基于ANSYS Workbench的双向流固耦合振动仿真方法

韩刚，郭美荣，刘瑞

基于ANSYS Workbench的双向流固耦合振动仿真方法

韩刚，郭美荣，刘瑞

（齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

介绍一种易于应用到工程实际中的ANSYS Workbench仿真方法。以CFM56-5B发动机扇级叶片的振动特性分析为例，通过Mechanical模块和CFX模块的耦合计算，详细阐述了ANSYS双向流固耦合振动仿真的方法以及在仿真过程中需要注意的事项，为分析复杂的非对称翼型截面的预扭叶片及其接近工程实际的流体场动力学振动问题提供理论参考。

ANSYS Workbench；ANSYS Mechanical；CFX；双向流固耦合

ANSYS Workbench求解流固耦合问题的主要方法有直接解法和分离解法。直接解法很难将CSM和CFD技术完美地融合到一起，并且同步求解收敛困难以及计算时间长等，所以，该方法主要用于某些单一的热结构耦合以及电磁结构耦合等简单的流固耦合情况。分离解法与直接解法不同之处在于无需对流固耦合控制方程进行统一求解，在同一求解器或不同求解器中，将流体和结构控制方程按设定顺序分别求解，再把计算结果经由流固耦合面实现彼此的交换传递。当前时刻满足收敛要求后，方可进入下一时刻的计算，最终依次得出计算结果。它的最大优点是可以充分地运用现有计算固体力学和流体力学的程序和方法，仅需稍作修改，就能够保持程序的模块化。并且，分离解法能在很大程度上减少对计算机内存的需求，因此非常适合于大规模的、实际问题的求解。目前，分离解法是绝大多数商用CAE软件对流固耦合问题进行分析的主要方法[1]。

基于ANSYS耦合分析类型进行简要总结如图1所示。从算法上看，分离解法为ANSYS的主要求解方法。从数据传递上看，流固耦合又可分为单向和双向流固耦合两种形式。同时双向流固耦合又有着不同的求解顺序，所以可将其分为同步求解和顺序求解两种方法。

图1 ANSYS耦合分析类型

目前，国内外学者在ANSYS的耦合分析方面进行了大量的研究[2-8]。从现有资料分析，大部分工作是基于简化叶片的单向流固耦合分析，忽略流体场和结构场实时的、相互耦合作用的本质，属于稳态的强迫振动响应问题。单向流固耦合分析由于忽略因素较多，主要应用于定常流动和简单翼型叶片的流固耦合振动行为的研究，方法具有一定精确度，同时仿真耗时少，计算效率高。然而，对于复杂的非定常流动和非对称翼型截面型式的叶片，单向流固耦合分析具有误差大，精确度不高，不能很好地还原真实流固耦合本质的缺点。实际工况下，扇级叶片的几何型式是复杂的，为了达到良好的气动性能，双向流固耦合分析更具有现实意义。

双向流固耦合分析是指耦合交界面上的数据传输过程是双向的，流体场和结构场之间的分析结果在相互作用、传递下而发生改变。双向流固耦合分析主要应用于结构有明显变形，且较大程度地影响了流体流动的情况。在工程应用中，一些常见的分析有泥浆冲击立柱分析、飞机副翼转动耦合分析、水润滑橡胶轴承分析等。本文以CFM56-5B发动机扇级叶片振动分析为例，介绍了如何通过ANSYS Workbench来实现双向流固耦合分析的方法。Workbench工作流程如图2所示。

图2 Workbench双向流固耦合分析流程

1 发动机扇级叶片SolidWorks三维实体建模

SolidWorks相比ANSYS Workbench软件建模，具有速度快、效率高的优点。因此，本文研究的CFM56-5B航空发动机扇级叶片采用第三方CAD软件SolidWorks完成预处理几何建模。在建模过程中，忽略次要的几何元素（例如结构上的圆角等），简化实际结构，根据叶片结构型式和几何参数（表1），建立三维力学仿真模型（图3）。模型建立后，保存为.x_t或.igs格式的文件导入到ANSYS环境中进行有限元分析。

