LS-DYNA ICFD流固耦合技术及应用进展

传统的气动力或液力耦合结构的方法是先进行初步的稳态CFD分析，然后进行由气动载荷或液力载荷映射给结构力学分析。然而，在许多不同的行业，如生物医学和能源，因为结构的位移和流体流动之间的强烈相互作用，使得这种方法并不可行。即使在传统行业，如汽车，制造过程正在演变，以往一些比较刚硬的结构中，也会引入更轻和更容易变形的部件。随着这些新挑战的到来，用户对强大而可靠的双向流固耦合的需求也将不断增长。

本文将介绍LS-DYNA ICFD求解器的最新研发进展，及其在非线性流固耦合应用。

ICFD求解器适用行业

LS-DYNA支持ICFD求解器与其自身的固体力学求解器之间的耦合。ICFD求解器适用于五大行业多物理场应用：

• 汽车行业，LS-DYNA传统应用领域，ICFD可针对热-结构耦合的外部空气动力学分析提供解决方案；
• 制造行业，ICFD可应用于冷却相关分析，例如金属冲压，电池组的冷却等；
• 能源行业，尤其是风能行业。对拥有准确空气动力学预测的风力涡轮机进行FSI分析；
• 航空航天，ICFD在降落伞仿真领域的最新研发进展，可以说这是一种最为先进的成果，包括流体与由多孔介质材料构成的结构之间的耦合；
• 生物医学行业，如今越来越多的公司借助LS-DYNA深耕医学行业，以更好地设计产品以及更深入地了解未来趋势，特别是在心脏起搏器、心率失常电生理模拟、人工瓣膜流固耦合、形状记忆合金血管支架等领域，LS-DYNA FSI耦合具有独特的优势。
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就开发初衷及理念来说，LS-DYNA FSI目的是实现单一代码方法解决多物理场问题One Code One model，其中ICFD与结构使用同一个输入文件，求解过程中共享内存，用户只需学习单个软件，且仅需一个许可证。未来FSI问题将越来越多，实现单一代码的方法，将越来越重要。

许多企业同时拥有流体部门与结构部门，通常他们各自独立工作、相互分离，少有互动交流。但随着各类技术的发展，部门之间的交流随着越来越多的FSI问题而增多。例如，汽车行业正采用越来越轻量化的结构，而这会带来更多的变形问题；医疗行业中，心脏瓣膜是高度柔性的结构，需要优异的FSI功能支持。LS-DYNA具有得天独厚的优势，单一代码方法能够随行业增长而不断发展，且能够满足行业当前及未来的需求。对于用户的学习成本也具有优势，用户如果已经拥有LS-DYNA固体力学求解器的知识，再学习ICFD求解器知识，更容易上手，因为他们的输入格式是相同的。

流固耦合通常分为整体耦合（Monolithic）和分区耦合(Partitioned)。对于整体耦合而言，一切都是隐式的、单个庞大矩阵/系统，由于实际创建的矩阵往往并非完美，因此局限于特定应用（非常见应用场景），它对于内存的要求非常高，且求解并不稳定。与此对比，分区耦合方法（分离方法）更常见，其两个领域和物理场是相互分离的，但却相互影响，称为强FSI耦合。强FSI耦合中LS-DYNA采用隐式固体力学求解器和隐式ICFD求解器，必须进入收敛循环不断迭代，直到得到统一解。该方法适用于某些特定应用，强耦合方法可获得不崩溃不发散的解，而且这些问题通常涉及具有与流体相似密度的结构。因此一般情况下，心脏瓣膜仿真、典型的水与橡胶或塑料等，此处的结构具有高度的可变形性，密度接近流体的密度，此时更适合采用强FSI耦合。

此外，另一种相对应的方法称为松散耦合或弱耦合，结构采用显式算法与隐式的ICFD代码耦合到一起，因此弱耦合允许采用两个不同的时间步长，该方法非常方便，但由此带来的问题是，只有不存在大变形且两个域之间的密度比很大时，才能保持稳定。对于某些空气动力学问题，如汽车中的空气对结构产生压力的问题，可以采用弱耦合进行处理，但是当两个域的密度相差不大或者存在严重的结构变形，该方法受到一定限制，此时需要采用强耦合方法。若LS-DYNA中的ICFD求解器与自身的隐式固体力学求解器相耦合，则采用的就是强耦合；如果是与显式结构求解器或DEM求解器进行耦合时，则为弱耦合。

LS-DYNA在ICFD方面的新功能及研发进展（R12/R13）

• 网格划分
• 新增滑移网格功能；
• 新增可用的周期边界条件;
• 添加新的自动体网格划分器;
• 针对旋转问题的特定FSI模型新增网格运动策略;
• 用于ICFD的单相自由表面建模
• 水平集作为高度和多个初始化形状的函数;
• 波生成模型：一参数和二参数 Pierson-Moskowitz 谱;
• 新的边界条件 Navier;
• FSI 案例的一般改进：自由表面问题和力学之间的耦合;
• 流固耦合
• 固体表面可以在流体表面上“滑动”;
• 降落伞模拟：织物材料（超薄结构）上的多孔介质;
• 增加耦合选项：隐式弱 FSI（no sub-stepping）;
• 防止穿透嵌入式壳体流动的功能（针对穿过非流型表面，ICFD实现了某些线性FSI功能和某些附加数值技巧，其目的是改善压力边界条件的稳定性，进而获得更加准确的解）;
• 输出纯流体分析的载荷，以使用 CFD 压力结果施加到结构上的解决方案;
• 压力边界条件的回流稳定;
• 其他
• 使用稳态解初始化通用 CFD/FSI 模型;
• 减少 FEM 矩阵的组装以节省存储空间;
• 热时间步长可以与流体时间步长不同。

R13新功能及更新

ICFD求解器中引入新版自动体网格划分器，可以用于汽车外流场问题和其他ICFD问题。

• 新版本中网格生成速度提高约20%，关键字*ICFD_CONTROL_MESH。提供了改进的单元质量、稳健性和性能。未激活的情况下默认与以前的版本保持一致。
• 解决了风力涡轮机的网格旋转（滑移）问题及FSI 模型中网格运动的新策略，如叶片（网格）发生变形导致的超时问题，单元质量降低。关键字*ICFD_CONTROL_MESH_MOVE，能够针对这些问题维持更高的单元质量。

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