基于Radioss流固耦合仿真分析怎么做

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一、写在文前

Altair Radioss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。

二、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。

三、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。

四、Altair Radioss流固耦合仿真计算

以上内容来自《Radioss基础理论与工程高级应用》书籍相关内容，12月2日（周四），机械工业出版社将在仿真秀平台带来HyperWorks软件入门、进阶、实战系列课程《Radioss基础理论与工程高级应用》- 流固耦合公开直播，帮助广大的理工科学子和学习型仿真工程师更好的理解和应用Radioss软件工具，进一步提升流固耦合分享计算能力。

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首次发布时间：2022-08-25