CAXA CAE 流体分析教程.docx

3D Buoyance

这里用一个简单的实例介绍CAXA CAE流体模块的使用。这里需使用CAXA 3D实体设计 2016和CAXA CAE 2016版。分析特殊形状容器中的水，在受热不均时发生流动的问题。模型为三维方形、中部圆柱通孔的容器，几何外形如下：

容器内部（通孔表面与方形表面围成的体积）充满水。通孔内表面温度为30度，方块外无通孔的四个表面温度为0度。容器表面限制液体流出。容器内的水因受热不均发生流动，结果显示如下图：

左上图和中部图片为使用切面将容器刨开，然后显示刨面上流体速度模量的图解。不同颜色表示不同位置的流体流速模量的不同。右上图显示容器内液体的流线图，不同颜色的流线表示不同位置的流体流速模量的不同。

这是热、流体物理性耦合分析，模型的简单建模的过程如下：
1. 打开CAXA 3D 实体设计。
2. 将鼠标移至“设计元素库”，将“长方体” 拖入操作窗口，建立长方体实体。可以点击长方体，使其出现操作柄后，右键操作柄便可编辑其尺寸。
3. 再次将鼠标移至“设计元素库”，将“孔类圆柱体”拖至长方体顶面中心。单击孔，使其出现操作柄后，拖动操作柄，将孔拉长变成通孔即可。
4. 保存模型，可将模型名称设为3dbuoyance。

模拟设置的具体过程如下：

1. 建立FEA分析。
在建立分析前需要保存模型，以便让程序了解以后生成的FEA文件的保存路径。否则无法继续成功新建分析。建立分析的方法使用以下多物理性FEA主工具条：

工具条由左向右数第三个按钮为“添加FEA”按钮，点击后将弹出“选择分析类型”对话框。使用默认的“静态/稳态”和“3D”，单击“确定”：

各分析类型的简单介绍如下：
· 静态/稳态：边界条件和结果是不随时间变化的。也可使用多步命令看到系统达到稳态的过程。
· 动态/瞬态：边界条件和结果的大小可随时间的变化而变化。
· 模态/振动模式：用于计算谐波共振模型的振型和频率。
· 不稳定屈曲：计算有负荷的失稳屈曲模型，获得结构特征值。
· 频域：分析施加了特定频率范围内载荷或约束的模型，来确定是否发生动态载荷放大效应
2. Multiphysics FEA 树图。
“选择分析类型”对话框关闭后弹出“Multiphysics FEA ”选项卡。它的上半部分为“Multiphysics FEA 树图”：

所有的模拟分析都可以从树图中依次选择各叶，并完成填写各叶对应的页面进行设置。单击各叶，对应的页面会显示在“Multiphysics FEA ”选项卡的下半部。有的叶前面会有双问号（??），这表示该叶对应的页面还未进行查看和设置。若在分析设置中碰到问题，可按“F1”键，程序自动弹出与当前设置内容相关的帮助文档。开始时，“Multiphysics FEA 树图”下方自动显示“分析”页面。
3. 分析页面设置。
物理性部分用于设置分析涉及的物理性。这里我们将勾选“热”和“流体”，表示将进行热、流体耦合分析。
勾选“多步”，表示将进行分步分析。多步功能多用于进行非线性分析，在这里使用可以查看模拟逐渐达到稳态的过程。勾选多步后出现非线性伪时间部分。在非线性伪时间处的增量改为“0.5”，其它保持不变。这样的设置表示分析自0时开始，至1时结束，分析共计2步，每步0.5时。设置好后，页面如下：

4. 模型、材料页面设置。
单击“模型”叶后会在“Multiphysics FEA 树图”下方显示模型页面：

模型页面可用于添加/删除材料叶，设置分析的单位系统、设置分析范围、设置实体网格类型等。
· 单击“添加新材料”可以在模型叶下增添材料叶。模拟中涉及材料数应等于材料叶个数。在材料页面中可设置使用这种材料的实体，设置后将在材料叶下方增添实体叶，实体叶的实体使用上级材料叶对应的材料。“移除未用材料”用于删除多余的材料叶。
· 单位系统部分可以设置所用单位系统，包括MKS、CGS和mMKS等。
· “仅分析显示的实体”用于在FEA分析中禁用掉已经隐藏的实体，这些实体将不被包括到FEA分析中。用户可以右键材料叶和实体叶，将材料和实体禁用/启用。禁用的材料和实体将不包含在分析中。
· “把实体作为壳网格化”可在网格化时使用壳元素而不是实体元素。
模型叶下开始有默认材料叶：

将默认材料叶的材料类别下拉菜单改为“流体”，材料名称下拉菜单中选择“20C的水”。在材料物理性处勾选“热”和“流体”物理性，表示程序将使用材料的热和流体性质。默认所有实体开始使用默认材料（开始默认材料叶下有全部实体叶），而我们仅有一种材料和实体，因此这里我们不需为材料添加实体。如果想调整实体使用的材料，可在某材料叶上单击“添加实体”键，然后单击使用这种材料的实体，然后单击“接受”，添加实体键下面的“计数：X”数值增加1，表示这种材料已经添加了一个新的实体。材料页面设置完成后如图：

单击材料页面上的“参数编辑”键，可以更改、查看材料的线性参数。若勾选材料页面上的“启用非线性/各向异性性质”后再单击“参数编辑”键，可以更改、查看材料的非线性参数。这里我们更改、查看材料的线性参数，将材料的参数修改如下：

