LS-DYNA ALE & FSI 流固耦合分析

LS-DYNA ALE & FSI 流固耦合分析
  • LS-DYNA為處理流固耦合(FSI)問題,提供ALE/FSI方法,主要為解決流體與固體間有較大動量和能量轉換(大變形)的瞬態工程問題。此方法可優秀地解決攜帶較大動量或能量密度的流體撞擊,侵入結構這一類工程問題,例如:爆炸,油箱液體晃動, 容器跌落,飛鳥撞擊, 彈藥撞擊,飛行器濺落,輪胎打滑等。
  • LSTC開發的ALE基礎邊界條件(ALE ESSENTIAL BOUNDARY)功能,可極大降低在處理流體與剛體間耦合的模擬時間。這一功能在包裝、石油、化工,與製造業內得到有效運用,來模擬管道流、樹脂成型等問題。
緊密的ALE流固耦合 (Tightly-coupled ALE FSI)
  • 在LS-DYNA ALE/FSI方法中,固體使用拉格朗日方法,而流體使用多材料單元類型11 (SOLID ELEMENT TYPE=11),允許同一網格中多種流體共存;在流體物質介面與固體物質介面之間使用罰函數接觸法(penalty coupling method),相對於其他Loosely Coupled Methods,流體與固體間的訊息交換更容易進行,也無需多步迭代,並且易於MPP平行運算。
  • 輪胎打滑模擬
  • 飛行器濺落模擬
  • 音爆模擬
ALE網格的任意性 (Flexible ALE Mesh Motion)
  • ALE全名為Arbitrary Lagrangian Eulerian Method (任意拉格朗日尤拉方法),其主要特點為有限元網格的任意性。傳統方法中,有限元網格若不是隨物體本身變形(拉格朗日方法),即是在空間內保持不動(尤拉方法);而在ALE方法中,網格可以隨特定物理問題,採用自己獨有的特殊移動方式。
  • 例如:在模擬彈頭飛行並穿透裝甲時,ALE網格可跟隨彈頭移動;又如,模擬高能炸藥起爆時,網格可隨炸藥膨脹而擴張。
  • 聚能裝藥射流穿甲模擬
ALE方法中有限元網格的任意性,使得它在處理固體大變形方面,有著極大的優點。通常拉格朗日有限元方法,可以用加高網格密度或採用高階元素的方法處理網格畸變(Mesh Distortion),但這種作法只能減輕網格畸變而無法有效阻止。
處理固體大變形的ALE單材料單元方法 (ALE Single Material Element to Cure Element Distortion)
  • LS-DYNA ALE材料單元類型5 (SOLID ELEMENT TYPE=5),可採用網格舒緩法 (Mesh Smoothing),降低畸變處的網格密度而有效防止網格畸變,從而保證有限元計算的進行。與其它大變形處理方法相比,單材料單元所需計算時間較少,記憶體較小,處理極大和超大變形的能力更強。
ALE多流體模擬 (ALE Multi-material Capability)
  • LS-DYNA ALE 使用介面重建法 (Interface Reconstruction)來建構不同流體間的物質介面。這使得同一網格中多流體的計算成為可能。例如,求解油箱晃動問題時,ALE網格中可分別定義汽油和油箱內和油箱外空氣。這樣,我們不僅可以模擬汽油對油箱的衝擊,還可以研究油箱內空氣負壓對結構的損傷。
  • 在爆炸防護問題中,ALE網格中可定義炸藥,土壤和空氣,這樣土壤和炸藥對結構的衝擊也可以被加以考慮,而不像傳統的CONWEP方法僅僅對結構施加空氣中的爆炸波。
  • 相比其它介面描述方式如LEVELSET方法等,LS-DYNA ALE的介面重建法有著既無需求解額外方程,也無需儲存額外變數的優點。
  • 以下是我們以LS-PrePost來呈現LS-DYNA ALE液面功能的示範教學。