意大利速成版“火神山”-Abaqus充气帐篷模拟

“一切都会过去。”

01-意大利“火神山”与膜结构建筑

“4个小时搭建700平米帐篷，意大利‘火神山’医院长这样”......这几天意大利的新增病例暴增，医院床位告急，政府搭建的充气帐篷版“火神山”医院火了，惹得中国网友们又心疼又想笑。

图片来源：IL TEMPO

充气帐篷属于膜结构建筑，材质多为PTFE、PVDF等膜材，通常采用骨架支撑、索拉张力或充气等方式来提高膜结构的承载能力，在一些体育场馆、车站棚顶、观景台棚顶等公共场所经常可以看到这种东西。

充气膜结构建筑施工快捷、拆除方便，这次出现在意大利应对疫情的战场，虽然功能性不及中国“火神山”医院，但从快速响应的角度来说，意政府采用这种膜结构建筑也算是明智之举吧。

之前给客户算过一些膜结构的工程，这期文章借此话题谈谈Abaqus中气囊（膜）的几种充气模拟实现方法。

02-Abaqus充气帐篷模拟

充气帐篷施工时，将帐篷从包中取出铺在地上，用气泵往帐篷内部加压，一般几十秒到数十分钟即可完成展开，展开时间取决于帐篷的尺寸和气泵功率，使用Abaqus可以完成帐篷的充气过程模拟。

帐篷充气

在此类问题中，对于展开接触中出现气囊接触粘结的情况，技术上一般可以通过修改inp文件添加FOLD TRACKING等接触控制选项来改善。

气囊展开接触控制

03-Abaqus中常用的气囊充气模拟方法

Abaqus中有3种最常用的气囊充气展开过程模拟方法，分别是UPM、CEL、LKM。

UPM（uniform pressure method）计算快速高效，基于流体腔分析支持的*inflator关键字，用户可以实现按照一定的压力曲线或质量流率向气囊中充入单一气体或多组分的混合气体，支持多气室之间的气体交换、气囊到环境的气体泄露等，是汽车安全气囊展开模拟的常用方法，缺点是无法获得内部压力梯度。

CEL（Coupled Eulerian-Lagrangian）能够获得内部压力梯度，也可以在气囊上通过Vent建模（Exclude from CEL contact）实现气体泄漏，计算精度比UPM高，但是对狭小通道的模拟比较困难，考虑流固耦合的分析过程也使其计算成本大大增加。

LKM（Lumped Kinetic Molecule）是比较新的方法，它同时具备前两种方法的优势，计算成本介于两者之间，精度与CEL相当，最近两年也已出色地通过了一些学者的试验验证（2019 NAFEMS报告：Simulating Airbag Deployment Using Lumped Kinetic Molecular Method），如果您的Abaqus是比较新的版本，那就可以使用这种基于气体动力学理论的粒子方法（集总分子团）。

此外，Abaqus/Explicit还提供了一个高级应用：Switching from CEL-to-UPM或Switching from LKM-to-UPM，用户只要定义转换时间，就能实现计算过程中仅仅在压力梯度较高的时候采用CEL或LKM方法，压力比较均匀时转换为UPM方法，以便减少总的分析时间。

参考：

Abaqus 2019 documentation，SIMULIA，Dassault Systemes

What’s new in Abaqus explicit 2019 by Ankur Kumar，Dassault Systemes