5. 约束页面。
单击“Multiphysics FEA 树图”上的“约束”叶，会在“Multiphysics FEA 树图”下方显示约束页面：

当前约束页面显示了热和流体相关的约束。若用户在分析页面勾选了应力和电物理性，这里也将出现应力、电相关物理性的约束。用户还可使用高级约束添加接触、捆绑等高级约束。接下来的约束添加都将从这个页面开始。
6. 恒定温度约束——内圆柱面
单击约束页面的“温度”，显示“恒定温度”页面。将页面上的温度设置为30，然后直接点击内圆柱面，内圆柱面名称也会出现在恒定温度页面实体框中。这样就能将该约束施加到模型内表面上：

可以看到“高级”键下方的时间因子图线显示，图线显示这里的约束是随时间线性增加、逐渐施加到模型上的。在0时不施加约束，在1时施加全部约束。通过这样的设置，约束被逐渐施加，我们可以看到模型是如何逐渐达到稳态的，也有利于结果收敛。根据分析页面的设置，分析共1时，分为两步，第一步0.5时，第一步结束时将施加0.5倍模量的边界条件。第2步时间全部边界条件。用户可使用“高级”键更改边界条件的时变情况。
7. 恒定温度约束——外方面
单击约束叶，回到约束页面，单击约束页面的“温度”，显示“恒定温度”页面。这时将温度处的0保持不变，选中方块的四个无孔侧面，即可向这四个面施加0度恒定温度约束：

8. 恒定流体速度——所有表面
单击约束叶，回到约束页面，单击约束页面的“速度 涡度 压强”，会在“Multiphysics FEA 树图”下方显示“恒定流体流速/涡度”页面。勾选x,y和z方向，速度列0保持不变，表示施加该约束的实体的流体流速在x,y和z方向均为0。
用鼠标选择实体全部表面，它们的名称会出现在实体框中。这样就把约束施加到这些面上了。
这里的约束表示容器中的流体被容器表面限制，不会流出容器表面，且在容器表面切向的流速也为0。设置完成后，显示如下：

9. 恒定压强——参考点
单击约束叶，回到约束页面，单击约束页面的“速度 涡度 压强”，会在“Multiphysics FEA 树图”下方显示“恒定流体流速/涡度”页面。仅勾选方向部分的P,表示该约束仅限制压强，而不限制各方向的流速和涡度。在P处保持0不变，用鼠标选择实体的4个顶点，表示该4点的压强保持恒定为0。设置完成如图所示：

10. 初始温度温度
单击约束叶，单击约束页面的“温度”，显示“恒定温度”页面。使用CAXA 3D实体设计的“拾取过滤”下拉菜单，设置选择 “零件”后，单击模型，这样就选择了整个实体，实体的名称也会出现在实体框中，这样就可以设置整个实体的初始温度：

接下来将设置时间因子，使该约束成为起始约束。首先，单击“高级”按钮，显示高级页面：

单击“设置本项目模量的时变情况”，弹出“时变关系输入”对话框：

选择“起始”。单击“确定”。这时，时间因子图线变成时间起始图线：

这样就完成了起始温度边界条件设置。模型在0时，整个实体各点、边、面、体的温度为0。
11. 载荷-源页面
单击“Multiphysics FEA 树图”上的“载荷-源”，会在“Multiphysics FEA 树图”下方显示载荷-源页面：

当前载荷-源页面显示了热和流体相关的边界条件。若用户在分析页面勾选了应力和电物理性，这里也将出现应力、电相关物理性的边界条件。用户还可添加加速度、离心力等边界条件。有的分析不需载荷-源，用户可勾选“不需载荷”来去除载荷-源页面前的双问号（??）。接下来的载荷-源添加都将从这个页面开始。
12. 加速度
单击载荷-源页面的“加速度”，打开加速度页面，输入加速度为9.8，并使用“设置方向”键，设置加速度的方向为（0,-1,0）：

13. 网格页面。
单击“Multiphysics FEA 树图”上的“网格”叶，会在“Multiphysics FEA 树图”下方显示网格页面：

· “生成网格”用于设置网格的生成。“网格显示/隐藏”用于显示/隐藏网格。“网格局部细化”用于在模型的某个位置使用比全局网格尺寸更细或更粗的网格。“添加粘合组”和“添加独立组”用于把一些实体添加到粘合组或独立组中。
· 粘合或独立的解释如下：若实体接触处有重合节点，粘合表示实体接触处的节点为各相关实体公有，即相关实体将通过接触处的公有节点粘合在一起；独立表示接触处的重合节点存在多组，各相关实体各有一组，由此，各实体在接触处未粘合，相互保持独立。
单击“网格局部细化”，显示网格细化页面：

输入网格尺寸为0.03，然后用鼠标选择实体全部表面。表示表面网格化的平均尺寸为0.03。回到网格页面后，单击“生成网格”后弹出“网格生成”对话框：

我们在网格尺寸处输入0.1，也可以使用左端的滑动条调整网格尺寸。单击“开始生成”，程序将网格化：

14. 分析问题、查看结果。
网格化完成后，单击“Multiphysics FEA 树图”上的“结果”叶，显示结果页面：

单击“分析”。自动启动AMPSol.exe，对问题进行求解。求解完成后，AMPSol.exe 窗口自动关闭，可使用下图中多物理性FEA显示工具条上的左起三个键，隐藏网格显示：

然后勾选结果页面矢量/流线部分的“显示”和“流线”，显示结果流线图：

也可使用图解显示结果。取消之前的勾选“显示”和“流线”，然后单击结果页面上的“图解设置”，弹出“图解显示”对话框：

在可用图解类型下拉菜单中选择“速度模量”，单击“确定”。
使用多物理性FEA显示工具条上的左起第四个键，切换切面，将模型切开，观察模型内部结果。用户可按下Shift键的同时使用切换切面，由此可以定义切面的位置和法向。用户也可以直接用鼠标调整切面位置和法向。
结果显示如下：