液力变矩器流固耦合研究

　　1前言

　　近年来， 国内外开展了大量的液力变矩器三维流场分析研究[1]。 由于液力变矩器结构复杂，三维流场数值分析难度甚高， 现有的液力计算仅作稳态分析，视液力变矩器壳体及叶片为刚体，在工作过程中不产生变形;视液力传动液为不可压缩流体，计算仅仅局限于结构静力学的研究和分析。 汽车行驶工况复杂多变，实际运行过程中，液力变矩器内部真实流动为非定常流动; 液力变矩器受到强烈的外载荷作用，在载荷陡增、高速运转或液力传动液过热等工况下， 内部压力或离心力的作用使液力变矩器的叶片及壳体不可避免地会产生变形或整个壳体的轴向位移，使液力变矩器的传动效率下降，严重的会导致叶片脱落、装配关系破坏甚至壳体破裂[2，3]。 与此同时，在工程实际中， 液力变矩器越来越倾向于采用具有薄壁、轻质和高强度等特点的结构，其内部流体与结构的耦合作用将变得更为突出。 叶轮机械叶片的失效分析表明， 叶片的共振断裂是叶片损伤的主要形式，而流体激振问题[4，5]是导致该失效的主要原因。

　　2流固耦合问题求解方法及其关键技术

　　流固耦合(fluid-solid interaction，FSI)[6～8]是研究固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场影响的科学， 是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支。流固耦合问题是集气动力学、液动力学、固体力学为一体的综合性疑难课题。对液力变矩器的安全性和可靠性构成威胁的流体激振问题，就是流体诱发结构变形、结构变形又反馈影响流场的流固耦合问题。

　　流固耦合问题的求解通常有两种方法： 强耦合法和弱耦合法[9，10]。 强耦合法通过改写流体、结构的控制方程形式，构造出统一的求解方程并直接求解，使得求解区域的流固交互面成为内部求解区域。 该方法概念清晰，但求解时要求流体、结构网格一致，实际工程应用性不强，常用于理论分析。

　　弱耦合法则是分别建立固体域和流体域的计算模型，在两个模型间进行位移和压力边界条件的传递，从而达到求解流固耦合问题，其实质是一种界面耦合。 弱耦合法在每一时间步内通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)求解 N-S 方程来模拟流场力，通过计算结构动力学(Computationalstructural dynamics，CSD)模拟结构动力响应，结构场和流场的计算结果通过中间数据交换平台进行交互，从而实现两个物理场的耦合求解。该方法在求解过程中 CFD 计算和CSD 计算相互独立，保持了CFD 和 CSD 计算模块的完整性，发挥了各自领域的长处。本文采用的MFX-ANSYS/CFX 耦合平台即应用该方法。