ALE方法及其附屬的流固耦合方法，旨在模擬一系列流體與固體間具有較大動量和能量轉(zhuǎn)換特點的瞬態(tài)工程問題。 LS-DYNA ALE 多材料單元模式允許同一網(wǎng)格中多種流體共存。 進(jìn)而它所帶的流固耦合算法可分析固體結(jié)構(gòu)與各單個流體之間的相互作用。 這種優(yōu)點使得它被廣泛用于分析多種工程領(lǐng)域的問題。

ALE/FSI 組件可很好地解決攜帶較大動量或能量密度的流體撞擊，侵入結(jié)構(gòu)這一類工程問題。 例如，爆炸，油箱液體晃動， 容器跌落，飛鳥撞擊， 彈藥撞擊，飛行器濺落，輪胎打滑等。

新近開發(fā)的ALE 本質(zhì)邊界條件（ALE ESSENTIAL BOUNDARY） 功能可大降低在處理流體與剛體間耦合的模擬時間。 這一功能將在包裝，石油，化工，制造行業(yè)內(nèi)得到利用，來模擬管道流， 樹脂成型等問題。

ALE網(wǎng)格的任意性 (Flexible ALE Mesh Motion)

ALE網(wǎng)格與通常有限元網(wǎng)格不同，它既非隨物體本身變形（拉格朗日方法）， 也非在空間內(nèi)保持不動（歐拉方法）。它可隨特定物理問題，采用自己特別的特殊移動方式。 這種任意性使得ALE網(wǎng)格可以根據(jù)問題特質(zhì)而靈活改變，從而減少所需單元和計算時間。例如，在模擬彈頭飛行并穿透裝甲時，ALE網(wǎng)格可跟隨彈頭移動；又如，模擬高能炸藥起爆時，網(wǎng)格可隨炸藥膨脹而擴張。

ALE方法的簡便性 (Compatible ALE Solver) 

LS-DYNA ALE 采用算子分裂法（Operator Splitting）分別處理擴散項與遷移項。 這樣，一個時間步長內(nèi)，單元會經(jīng)歷一個正常的拉格朗日時間步，以及一個額外的平流時間步（Advection timestep）。

在拉格朗日時間步內(nèi)，我們求解動量守恒方程并更新加速度，速度和位移；在平流時間步內(nèi)，我們計算質(zhì)量，速度，歷史變量的遷移項。 由于拉格朗日時間步的求解利用LS-DYNA求解器（Solver），ALE求解器與通常的結(jié)構(gòu)求解器（Structure Solver）直接兼容。 相對于傳統(tǒng)計算流體力學(xué)方法，LS-DYNA 有著所解方程數(shù)少，能直接兼容LS-DYNA材料庫，求解簡便的優(yōu)點。

ALE多流體模擬 (ALE Multi-material Capability)

LS-DYNA ALE 使用界面重建法（Interface Reconstruction）來構(gòu)造不同流體間的物質(zhì)界面。  這使得同一網(wǎng)格中多流體的計算成為可能。 例如，求解油箱晃動問題時，ALE網(wǎng)格中可分別定義汽油和油箱內(nèi)和油箱外空氣。這樣，我們不僅可以模擬汽油對油箱的沖擊，還可以研究油箱內(nèi)空氣負(fù)壓對結(jié)構(gòu)的損傷。 在爆炸防護(hù)問題中，ALE網(wǎng)格中可定義炸藥，土壤和空氣，這樣土壤和炸藥對結(jié)構(gòu)的沖擊也可以被加以考慮，而不象傳統(tǒng)的CONWEP方法僅僅對結(jié)構(gòu)施加空氣中的爆炸波。相比其它界面描述方式如LEVELSET方法等，LS-DYNA ALE的界面重建法有著即無需求解額外方程，也無需儲存額外變量的優(yōu)點。 LS-DYNA ALE多材料單元類型11（SOLID ELEMENT TYPE=11)  支持多流體計算。

緊密的ALE流固耦合 (Tightly-coupled ALE FSI) 

使用罰函數(shù)接觸法（Penalty Coupling Method）。 ALE/FSI 流固耦合算法專門針對固體與ALE多流體之間的接觸，相對于其它Loosely Coupled Methods，流體與固體間的信息交換簡便易行，也無需多步迭代，而且易于并行計算。

ALE/FSI 已成功解決多種工程領(lǐng)域內(nèi)的流固耦合問題。在這些流固耦合問題中，流體一般都帶有大的動量或能量密度。這些大動量或能量密度會在很短時間內(nèi)被傳遞到固體結(jié)構(gòu)上，造成結(jié)構(gòu)的大變形或損傷。ALE/FSI在處理以瞬態(tài)，高能，大動量，結(jié)構(gòu)大變形為特征的，例如爆炸，油箱液體晃動， 容器跌落，飛鳥撞擊， 彈藥撞擊，飛行器濺落等工程問題上，有著較強的優(yōu)勢。

