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ICFD的近期与未来发展摘要

2019-03-15Facundo Del Pin Iñaki Caldichoury Rodrigo R.P

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不可压缩流(ICFD)求解器自从在R7版中开始发行之后,在功能上持续的迅速改进与增加。这篇文章提供了ICFD最新的发展摘要。

简介

    在过去几年中,多物理耦合分析的需求一直处于稳定的成长,于是许多商业求解器在急于提供解决方法的同时,其僵硬的实现方式也成为了负担。因此,一开始只为了单纯计算流体力学问题所设计的程序,必须面对将所得解与其他求解器,有时还可能是来自不同发行商的求解器,相连结的挑战,这往往会造成不同计算器之间的协同仿真过程非常麻烦,同时也增加了工程师进行耦合计算时的负担。

    LS-DYNA中的ICFD模块一开始就被设计为一个可以提供准确性以及具有可扩展性之流体力学计算的多物理求解器,同时,可以简单地与LS-DYNA其他物理模块整合起来。ICFD持续的发展重心放在了与新模块整合、耦合算法的改良、计算效率的增进、以及考虑到非计算流体力学或固体力学背景的使用者,其耦合计算时,步骤也非常简单。

    在这篇文章中,将会展示一些在耦合问题实现上的最新进展,尤其是使用稳态解的优势将会被探讨,在一些问题中若是可以将准确性维持在合理范围,使用稳态纳维斯托克斯解或是稳态位势流解将可以大幅度的减少快速成型的成本。LSDYNA所具有将稳态计算流体力学的解流畅地转移至结构力学计算的能力,可以大大减少解决非线性问题的成本以及复杂性,类似的概念可以被应用在共轭传热分析当中。第二部分将会展示结合LSOPT、ANSA、LSDYNA来解决一个简单却有价值的车辆形状优化问题,用来改善下压力以及阻力的比率值。这篇文章的最后提到若干将会出现在未来发行中的新的功能,包含周期性边界条件、滑移网格、以及沉浸边界的开发。

稳态解与多物理耦合

    在耦合问题中,最大的复杂度之一是非线性效应,往往造成可扩展性减少以及计算成本的增加。非线性耦合具有高度复杂性,需要在深度了解背后的物理性质之后才能正确的将问题建模。但是,在某些类型的问题中或是产品设计过程的某些阶段,线性化提供了考虑到准确性、计算时间、以及模型复杂度之下一个良好的妥协。幸而LS-DYNA皆具有非线性与线性的分析工具,在这一节中,我们将着重在一个可以被应用在流固耦合分析或共轭传热分析的线性化之耦合方法,它发生在当流体力学的求解器计算得出稳态下的力、速度和温度通量分布之后,在同一个运行中,将物理量场流畅地传递到结构力学求解器的部分。并且,若使用关键词*ICFD_DATABASE_DRAG,用户可以将流场信息存储在LS-DYNA格式的档案中,并且在结构模型中利用这个档案将流场信息导入,如此一来在不用实际额外执行流体的计算之下,流场的信息可以被反复使用,这个特点在进行结构模型、材料特性、厚度等参数调试时,非常有利用价值。下面两个例子显示将上述功能应用在流固耦合以及共轭热传问题的情形。

    流固耦合在地面车辆上的应用

    第一个例子是地面车辆车顶盖在流场影响下变形的流固耦合分析,其模型显示如图1。

研究车顶盖结构受流场影响下变形的车辆模型

图1 研究车顶盖结构受流场影响下变形的车辆模型

    这个问题利用了三种不同的方法解决。第一个方法利用非线性瞬时流固耦合分析,其中固体结构与流体求解器利用强耦合连结,并且以隐式法求解,这个方法是三种方法中最准确的耦合方式,其解应被视为是参考解。第二个方法先使用稳态位势流求解器,随后利用位势流求得的压力场,求取非线性结构解。使用位势流求解器隐含着流场贴近边界和流场为层流的假设,但是事实上,在这个问题中流场并非层流,但是仍是贴合边界的,所以所得出的压力场可以预期和纳维斯托克斯解的差别仍在合理范围之中,因此可以接着被使用在结构位移的预测中。第三个方法则将非线性耦合分析求得的结构受力,以结构模型中的负载段存取到LS-DYNA的输入文件。因此只要将这个文件包包含在固体结构的输入文件中,使用者可以运用之前耗时的非线性分析所得出的力场,仅运行结构分析,这不但加快了计算速度,并且可以让工程师轻松地改变并测试他们的设计,直到模型准备好进行下一次新的非线性分析。图2中显示了使用位势流以及纳维斯托克斯求解器的速度场比较。

位流以及纳维斯托克斯的速度场比较

图2 位流以及纳维斯托克斯的速度场比较

    车辆的顶盖是我们感兴趣的区域,图3显示了利用上述三种方法所得到的结果,可以观察到三个方法都得出了非常相似的位移场,需要指出的是,虽然第三种简化方法的精确度相对较差,但其所需的运行时间很少,用户可以在对其具体问题的精确度要求和计算时间之间进行权衡之后,选择一种合适的耦合方式。

同分析方法的结构位移分布以及所需计算时间

图3 同分析方法的结构位移分布以及所需计算时间

责任编辑:程玥
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