了在水平流速流体作用下桩柱的耦合界面处因群桩柱体的锁定现象产生较大应力，且不同时段对柱体产生不同的应力冲击作用，而随着群桩数量的增加，对前排桩应力作用也随之增加。

（3）对于单排桩而言，流固耦合界面在于桩前与流体入口接触处，流体压力变化呈波动趋于一体化状态，其流速场可以看出在单排桩背水面为零，但稍远处流体就会混合。而对于三排桩和五排桩柱体而言，同样的边界及初始条件下，前排的桩耦合处所受应力更大，流速场由于群桩影响，其静流速部分沿桩扩大。从这三种不同形式的模型中可以看出，其前排桩间处，流体应力呈拱形状，这与流体桩柱间的作用有着一定的联系。在其后排桩间处却都出现了负压状态，最大可达到-8.737kPa。其对实际工程中需要注意的地方，需得到相应的借鉴。工程人员可以在遇到类似问题时借鉴上述研究结果中的提供参考，简便地对应设计有效、低成本的采取加固方式应用于桩柱设计中。

（4）通过有限元CFD模型中分析，得出在流体通过桩柱结构时，其桩间会产生一定的负应力状态，这对实际工程问题中着重对桩的材质性能需要更多的处理措施，由于力的变化幅度很大，桩柱在水中的相互作用会明显加大。流体的冲击振动破坏就会急剧增加，这对于工程设计师提供重要的参考，以防止流体对桩柱的破坏，给工程带来不可预见的后果。

（5）鉴于对于ABAQUS中的CFD模块的初步研究分析，尚需要构建了一套基于ABAQUS有限元软件分析的水—桩流固优化设计，优化模拟波浪方程的边界设置，为实际工程的桩柱受流体破坏提供参考，需进行深一步的了解。

参考文献：

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作者简介：郑鑫（ 1991—），男，浙江宁波人，硕士，研究方向：桩柱在波流作用下的流固耦合。