經(jīng)濟(jì)的ALE 投影功能(Cost-Efficient ALE Mapping) 

處理固體大變形的ALE單材料單元方法 (ALE Single Material Element to Cure Element Distortion) 

ALE方法在處理固體大變形方面，有著很大的優(yōu)點。通常的拉格朗日有限元方法，可以用加高網(wǎng)格密度或采用高階單元的方法處理網(wǎng)格畸變（Mesh Distortion)。 但這種做法只能減輕網(wǎng)格畸變而無法有效阻止。 ALE方法可采用網(wǎng)格舒緩法（Mesh Smoothing）降低畸變處的網(wǎng)格密度而有效防止網(wǎng)格畸變，從而保證有限元計算的進(jìn)行。 LS-DYNA ALE單材料單元類型5（SOLID ELEMENT TYPE=5) 采用網(wǎng)格舒緩法。與其它大變形處理方法相比，ALE單材料單元所需計算時間較少，內(nèi)存較小，處理很大和超大變形的能力更強。

Structured ALE: 針對規(guī)則網(wǎng)格的快速求解器 

        在處理這些問題時，我們發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)情形下，ALE模型采用規(guī)則正交網(wǎng)格(rectilinear)，也稱為IJK網(wǎng)格。網(wǎng)格不一定非要均勻，因為在關(guān)鍵區(qū)域通常我們會細(xì)化網(wǎng)格；但它一定是正交的，規(guī)則的立方體網(wǎng)格。這種特殊網(wǎng)格的幾何信息其簡單，在善加利用的情況下，可以很大程度上降低算法的復(fù)雜度，從而達(dá)到減少運算時間，降低內(nèi)存需求的目的。

        同時，舊有的ALE求解器開發(fā)之初是用來解決固體大變形問題的。這類問題中，網(wǎng)格隨物質(zhì)邊界變形而移動，而固體也只是用單材料單元來模擬。雖然LSTC的開發(fā)者不斷擴展原程序來支持多材料，支持網(wǎng)格移動等等。但舊有的算法和邏輯遠(yuǎn)非很好。

        還有，最近十年以來，ALE模型的單元個數(shù)增長，由百萬到現(xiàn)在的千萬量級。輸入文件變得龐大，編輯文件耗時很長也非常不便。而對規(guī)則網(wǎng)格而言，我們完全可以根據(jù)用戶提供的簡單幾何信息，由程序本身自行創(chuàng)建網(wǎng)格。而省去用戶創(chuàng)建網(wǎng)格->程序讀入的麻煩，同時我們也節(jié)省了大量讀寫操作帶來的運算時間和內(nèi)存需要。

輪胎土壤耦合

S-ALE與ALE: 相同與不同

        理論方面, S-ALE求解器與ALE完全相同，但S-ALE在實現(xiàn)上是獨立于ALE而全新開發(fā)的。網(wǎng)格的簡單與單一性也使得程序變得簡潔與易維護(hù)。簡潔的程序又反過來提高了運行的效率。綜合目前為止的大部分算例結(jié)果以及用戶的反饋，運行時間大致減少20%到40%之間。并且，借助于MPP算法的全新設(shè)計，MPP的scalability極大提高，大型算例一般可以保有0.9的加速率到大約400核。

        輸入卡片方面，S-ALE使用*ALE_STRUCTURED_MESH卡片創(chuàng)建網(wǎng)格并進(jìn)行運算。其它卡片，包括流固耦合，使用原有的ALE卡片。這里額外說明，S-ALE中網(wǎng)格運動由*ALE_STRUCTURED_MESH中的原點平動以及局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動控制，不再使用*ALE_REFERENCE_SYSTEM卡片。

        S-ALE,引入兩個新概念：材料PART和網(wǎng)格PART，并且施加一個特殊的限制：ALE的多材料必須與材料PART一一對應(yīng)。這種做法可以使得建模過程成為標(biāo)準(zhǔn)化的三步操作，清晰而簡單，避免舊有ALE方法中PART的雙重屬性帶來的概念混淆與困擾。具體作法請參閱http://ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/hao/sale/

S-ALE: 不斷進(jìn)步

        自問世以來，S-ALE不斷加入新的功能。例如漸變網(wǎng)格密度；多網(wǎng)格支持；ALE輸入文件->S-ALE自動轉(zhuǎn)換；運行過程中刪除網(wǎng)格；多網(wǎng)格合并等等。我們也不斷添加新的算例(http://ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/hao/sale/models)，來幫助用戶建模與參考。S-ALE將不斷進(jìn)步，以其能得到中國用戶的認(rèn)可。

