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ALE


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。

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