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ALE & S-ALE

ALE和S-ALE

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/1/9     浏览次数:    

ALE方法及其附属的流固耦合方法,旨在模拟一系列流体与固体间具有较大动量和能量转换特点的瞬态工程问题。 LS-DYNA ALE 多材料单元模式允许同一网格中多种流体共存。 进而它所带的流固耦合算法可分析固体结构与各单个流体之间的相互作用。 这种优点使得它被广泛用于分析多种工程领域的问题。

ALE/FSI 组件可优秀地解决携带较大动量或能量密度的流体撞击,侵入结构这一类工程问题。 例如,爆炸,油箱液体晃动, 容器跌落,飞鸟撞击, 弹药撞击,飞行器溅落,轮胎打滑等。

新近开发的ALE 本质边界条件(ALE ESSENTIAL BOUNDARY) 功能可极大降低在处理流体与刚体间耦合的模拟时间。 这一功能将在包装,石油,化工,制造行业内得到利用,来模拟管道流, 树脂成型等问题。


ALE网格的任意性 (Flexible ALE Mesh Motion)

ALE网格与通常有限元网格不同,它既非随物体本身变形(拉格朗日方法), 也非在空间内保持不动(欧拉方法)。它可随特定物理问题,采用自己独有的特殊移动方式。 这种任意性使得ALE网格可以根据问题特质而灵活改变,从而减少所需单元和计算时间。例如,在模拟弹头飞行并穿透装甲时,ALE网格可跟随弹头移动;又如,模拟高能炸药起爆时,网格可随炸药膨胀而扩张。


ALE方法的简便性 (Compatible ALE Solver) 

LS-DYNA ALE 采用算子分裂法(Operator Splitting)分别处理扩散项与迁移项。 这样,一个时间步长内,单元会经历一个正常的拉格朗日时间步,以及一个额外的平流时间步(Advection timestep)。

在拉格朗日时间步内,我们求解动量守恒方程并更新加速度,速度和位移;在平流时间步内,我们计算质量,速度,历史变量的迁移项。 由于拉格朗日时间步的求解利用LS-DYNA求解器(Solver),ALE求解器与通常的结构求解器(Structure Solver)直接兼容。 相对于传统计算流体力学方法,LS-DYNA 有着所解方程数少,能直接兼容LS-DYNA材料库,求解简便的优点。


ALE多流体模拟 (ALE Multi-material Capability)

LS-DYNA ALE 使用界面重建法(Interface Reconstruction)来构造不同流体间的物质界面。  这使得同一网格中多流体的计算成为可能。 例如,求解油箱晃动问题时,ALE网格中可分别定义汽油和油箱内和油箱外空气。这样,我们不仅可以模拟汽油对油箱的冲击,还可以研究油箱内空气负压对结构的损伤。 在爆炸防护问题中,ALE网格中可定义炸药,土壤和空气,这样土壤和炸药对结构的冲击也可以被加以考虑,而不象传统的CONWEP方法仅仅对结构施加空气中的爆炸波。相比其它界面描述方式如LEVELSET方法等,LS-DYNA ALE的界面重建法有着即无需求解额外方程,也无需储存额外变量的优点。 LS-DYNA ALE多材料单元类型11(SOLID ELEMENT TYPE=11)  支持多流体计算。


紧密的ALE流固耦合 (Tightly-coupled ALE FSI) 

LS-DYNA 为处理流固耦合问题,提供ALE/FSI方法。 在此方法中,流体使用ALE多材料单元类型11,来构造流体物质界面。 固体使用通常的拉格朗日单元。 在两种物质界面间(流体物质界面与固体物质界面),

使用罚函数接触法(Penalty Coupling Method)。 ALE/FSI 流固耦合算法专门针对固体与ALE多流体之间的接触,相对于其它Loosely Coupled Methods,流体与固体间的信息交换简便易行,也无需多步迭代,而且易于并行计算。

ALE/FSI 已成功解决多种工程领域内的流固耦合问题。在这些流固耦合问题中,流体一般都带有大的动量或能量密度。这些大动量或能量密度会在很短时间内被传递到固体结构上,造成结构的大变形或损伤。ALE/FSI在处理以瞬态,高能,大动量,结构大变形为特征的,例如爆炸,油箱液体晃动, 容器跌落,飞鸟撞击, 弹药撞击,飞行器溅落等工程问题上,有着较强的优势。


