这篇文章将着重介绍Simcenter STAR-CCM+中的DFBI（Dynamic Fluid Body Interaction）模型。DFBI模型的功能是通过计算作用在刚体上的合力和力矩，通过求解刚体运动控制方程，以找到其的新位置。

　　STAR-CCM+在刚体运动与流体的相互作用方面具有独特而突出的特点。它允许我们在单个的仿真平台下集成耦合刚体运动和流体力学问题,DFBI模型功能强大且设置简单，涉及的刚体外载荷、复杂接触问题完全通过GUI实现，而不必借助二次开发。在很多工业领域都有着广泛的应用。

　　例如船舶海工领域的漂浮式平台、系泊系统、舰船及作业船在波浪中的运动运动问题。

　　以及在航空领域，战斗机挂载物的分离问题。

　　1．刚体运动的基本概念

　　刚体可以定义为其内部任意两点之间的相对距离始终不变的对象。使用标准笛卡尔坐标系作为参考坐标系，刚体可以沿三个轴中的每一个轴移动（平移）或绕轴旋转。STAR-CCM+中使用6-DOF（6自由度）实体定义。

　　上图中：

　　Tx,Ty, 和 Tz 分别代表沿着x, y, 和z方向的平移运动.

　　Rx,Ry, 和 Rz 分别代表绕着x, y, 和z轴方向的转动.

　　对于刚体运动的模拟，仅对其质心的运动建模就足够了。因为刚体任何其他部位的相对运动都可以根据质心运动推断出来。以单自由度运动为例，刚体的运动可以由常微分方程的形式来描述：

　　左侧分别代表：惯性力、阻尼力和恢复力。右侧代表刚体收到的外力，STAR-CCM+中这一项通常代表流体作用力。

　　当上述运动方程的外力f为0时，它的通解的形式，可以写为：

　　对于无阻尼系统，刚体随时间做简谐运动：

　　对于有阻尼的系统，根据C1/C2（阻尼比）的值不同，系统有三种运动形式：

　　当位移x变化为角度时，方程的形式相应的变换为单自由度的转动方程。方程的形式完全相同，只不过各个变量具有不同的量纲。

　　关于如何确定刚体的质心及转动惯量，我会把两篇技术分享的文章附在结尾。

　　2．DFBI模型基础

　　区别于刚体在不同的外力条件下的运动，STAR-CCM+中有两种刚体类型：

　　1, 连续刚体:当6-DOF刚体与连续性流体物理模型有相互作用时，需要考虑流体对其产生的作用力时，采用此模型；

　　2，机构刚体：当6-DOF刚体不必考虑流体对其的作用力时，仅需要考虑机构间的相互作用及其外力的作用时，采用此模型；机构刚体不需要划分体网格，所以我们需要选择几何零部件作为后处理的场景显示。

　　求解刚体的运动问题，涉及到运动引起的动网格问题，需要我们提前确定动网格的策略。

　　介于不同的动网格策略，STAR-CCM+中预设了三种DFBI运动策略。对于同样的问题，不同的动网格控制方法，可以选择不同的DFBI的运动策略，因此这三种方法并非相互排斥的。

　　DFBI旋转平移运动，主要与嵌套网格方法配合使用。也是DFBI最常用的形式。

　　DFBI嵌入式旋转，主要与滑移网格配合使用，这种方法需要将运动物体单独设置一个回转计算域边界，通过回转交界面与外部计算域相连接。如下图所示：

　　作用在6自由度物体上的流体力通常可以引起由旋转和平移分量组成的运动。在内部区域内， STAR-CCM+计算6自由度物体的完整运动。同时，平移的运动分量被传输到外部区域，并且内部和外部区域都会平移。嵌入旋转运动方法对于浮体大角度旋转的DFBI仿真特别有用。此种DFBI设置方法可以准确模拟由于旋转运动而导致的流体流动，在内部区域内创建精细网格，而不需要将精细网格分辨率扩展到内部区域之外。

　　DFBI变形运动，此种方法需要对运动边界周围的网格进行拉伸、扭曲以适应边界变形。需要保证边界在平移和旋转后网格的质量。

　　当我们创建完DFBI运动方式之后，接下来需要对模型进行详细设置：包括刚体的属性、运动方式、刚体的初始值、刚体外力、刚体所受约束以及刚体与环境、刚体之间的耦合关系。

　　首先我们看刚体属性的设置，包括：1，刚体表面的指定，主要是构成刚体表面的壁面边界。2，刚体质量的指定。3，设置释放时间，开始计算刚体运动之前的时间，此选项的目的是留出一些时间让流体流动初始化，以确保有稳定准确的初场，释放时间的大小取决于使用的时间模型和网格大小，在非定常模型中，典型范围为10到50个时间步长。4，斜坡时间，通过减少振荡促进更稳健的求解过程。在释放时，力和力矩会施加到身体上，并可能产生冲击效应，利用斜坡时间缓慢按时间比例施加力和力矩减少冲击效果。此属性的值通常是释放时间的10倍。

　　根据刚体的运动自由度不同，运动的类型可以分为7种形式：1，自由运动，允许求解刚体6个自由度的运动，当然，用户也可以在此基础上选择固定某一个或者几个方向的自由度不去求解。2，静平衡，此模型可以快速的找出刚体在流体作用力和外力作用下的准静态平衡位置。3，单自由度转动，针对单自由度刚体转动问题。4，单自由度平移运动，针对单自由度刚体平移问题。5，4自由度操纵性运动，使我们在X-Y平面内指定物体的运动速度，而求解刚体的其它四个自由度自由运动。6，平面运动，模拟刚体在笛卡尔坐标系X-Y平面下的运动。7，多体运动，模拟两个或两个以上刚体之间具有链接关系的运动。

　　下一节我们继续以案例的形式讨论DFBI中不同的运动类型的相关设置及应用。