使用ANSYS计算结构在水中的模态时, FLUID29,FLUID30单元分别用来模拟二维和三维流体部分,相应的结构模型则利用PLANE42单元和SOL ID45等单元来构造，其中，PLANE42和SOL ID45分别是用来构造二维和三维结构模型的单元。FLUID30是流体声单元,主要用于模拟流体介质及流固耦合问题。该单元有8 个节点,每个节点上有4 个自由度,分别是XYZ上3个方向位移自由度和1个压力自由度,为各向同性材料。
### ANSYS流固耦合模态分析
#### 流固耦合（FSI）概述
流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）是指流体与固体结构之间相互作用的一种现象，这种交互作用通常会影响到流体流动特性以及固体结构的动力学行为。在工程领域，尤其是在航空航天、海洋工程、生物医学等领域，流固耦合分析非常重要。
#### ANSYS在流固耦合分析中的应用
ANSYS是一款功能强大的多物理场仿真软件，它提供了多种单元类型和求解器选项，适用于不同类型的流固耦合问题。本文主要关注的是在ANSYS中如何利用特定的单元来模拟流体和结构之间的相互作用，特别是通过二维和三维的流体单元（FLUID29 和 FLUID30）以及对应的结构单元（PLANE42 和 SOLID45）来进行流固耦合模态分析的方法。
#### 单元类型及其用途
1. **FLUID29 和 FLUID30 单元**：这两个单元分别用于模拟二维和三维的流体部分。其中FLUID30是一种流体声单元，具有8个节点，每个节点拥有4个自由度（XYZ三个方向的位移自由度和1个压力自由度），适用于流体介质及流固耦合问题的模拟。
2. **PLANE42 和 SOLID45 单元**：PLANE42和SOLID45单元分别用于构造二维和三维的结构模型。PLANE42单元是在SOLID45基础上的二维简化版本，每个节点具有3个自由度。
#### 输入材料属性
- 在进行流固耦合分析时，需要为流体材料输入密度（作为DENS输入）和声速（作为SONC输入）。流体的粘性损耗效应在此类分析中通常被忽略。
#### 流体-结构分界面的处理
- 在流固耦合分析中，流体和结构的分界面通过面载荷标识出来。在分界面上的流体单元通过设置KEYOPT(2)=0来表示存在结构，而其他流体单元则通过KEYOPT(2)=1表示不存在结构。
- 分界面处的结构运动和流体压力通过指定FSI label耦合起来，确保在交界面上结构的位移与流体的压力相匹配。
#### 数值分析步骤
1. **建立流体单元的实体模型**：根据具体问题确定流体域的范围，可以将无限边界流体简化为流体区域的半径为固体结构半径的10倍。
2. **标记流固耦合界面**：选择流体单元中流固交界面上的节点，并执行FSI命令，确保流体与固体交界面上的单元网格一致。
3. **建立固体结构实体模型**：定义单元属性，采用映射方式划分网格。
4. **施加约束条件**：对于远大于固体结构尺寸的流体区域，可以不考虑流体液面的重力影响，将流体边界处的单元节点施加压力为零的约束。
5. **选择求解算法并进行求解**：定义分析类型为模态分析，设定提取频率阶数和提取模态的方法，采用非对称矩阵法(UNSYMMETRIC)求解。
6. **查看结果**：在后处理模块中查看结构模型的频率及振型。
#### 二维算例分析
以水坝的模态问题为例，考虑以下假设：
- 简化成一侧有水的等截面悬臂梁。
- 不考虑坝体中的钢筋，假设坝体由单一的混凝土构成。
- 忽略水面重力影响和自由表面波。
- 坝体和水的交界面上固体节点和液体节点位移耦合在一起。
通过计算，可以得到水坝在空气和水中的模态频率。结果显示，对于低阶模态，ANSYS计算结果基本可信；而对于高度方向的振动，有水与无水的情况基本一致。
#### 三维算例分析
以半浸没于水中的桥墩模态问题为例，考虑以下假设：
- 桥墩为实心等截面实体。
- 不考虑桥墩中的钢筋，假设桥墩由单一的混凝土构成。
- 忽略水面重力影响和自由表面波。
通过三维算例的分析，可以更全面地了解流固耦合效应在不同场景下的表现，从而为实际工程设计提供可靠的参考数据。
通过ANSYS进行流固耦合模态分析，不仅可以有效地模拟流体与固体之间的相互作用，还可以帮助工程师更好地理解复杂系统的行为特征，进而优化设计并提高安全性。
