Ansys Workbench平台在结构风工程实验教学中的应用

发布时间：2020-06-13

　　摘要：为更灵活地开展结构风工程的实验教学工作，将Ansys Workbench计算软件引入实际教学中。首先介绍了Ansys Workbench软件的特点及涡激振动的基本概念，随之以二维圆柱涡激振动为算例，阐述了基于Ansys Workbench平台实现涡激振动的全过程。通过该实验课程的教学，在建模过程中，学生的动手能力得到了锻炼和提高。采用Ansys Workbench仿真平台能较方便地对涡振这类流固耦合问题进行分析模拟，有助于学生们更好地理解和学习流固耦合现象。

　　关键词：结构风工程;实验教学;Ansys Workbench平台;涡振模拟

　　1 Ansys Workbench平台和涡激振动介绍

　　Ansys Workbench作为一种设计仿真的集成环境，它集成连接了仿真过程中所需的仿真工具，实现了工具软件之间的数据传递，形成了一个统一的仿真应用环境，使得设计者能够方便地调用设计过程中所需的软件工具，带来了极大的便利。

　　当气流流经钝体桥梁结构断面时，其尾流会有周期性交替脱落的旋涡出现，而这会导致桥梁表面压力发生改变，最终引起桥梁的振动，这种振动就称作为涡激振动[1]。在桥梁风工程领域中，涡振是一个非常重要的抗风研究内容，在桥梁抗风设计中必须要高度重视[2]。

　　目前市场上，有关Ansys Workbench的书籍较多，但多数围绕机械类问题来介绍它的功能及用法。针对结构风工程实验教学，为了让学生熟悉解决工程问题基本的操作流程，本文以圆柱为例，介绍了基于Ansys Workbench平台实现涡激振动的全过程。

　　2 Ansys Workbench中涡振建模与计算

　　2.1 计算域建立及网格划分

　　计算域包括流体域与结构域。首先，对于流体域模型建立，流体域网格的划分可以直接在Fluent模块中进行建模划分，也可采用单独的建模软件(如Icem)划分网格导入计算。此外，对数值计算而言，计算区域宽度不够将会导致结构模型尾部处分离的旋涡移动至边界后再返回对计算过程造成干扰;计算域的长度不够则难以准确定义出口边界条件，而太大的计算域会浪费计算资源，增加计算时间。故为了尽可能的模拟自然风环境并兼顾精度和效率，我们需要合理定义计算域的大小。本文计算域取为50 D×20 D，上游入口距离圆柱取15 D，下游为35 D，为满足阻塞率5%的要求，圆柱上下侧流域分别为10 D。为了满足壁面边界上的流动条件，第一层贴壁网格的高度不要过大，一般要满足y+ < 1的要求。对于本科生而言，网格划分应结合一些初步理论及大量算例才能保证网格划分质量。对于本文的圆柱模型算例，在近壁面网格划分较密，然后到边界处逐渐变稀，以减少网格总量，提高计算速度。本文第一层网格高度为0.0002 m，直径D = 0.2 m，展向长度取0.4 m;最终划分的网格约27万。

　　其次，对于结构域模型建立，结构模型的建立与网格划分同样可以直接在Transient Structural模块中建模并划分网格，也可通过单独的建模软件建模再导入划分网格计算。对于需要进行模态验证的模型，可先在Model模块进行模态对比验证以确定结构模型的材料参数(如密度、泊松比)之后再进行计算。本文将圆柱体简化为质量弹簧阻尼系统，弹簧刚度为1082 N/m，圆柱质量密度为8.71 kg/m，横风向阻尼比为0.63 %，圆柱在横风向的固有频率fn的理论解为5.61 Hz，而本文进行模态验证时的固有频率为5.613 Hz，如图2所示，可见模型建模准确。