表1 叶片几何参数

图3 叶片实体模型

2 ICEM CFD网格划分

ICEM CFD是对CFX前处理的专业网格划分软件，ICEM无论在创建几何、修复几何，还是在外部几何接口及网格生成方面都有着优异的表现。它的最大特点是对结构进行分块划分网格，采用六面体单元划分网格，不但拥有高质量的网格，还可以加快计算的收敛速度、提高网格的正交性[9]。

CFM56-5B航空发动机扇级叶片的网格划分采用了Mesh模块下的自动化网格划分，在结构场生成六面体非结构网格单元，流体域同样也在ICEM模块中进行网格划分，将划分好的结构网格通过convert to unstruct mesh转化为非结构网格。划分完成的网格如图4所示。

图4 叶片网格划分

3 ANSYS Mechanical和CFX结合的耦合计算

MFX多代码多场解算器是ANSYS为双向流固耦合分析提供的解算器之一，求解程序如图5所示。解算器以ANSYS CFX为基础，旨在将ANSYS Mechanical和CFX结合起来，是一种理想的耦合求解器，主要应用于大型复杂模型问题。由于其不是直接耦合解法，因此需要进行迭代求解。MFX多场求解器有两种方法，分别是同步求解和顺序求解，可以设置为结构场和流体场，通过ANSYS和CFX进行同时求解，亦可设置优先级依次求解，直至达到预期的收敛标准或是设定的最大迭代数为止。

图5 ANSYS多场求解器求解程序

ANSYS Mechanical和CFX结合的耦合求解器比较适用于旋转机械的双向流固耦合分析，而且计算功能强大，计算精度高，收敛速度快。CFX还自带耦合模块，所有仿真结果都在CFX中，可以省去数据传递所需的System Coupling模块。

在双向流固耦合分析过程中，首先，将流体场中分析的一个时间步长内作用在叶片表面的压力传递到结构场中；然后，在结构场中通过插值计算将得到的压力施加在叶片表面的每一个单元上，从而计算结构应力、应变和变形量；最后，将计算结果再传递回流体场中，在流体场中通过动网格技术来实现叶片的变形。一步完整的耦合计算就此完成，进行下一步计算，重复此步骤直至达到收敛状态。

时间步长主要根据两点因素进行选择，分别是结构的自振频率及结构旋转频率[10]。结构的振动一般以低阶模态振动为主，尤其是一阶模态振动，所以时间步长一般取一阶模态振动周期的1/20倍，为了保证计算的准确性，本算例取一阶模态振动周期的1/100倍，时间步长为5e-5s，分析总时间为1s。在进行双向流固耦合分析时，设置前先关闭结构的auto time stepping，即关闭自动时间步长。

边界条件包括固定端边界条件和流固耦合交界面边界条件。将叶片的底端设置为固定端，使叶片固定来模拟轮毂支撑，除固定端以外，其他叶片表面均设置为流固耦合交界面，用来传递流体场的受力和变形信息，如图6所示。

在流体力学分析设置中，ANSYS-CFX设置为非定常耦合流场分析，耦合的总时间与时间步长需要与结构场一致，分别设定总时间为1s，时间步长为5e-5s。在计算时，设置每个时间步长内流体场分析的最高迭代次数为3次，残差收敛精度为1e-5；在耦合分析中，最高迭代次数设置为100次，收敛精度为1e-5。本文采用湍流模型进行仿真模拟，湍流模型适用于复杂几何的外部流动，其收敛性好、可靠性高、适用性强[11]。为了快速有效地收敛，本算例选用Upwind流体数值计算格式。均匀来流速度作为入口边界条件，平均静压作为出口边界条件，此边界条件最容易收敛。边界条件设定后，将叶尖前缘设置监测点（图7），在相对来流速度分别为70, 90, 100m/s时，对叶片进行数值模拟计算，对叶片的气动弹性稳定性和动态响应进行分析。同时，采用动网格技术来调整扇级叶片由于受到离心载荷和气动载荷的作用而导致的网格变形。