经济的ALE 投影功能(Cost-Efficient ALE Mapping) 

除了三维ALE求解器外,LS-DYNA ALE还包含一维球对称和二维轴对称功能。 ALE 投影功能可将ALE模型在这三种求解器间转换,从而极大加快求解速度。 投影功能支持如下映射:1D到2D,1D到3D,2D到2D,2D到3D和3D到3D。 通常这一功能在爆炸波冲击结构问题上广泛使用。 在爆炸波到达结构前,可由一维球对称ALE快速求解,之后问题再投影到三维ALE网格上来分析空气与结构间的相互作用。























处理固体大变形的ALE单材料单元方法 (ALE Single Material Element to Cure Element Distortion) 

ALE方法在处理固体大变形方面,有着极大的优点。通常的拉格朗日有限元方法,可以用加高网格密度或采用高阶单元的方法处理网格畸变(Mesh Distortion)。 但这种做法只能减轻网格畸变而无法有效阻止。 ALE方法可采用网格舒缓法(Mesh Smoothing)降低畸变处的网格密度而有效防止网格畸变,从而保证有限元计算的进行。 LS-DYNA ALE单材料单元类型5(SOLID ELEMENT TYPE=5) 采用网格舒缓法。与其它大变形处理方法相比,ALE单材料单元所需计算时间较少,内存较小,处理极大和超大变形的能力更强。


Structured ALE: 针对规则网格的快速求解器 


        在处理这些问题时,我们发现,绝大多数情形下,ALE模型采用规则正交网格(rectilinear),也称为IJK网格。网格不一定非要均匀,因为在关键区域通常我们会细化网格;但它一定是正交的,规则的立方体网格。这种特殊网格的几何信息极其简单,在善加利用的情况下,可以很大程度上降低算法的复杂度,从而达到减少运算时间,降低内存需求的目的。

        同时,旧有的ALE求解器开发之初是用来解决固体大变形问题的。这类问题中,网格随物质边界变形而移动,而固体也只是用单材料单元来模拟。虽然LSTC的开发者不断扩展原程序来支持多材料,支持网格移动等等。但旧有的算法和逻辑远非最优。

        还有,最近十年以来,ALE模型的单元个数极大增长,由百万到现在的千万量级。输入文件变得极为庞大,编辑文件耗时很长也非常不便。而对规则网格而言,我们完全可以根据用户提供的简单几何信息,由程序本身自行创建网格。而省去用户创建网格->程序读入的麻烦,同时我们也节省了大量读写操作带来的运算时间和内存需要。


轮胎土壤耦合

S-ALE与ALE: 相同与不同

        理论方面, S-ALE求解器与ALE完全相同,但S-ALE在实现上是独立于ALE而全新开发的。网格的简单与单一性也使得程序变得简洁与易维护。简洁的程序又反过来提高了运行的效率。综合目前为止的大部分算例结果以及用户的反馈,运行时间大致减少20%到40%之间。并且,借助于MPP算法的全新设计,MPP的scalability极大提高,大型算例一般可以保有0.9的加速率到大约400核。

        输入卡片方面,S-ALE使用*ALE_STRUCTURED_MESH卡片创建网格并进行运算。其它卡片,包括流固耦合,使用原有的ALE卡片。这里额外说明,S-ALE中网格运动由*ALE_STRUCTURED_MESH中的原点平动以及局部坐标系转动控制,不再使用*ALE_REFERENCE_SYSTEM卡片。

        S-ALE,引入两个新概念:材料PART和网格PART,并且施加一个特殊的限制:ALE的多材料必须与材料PART一一对应。这种做法可以使得建模过程成为标准化的三步操作,清晰而简单,避免旧有ALE方法中PART的双重属性带来的概念混淆与困扰。具体作法请参阅http://ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/hao/sale/


S-ALE: 不断进步

        自问世以来,S-ALE不断加入新的功能。例如渐变网格密度;多网格支持;ALE输入文件->S-ALE自动转换;运行过程中删除网格;多网格合并等等。我们也不断添加新的算例(http://ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/hao/sale/models),来帮助用户建模与参考。S-ALE将不断进步,以其能得到中国用户的认可。


