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 Yong sinterface 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 AutomaticEulerianBC s 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 Usedforpressurebc s11 multi materialALE12 singlematerialandvoidAET Typeofambientelement notwellmaintainedinthecode ALE MULTI MATERIAL GROUP OPTION 多物质Euler算法 PSID PID Thisiswhereonetellsthecodewhichmulti materialpartsthatareusingthesamematerial Thesepartsaregroupedtogether Itisankeywordcommandthatshouldn tbenecessary butitis Interestingentries PSID PID Partorpartsetid definingagroup INITIAL VOID PART 单物质 Void分析 PID Materialtype12issinglematerialandvoid Itmeansthattheelementsdon thavetobecompletelyfilledwithmaterial 0 100 Therestofthevolumeisvacuum Thiskeywordallowstheusertospecifypartswhichinitiallydon tcontainanymaterial voided Interestingentries PID Definespartwhichinitiallyisvoid CONSTRAINED LAGRANGE IN SOLID 选择流固耦合算法 SLAVEMASTERSSTYPMSTYPNQUADCTYPEDIRECMCOUPSTARTENDPFACFRICFRCMIN Fluid structurecouplingkeywordInterestingentries NQUAD ThedefaultistodirectlycouplethemotionoftheLagrangiannodestothefluidflow TherewillbeleakingifthetheLagrangianslavesidehasacoarsermeshthanthefluid NQUAD 0createsadensergridofcouplingpointstoavoidleakage 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 Prescribedmotionfollowingloadcurvesor3nodes 3 AutomaticmeshmotionfollowingaveragemassweightedflowvelocityinALEmeshEXPAN 0 Meshexpansionallowed forPRTYPE 3only 1 Rigidbodytranslationofmesh ALE REFERENCE SYSTEM CURVEv960CID1CID2CID3CID4CID5CID6CID7CID8C