1流固耦合分析
流固耦合力學是一門比較新的力學邊緣分支，是流體力學與固體力學二者相互交叉而生成的。它的研究對象是固體在流場作用下的各種行為以及固體變形或運動對流場的影響。流固耦合力學的重要特徵是兩相介質之間的相互作用：固體在流體動載荷作用下產生變形或運動，而固體的變形或運動又反過來影響到流場，從而改變流體載荷的分佈和大小。流固耦合問題涉及流體和固體分析理論計算和其之間的耦合關係，所以流體力學構成流固耦合理論的基礎，計算流體動力學則是關於流體的數值計算，而建立流體力學的有限元方程求解卻極為困難，因此過去三十年人們一直在研究的流體數值分析的方法。流固耦合問題是強非線性的問題，求解方程的規模加大，還必須研究、借鑑有關計算機處理技術，如有限元並行算法的成果[2]。本文以攪拌機葉片系統作為研究對象，在SolidWorks中建立三維模型。在ANSYSWorkbench中進行單向流固耦合，其基本思路是：先計算流場和固體結構，然後通過中間平台交換耦合量。每次大迭代中，進行一次流體計算，並交換數據到固體計算，直到最終收斂。分析基本流程框架結構如下。
2攪拌機葉片系統前處理
Pro/E、I-Deas、UG和SolidWorks是目前比較流行的CAD軟件，這些三維建模軟件其實原理都是相同的，各有利弊。本文采用SolidWorks軟件對攪拌機葉片系統進行三維實體模型繪製，SolidWorks適合於通用機械的三維設計,非常適合攪拌機這樣的通用機械產品設計,具有與其他CAE、CAM軟件的良好接口，避免了轉換格式所造成的信息丟失和模型缺損。在三維建模軟件中,所建的三維模型完全尊重攪拌機葉片系統的原型，這樣的優點是，模擬更加接近真實情況。完成建模後，因為SolidWorks軟件和ANSYSWorkbench共享數據，可以直接相連接，即在SolidWorks軟件主界面有ANSYSWorkbench菜單項，可直接啟動ANSYSWorkbench12.0，模型導入後，一般不會發生曲面丟失、破面、形狀變形等問題。從SolidWorks導入到ANSYSWorkbench的攪拌機葉片系統流固耦合三維模型如圖2所示,內部為攪拌機葉片系統，外部為管狀流體場，包括靜流場和旋轉流場，包裹着攪拌機葉片系統。ANSYSWorkbench工作允許添加自定義的模板和提供預先定義的自定義模板，如單向耦合分析和形變分析等。建立流固耦合分析，操作將Workbench12左側的Toolbox內FSI:FluidFlow(CFX)>StaticStructural項直接拖到右邊的A2欄內即可。ANSYSWorkbench裏面劃分網格可選取系統默認值，不需要操作者去選擇，只要控制網格劃分方法和有限元單元尺寸，模型局部也可以細化，這比ANSYS的經典界面方便很多，而且複雜模型網格質量也比較好。對於旋轉葉片的.網格，需要對其局部的網格進行細化，以使計算結果更加精準。一般來説，葉片和流場的網格是一起被劃分的，但可以分開劃分進行尺寸設定，本文所舉的例子是流固耦合分析，流體場尺寸遠遠大於葉片的尺寸，這樣設置的原因也是為了能夠更加真實地模擬流體場和加快分析計算速度。為便於後期的CFX操作和流固藕合分析，故對相關而先對有限元模型各表面進行命名。網格劃分完畢，最後得有限元模型有190952個單元和35113個節點，有限元模型。
3CFX流場分析
CFX軟件主要包括三個部分：前處理模塊（CFX-Pre）、求解模塊（CFX-Solver）和後處理模塊（CFX-Post）。CFX-Pre主要用於定義物理模型、材料屬性、邊界條件、初始條件和求解參數等，樹形結構方便用户修改參數；CFX-Solver為求解問題所有變量的整個過程，輸入文件有CFX-Pre生成，特別地，該solver採用耦合求解器，比傳統分離求解器需要更少的求解步數就能達到收斂，另外，CFX-solver還有一個控制管理計算任務的manager，方便用户管理作業。CFX-Post可以將計算結果以彩色等值線、梯度、向量等方式顯示，也可以將計算結果以圖表、曲線的形式顯示。用CFX對流場進行數值模擬，流場的設置主要是對水的性質進行設置，例如温度、密度、傳熱係數等等。本例所選的是k-Epsilon流體方程模型，室温條件和isothermal熱傳遞模式。然後給定流場邊界條件：入口速度為0；出口因為是與空氣相同，通常這裏的壓強都設置成相對大氣的壓強；其它為固定的無滑移壁面(wall)[3]。葉片部分設置的邊界條件：本例中，葉片在風場中模擬的轉速為80r/min；葉片的固體屬性。在CFX裏，葉片表面設置成流固耦合接觸面（interface），這樣就更能符合實際，模擬出其固有屬性。在獲得CFX流場數值分析的結果後，如圖4所示，可以發現攪拌機旋轉葉片附近的速度變化，最高變為8.7m/s，葉片正面的壓強值比背面的要大很多，其最大壓強為1234pa。
4結構靜力分析
依據在ANSYSWorkbench中建立的CAD模型（如圖3所示），在StaticStructural中定義材料性質，密度7800kg/m^3、泊松比0.3和彈性模量為207GPa；更新網格。添加邊界條件，添加攪拌機的支架頂部為固定約束，添加CFX得出的瞬態壓強載荷[4]。計算結果如圖5、圖6所示，由於壓應力場相對較小，攪拌機葉片最大應力發生在葉片前端內側邊緣處（中部偏下），其最大值為40.7MPa,遠低於鋼材的屈服強度。根據以上計算分析，機身強度符合要求。這樣的分析結果，可以讓我們對葉片結構進行優化設計，在後面的設計中對葉片加筋板，起到穩定加固葉片結構的作用。此外，在StaticStructural的分析基礎上，ANSYSWorkbench還可以進行模態分析(即振動分析)，對葉片的振行進行分析，得出其固有頻率和相應振型，對葉片結構進行更深入的分析[5]。
5結束語
本文使用CFX—ANSYS流固耦合方法對攪拌葉片進行數值模擬研究，根據得到應力應變分佈情況，建議對關鍵結構尺寸作了一些調整，減少應力應變，以達到結構優化的目的。此方法操作簡單，可以被應用其他的單向流固耦合分析，比如鼓風機、水輪機、空氣壓縮機、風扇、風機、渦輪增壓器和膨脹等等。採用計算機仿真模擬，可以縮短攪拌機葉片的設計開發過程，減少開發成本。