*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID:嵌入结构的约束

        加筋混凝土是一种典型的嵌入结构,钢筋嵌入在混凝土中来提供加强作用。进行有限元离散时,一般对钢筋使用梁单元,对混凝土使用固体单元。然后一种作法是创建单元网格时,强迫固体单元与梁单元共享节点。这样对建模有很高的要求,而且对于复杂一点的加筋情况就无法处理了。所以目前一般的作法是在独立建模的钢筋和混凝土之间施加约束。这一约束是施加在速度与加速度两者之上的,它保持系统的动量守恒。这里请注意,约束法一般的情况下是不能满足动能守恒的。时间步长越小,约束越频繁,系统损失的动能就会越多。所以对于瞬时效应强烈的问题,例如冲击载荷下的加筋混凝土,我们要采用惩罚法。


轴向滑移和脱粘(debonding)模拟 *CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID一个特有的功能是模拟debonding现象。这需要我们只在垂直于梁的方向施加约束,而对轴向约束加以放松(CDIR=1)。Debonding过程中的切向滑移力可以用User function(AXFOR=-N)或者User subroutine(AXFOR=N,N>1000)来施加。值得一提的是,这个功能在模拟往复作用例如地震载荷中比以往用*CONTACT_1D的作法更为准确。


梁单元端点间额外耦合点 理想情况下,在梁单元穿过的每个固体单元中,我们希望都至少有一个耦合点。这样每个固体单元都可以和梁单元有相互作用,而不会出现“漏挂”的情形从而导致固体局部应变过大或过小。单用梁单元端点(节点)不能保证这一点,所以我们用NCOUP=N在梁单元中间施加额外的耦合点(coupling points)。这里需要特别加以说明的是,旧有的*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID, CTYPE=2中有类似功能(NQUAD),但它的算法和实现上都有错误,会导致系统动能人为增加。


四面体和五面体单元 四面体和五面体单元在旧有的*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID中是当作degenerated 六面体来处理的。这样会造成四面体和五面体的各个节点权重不同,结果有很大偏差,并且会随网格的改变而剧烈变化。CBIS对四面体和五面体分别采用了它们自己的形函数,各节点拥有正确的权重,从而保证结果的正确性。


本质边界条件 一般而言,约束法不一定能保证速度场重新分布后,还能满足原来的速度边界条件。例如,如果梁端点在固体单元中心,而这个固体单元的右侧节点有速度为零。普通算法下,梁端点在这些节点处的动量投影不为零,造成这些节点的速度边条被破坏。*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID对于固体上的速度边界条件做了特殊处理,可以在保证动量守恒的情况下,满足速度边界条件。


支持自适应网格(r-adaptivity) 这个功能主要是为模拟纤维复合材料的制造过程--在可塑性强的材料中添加纤维,然后在模具中施压后最终成型。纤维由梁单元模拟,在用固体单元离散的基体中沿切向滑动并产生滑移力。滑移力和滑移距离的关系使用AXFOR选项给定。但是现在的问题是固体单元在模压过程中的变形很大,如果不采用某些特殊处理的话,很快问题就会因为单元畸变而无法继续求解。一种解决畸变的方式就是在固体变形较大时重新构筑网格,称为自适应网格(remeshingadaptivity, r-adaptivity)。这种方法在实现中,有一个停止运行-》写出网格和历史变量-》重构网格并投影历史变量-》继续运行的过程。CBIS在这一过程中需要记录并重投影与切向滑移有关的历史变量。


惩罚法 约束法对于瞬时效应较小的工程问题表现很好,但对于应变梯度大的问题会有动能丢失的毛病。这是因为在动量在梁单元和固体单元来回分配的时候会造成平滑效应(smoothing)。其中一个直观表现就是采用不同的时间步长,问题的结果相差很大。检查能量平衡时会发现时间步长越小,约束次数越多,动能丢失越大。为解决这种问题,我们提供了耦合的惩罚法选项--*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID_PENALTY。简单而言,就是在梁和固体间构造弹簧,它们之间的相对运动会造成弹簧拉伸从而产生惩罚力。这样,动能会转化为弹性能储存在弹簧中并最终释放,达到既保持能量平衡,又达成运动一致的目的。


纤维强化塑料成型

Curtsey Shingo Hayashi, JSOL Corp.

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