ANSYS-DYNA教程-第12章.ppt

第12章流体分析,主要内容,LS-DYNA流体分析功能Lagrangian,Eulerian及ALE物质描述求解流体控制方程多物质Euler算法流体/结构耦合算法流体分析相关的关键字,LS-DYNA流体求解能力,ExplicitEulerian欧拉算法ExplicitALE算法Multi-material算法中一单元可同时容纳三种不同物质流体结构耦合算法可模拟流体、结构和炸药,Yongsinterface(杨氏界面)重建Semi-implicit求解器各种ALE-mesh控制技术,未来功能:,Lagrangian、Eulerian及ALE物质运动描述,基本概念物质坐标系（materialcoordinate或Lagrangespace）:建立在物质点上，如果物质运动或变形，跟随。空间坐标系(spatialcoordinate或Eulerspaces)：建立在假象的永恒空间，永远不动。参考构形(referencegeometery)、初始构形、当前构形：用于描述任意物质点在时空间中的运动（包括质点位置、物质边界）,Lagrangian描述是指参考构形（网格）为物质坐标属性，即网格的节点固定在相应的物质点上，随物质的变形，则网格变形。,birdimpactingrigidwall,特点：单元具有Lagrange属性，在单元变形的过程中积分点始终是同一物质点，因此，对于变形历史相关的本构描述材料（结构材料）有优势。物质边界永远是由单元的SEGMENT构成，物质边界清晰，接触界面清晰。时间步长与变形程度密切相关。如果物质的变形很大，则网格变形同样很大，可能导致计算时间很长，精度下降或程序CRASH。,Inlet,Outlet,Eulerian描述是指网格具有空间坐标属性.网格节点不动，物质在网格间运动、变形。,特点：单元采用Euler描述，节点或积分点的物质随时间推进而改变，跟踪任何物质点变形历史的工作将非常复杂。通常用于描述流体，或结构材料在高应变率、大变形条件下的流体表现。可模拟任意程度的变形时间步长与物质变形关系不大物质边界不清晰,ArbitraryLagrangian-Eulerian描述是指网格独立于物质坐标和空间坐标，即网格节点可随物质运动而运动，但同时，网格点与物质点可以分离。,节点的位置由算法决定，网格因此保持良好的形态。,ALE,Lagrangian,极度变形的网格,ALE单元的特点：综合Euler和Lagrange描述，即网格可以运动，物质在网格中输运。单物质时，物质边界由ALE网格SEGMENT表征，边界清晰；多物质边界不清晰。时间步长与变形程度相关任一积分步包括Lagrange和Euler步在Lagrange步，网格跟随物质点运动而运动在Euler步自动优化网格形态适用LS-DYNA中1-27号材料,流体控制方程,流体的控制方程包括质量、动量及能量守恒方程，守恒方程是建立在物质点速度v和网格运动速度w基础上。显然，当v=w时，方程演变为？当w=0时，方程演变为？,动量,质量,能量,LS-DYNA如何求解控制方程？,采用算子分裂（Operatorsplit）技术，一个时间步做如下两个工作:,2.Euler步，移动节点到新构形，在网格间输运物质。,1.Lagrangian步，让节点随物质流动,*由此可见，ALE物质描述是算子分裂技术的理论基础。,算子分裂技术,执行Lagrangian步，让网格跟随物质运动,让网格回到初始位置，执行Euler步，将物质输运参量映射到新网格,移动节点的方案,Eulerian算法:所有节点移动到初始构形,ALE算法:1.网格优化（涉及到网格形态优化算法）2.*Prescribedmotionofnodesfollowinguserdefinedloadcurvesv9603.*Rigidbodytranslationofmeshfollowingmassflowormotionofthreeuserspecifiednodesv960,*Methods2and3areonlyinterestingincombinationwithamulti-materialformulation,*由此可见，Euler是ALE的特殊形式,物质输运的实现,移动节点后，速度、压力、应力应变以及其他的historyvariables(密度、体积分数等)必须由原构形映射到新构形,在此操作中可采用不同算法，LS-DYNA有一阶及二阶精度算法,输运算法的计算精度与网格尺寸有关。,一阶精度输运算法DonorCell,DonorCell算法是一个简单、强大的物质输运方法。基本上，要求节点在每个时间步只发生小位移。,Elementsbeforenoderepositioning,Elementcenteredhistoryvariable,Centerelementafternoderepositioning,二阶精度输运算法VanLeer,vanLeer为二阶精度算法，需要更多的CPU时间，但更加精确。,estimatedlineardistribution,elementafternoderepositioning,这种算法首先构造假象的物质量在单元中的线性分布，然后，基于这个函数用积分的形式获得参量在新构形的值。,泰勒杆问题的塑性应变分布,Lagrangian,1storderALE,2ndorderALE,一阶、二阶精度输运算法的结果比较,多物质Euler算法,LS-DYNA容许任意ALE或Eulerian同时容纳最多三种物质，通称为多物质Euler算法。这种算法对于多种材料大变形等复杂分析十分有效。,air,bird,wall,mixedelement,100%air,100%bird,流体/结构耦合算法,运动约束方法（constraintbasedmethod）罚函数方法（penaltybasedalgorithm）,constraintbasedmethod同时修改结构及流体的速度，强迫两者运动协调。这种方式保证动量守衡，不保证动能守衡。,耦合前,耦合后,penaltybasedalgorithm跟踪流体/结构的相对位移，节点力与相对位移成正比。这种方法动能守衡，但相对运动约束法不稳定。,o,o,耦合前,Lagrangian单元,流体单元,耦合后,反力正比于移动距离,o,=物质点或节点,采用多物质Euler方法分析楔形物体高速冲击水面的过程，流固耦合采用基于运动约束法的(type2)方式。,Eulerian或ALE分析相关的关键字,*CONTROL_ALE(选择物质输运算法)DCTNADVMETHAFACBFACCFACDFACSTARTENDAAFACVFACTVLIMITEBC,ThisisthemaincardforEulerianandALE-simulationsanditiscompulsoryInterestingentries:NADV-NumberofLagrangianstepstobetakenbetweeneachadvectionstep(onlyforclassicalmeshsmoothing)METH-Advectionmethod,use2(vanLeer)or4(Donorcell).Methods1and3areobsoleteAFACetc.