ALE 流固耦合

ALE 流固耦合分析功能

LS-DYNA 的 ALE 方法及其附屬的流固耦合 (FSI) 方法，旨在模擬一系列流體與固體間具有較大動量和能量轉換特點的瞬態工程問題。 LS-DYNA ALE 多材料單元模式允許同一網格中多種流體共存。 進而它所帶的流固耦合演算法可分析固體結構與各單個流體之間的相互作用。 這種優點使得它被廣泛用於分析多種工程領域的問題。

ALE/FSI 元件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。

新近開發的ALE 本質邊界條件（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。 這一功能將在包裝，石油，化工，製造行業內得到利用，來模擬管道流， 樹脂成型等問題。

 

ALE 網格的任意性 Flexible Mesh Motion

ALE網格與通常有限元網格不同，它既非隨物體本身變形（拉格朗日方法）， 也非在空間內保持不動（歐拉方法）。它可隨特定物理問題，採用自己獨有的特殊移動方式。 這種任意性使得ALE網格可以根據問題特質而靈活改變，從而減少所需單元和計算時間。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。

ALE 方法的簡便性 Compatible ALE Solver

LS-DYNA ALE 採用運算元分裂法（Operator Splitting）分別處理擴散項與遷移項。 這樣，一個時間步長內，單元會經歷一個正常的拉格朗日時間步，以及一個額外的平流時間步（Advection timestep）。 在拉格朗日時間步內，我們求解動量守恆方程並更新加速度，速度和位移；在平流時間步內，我們計算品質，速度，歷史變數的遷移項。 由於拉格朗日時間步的求解利用LS-DYNA求解器（Solver），ALE求解器與通常的結構求解器（Structure Solver）直接相容。 相對于傳統計算流體力學方法，LS-DYNA 有著所解方程數少，能直接相容LS-DYNA材料庫，求解簡便的優點。

 

ALE 多流體模擬 Multi-material Capability

LS-DYNA ALE 使用介面重建法（Interface Reconstruction）來構造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，LS-DYNA 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，LS-DYNA 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，而不象傳統的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的介面重建法有著即無需求解額外方程，也無需儲存額外變數的優點。 LS-DYNA ALE多材料單元類型11（SOLID ELEMENT TYPE=11) 支援多流體計算。

 

緊密的 ALE 流固耦合 Tightly-coupled FSI

LS-DYNA 為處理流固耦合問題，提供ALE/FSI方法。 在此方法中，流體使用LS-DYNA ALE多材料單元類型11，來構造流體物質介面。 固體使用通常的拉格朗日單元。 在兩種物質介面間（流體物質介面與固體物質介面），使用罰函數接觸法（Penalty Coupling Method）。LS-DYNA ALE/FSI 流固耦合演算法專門針對固體與ALE多流體之間的接觸，相對於其它Loosely Coupled Methods，流體與固體間的資訊交換簡便易行，也無需多步反覆運算，而且易於平行計算。

LS-DYNAALE/FSI 已成功解決多種工程領域內的流固耦合問題。在這些流固耦合問題中，流體一般都帶有大的動量或能量密度。這些大動量或能量密度會在很短時間內被傳遞到固體結構上，造成結構的大變形或損傷。ALE/FSI在處理以瞬態，高能，大動量，結構大變形為特徵的，例如爆炸，油箱液體晃動， 容器跌落，飛鳥撞擊， 彈藥撞擊，飛行器濺落等工程問題上，有著較強的優勢。

 

ALE 具有經濟效益的投影功能 Cost-Efficient ALE Mapping

除了三維 ALE 求解器外，LS-DYNA ALE 還包含一維球對稱和二維軸對稱功能。 LS-DYNA ALE 投影功能可將 ALE 模型在這三種求解器間轉換，從而極大加快求解速度。 投影功能支援如下映射：1D到2D，1D到3D，2D到2D，2D到3D和3D到3D。 通常這一功能在爆炸波衝擊結構問題上廣泛使用。 在爆炸波到達結構前，可由一維球對稱 ALE 快速求解，之後問題再投影到三維ALE網格上來分析空氣與結構間的相互作用。

ALE 單材料單元方法適合處理固體的大變形 Single Material Element to Cure Element Distortion

LS-DYNA ALE方法在處理固體大變形方面，有著極大的優點。通常的拉格朗日有限元方法，可以用加高網格密度或採用高階單元的方法處理網格畸變（Mesh Distortion)。 但這種做法只能減輕網格畸變而無法有效阻止。LS-DYNA ALE方法可採用網格舒緩法（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。 LS-DYNA ALE單材料單元類型5（SOLID ELEMENT TYPE=5) 採用網格舒緩法。與其它大變形處理方法相比，ALE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。