*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID：嵌入結(jié)構(gòu)的約束

        加筋混凝土是一種典型的嵌入結(jié)構(gòu)，鋼筋嵌入在混凝土中來提供加強作用。進(jìn)行有限元離散時，一般對鋼筋使用梁單元，對混凝土使用固體單元。然后一種作法是創(chuàng)建單元網(wǎng)格時，強迫固體單元與梁單元共享節(jié)點。這樣對建模有很高的要求，而且對于復(fù)雜一點的加筋情況就無法處理了。所以目前一般的作法是在獨立建模的鋼筋和混凝土之間施加約束。這一約束是施加在速度與加速度兩者之上的，它保持系統(tǒng)的動量守恒。這里請注意，約束法一般的情況下是不能滿足動能守恒的。時間步長越小，約束越頻繁，系統(tǒng)損失的動能就會越多。所以對于瞬時效應(yīng)強烈的問題，例如沖擊載荷下的加筋混凝土，我們要采用懲罰法。

軸向滑移和脫粘(debonding)模擬　*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID一個特別的功能是模擬debonding現(xiàn)象。這需要我們只在垂直于梁的方向施加約束，而對軸向約束加以放松(CDIR=1)。Debonding過程中的切向滑移力可以用User function(AXFOR=-N)或者User subroutine(AXFOR=N,N>1000)來施加。值得一提的是，這個功能在模擬往復(fù)作用例如地震載荷中比以往用*CONTACT_1D的作法更為準(zhǔn)確。

梁單元端點間額外耦合點 理想情況下，在梁單元穿過的每個固體單元中，我們希望都至少有一個耦合點。這樣每個固體單元都可以和梁單元有相互作用，而不會出現(xiàn)“漏掛”的情形從而導(dǎo)致固體局部應(yīng)變過大或過小。單用梁單元端點（節(jié)點）不能保證這一點，所以我們用NCOUP=N在梁單元中間施加額外的耦合點(coupling points)。這里需要特別加以說明的是，舊有的*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID, CTYPE=2中有類似功能(NQUAD)，但它的算法和實現(xiàn)上都有錯誤，會導(dǎo)致系統(tǒng)動能人為增加。

四面體和五面體單元 四面體和五面體單元在舊有的*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID中是當(dāng)作degenerated 六面體來處理的。這樣會造成四面體和五面體的各個節(jié)點權(quán)重不同，結(jié)果有很大偏差，并且會隨網(wǎng)格的改變而劇烈變化。CBIS對四面體和五面體分別采用了它們自己的形函數(shù)，各節(jié)點擁有正確的權(quán)重，從而保證結(jié)果的正確性。

本質(zhì)邊界條件 一般而言，約束法不一定能保證速度場重新分布后，還能滿足原來的速度邊界條件。例如，如果梁端點在固體單元中心，而這個固體單元的右側(cè)節(jié)點有速度為零。普通算法下，梁端點在這些節(jié)點處的動量投影不為零，造成這些節(jié)點的速度邊條被破壞。*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID對于固體上的速度邊界條件做了特殊處理，可以在保證動量守恒的情況下，滿足速度邊界條件。

支持自適應(yīng)網(wǎng)格(r-adaptivity) 這個功能主要是為模擬纖維復(fù)合材料的制造過程－－在可塑性強的材料中添加纖維，然后在模具中施壓后最終成型。纖維由梁單元模擬，在用固體單元離散的基體中沿切向滑動并產(chǎn)生滑移力。滑移力和滑移距離的關(guān)系使用AXFOR選項給定。但是現(xiàn)在的問題是固體單元在模壓過程中的變形很大，如果不采用某些特殊處理的話，很快問題就會因為單元畸變而無法繼續(xù)求解。一種解決畸變的方式就是在固體變形較大時重新構(gòu)筑網(wǎng)格，稱為自適應(yīng)網(wǎng)格(remeshingadaptivity, r-adaptivity)。這種方法在實現(xiàn)中，有一個停止運行－》寫出網(wǎng)格和歷史變量－》重構(gòu)網(wǎng)格并投影歷史變量－》繼續(xù)運行的過程。CBIS在這一過程中需要記錄并重投影與切向滑移有關(guān)的歷史變量。

懲罰法　約束法對于瞬時效應(yīng)較小的工程問題表現(xiàn)很好，但對于應(yīng)變梯度大的問題會有動能丟失的毛病。這是因為在動量在梁單元和固體單元來回分配的時候會造成平滑效應(yīng)(smoothing)。其中一個直觀表現(xiàn)就是采用不同的時間步長，問題的結(jié)果相差很大。檢查能量平衡時會發(fā)現(xiàn)時間步長越小，約束次數(shù)越多，動能丟失越大。為解決這種問題，我們提供了耦合的懲罰法選項－－*CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID_PENALTY。簡單而言，就是在梁和固體間構(gòu)造彈簧，它們之間的相對運動會造成彈簧拉伸從而產(chǎn)生懲罰力。這樣，動能會轉(zhuǎn)化為彈性能儲存在彈簧中并最終釋放，達(dá)到既保持能量平衡，又達(dá)成運動一致的目的。

纖維強化塑料成型

Curtsey Shingo Hayashi, JSOL Corp.