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如何在 SIMULIA 3DEXPERIENCE 中使用CEL分析模拟弹性坝

2026年10月27日 阅读时间：10分钟
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当水流冲击柔性坝体时会发生什么？坝体开始弯曲，并形成开口，水流便开始从中流过。水的这种流动也会影响坝体的变形方式。.

为了研究这种类型的相互作用，工程师可以使用 中的 SIMULIA 上的 3DEXPERIENCE 。平台耦合欧拉-拉格朗日 (CEL) 分析

在本篇博客中，我们将首先探讨CEL的工作原理及其与其他模拟方法的区别。然后，我们将使用它来模拟弹性坝在水压作用下的弯曲行为。.

您将学习如何定义材料、设置流体和结构域、定义水与大坝之间的接触、运行模拟以及查看结果。.

1. 什么是耦合欧拉-拉格朗日（CEL）分析？

在某些模拟中，零件变形幅度过大会导致网格扭曲。这会降低计算结果的准确性，甚至在计算过程中引发问题。CEL 通过结合欧拉方法和拉格朗日方法两种不同的策略，帮助工程师应对这些情况。.

我们来看看它们是如何运作的。.

  • 拉格朗日分析

在拉格朗日分析中，网格会随材料一起移动。这种方法常用于实体零件，因为它允许工程师跟踪零件的变形。.

但是，当一个部件发生非常大的变形时，其网格可能会严重扭曲。.

  • 欧拉分析

在欧拉分析中，网格保持不变，而物质则在网格中运动。这使得它非常适用于模拟流体以及运动或变形较大的材料。.

例如，它可以用来研究水流过开口或材料在高速冲击下的运动。.

  • 任意拉格朗日-欧拉（ALE）分析

ALE融合了两种方法的优点。网格可以独立于材质移动，从而有助于在模拟过程中保持良好的网格质量。.

当变形量可控时，ALE 可能是一个不错的选择。然而，有些问题涉及的材料位移过大，这种方法就无法有效发挥作用。.

这三种方法有何异同？

杆冲击模拟就是一个很好的例子。.

  • 拉格朗日： 网格跟随杆的运动，但在冲击区域周围可能会发生变形。
  • ALE： 网格可以适应变形，有助于保持其质量。
  • 欧拉网格： 杆状材料在固定网格中运动。冲击区域周围可能需要更精细的网格才能精确捕捉变形。

每种方法都有其优势。选择合适的方法取决于材料在模拟过程中的形变程度和运动方式。.

图 1. 杆冲击分析中拉格朗日法、ALE 法和欧拉法网格计算方法的比较

CEL示例：洗衣机

洗衣机是 CEL 如何用于模拟流固耦合作用的一个很好的例子。.

在洗涤过程中，水在滚筒内流动并与旋转部件相互作用。在 CEL 模拟中，水采用欧拉网格表示，使其能够在固定网格中运动；而滚筒等固体部件则采用拉格朗日网格表示，该网格能够追踪它们的运动和变形。.

水与固体部件之间的接触使得模拟能够捕捉到它们的相互作用。.

这个例子展示了 CEL 如何帮助工程师研究流体的运动及其与运动结构的相互作用。.

图 2. CEL 模拟示例：洗衣机中的水流

CEL 的工作原理是什么？

CEL 将欧拉方法和拉格朗日方法结合在同一个模拟中。.

以我们的弹性坝为例：

  • 大坝 （拉格朗日）：网格跟随大坝弯曲和变形。

  • 水流 （欧拉）：水流经固定网格。

  • 接触交互：允许水和水坝在模拟过程中进行交互。

CEL 适用于涉及流体流动、大变形以及流体与固体结构相互作用的应用。.

现在，让我们运用这种方法在 SIMULIA 3DEXPERIENCE中模拟弹性大坝的变形。.

2. 理解弹性坝模型

本次模拟的目标是研究水压如何影响大坝以及大坝的变形如何改变水流。.

图3. 弹性坝模拟

该模型包含三个部分：

  • 水坝： 一种在水压作用下会弯曲的柔性结构。
  • 水库： 包含水的区域。
  • 初始水量： 模拟开始时大坝后方的水量。

大坝上端固定，下端自由。起初，水被蓄在大坝后方。.

图 4. 弹性坝组件的三个部分

模拟开始时，水压导致大坝弯曲，形成开口，水流得以通过。流动的水流与大坝相互作用，使大坝继续变形。.

模拟总共运行了 0.2 秒。

大坝和水库的网格设置

图 5. 弹性坝模拟的网格设置

大坝和水库采用分区六面体网格技术，用线性六面体单元进行网格划分。.

对于大坝，沿弯曲方向厚度方向使用了四个单元来捕捉其变形。.

初始水体几何形状并非像传统实体那样进行网格划分，而是用于定义水体在欧拉域内的初始位置。.

这种设置使得水流经固定的欧拉网格时，大坝能够发生形变。.

3. 定义材料属性

在设置模拟之前，我们需要定义大坝和水的材料。.