图6 结构场边界条件设置

图7 监测点

通过对每一个时间步长内的结构和流体进行耦合分析，计算结果进行CFX-Post处理，考察相对来流速度由小到大的变化过程中，叶尖前缘点在方向上的振动位移随时间变化的规律。当相对来流速度小于90m/s时（图8(a)），振动位移随时间快速衰减；当相对来流速度等于90m/s时（图8(b)），振动维持等幅的周期运动，达到颤振发生的临界状态；当相对来流速度大于90m/s时（图8(c)），振动位移随时间逐渐发散，即叶片发生流固耦合颤振。

图8 x方向的时间历程曲线

仿真过程中，需要特别注意的事项：

（1）安装ANSYS软件前，计算机的用户名必须为英文名称，否则安装后的软件无法进行计算。

（2）保存文件时，保存目录需设置为全英文目录，否则计算出现错误；在每一次设置模块后，需要及时更新模块，点击“update”，保证数据实时共享及传输。

（3）对于复杂的结构，如果需要提高网格划分的质量，可以在CAD软件中分割实体，然后在Workbench平台的Geometry中将分割的实体进行From New Part设置，保证网格节点共享。

（4）出口边界条件设置为Openning，防止产生回流而出现错误。

（5）计算过程中，需要定时保存文件，防止计算出现错误导致整个文件不能使用，浪费时间和精力。

（6）在ICEM中对流体域进行网格划分时，要注意叶片区域的节点尽量与结构场中叶片的节点数量相当，不需要将网格划分的十分密集，否则影响计算速度且对计算结果无益。

（7）在进行流体域的网格划分时，尽量不要出现尖角，带有尖角的网格会严重影响网格整体质量。对于复杂结构的区域可多划分若干block进行切割，使其能够进行更细致的划分。

（8）根据仿真模型实际的材料去材料库中添加新材料，否则计算时默认为“steel”，主要关注材料的密度、泊松比及弹性模量。

（9）流固耦合计算前，首先对模型进行模态分析，变形较大的位置设定监测点，可以更好地反映实际情况。

（10）进行流固耦合分析的方法并不唯一，需根据模型及仿真的实际情况决定。

（11）若计算出现错误，可通过修改时间步长和收敛精度进行调整。

（12）流固耦合分析需要一定的硬件条件，否则可能因为内存问题而出现错误导致计算暂停失败。

4 结束语

本文介绍了ANSYS Workbench的双向流固耦合振动仿真方法。通过建立Mechanical模块和CFX模块相结合的耦合计算方法，分析发动机扇级叶片的双向流固耦合振动问题，结果表明，ANSYS Workbench对复杂的非对称翼型截面的预扭叶片及其接近工程实际的流体场动力学仿真具有精度高、功能强的特点。

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Simulation method of two-way fluid-structure coupling vibration based on ANSYS Workbench

HAN Gang，GUO Mei-rong，LIU Rui

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China)

A simulation method of ANSYS Workbench which is easy to be applied in engineering practice is introduced. Taking the vibration characteristic analysis of CFM56-5B engine fan blades as an example. The simulation method of ANSYS two-way fluid-structure coupling vibration and the matters needing attention in the simulation process is described in detail by coupling the Mechanical field with CFX field. It provides a theoretical reference for the analysis of complex asymmetric airfoil cross-section pre-twisted blade and the dynamic vibration of the fluid field which is close to the engineering practice.

ANSYS Workbench；ANSYS Mechanical；CFX；two-way fluid-structure coupling

V232.4

A

1007-984X(2023)06-0011-04

2023-05-15

黑龙江省教育厅基本业务专项（135109208）

韩刚（1971-），男，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，博士，主要从事结构动力学与控制应用研究，hgjxx@163.com。