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ALE & S-ALE


ALE办法及其从属的流固耦合办法,旨在模仿一系列流体与固体间具有较大年夜动量和能量转换特点的瞬态工程成绩。 LS-DYNA ALE 多材料单位形式许可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构造与各单个流体之间的相互感化。 这类长处使得它被广泛用于分析多种工程范畴的成绩。

ALE/FSI 组件可优良地处理携带较大年夜动量或能量密度的流体撞击,侵入构造这一类工程成绩。 例如,爆炸,油箱液体闲逛, 容器跌落,飞鸟撞击, 弹药撞击,飞翔器溅落,轮胎打滑等。

早先开辟的ALE 本质界线条件(ALE ESSENTIAL BOUNDARY) 功能可极大年夜降低在处理流体与刚体间耦合的模仿时间。 这一功能将在包装,石油,化工,制造行业内取得应用,来模仿管道流, 树脂成型等成绩。


ALE网格的随便任性性 (Flexible ALE Mesh Motion)

ALE网格与平日无限元网格不合,它既非随物体本身变形(拉格朗日办法), 也非在空间内保持不动(欧拉办法)。它可随特定物理成绩,采取本身独有的特别移动方法。 这类随便任性性使得ALE网格可以根据成绩特质而灵活改变,从而增添所需单位和计算时间。例如,在模仿弹头飞翔并穿透装甲时,ALE网格可跟随弹头移动;又如,模仿高能炸药起爆时,网格可随炸药收缩而扩大。


ALE办法的简便性 (Compatible ALE Solver) 

LS-DYNA ALE 采取算子决裂法(Operator Splitting)分别处理分散项与迁徙项。 如许,一个时间步长内,单位会经历一个正常的拉格朗日时间步,和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快度,速度和位移;在平流时间步内,我们计算质量,速度,汗青变量的迁徙项。 由于拉格朗日时间步的求解应用LS-DYNA求解器(Solver),ALE求解器与平日的构造求解器(Structure Solver)直接兼容。 相关于传统计算流体力学办法,LS-DYNA 有着所解方程数少,能直接兼容LS-DYNA材料库,求解简便的长处。


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

LS-DYNA ALE 应用界面重建法(Interface Reconstruction)来构造不合流体间的物质界面。  这使得同一网格中多流体的计算成为能够。 例如,求解油箱闲逛成绩时,ALE网格中可分别定义汽油和油箱内和油箱外空气。如许,我们不只可以模仿汽油对油箱的冲击,还可以研究油箱内空气负压对构造的毁伤。 在爆炸防护成绩中,ALE网格中可定义炸药,泥土和空气,如许泥土和炸药对构造的冲击也能够被加以推敲,而不象传统的CONWEP办法仅仅对构造施加空气中的爆炸波。比拟其它界面描述方法如LEVELSET办法等,LS-DYNA ALE的界面重建法有着即无需求解额外方程,也无需贮存额外变量的长处。 LS-DYNA ALE多材料单位类型11(SOLID ELEMENT TYPE=11)  支撑多流体计算。


慎密的ALE流固耦合 (Tightly-coupled ALE FSI) 

LS-DYNA 为处理流固耦分解绩,供给ALE/FSI办法。 在此办法中,流体应用ALE多材料单位类型11,来构造流体物质界面。 固体应用平日的拉格朗日单位。 在两种物质界面间(流体物质界面与固体物质界面),

应用罚函数接触法(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,相关于其它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,并且易于并行计算。

ALE/FSI 已成功处理多种工程范畴内的流固耦分解绩。在这些流固耦分解绩中,流体普通都带有大年夜的动量或能量密度。这些大年夜动量或能量密度会在很短时间内被传递到固体构造上,形成构造的大年夜变形或毁伤。ALE/FSI在处理以瞬态,高能,大年夜动量,构造大年夜变形为特点的,例如爆炸,油箱液体闲逛, 容器跌落,飞鸟撞击, 弹药撞击,飞翔器溅落等工程成绩上,有着较强的优势。


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

除三维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,从而极大年夜加快求解速度。 投影功能支撑以下映照:1D到2D,1D到3D,2D到2D,2D到3D和3D到3D。 平日这一功能在爆炸波冲击构造成绩上广泛应用。 在爆炸波达到构造前,可由一维球对称ALE快速求解,以后成绩再投影到三维ALE网格下去分析空气与构造间的相互感化。























