LS-DYNA S-ALE算法深度解析

1 S-ALE算法简介

S-ALE作为LS-DYNA新增的ALE求解器，采用结构化正交网格求解ALE问题。S-ALE可生成多块网格，每块网格独立求解。不同的网格可占据相同的空间区域。

S-ALE中定义了2种PART:

1)网格PART：指S-ALE网格，由一系列单元和节点组成，没有材料信息，仅是一个网格PART。由*ALE_STRUCTURED_MESH中的DPID定义，在所有ALE相关的关键字中，PID指的是网格PART ID。

2)材料PART：材料PART没有包含任何网格信息，S-ALE网格中流动的多物质材料与材料PART一一对应，可有多个卡片，每个卡片定义了一种多物质(*MAT+*EOS+*HOURGLASS)。其ID仅出现在*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP关键字中，其他任何对该ID的引用都是错误的。

定义S-ALE时用户需要指定三个方向的网格间距。通过一个节点定义网格源节点，并指定网格平动，另外三个节点定义局部坐标系，并指定网格旋转运动。

S-ALE建模过程有以下3个步骤：

1)网格生成。生成单块网格PART。由*ALE_STRUCTURED_MESH关键字卡片生成网格PART。由*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS关键字卡片控制X、Y、Z方向的网格间距。

2)定义ALE多物质。定义S-ALE网格中的材料。对每一种ALE材料，定义一个PART,该PART将*MAT+*EOS+*HOURGLASS组合在一起，由此形成材料PART。然后在*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP关键字卡片下列出全部ALE多物质PART。

3)填充多物质材料。初始阶段在S-ALE网格PART中填充多物质材料，这通过*INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY实现。

2 S-ALE主要关键字

LS-DYNA中有数个关于S-ALE的关键字卡片(表1、表2)：

*ALE_STRUCTURED_MESH;

*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS;

*ALE_STRUCTURED_MESH_MOTION;ALE_STRUCTURED_MESH_TRIM等。

1）*ALE_STRUCTURED_MESH关键字

*ALE_STRUCTURED_MESH卡片用于定义3D网格，并激活S-ALE求解器。

表1 *ALE_STRUCTURED_MESH关键字卡片1

MSHID：S-ALE网格ID。此ID唯一。

DPID：默认的Part ID。生成的网格被赋予DPID。DPID指的是空PART,不包含任何材料，也没有单元算法信息，仅用于引用网格。

NBID：用于生成节点，节点编号ID从NBID开始。EBID:用于生成单元，单元编号ID从EBID开始。

TDEATH：设置此S-ALE网格的关闭时间。关闭后会删除S-ALE网格及与之相关的*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID和*ALE_COUPLING_NODAL卡片，ALE计算随之停止，仅保留拉格朗日PART的计算。

表2  *ALE_STRUCTURED_MESH关键字卡片2

CPIDX、CPIDY、CPIDZ:定义沿每个局部坐标轴方向的数对(节点ID和值)的控制点ID。

NID0:在输入阶段指定网格源节点，随后在计算过程中，在该节点施加指定运动，使网格平动。

LCSID:局部坐标系ID。

（2）*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS关键字

该关键字卡片为*ALE_STRUCTURED_MESH卡片提供间距信息，以定义3D结构化网格，

表3 *ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS关键字卡片1

CPID：控制点ID。ID号唯一，被*ALE_STRUCTURED_MESH中CPIDX、CPIDY、CPIDZ所引用。

SFO：纵坐标缩放因子。用于对网格进行简单修改。

●  SFO=0.0：默认值为1.0。

OFFO：纵坐标偏移值。

偏移缩放后的纵坐标值为：SFO×(定义的值+OFFO)。

表4 *ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS关键字卡片2

N：控制点节点序号，类似于TrueGrid中的I、J、K。

X：控制点位置。

RATIO：渐变网格间距比。此值非零。

●  RATIO>0.0：网格尺寸渐进增大；

●  RATIO<0.0：网格尺寸渐进减小。

3 S-ALE边界条件定义

传统ALE中的边界条件如非反射边界、节点约束等同样适用于S-ALE,但定义过程与之稍有不同，下面介绍S-ALE非反射边界定义流程：

1)通过*DEFINE_BOX选择面。

2)通过*SET_SEGMENT_GENERAL将BOX框定的面定义成SEGMENT SET。

3)通过*BOUNDARY_NON_REFLECTING将SEGMENT SET定义为非反射面。

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