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基于fluidcavity的气囊充气过程模拟

ByYanFei

ABAQUS中的fluidcavity功能可以模拟气体或者液体的行为，为不熟悉CFD

或不研究复杂的结构-气体（液体）相互作用的工程师提供了有效的计算手段。现

有的fluidcavity的教程大多采用关键字的方法添加，实际上fluidcavity分析已经

可以通过GUI来实现，并非不许编辑关键字。

本教程采用壳单元建立了三个圆形气囊，并采用fluidcavity模拟了三个独立

气囊依次充气的过程。本教程仅为说明fluidcavity功能的使用，材料参数等取值

较为随意，并未采用气囊常用的橡胶材料或织物，如有偏差请谅解。

一、基础理论和背景知识

ABAQUS中的fluidcavity可以基于表面定义流体腔，流体腔的填充物可以使

液体或气体。在采用隐式求解器的情况下可以计算气体（液体）-结构相互作用，

在采用显示求解的情况下可以计算气体（液体）-结构的热力耦合问题。在定义

fluidcavity时，系统自动生成流体单元，以F3D4单元为例，F3D4单元为5节点

金字塔形单元，底面的四个点为流体腔壁处的节点，顶部的节点为流体腔参考节

点，流体腔参考节点需位于流体腔内部。

图1F3D4单元

F3D4单元采用理想气体方程描述气体的体积-压力关系，即Pv=nRT。采用静

态求解器是认为气体始终处于稳态，即温度不变。可以描述缓慢的升压或降压过

程。如需要考虑温度的影响，则必须采用显式求解器。采用液体时，则需要给出

液体的体积模量。

二、模型的建立

采用旋转壳的方式建立气囊模型，模型尺寸和最终效果如图2和图3所示。

本模型采用mm-kg单位制。

图2模型尺寸

图3模型外观

建立几何模型以后，给上述几何模型赋截面和材料属性，本案例采用了

0.1mm的钢板建立了气囊，即弹性模量2*10^11Pa,泊松比0.3，厚度0.1mm。静

力分析不需要定义密度。

完成上述建模过程后装配并定义分析步。分析步采用静力-通用分析步，考

虑几何非线性，长度1。初始增量0.01，最大增量0.05。具体设置如图。

图4定义分析步

图5分析步增量设置

三、网格划分与编辑

因为后面的设置过程中需要用到一个参考节点来定义fluidcavity，因此先对

part划分网格并编辑网格以定义所需的参考节点。参考节点的作用见图1。采用

扫略方式划分网格。

图6网格划分情况

点击网格编辑工具，选择“创建”创建节点作为流体腔的参考节点。三个参

考节点分别位于三个气囊的正中。

2

1

图7编辑节点

以三个参考节点建立节点集，分别命名为set-c1到set-c3或其他易于识别的

名称。三以个气囊的内表面建立基于几何的表面，命名为surf-c1到surf-c3或其

他已于识别的名称。

四、气体参数的设置

在右侧树状目录中Model-1上单击右键，选择“编辑属性”，输入绝对零度

的值和气体常数。其中通用气体常数为8.312/MIGM，即8.312除以气体的摩尔质

量，单位为kg。

图8基本物理常数

然后在相互作用模块中，点击创建相互作用属性，选择“流体腔”。

1

2

图9创建相互作用属性

创建相互作用属性以后，在相互作用属性中定义理想气体分子量，需要说明

的是，此处的理想气体分子量的概念不同于化学中的分子量，而是与化学中的摩

尔质量相同，单位一般为kg，此处以氮气为例，摩尔质量28g。

图10输入理想气体分子量

五、流体腔设置

1

2

图11建立流体腔

点击“创建相互作用”，然后点击“流体腔”在“创建相互作用”界面中选

择之前建立的集合，如图12所示。以同样的方法建立另外两个流体腔。

图12选择流体腔参考点和表面

六、充气过程的定义

因为需要对三个流体腔依次充气，因此需要首先定义三个流体腔的充气幅值

曲线，其数值表1所示。

表1气囊充气幅值

时间Amp-1Amp-2Amp-3

0000

0.25100

0.5110

0.75111

1110

然后在边界条件中定义充气过程，第一个气囊充气过程的定义如图13所示，

具体参数的设置如图14所示。定义边界条件类型为“流体气蚀区压力”（这个翻

译有点怪），数值为0.1MPa，幅值曲线为Amp-1。后两个气囊的定义过程类似，

不再赘述。定义完气囊的充气过程以后，在整个模型的底部施加约束，约束模型

底部三个方向的位移，即可提交计算。具体边界条件如图15所示。

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2

图13创建边界条件

图14边界条件的设置

图15底部边界