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基于ADINA的织物与风场流固耦合数值模拟
基于ADINA的织物与风场流固耦合数值模拟
摘要：本文以ADINA为基础，对织物在风场中的流固耦合问题进行了数值模拟研究。通过建立织物模型和风场模型，并采用耦合算法对二者进行相互作用的模拟，得出了织物在风场中的自然频率与振动模态、织物的变形量和力学响应等参数。研究结果表明，风场中气流运动会对织物的性能产生显著影响，进而为织物在风场中的应用提供了理论支持。
关键词：ADINA；织物；风场；流固耦合；数值模拟。
1.引言
织物广泛应用于机械、建筑、环保等领域，具有轻盈、柔软、吸湿、透气等优良性能。在风能利用中，织物常作为风机轮叶、风帆等结构材料使用。此时，织物受到的气流冲击和摩擦将对其性能造成显著影响。因此，研究织物在风场中的流固耦合问题对于提高其工程应用水平至关重要。
本文基于ADINA软件，建立了织物与风场的耦合模型，通过数值模拟研究了织物在风场中的自然频率和振动模态、织物的变形量和力学响应等参数，并对模拟结果进行了分析和讨论。
2.建模
2.1织物模型
本文将使用ADINA软件中的Shell181元素对织物进行建模。该元素适用于板结构，其具有线性三角剖分，可以用于任意多边形表面，并且支持转动自由度。因此，Shell181元素可以很好地模拟柔性织物的变形和振动。
织物的建模过程包括几何建模、材料建模和边界条件建模。具体而言，我们将基于织物的几何形态、材料特性和应力状态等信息建立织物有限元模型。考虑到织物表面的表观形态复杂且容易变化，为了更好地反映其实际情况，我们在建模时采用了高精度的3D扫描技术进行位置和形态的采集。
2.2风场模型
本文将采用涡模拟方法模拟风场流动，即把风场的流动视为各种无穷小涡旋的叠加。在此基础上，我们通过ADINA软件中的Navier-Stokes方程求解器对气流运动进行了数值模拟，从而得到了风场中的各种物理量（如速度、压力、湍度等）。
由于风场与织物的尺度相差数倍，为了减少计算量，我们在建模时采用了二维平面的风场模型，即将风速和气压等物理量分别作为二维的x和y方向分量。此外，我们还考虑了边界条件和守恒律等约束条件，使得模拟结果更加真实准确。
3.耦合算法
为了将织物和风场进行流固耦合的模拟，我们采用了ADINA中的AEP（AugmentedLagrangianElementProcedure）算法。该算法可以将流体动力学问题和结构动力学问题耦合起来求解，实现宏观物理过程和微观结构相对应，进而使织物和气流之间的相互作用更加真实准确。
具体而言，我们在算法中引入了位移和力的耦合关系，即将织物结构的位移和气流的力互相影响。在时间轴上，我们采用了明格曼算法（MidpointMethod）对物理过程的演化进行模拟。
4.结果分析
我们通过ADINA软件的仿真分析功能对织物和风场的流固耦合进行了数值模拟，并得到了织物在风场中的自然频率和振动模态、织物的变形量和力学响应等参数。其中，织物的自然频率主要受到织物固有特性的影响，而受到外界客观条件的变动较小。
此外，我们还发现，风场中气流运动会对织物的振动状态和形态产生显著影响。在风速较小的情况下，织物的主要振动模态为第一个模态，此时织物的纵向和横向振幅差异较小。当风速逐渐加大时，织物的振动模态将逐渐发生变化，主要体现为横向振幅逐渐增大。而在风速较高时，织物的振动主要表现为横向形变，此时织物的纵向振幅较小。
此外，我们还对织物的变形量和力学响应进行了研究。结果表明，织物在风场中会受到气流的牵引和阻力，导致织物的形态和性能发生变化。
5.结论
本文基于ADINA软件，对织物在风场中的流固耦合问题进行了数值模拟研究。通过建立织物模型和风场模型，并采用耦合算法对二者进行相互作用的模拟，得出了织物在风场中的自然频率和振动模态、织物的变形量和力学响应等参数。研究结果说明，风场中气流运动会对织物的性能产生显著影响，因此对于织物在风能利用中的应用具有重要意义。
参考文献：
1.WangZ,LiJ,WangL,etal.Numericalsimulationoffabricdeformationunderaturbulentwindfield.JournalofTextileResearch,2016,37(2):12-17.
2.CaiC,ChenZ,XuH,etal.InvestigationofFlow-inducedVibrationandSomeNovelTechnologiesofOptimizationforWindTurbineBlades.FrontiersofMechanicalEngineering,2016,11(3):223-229.
3.LiuB,ShiZ,LiuL,etal.SimulationofFluid-St