烧蚀现象 的有限元模拟(2)
本文标签: Abaqus 航天 CAE技术 烧蚀 

作者按:本文的阅读需要一定有限元基础。发此文之时,正值美国Atlantis号航天飞机安全返回地面。我觉得这真是一件可喜可贺而又可叹可悲的事情。可喜,机组人员的安全返航是最重要的。可贺的是,航天飞机的安全着陆,意味本次任务的圆满完成,我们离认识太空又近了一步。可叹,这是航天飞机的绝唱之旅,以后再也没有航天飞机了。可悲,老实说,我们离美国人的距离继续再拉大,美国人在40年前就已经登陆了月球,而前几年我们才刚刚突破了天空行走。但是不管怎么说吧,还是要

热烈庆祝Atlantis号的成功返航!!!



    技术前进的脚步不会停止,后来就是采用调整网格的方式来模拟了,下面以Abaqus为例来说明。Abaqus之所以能模拟烧蚀,主要是因为Abaqus有一个Umeshmotion的Subroutine(用户自定义接口函数)。Umeshmotion主要的功能是调整Abaqus的网格单元,这个调整本身是不会产生应力应变的。正因为有这个特性,所以Umeshmotion可以用来模拟结构体烧蚀特性,除此之外,还可以去模拟刹车片的磨损,声场的变化等。   

     仅仅有Umeshmotion还不够,因为网格节点的移动很可能会导致单元的巨大变形,尤其是加载Umeshmotion的表面可能网格畸变的无法继续计算,所以还需要有网格自动调整的功能来进行配合,也就是Abaqus 中的ALE功能,这个功能可以制动平滑网格点之间的,是网格永远能够保持一个比较合适的形状。同时采用应力Mapping的功能,将原来构型的场变量(比如应力,温度等)状态映射都新的构型之上。 如下图所示。

mapping                                       应力状态的映射 

关于ALE的设置:

第一,首先指定那些区域需要 ALE。

操作步骤 Step 模块下 Other—ALE Adaptive Mesh Domain—Edit—分析步

简单设置说明如下

(1)Frequency控制(频率控制):就是多少个Inc增量步进行一次网格调整。在烧蚀中,由于每个增量步中结构都需要调整网格,所以这一项一定必须是1

(2)Mesh Sweeps参数控制:每一个remesh过程将对网格进行n次sweep。次数越多,新网格优化的越好,但是计算会越慢,所以一般无需太多,在烧蚀过程中,选择3-5就可以。如果计算中网格畸变过大,考虑增大此项数字。

至于ALE Adaptive mesh Control采用默认都行,到没有必要做太多的属性修改。

第二 指定烧蚀区域

Other—ALE Adaptive Mesh Constraint—Create—分析步

    选择Displace/Rotation 和Velocity 都行,通常情况下可以选择Velocity。指定响应的烧蚀面以后,Motion方式选择 User-Defined,这样Abaqus在计算的时候会自动的寻找子程序Umeshmotion程序。

    

     Umeshmotion的编写。这一部分是最有技术含量的部分,因为所有高科技,所有的数据都将会在这里得到体现。Abaqus的子程序产用是传统的Fortran格式,严格准许Fortran77格式,但是90的语法也支持。Abaqus的子程序比较多,但是格式都比较固定了,传入那些数据,需要输出那些数据都已经定义好了。Umeshmotion是一个相对来说简单的子程序,其接口如下:

SUBROUTINE UMESHMOTION(UREF,ULOCAL,NODE,NNDOF,

* LNODETYPE,ALOCAL,NDIM,TIME,DTIME,PNEWDT,

* KSTEP,KINC,KMESHSWEEP,JMATYP,JGVBLOCK,LSMOOTH)

C

INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'

C

DIMENSION ULOCAL(NDIM),JELEMLIST(*)

DIMENSION ALOCAL(NDIM,*),TIME(2)

DIMENSION JMATYP(*),JGVBLOCK(*)

C

user coding to define ULOCAL

and, optionally PNEWDT

RETURN

END

也就是用来计算Ulocal就OK了,Ulocal的变化量就是模型中网格节点值的变化量。子程序需要说明的事项:

第一:烧蚀一般来说很多都是很温度相关的,但是有些场变量(比如温度)并没有直接读入到子程序中,所以需要getvrn子程序去从模型中提取出来。

第二:当前的Ulocal都是不是全局坐标系,而是局部坐标系。每个被Umeshmotion处理的点都会有自己的Alocal,这是一个单位矩阵,实际上就是这点局部坐标在全局坐标系下的方向矩阵。在3D中,如果节点不是边界下,那么3方向就是该点朝外的法向,1-2方向该点所处平面方向,方向任意。而如果该点处于边界,3方向任意。 Ulocal的这种特殊属性给烧蚀工作带来很大的便利,因为大多数的烧蚀都是沿着法向方向的。

     最后附上一个测试的小例子 大家看看烧蚀出来的效果,相比于初始模型,结构基本上已经烧掉了两个网格了,但是网格模型依旧保持的非常好。

Compare defo

   烧蚀前后形状对比 (虚线为烧蚀前)              烧蚀后的网格已经保持了比较好的六面体

(完)

    后注:在完成本文的时候,我刚好阅读了一片文章,对前面的一些概念纠正一下。关于烧蚀材料的使用,主要是一次性返回式航天器才会用到,而多次使用航天飞机并不采用烧蚀材料,主要是采用特殊符合材料陶瓷以及金属结构的搭配。而这又会产生一系列的问题,重要原因是陶瓷结构和金属结构的热膨胀系数相差太远。关于这个问题,以后有机会在详细讨论。



发表于: 2011-07-22 16:27 阅读(6320) 评论(8) 收藏 好文推荐
# re: 烧蚀现象 的有限元模拟(2)
2011-07-25 09:36 | 柠檬草的味道 | 1楼
庆祝Atlantis号的成功返航.
# re: 烧蚀现象 的有限元模拟(2)
2011-07-25 11:00 | 花开花落 | 2楼
美国Atlantis号航天飞机发射的新闻我看过,很壮观!
# re: 烧蚀现象 的有限元模拟(2)
2011-09-18 23:29 | CATIA CAE | 3楼
牛啊
# re: 烧蚀现象 的有限元模拟(2)
2011-12-09 13:53 | 【匿名用户】:E-works热心网友 | 4楼
兄弟,谢谢你,原本觉得烧蚀太玄乎,看了你的介绍,偶也有点信心了。感谢
# re: 烧蚀现象 的有限元模拟(2)
2012-06-19 14:08 | 【匿名用户】:E-works热心网友 | 5楼
请问能不能将文中提到的两个例子的inp文件和子程序发给我学习一下,非常感激
# re: 烧蚀现象 的有限元模拟(2)
2012-06-19 14:09 | 【匿名用户】:E-works热心网友 | 6楼
我的邮箱是903261478@qq.com
# re: 烧蚀现象 的有限元模拟(2)
2012-06-19 14:23 | 【匿名用户】:E-works热心网友 | 7楼
 小李子终于更新了,等了好久哦~·
# re: 烧蚀现象 的有限元模拟(2)
2013-03-13 22:47 | 【匿名用户】:E-works热心网友 | 8楼
你这个例子的网格太规矩了, 你能不能解决一个正三角形,从顶端向下烧蚀?

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