基于结构化sale方法的爆炸冲击流固耦合研究

1. 背景

 本文通过某水下爆炸案例来介绍S-ALE算法的使用方法。

    S-ALE（structured ALE结构化ALE）算法的优点如下：

1）网格生成更简单，可以内部自动生成ALE结构化正交网格，无需前处理进行建模及网格划分，只需要k文件添加相应的关键字即可；

2）需要更少内存；

3）计算时间比传统ALE减少1/3；

4）并行效率更高，SMP、MPP、MPP混合并行等；

5）非常稳健。

2.几何模型

首先利用workbench的dm模块建立几何模型，几何模型仅仅为固体模型钢板，如下图所示：

炸药和空气，均在k文件中添加。

3.材料

靶板采用弹塑性本构。

具体的材料本构参数如下：

*MAT_PLASTIC_KINEMATIC

         1  7.80      2.00      0.300000 0.355E-02 0.400E-02 0.100    

  0.00      0.00     0.350

4.单元及有限元网格

采用lagrange算法，在workbench下划分钢板的网格，网格尺寸为1cm。采用六面体网格。网格如下图所示：

5.单位制选择cm-g-us，并输出k文件

6.流固耦合定义

$流固耦合

*set_part_list

2

9

$9为流体SALE part号

*set_part_list

1

1

$1为结构钢壳part号

*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID

         1         2         0         0         2         4         1         0

 

 

$

7.水、空气及炸药的单元、材料、part定义

通过关键字定义空气单元、材料、part等。

$流体Part材料及起爆

*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP

$10水11炸药12空气

10,1

11,1

12,1

*section_solid

10,11

*hourglass

10,1,1e-6

$水good

*MAT_NULL

10,1000,0,0,0,0,0,0    

*EOS_GRUNEISEN

$水的状态方程的0.15在cmgus单位制下为1500m/s，所以，如果用标准单位制的话，0.15改为1500.。

10,1650,1.75,0,0,0.28    

1

$$炸药TNT

*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN

11,1630,6930,2.1e10   

*EOS_JWL

11,3.712e11,3.23e9,4.15,0.95,0.3,7e9,1

$

$空气

*MAT_NULL

12,1.29

*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL

12,0,0,0,0,0.4,0.4,0

0.25e+6,1.0

*part

 

10,10,10,10,10

*part

 

11,10,11,11,10

*part

 

12,10,12,12,10

*INITIAL_DETONATION

9,0,0,0

8.通过几何填充定义炸药

*initial_volume_fraction_geometry

$SID【sale的网格part号9】,IDTYP【1代表part】,BAMMG【10,11,12的多物质组号】

9,1,1

$# cnttyp（6球形）， fillopt（0=几何体内，1=外）， fammg=2为炸药材料

6,0,2         

$# xc    yc  zc（炸药球心坐标）    radius（球半径）    unused    unused    unused   

0,0,0,1  

$# cnttyp（3为定义一个plane面，通过一个点和一个矢量）， fillopt（0=几何体内，1=外）， fammg=3为空气材料

3,0,3

$# x0Y0Z0坐标，xyz的cos值

0,6,0,0,1,0

9.结构化S-ALE的空气及炸药定义

通过如下关键字定义S-ALE结构化网格的区域及网格尺寸等。如下关键字可以通用于其他各类sale分析中。

*Node

$结构节点

199997,0,0,0

199998,0,0,0

199999,0.1,0,0

200000,0,0.1,0

$

$

*DEFINE_COORDINATE_NODES

$Cid，nid1，nid2，nid3

890,199998,199999,200000

$

$

$S-ALE范围大小尺寸

*ALE_STRUCTURED_MESH_CON*TROL_POINTS

$cpid,0,0,sfo,

3001,0,1,1,0,0,0

$N,X,RATIO

1,-12

$N,X,RATIO

25,12

$

$

*ALE_STRUCTURED_MESH_CON*T*ROL_POINTS

$cpid,,,sfo,

3002,0,1,1,0,0,0

$N,X/y,RATIO

1,-5

$N,X/y,RATIO

16,10

$

$

*ALE_STRUCTURED_MESH_CON*T*ROL_POINTS

$cpid,0,0,sfo,

3003,0,1,1,0,0,0

$N,X/z,RATIO

1,0

$N,X/z,RATIO

3,2

$

$

$S-ale求解器及网格细化控制

*ALE_STRUCTURED_MESH

1,9,200001,200002,0,0

3001,3002,3003,199997,890

$

$

$

*ALE_STRUCTURED_MESH_REFINE

$MSHID,REFXREFY,REFZ

1,1,1,1

10.计算条件

采用1us计算时长。

*CON*T*ROL_TERMINATION

$   endtim    endcyc     dtmin    endeng    endmas                        unused

         1  10000000     0.001         0    100000

11.求解

求解过程如下，6核cpu计算时间需要不到1min（仅仅10s左右），可见S-ALE求解效率非常的高。

12.结果分析

通过计算，炸药起爆，冲击靶板，靶板变形应力等效果如下图所示。