【重磅】TCFD软件全面升级为TCAE，支持流固耦合仿真计算

天洑软件

TCFD软件现已全面升级为TCAE软件，升级后软件包括TMESH、TCFD、TFEA等功能模块，在同一个软件界面中可以快速便捷的进行网格划分、流体仿真计算、结构强度仿真计算、流固耦合仿真计算及后处理等工作，能够大幅提升仿真分析工作效率。

下面将对采用TCAE进行的悬臂球体流固耦合计算案例进行介绍。

Beam-Ball 流固耦合分析

本文采用TCAE软件对悬臂梁上球体在气流作用下的变形情况进行了流固耦合仿真分析。球体及梁模型如下图所示：

模型中将直径D = 30 cm的球体紧密固定在长L = 1m、直径D = 1 cm的梁(圆柱形杆)上，梁和球体的材料均为钢，该模型处于速度U=30米/秒的气流中。气流作用在梁-球系统上，梁发生弯曲。TCAE软件将分析确定梁的变形(梁的自由端，球固定处的位移)，并得到应力分布情况。

基本参数如下：

气流速度:30 m/s	梁及球体材料:steel
物理模型:incompressible	材料密度:7800 kg/m^3
介质:air	材料结构:isotropic
动力粘度:1.8 × 10^5 Pa⋅s	杨氏模量:2.1E11 Pa
空气密度:1.2 kg/m^3	泊松比:0.3
湍流强度:1%	湍流模型:k-omegaSST

将Beam-ball模型文件导入TCAE软件中，进行网格划分及流固耦合仿真计算。所有的网格划分及仿真设置均在TCAE图形界面中完成。TCAE模拟工作流程是完全自动化的，在设置完网格参数、流体边界及结构模型约束、材料属性等条件后，可以一键启动全部仿真计算，并生成相应分析报告。

TCAE由不同的软件模块组成。数值模拟顺序如下：模型→CFD网格→FEA网格→CFD模拟→FSI→FEA模拟→报告。软件中TMESH模块创建适用于CFD和FEA的网格从而为仿真做准备。TCFD模块运行CFD模拟并输出CFD结果报告。TFEA模块进行FSI转换，运行FEA模拟，并输出FEA结果报告。由于模型为对称模型，仿真中采用一半模型进行计算。

CFD网格

在软件TMESH模块中创建了CFD的计算网格。流体域模型采用笛卡尔网格作为初始背景网格，并根据模型进行贴体细化处理，并添加边界层网格，最终流体域共生成了489,620个网格。

流体域模型及网格情况如下：

FEA网格

在软件TMESH模块中创建了FEA的计算网格

点数：63135	最短边：0.000378[mm]	边缘之间最大角度：145.514 [deg]
元素数：189666	最长边：0.010111[mm]	面之间的最小角度：4.94836 [deg]
表面元素数量：124742	边缘之间的最小角度：6.97633 [deg]	面之间的最大角度：169.359 [deg]

CFD数值模拟建立

CFD仿真由TCAE软件中TCFD模块进行。

时间项: 稳态	壁面处理:壁面函数
物理模型:不可压	壁面处理:壁面函数
壁面粗糙度: 无	工质: Air
入口: 速度30 m/s	参考压力: 1atm
出口: 静压0 Pa	动力粘度: 1.8× 10^5 Pa⋅s
湍流模型:k-omegaSST	气体密度: 1.2kg/m^3

FEA数值模拟建立

FEA仿真由TCAE软件中TFEA模块进行。

梁及球的材料：钢	材料密度：7800 kg /m^3	材质结构：各向同性
杨氏模量：2.1E11 Pa	泊松比：0.3	约束：梁底部固定

数值计算

进行网尺寸、流体仿真及结构仿真条件设置后，可以一键启动全部计算，软件将自动进行流体域、固体域网格划分，流体仿真计算，数据转换，结构仿真计算，结果处理及报告生成等工作。

结果对比

该Beam-Ball问题能够根据力学方程得到解析解，理论结果和TCAE数值解的对比如下表所示：

	理论解	TCAE数值结果
最大变形[mm]	26.60	27.75
最大应力[MPa]	83.78	92.48

其中最大变形相差大约5％，最大应力相差约10％，具有较高的仿真精度，符合预期效果。

下图显示了变形的梁应力大小和位移大小（其中变形放大十倍，以更好地显示变形效果）。

可以看到通过TCAE进行流固耦合仿真分析，具有较高的分析精度，同时计算设置简单便捷，软件能够自动进行流体及结构仿真数据关联，降低流固耦合仿真应用门槛，提高仿真工作效率。

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