Nastran技术技巧考虑流体影响的正则模态计算

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Nastran技术技巧考虑流体影响的正则模态计算

1 概述

虚质量分析功能是由戴姆勒.奔驰公司提供资金支持开发的一个功能模块，目的是计算油箱等流固耦合部件在高频响应。

虚质量法主要用来考虑液动力效应对结构响应的影响，其中流体特性为无粘性、不可压缩。在仿真中，流体域不需要划分网格。能够用来考虑下列两种流固耦合现象：

有限流体，例如油箱、发动机油底壳中油液对结构的影响；

无限流体，例如船舶受海水的影响。

分析中支持多个流体域、可以通过虚边界面的方法支持液面晃动的影响等。

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虚质量法典型应用示意图

2实现方法

MSC Nastran模态分析中，定义虚质量法典型界面如下图。MFLUID是工况控制命令，必须放在第一个SUBCASE之前，MSC Nastran规定一个求解文件中只允许有一个MFLUID命令，通过该命令可以激活Nastran求解文件中的MFLUID卡片，如果工况控制命令段没有定义，即使模型中定义了MFLUID卡片，也不起作用。

MFLUID卡片中定义参考坐标系、液面高度，流体与结构藕合面、流体密度、是否有对称边界条件、积分方法等参数。具体形式见图3。

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模态求解中定义虚质量法

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MFLUID卡片参数

在定义虚质量法时，需要定义以参考坐标系（CID字域）。系统默认为全局坐标系的Z轴，定义局部参考坐标系统时，记住Z为定义自由液面方向，即液面平行于参考坐标系的X-Y平面，液面高度由ZFS字域数值决定，该字域数据类型为实型。定义流体属性时，需要定义流体密度，可通过RHO字域定义，同时，要注意单位统一。为了减小模型规模，可以通过定义对称平面的方式将计算模型缩小为原模型的二分之一或四分之一，其具体定义字域为PLANE1、PLANE2。PLANE1代表参数坐标系CID的X-Z面，PLANE2单边参考坐标系CID的Y-Z面。

字域ELIST1定义流体与结构耦合作用面，该耦合面为单边接触，MSC Nastran中支持平面单元与流体之间的耦合作用，如果结构是实体单元，需要在单元表面生成一层薄壳单元，以定义耦合面。流体与结构之间相互作用见下图。

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流体与结构耦合界面定义示意图

字域字域ELIST1引用的耦合单元可以通过定义ELIST卡片定义，请定义界面如下图，在ELIST卡片中，可以直接引用单元ID号定义流体与结构的耦合面。

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耦合界面定义

如果耦合面为双面其作用，即左右两侧均为流体，如图7示，可以通过定义ELIST2定义此种情况，字域ELIST2如下图示。

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ELIST2定义字域

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双面耦合时，NASTRAN文件格式

如果一个模型中，有多个流体区域，且每个流体区域液面高度也不相同时，可以参考下图的形式定义，注意MFLUID的编号必须相同。

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多个流体区域定义方法