处理固体大年夜变形的ALE单材料单位办法 (ALE Single Material Element to Cure Element Distortion) 

ALE办法在处理固体大年夜变形方面,有着极大年夜的长处。平日的拉格朗日无限元办法,可以用加高网格密度或采取高阶单位的办法处理网格畸变(Mesh Distortion)。 但这类做法只能减轻网格畸变而没法有效阻拦。 ALE办法可采取网格舒缓法(Mesh Smoothing)降低畸变处的网格密度而有效防止网格畸变,从而包管无限元计算的停止。 LS-DYNA ALE单材料单位类型5(SOLID ELEMENT TYPE=5) 采取网格舒缓法。与其它大年夜变形处理办法比拟,ALE单材料单位所需计算时间较少,内存较小,处理极大年夜和超大年夜变形的才能更强。


Structured ALE: 针对规矩网格的快速求解器 


        在处理这些成绩时,我们发明,绝大年夜多半情况下,ALE模型采取规矩正交网格(rectilinear),也称为IJK网格。网格不用定非要均匀,由于在关键区域平日我们会细化网格;但它必定是正交的,规矩的立方体网格。这类特别网格的几何信息极端简单,在善加应用的情况下,可以很大年夜程度高低降算法的复杂度,从而达到增添运算时间,降低内存需求的目标。

        同时,旧有的ALE求解器开辟之初是用来处理固体大年夜变形成绩的。这类成绩中,网格随物质界线变形而移动,而固体也只是用单材料单位来模仿。固然LSTC的开辟者赓续扩大原法式榜样来支撑多材料,支撑网格移动等等。但旧有的算法和逻辑远非最优。

        还有,比来十年以来,ALE模型的单位个数极大年夜增长,由百万到如今的切切量级。输入文件变得极其宏大年夜,编辑文件耗时很长也异常不便。而对规矩网格而言,我们完全可以根据用户供给的简单几何信息,由法式榜样本身自行创建网格。而省去用户创建网格->法式榜样读入的费事,同时我们也节俭了大年夜量读写操作带来的运算时间和内存须要。


轮胎泥土耦合

S-ALE与ALE: 雷同与不合

        实际方面, S-ALE求解器与ALE完全雷同,但S-ALE在完成上是自力于ALE而全新开辟的。网格的简单与单一性也使得法式榜样变得简洁与易保护。简洁的法式榜样又反过去进步了运转的效力。综合今朝为止的大年夜部分算例成果和用户的反应,运转时间大年夜致增添20%到40%之间。并且,借助于MPP算法的全新设计,MPP的scalability极大年夜进步,大年夜型算例普通可以保有0.9的加快率到大年夜约400核。

        输入卡片方面,S-ALE应用*ALE_STRUCTURED_MESH卡片创建网格并进交运算。其它卡片,包含流固耦合,应用原本的ALE卡片。这里额外解释,S-ALE中网格活动由*ALE_STRUCTURED_MESH中的原点平动和部分坐标系迁移转变控制,不再应用*ALE_REFERENCE_SYSTEM卡片。

        S-ALE,引入两个新概念:材料PART和网格PART,并且施加一个特别的限制:ALE的多材料必须与材料PART逐一对应。这类做法可使得建模过程成为标准化的三步操作,清楚而简单,防止旧有ALE办法中PART的两重属性带来的概念混淆与困扰。详细作法请参阅http://ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/hao/sale/


S-ALE: 赓续进步

        自问世以来,S-ALE赓续参加新的功能。例如突变网格密度;多网格支撑;ALE输入文件->S-ALE主动转换;运转过程当中删除网格;多网格归并等等。我们也赓续添加新的算例(http://ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/hao/sale/models),来赞助用户建模与参考。S-ALE将赓续进步,以其能取得中国用户的承认。


