一种用于柔性多体薄壁结构的流固耦合方法

1.本发明涉及海洋研究技术领域，更具体地说，它涉及一种用于柔性多体薄壁结构的流固耦合方法。


背景技术：

2.随着深远海油气资源不断开发，海洋柔性薄壁结构物不断涌现如仿生机器鱼和复合材料螺旋桨。而且，随着高强度钢和复合材料的广泛使用，结构向大型化、多结构形式和轻质发展，结构物壁厚越来越薄，其结构刚度必然有所下降，导致流体与弹性结构之间的相互作用变得日益突出，例如，外飘型船艏甲板的局部水弹性砰击作用和海上风机叶片的颤振。这些新设备和新趋势对现行海洋结构分析理论和设计方法构成了挑战，迫切需要开展多体薄壁结构的大变形流固耦合动力响应研究，增强对新型海工装备流固耦合作用机理以及相关基础科学的认识和理解，以适应深远海资源开发和未来海工设备发展的需求。
3.数值模拟技术为流固耦合现象的研究提供了强有力工具。然而，薄壁结构流固耦合问题研究涉及多学科交叉领域的知识，包括结构大位移、大变形和共振响应，流场的非定常剪切层、涡泄的转捩和湍流等复杂现象以及多体之间的水动力干涉作用。目前，学术界对此类复杂问题的耦合作用机理及数值分析工具的开发尚处于探索阶段，数值求解此类流固耦合系统极具挑战性。已有的流固耦合数值分析方法多借助于商业或开源软件，在单体或小变形问题[2-3]上取得成功，缺乏针对多体薄壁结构大变形流固耦合问题的有效数值工具。
[0004]
目前国内外学者就流固耦合理论和数值分析方法等相关方面已开展了大量研究并取得阶段性成果，但仍有一些重要问题有待进一步探索，包括：
[0005]
(1)现有的流固耦合数值分析工具多基于边界拟合法，且在结构小变形流固耦合问题中取得成功。对于多体薄壁结构的大变形流固耦合数值研究目前还较少且不成熟，这也正是当前海洋结构物设计中急需突破的问题。
[0006]
(2)非边界拟合方法对于复杂多体或拓扑变化界面的流动问题具有独特优势，并在刚性边界流固耦合或柔性边界强迫振荡问题中得到广泛应用。然而，对于柔性结构物与流场的相互作用问题，已有的数值模型过于简化或局限性明显，有必要针对变形界面的边界条件处理和非匹配网格间的数据传递等方面进行深入研究。
[0007]
(3)计算效率是评价数值分析工具优劣的重要方面，也是限制流固耦合数值工具在工程实践中应用推广的关键因素。当前流行的流体仿真软件如fluent、star-ccm 和openfoam主要支持多核cpu加速，难以达到工程界对于计算效率的要求。有前途的替代方法是gpu/cpu异构并行加速技术，其是未来高性能科学计算的一个发展趋势。
[0008]
鉴于此，开展柔性多体薄壁结构的流固耦合方法研究并开发相应的高精度、高效数值分析工具，既具有重要的科学意义，也是工程应用的迫切需求。


技术实现要素：

[0009]
本发明的目的是提供一种用于柔性多体薄壁结构的流固耦合方法，针对柔性多体薄壁结构与流场的耦合动力响应数值研究，提出一个惯性坐标系下的大变形流固耦合求解器一个多步迭代直接力浸入边界法施加任意刚性或柔性边界的无滑移边界条件，基于绝对坐标有限元方法预报结构物的刚柔柔和动力响应，并结合一个网格细化和异步推进方法耦合结构求解器和流体求解器，发展多体薄壁结构的大变形流固耦合计算方法。
[0010]
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于柔性多体薄壁结构的流固耦合方法，包括如下步骤,s1：通过界面网格插值技术，用处理大变形不规则界面引起的网格相位属性识别错误，提高边界条件施加的精度；采用改进的多步直接力浸入边界法施加刚性或柔性边界的无滑移边界条件；
[0011]
s2：构建基于绝对节点坐标法的动力响应模型，并开发不同类型的有限元单元，采用newton-raphson迭代法和载荷增量法求解非线性有限元方程，对结构变形进行响应预报；
[0012]
s3：构建大变形流固耦合计算平台，通过柔性界面质点重构和异步推进方法，以传递非匹配网格之间的数据，并通过保持流体求解器和结构求解器时间步的异步推进以及降低流固耦合求解器的刚性约束；开发gpu/cpu异构并行的大变形流固耦合模型，加速大变形流固耦合求解器，并进行程序优化，提高加速比。
[0013]
本发明进一步设置为：所述步骤s3中从并行度、内存、数据传输和负载均衡进行程序优化。
[0014]
综上所述，本发明具有以下有益效果：1.本方法在惯性系下求解柔性细长体的大变形响应，在直角网格下施加任意动边界的无滑移边界条件，有能力模拟大变形和大幅刚体运动的刚柔耦合动力响应特性。2.所提出的网格细化和异步推进方法能提高流固耦合模型的数值稳定性，有能力模拟轻质和高刚性结构物。3.流固耦合求解器具有突出的求解性能，相比串行cpu求解器能获得接近100倍的加速比。
附图说明
[0015]
图1是本发明实施例中gpu/cpu异构并行的大变形流固耦合模型。
具体实施方式
[0016]
以下结合附图1对本发明作进一步详细说明。
[0017]
实施例：一种用于柔性多体薄壁结构的流固耦合方法，通过界面网格插值技术，用处理大变形不规则界面引起的网格相位属性识别错误，提高边界条件施加的精度；采用改进的多步直接力浸入边界法施加任意刚性或柔性边界的无滑移边界条件；
[0018]
构建基于绝对节点坐标法的动力响应模型，并开发不同类型的有限元单元，采用newton-raphson迭代法和载荷增量法求解非线性有限元方程，对结构变形进行响应预报。如二维两节点四自由度euler梁单元、二维两节点六自由度timoshenko梁单元和三维两节点十二自由度缆索单元；
[0019]
构建大变形流固耦合计算平台，通过柔性界面质点重构和异步推进方法，以传递非匹配网格之间的数据，并通过保持流体求解器和结构求解器时间步的异步推进以及降低
流固耦合求解器的刚性约束；开发gpu/cpu异构并行的大变形流固耦合模型，加速大变形流固耦合求解器，从并行度、内存、数据传输和负载均衡等多方面优化程序，取得上百倍的加速比，提高加速比。
[0020]
gpu/cpu异构并行的大变形流固耦合模型，如图1，其存储与主机设的cpu内。使用时，通过网格生成和建立几何模型，并在cpu和gpu内进行内存分配和初始化。初始化完成后进行时间推进，时间推进完成后在进行gpu端的多步迭代浸入边界法，将流体力转化为等效节点载荷，通过进行ancf有限元求解器，在进行网格细化和异步推进方法。判断是否超过总的时间，超过总的时间进行将全局变量从gpu端传输cpu端，进行输出和可视化；没有超过总的时间，则返回到时间推进环节。
[0021]
在进行gpu端的多步迭代浸入边界法时，在gpu设备内通过施加计算区域的边界条件后进行求解动量方程、求解压力泊松方程，进行更新速度后进行多步直接力浸入边界法施加无滑移边界条件，如果是rk3格式则返回到施加计算区域的边界环节，不是则进行计算物体表面的流体载荷输出，进行将流体力转化为等效节点载荷。
[0022]
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。