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AltairRadioss是一款高性能显式动力学求解器,可用于解决结构的几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材料非线性和接触非线性等非线性问题,还可用于计算动载荷、静载荷下的固体结构、流体、流固耦合等问题。在汽车、消费电子、航空航天等领域,针对冲击、碰撞、跌落等分析仿真具有完整的解决方案。
在对流体-结构的相互作用进行仿真计算时,Radioss支持拉格朗日、欧拉、ALE、SPH等算法,针对爆炸、飞机鸟撞、降落伞展开、轮船下水的特殊工况提供仿真方案。
SPH光滑粒子法
SPH 是 Smooth Particle Hydrodynamics(光滑粒子流体动力学)的简称,它是基于插值理论的无网格数值方法。SPH域由一组粒子组成,这些粒子相互直接通过内部的力连接在一起,用于仿真计算连续的流体。
SPH方法实际上也是一种拉格朗日(Lagrangian)方法,与传统的拉格朗日方法相比较,使用SPH在计算时不会出现由于单元畸变而引起的计算中断,没有沙漏能的问题,没有负体积问题,出现更少的时间步长问题。鸟撞,液体晃动,波浪工程,弹道学,气体流动等都可以用SPH方法。这些仿真通常具有非常大变形的现象,如果是使用拉格朗日网格,单元的变形是非常大的,进而计算时间步长会变得非常小,计算会变得非常没有效率。Radioss中的SPH方法有很好的兼容性。
一个比较典型的案例是飞机鸟撞的模拟。当飞机在高速飞行过程中与鸟相撞,会对机身产生很大的冲击,导致机身受损。在对鸟的建模过程中,考虑到鸟在冲撞中会支离破碎,SPH粒子法是最佳的建模方法,因为粒子可以很好地模拟冲击时鸟四分五裂的过程,并对机身产生相互作用导致损坏。
我们使用拉格朗日实体单元建模与SPH进行对比:
从动画即可显而易见,经典拉格朗日实体网格出现了非常大的畸变,从而计算很容易就会被迫终结。
此外,Radioss还支持自动将实体单元转化为SPH粒子的功能,只在存在接触的位置转化使用SPH粒子,这样在不大规模使用SPH粒子的情况下,又可以实现SPH的高精度和稳定性,可以大大提高计算效率。
ALE任意欧拉-拉格朗日法
经典的流体、结构计算方法包括拉格朗日法和欧拉法,其区别在于材料和网格谁在移动:
• Lagrangian拉格朗日方法是观察者观察材料点的位置,也就是变形时材料和网格一起运动,(Vgrid=Vmat ),材料和网格绑定在一起的.
• Eulerian欧拉方法是网格和材料分别独立的,也就是在变形中网格是不动的(保持最初的形状,Vgrid=0 ).
• ALE任意欧拉-拉格朗日法结合拉格朗日方法和欧拉方法的经典运动学描述的优点,同时尽可能减少各自的缺点。
• ALE方法可以退化为拉格朗日方法(当w=u:网格速度等于材料速度)或欧拉方法(当w=0:网格速度设置为零)。
针对ALE法,Radioss开发了多物理材料。通常适用于不同物理层交织的情况,例如深埋爆炸中,土层和空气;例如飞机水上迫降和船舶入水中,水和空气。
多物理材料的使用,允许用户对不同物理层使用相同的材料,并且用户只需定义体积初始比例,在之后的计算中,不同材料受到爆炸、冲击后的交织混合都可以通过不同成分百分比表示。
此外,ALE和多物理材料的的典型应用还包括飞机水上漂浮,用以模拟波浪对浮筒和机身的影响。
ALE方法同样适用于模拟液体的流动,在封闭空间内的流入流出等工况的模拟:
使用 ALE 方法同时计算流场和结构时,结构网格的时间步长往往小于流体,因此完整计算的话,大量流体网格不得不采取很小的时间步长。多域计算允许将结构网格和流体分开计算,分别采用合适的时间步长,减少流体的计算量。通常流体网格远多于结构网格数量,加速明显,同时可以保持计算精度。
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