ANSYS-DYNA教程-第12章

ANSYS/LS-DYNATRAINING2001第12章流体分析ANSYS/LS-DYNATRAINING2001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ANSYS/LS-DYNATRAINING2001LS-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:ANSYS/LS-DYNATRAINING2001Lagrangian、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）ANSYS/LS-DYNATRAINING2001Lagrangian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。ANSYS/LS-DYNATRAINING2001InletOutletEulerian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ANSYS/LS-DYNATRAINING2001ArbitraryLagrangian-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。ALELagrangian极度变形的网格ANSYS/LS-DYNATRAINING2001ALE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ANSYS/LS-DYNATRAINING2001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？0div)(vwvσgwvvvdiv))((hTTcTc2:)(Dσwv[动量][质量][能量]ANSYS/LS-DYNATRAINING2001LS-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。ANSYS/LS-DYNATRAINING2001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ANSYS/LS-DYNATRAINING2001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ANSYS/LS-DYNATRAINING2001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。ANSYS/LS-DYNATRAINING2001一阶精度输运算法DonorCellDonorCell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。8f1f4f3f5f7f6f0f2f8fElementsbeforenoderepositioningElementcenteredhistoryvariableCenterelementafternoderepositioning4f4204422000VVVVfVfVffnew0,0Vf4V2,2VfANSYS/LS-DYNATRAINING2001二阶精度输运算法VanLeervanLeer为二阶精度算法，需要更多的CPU时间，但更加精确。fxestimatedlineardistribution0f1f2felementafternoderepositioningnewnewnewxff000VdV)(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。ANSYS/LS-DYNATRAINING2001泰勒杆问题的塑性应变分布Lagrangian1storderALE2ndorderALE一阶、二阶精度输运算法的结果比较ANSYS/LS-DYNATRAINING2001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。airbirdwallmixedelement100%air100%birdANSYS/LS-DYNATRAINING2001流体/结构耦合算法运动约束方法（constraintbasedmethod）罚函数方法（penaltybasedalgorithm）ANSYS/LS-DYNATRAINING2001constraintbasedmethod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。••••••••••••••1v4v3v2vLvLLiiLiivmvmIvvNIIvmvmIvvNLLiiLii1v4v3v2vLv耦合前耦合后ANSYS/LS-DYNATRAINING2001penaltybasedalgorithm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。••••••••••••••oo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ANSYS/LS-DYNATRAINING2001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。ANSYS/LS-DYNATRAINING2001Eulerian或ALE分析相关的关键字*CONTROL_ALE(选择物质输运算法)DCTNADVMETHAFACBFACCFACDFACSTARTENDAAFACVFACTVLIMITEBCThisisthemaincardforEulerianandALE-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.ANSYS/LS-DYNATRAINING2001*SECTION_SOLID_ALE（选择单元描述及Euler单元类型）SECIDELFORMAETAFACBFACCFACDFACSTARTENDAAFACThisiswhereonechooseselementformulation(Eulerian,ALEormulti-material)Interestingentries:ELFORM-5=onematerialALE6=onematerialEulerian7=ambient(anambientelementkeepsitsinitialsetofhistoryvariablesthroughoutthewholesimulation).Usedforpressurebc’s11=multi-materialALE12=singlematerialandvoidAET-Typeofambientelement(notwellmaintainedinthecode)ANSYS/LS-DYNATRAINING2001*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP_{OPTION}（多物质Euler算法）PSID/PIDThisiswhereonetellsthecodewhichmulti-materialpartsthatareusingthesamematerial.Thesepartsaregroupedtogether.Itisankeywordcommandthatshouldn’tbenecessary…butitis.Interestingentries:PSID/PID-Partorpartsetid,definingagroupANSYS/LS-DYNATRAINING2001*INITIAL_VOID_PART（单物质+Void分析）PIDMaterialtype12issinglematerialandvoid.Itmeansthattheelementsdon’thavetobecompletelyfilledwithmaterial(0%-100%).Therestofthevolumeisva