*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID:嵌入构造的束缚

        加筋混凝土是一种典范的嵌入构造,钢筋嵌入在混凝土中来供给加强感化。停止无限元团圆时,普通对钢筋应用梁单位,对混凝土应用固体单位。然后一种作法是创建单位网格时,强迫固体单位与梁单位共享节点。如许对建模有很高的请求,并且关于复杂一点的加筋情况就没法处理了。所以今朝普通的作法是在自力建模的钢筋和混凝土之间施加束缚。这一束缚是施加在速度与加快度二者之上的,它保持体系的动量守恒。这里请留意,束缚法普通的情况下是不克不及满足动能守恒的。时间步长越小,束缚越频繁,体系损掉的动能就会越多。所以关于瞬时效应激烈的成绩,例如冲击载荷下的加筋混凝土,我们要采取处罚法。


轴向滑移和脱粘(debonding)模仿 *CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID一个独有的功能是模仿debonding景象。这须要我们只在垂直于梁的偏向施加束缚,而对轴向束缚加以抓紧(CDIR=1)。Debonding过程当中的切向滑移力可以用User function(AXFOR=-N)或许User subroutine(AXFOR=N,N>1000)来施加。值得一提的是,这个功能在模仿来去感化例如地动载荷中比以往用*CONTACT_1D的作法更加精确。


梁单位端点间额外耦合点 幻想情况下,在梁单位穿过的每个固体单位中,我们欲望都至少有一个耦合点。如许每个固体单位都可以和梁单位有相互感化,而不会出现“漏挂”的情况从而招致固体部分应变过大年夜或太小。单用梁单位端点(节点)不克不及包管这一点,所以我们用NCOUP=N在梁单位中心施加额外的耦合点(coupling points)。这里须要特别加以解释的是,旧有的*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID, CTYPE=2中有类似功能(NQUAD),但它的算法和完成上都有缺点,会招致体系动能工资增长。


四面体和五面体单位 四面体和五面体单位在旧有的*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID中是算作degenerated 六面体来处理的。如许会形成四面体和五面体的各个节点权重不合,成果有很大年夜误差,并且会随网格的改变而激烈变更。CBIS对四面体和五面体分别采取了它们本身的形函数,各节点具有精确的权重,从而包管成果的精确性。


本质界线条件 普通而言,束缚法不用定能包管速度场重新分布后,还能满足本来的速度界线条件。例如,假设梁端点在固体单位中间,而这个固体单位的右边节点有速度为零。浅显算法下,梁端点在这些节点处的动量投影不为零,形成这些节点的速度边条被破坏。*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID关于固体上的速度界线条件做了特别处理,可以在包管动量守恒的情况下,满足速度界线条件。


支撑自适应网格(r-adaptivity) 这个功能主如果为模仿纤维复合伙料的制造过程--在可塑性强的资估中添加纤维,然后在模具中施压后终究成型。纤维由梁单位模仿,在用固体单位团圆的基体中沿切向滑动并产生滑移力。滑移力和滑移间隔的关系应用AXFOR选项给定。然则如今的成绩是固体单位在模压过程当中的变形很大年夜,假设不采取某些特别处理的话,很快成绩就会由于单位畸变而没法持续求解。一种处理畸变的方法就是在固体变形较大年夜时重新修建网格,称为自适应网格(remeshingadaptivity, r-adaptivity)。这类办法在完成中,有一个停止运转-》写出网格和汗青变量-》重构网格并投影汗青变量-》持续运转的过程。CBIS在这一过程当中须要记录偏重投影与切向滑移有关的汗青变量。


处罚法 束缚法关于瞬时效应较小的工程成绩表示很好,但关于应变梯度大年夜的成绩会有动能损掉的缺点。这是由于在动量在梁单位和固体单位往复分派的时辰会形成腻滑效应(smoothing)。个中一个直不雅表示就是采取不合的时间步长,成绩的成果相差很大年夜。检查能量均衡时会发明时间步长越小,束缚次数越多,动能损掉越大年夜。为处理这类成绩,我们供给了耦合的处罚法选项--*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID_PENALTY。简单而言,就是在梁和固体间构造弹簧,它们之间的相对活动会形成弹簧拉伸从而产生处罚力。如许,动能会转化为弹性能贮存在弹簧中并终究释放,达到既保持能量均衡,又杀青活动分歧的目标。


纤维强化塑料成型

Curtsey Shingo Hayashi, JSOL Corp.

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