大坝材料

该大坝采用具有以下特性的线性弹性材料：

财产 价值
杨氏模量 12兆帕
泊松比 0.4
密度 1,100 千克/立方米

杨氏模量定义了大坝的刚度，泊松比描述了大坝在不同方向上的形变情况，密度则定义了大坝单位体积的质量。.

水材料

水的性质采用Us-Up状态方程（EOS）模型来描述。该模型描述了水的压力如何随其密度变化。.

图 6. 水材料的定义

创建一个名为 “水（水坝）” ，并赋予其以下属性：

财产 价值
密度 1,000 千克/立方米
声速 (C0) 1500 米/秒
动态粘度 0.001 N·s/m²
EOS模型 我们向上

这些特性有助于定义模拟过程中水的行为，包括其可压缩性和流动阻力。.

4. 定义欧拉性质

材料准备就绪后，我们就可以定义欧拉域了。.

首先，选择水库部分作为欧拉属性的支撑集。这将定义水可以流动的区域。.

接下来，将 “水（坝）” 材质分配给代表初始水量的部件。这将告诉模拟程序水在初始位置的情况。

当水流经欧拉网格时，网格保持固定不变。这是在本例中使用 CEL 的主要优势之一。.

图 7. 定义欧拉优先度

5. 设置物理模拟

现在， 使用现有的有限元模型，创建一个名为“弹性大坝模拟（CEL）”的结构模拟。

分析程序

选择 显式动力学 程序，并将总仿真时间设置为 0.2 秒。

该方法适用于本例中涉及的大变形和接触相互作用。.

图 8. 显式动态步骤

确定水与大坝的接触范围

在欧拉水域和拉格朗日坝之间建立一般的、无摩擦的接触相互作用。.

这样一来，水流就能在弯曲和开口形成的过程中与大坝相互作用。.

图 9. 定义一般联系人

应用对称性条件

该模型代表大坝的薄片，以缩小模拟规模，同时保持问题的主要行为。.

应用 平移速度 边界条件，防止大坝和水发生不必要的平面外运动。

图 10. 施加的平移速度

定义欧拉边界条件

除了可以流出的开口外，水必须保持在预定的模拟区域内。.

应用欧拉边界条件，防止水从水库底部和右侧边界逸出。.

您可以使用预定义的组 “水库底部” 和 “水库右侧” 来应用这些条件。

图 11. 定义欧拉边界条件

修复水坝

大坝一端固定，另一端自由。对预定义的 “大坝固定 ”组施加适当的约束。

这样一来，大坝的自由端就可以在水压下弯曲。.

图 12. 修复大坝

利用重力

使用默认设置对整个模型施加重力，以驱动水流通过开口。.

本次练习中，请忽略水中重力引起的初始应力。.

图 13. 应用重力

6. 配置输出请求

在运行模拟之前，我们需要定义要保存哪些结果。.

液体结果

请求以下字段输出变量：

  • 欧拉体积分数（EVF）： 显示每个欧拉单元中有多少被水占据。
  • 体积平均密度： 显示水密度在整个区域内的分布情况。

将输出频率设置为 20 个等间隔的时间间隔。.

这些结果将有助于我们追踪大坝弯曲和开口形成过程中水的运动情况。.

图 14. 输出_欧拉体积分数 EVF+密度/平均值

大坝变形结果

对于预定义的 坝尖 组，每 0.01 秒请求 U2 和 U3 组件的位移历史输出。

这些结果将显示大坝自由端在整个模拟过程中如何移动。.

图 15. 输出位移_U2_U3

元素类型

如果需要进行元素赋值，请使用以下类型：

领域 元素类型
欧拉域 EC3D8R
固体结构域 C3D8R

图 16. 全局元素类型分配

7. 运行模拟并查看结果

配置完成后，运行仿真并保存结果。.

现在你可以观察水的流动情况以及大坝对水压的反应。.

水流可视化

创建欧拉体积分数 (EVF)的等值线图 ，并仅显示分配给水材质的元素。使用蓝色表示充满水的区域。

查看不同时间点的结果，了解水是如何在水库中流动并通过开口的。.

这样就更容易理解随着大坝变形，水的分布是如何变化的。.

图 17. 结果_创建等高线图 EVF

检查大坝变形情况

接下来，绘制 U2 和 U3 组件大坝坝尖位移随时间变化的曲线。.

这些曲线显示了模拟过程中大坝的运动情况以及其变形的发展过程。.

通过将位移曲线与水体积分数图进行比较，我们可以更好地了解水流与大坝运动之间的关系。.

这些结果共同帮助我们评估整个模拟过程中流体和结构的行为。.

图 18. 结果_XY_图

结论

CEL 分析提供了一种有效的方法来模拟流体和固体结构相互作用并发生显著运动的问题。.

在本博客中，我们探讨了拉格朗日方法、欧拉方法和 ALE 方法之间的差异，然后将 CEL 应用于 SIMULIA 3DEXPERIENCE中的弹性坝。.

然后我们定义了材料属性，配置了欧拉域，建立了水与坝之间的接触，并设置了分析和输出请求。.

最后，我们利用欧拉体积分数图分析了水流情况，并通过位移历史研究了大坝的运动情况。.

Hanen Bdioui
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