　　2.2 各模块相关设置及数值计算

　　Fluent模块设置：边界条件方面，流体域左侧设为速度入口，湍流强度为0.5%，湍流粘度比为5;右侧为压力出口;垂直于展向的两平面设为对称边界条件;其余边界条件采用无滑移固壁边界条件。其次需确定计算类型为定常计算还是非定常计算。在现阶段对于本科生的实验教学中，可初步选用定常计算，等其稳定收敛后，再选用非定场计算。另外，选择湍流模型，目前常用的湍流数值模拟方法包括两大类：雷诺平均(RANS)方法和大涡模拟(LES)方法。从工程应用的角度出发，另考虑到面向对象为本科生，在不涉及复杂的湍流理论下，为兼顾计算精度与计算效率，可推荐使用RANS模型中的SST k-ω湍流模型。

　　为提高计算精度，求解时压力与速度耦合采用SIMPLEC算法，动量方程、湍动能方程及比耗散率方程均采用二阶离散格式，采用入口边界来流风速对流场进行初始化，考虑到计算的准确性，通常将残差设置为1e-6，并设置好圆柱壁面wall的监测点，监测其阻力系数Cd、升力系数Cl、扭转系数Cm;

　　Transient structural模块设置：首先对结构的材特性的设置，可以在Engineering data添加我们需要的材料属性(如密度、泊松比)，其次需要对结构施加约束，我们可以方便的对模型的点、线、面进行我们需要的约束。此外，还需要进行时间步长的设置，本文时间步长设置为0.005s，迭代计算2000步。同时为实现流体域结构域之间的数据传递，需进行流固耦合面的设置，且此处的流固耦合面应与Fluent模块中设置的耦合面保持一致，本例中将圆柱侧面设置为流固耦合面，最后根据实际需要设置结构位移监测点。

　　System Coupling模块设置：首先我们需要在该模块对时间步长进行再一次设置，且需与结构域的保持一致。此外，还涉及一个求解顺序的设置，对于本算例而言，因为结构的瞬态计算需要流场计算结果提供初始荷载，故需要将第一步计算设置为Fluent 流体计算，设置完成后即可开始双向流固耦合的计算。

　　3 涡振数值结果分析

　　根据以上设置，可分析圆柱的涡激振动现象。图3为折减风速U* = 5.793时的圆柱竖弯涡振位移时程析图。由图可知，圆柱的位移时程出现了“拍”的现象，经分析，圆柱振动出现了两种频率成分，其中一个为圆柱的振动频率fn，另一个为旋涡的脱落频率fst，两者大小接近而导致了“拍”现象。此外，根据风洞试验结果[3]，此时圆柱的竖向位移幅值约4 mm，而本文模拟得到的幅值约1.5 mm，两者幅值存在较大的误差，这一方面可能由于网格质量原因造成，另一方面，可能由于软件自身精度不够引起的。

　　4 结语

　　针对结构抗风课程的特点，本文以二维圆柱涡振问题为算例，介绍了基于Ansys Workbench平台模拟涡激振动问题的全过程。该方法对于解决此类问题的优点在于操作简单，不需要编程二次开发，学生上手快。此外，全过程采用界面操作，可视化效果好，比较适合于实验教学环节。

　　在实际的教学过程中，通过对本科生的讲解和操作演练，发现学生逐渐对该方法产生兴趣并主动查找资料书籍学习。随之通过自己建模计算试算，学生对于一些抗风参数有了更进一步的认识，同时也提高了学生的动手和主动思考的能力。此外，因为该平台的可视化功能，使得学生对一些常见工程现象有了机理方面的理解，这有利于培养培养学生的创新意识并提高他们的创新能力。在整个教学实践过程中，学生普遍反映ANSYS Workbench是一个强大而有趣的工具，今后也有兴趣继续利用该平台做一些流固耦合分析。——论文作者：胡朋 陈屹林 林伟 韩艳

　　Ansys Workbench平台在结构风工程实验教学中的应用相关期刊推荐：《科学与技术研究》杂志是经国家新闻出版总署批准，中国科学技术应用联合会、阿泰地区科教协会主管、北京科技发展工作委员会、阿泰地区科教协会共同主办的科技类学术期刊。主要设有：教育科学、科教创新、管理科学、医学科技、法学创新、市政建设、土木工程、石油化工、电子技术、信息科学、生态环境、医疗卫生、经营管理、质量管理、行政管理等栏目，有投稿需求的作者欢迎咨询本站在线编辑。