-ALEmeshsmoothingparameters.AFAC=-1turnsoffmeshsmoothing.DFAC=1andtherest=0isnormallythebestchoice.START,END-BirthanddeathtimeformeshsmoothingEBC-AutomaticEulerianBCs.Asimplewaytoconstrainnodesonthesurfaceinalldirectionsorinthe,tothesurface,normaldirection.,*SECTION_SOLID_ALE（选择单元描述及Euler单元类型）SECIDELFORMAETAFACBFACCFACDFACSTARTENDAAFAC,Thisiswhereonechooseselementformulation(Eulerian,ALEormulti-material)Interestingentries:ELFORM-5=onematerialALE6=onematerialEulerian7=ambient(anambientelementkeepsitsinitialsetofhistoryvariablesthroughoutthewholesimulation).Usedforpressurebcs11=multi-materialALE12=singlematerialandvoidAET-Typeofambientelement(notwellmaintainedinthecode),*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP_OPTION（多物质Euler算法）PSID/PID,Thisiswhereonetellsthecodewhichmulti-materialpartsthatareusingthesamematerial.Thesepartsaregroupedtogether.Itisankeywordcommandthatshouldntbenecessarybutitis.Interestingentries:PSID/PID-Partorpartsetid,definingagroup,*INITIAL_VOID_PART（单物质+Void分析）PID,Materialtype12issinglematerialandvoid.Itmeansthattheelementsdonthavetobecompletelyfilledwithmaterial(0%-100%).Therestofthevolumeisvacuum.Thiskeywordallowstheusertospecifypartswhichinitiallydontcontainanymaterial(voided).Interestingentries:PID-Definespartwhichinitiallyisvoid.,*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID（选择流固耦合算法）SLAVEMASTERSSTYPMSTYPNQUADCTYPEDIRECMCOUPSTARTENDPFACFRICFRCMIN,Fluid-structurecouplingkeywordInterestingentries:NQUAD-ThedefaultistodirectlycouplethemotionoftheLagrangiannodestothefluidflow.TherewillbeleakingifthetheLagrangianslavesidehasacoarsermeshthanthefluid.NQUAD0createsadensergridofcouplingpointstoavoidleakage.(onlyactiveforCTYPE=2andiftheslavesideisdefinedasshellsorasasetofsegments.)CTYPE-Couplingtype.2=constraintcouplingand4=penaltycoupling.Types1and3arenotverygood.DIREC-Chosecouplinginalldirectionsorinnormaldirectiononly(ActiveforCTYPE=4).,*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLIDSLAVEMASTERSSTYPMSTYPNQUADCTYPEDIRECMCOUPSTARTENDPFACFRICFRCMIN,Fluid-structurecouplingkeywordcont.interestingentries:MCOUP-Thisflagallowsthecouplingtobeactiveonlyforthehighestdensitymaterialinamulti-materialmesh.(onlyforCTYPE=4)START,END-Birthanddeathtimeforcoupling.PFAC-PenaltyfactorforCTYPE=4.FRIC-CoefficientoffrictionforCTYPE=4whencouplinginnormaldirectiononly.FRCMIN-Minimumvolumefractionofhighestdensitymaterialforthecouplingtobeactive(default=0.5).,*ALE_REFERENCE_SYSTEM_GROUP（网格控制技术）v960SIDSTYPEPRTYPEEXPAN,Definesapartset,segmentsetornodesettofollowaspecificprescribedALEreferencesystemmotion.SID-Part,partset,segmentsetornodesetID.STYPE-0=Partset1=Nodeset2=SegmentsetPRTYPE-1=Followingswitchlist0=Eulerian1=Lagrangian2=NormalALEmeshsmoothing3=Prescribedmotionfollowingloadcurvesor3nodes3=AutomaticmeshmotionfollowingaveragemassweightedflowvelocityinALEmeshEXPAN-0=Meshexpansionallowed(forPRTYPE3only)1=Rigidbodytranslationofmesh,*ALE_REFERENCE_SYSTEM_CURVEv960CID1CID2CID3CID4CID5CID6CID7CID8CID9CID10CID11CID12,ListofloadcurvesdefiningprescribedALE-meshmotion(PRTYPE=3).,*ALE_REFERENCE_SYSTEM_NODEv960NID1NID2NID3,ListwiththreenodesdefiningaprescribedALE-meshmotion(PRTYPE=3).Themeshisgivenarigidbodytranslation/rotationfollowingacoordinatesystemdefinedbythethreespecifiednodes.TheoriginofthecoordinatesystemislocatedatnodeNID1.,*ALE_REFERENCE_SYSTEM_SWITCHv960TIME1TIME2TIME3TIME4TIME5TIME6TIME7TYPE1TYPE2TYPE3TYPE4TYPE5TYPE6TYPE7TYPE8,Thefirstrowcontainsalistoftimestateswheretheprescribedreferencesystemtypeshifts(PRTYPE=-1).Thesecondrowcontainstheswitchlistwiththedifferentreferencesystemtypes(see*ALE_REFERENCE_SYSTEM_GROUP).,ADVANCEDTRAININGandWORKSHOP,