LS-DYNA ALE方法模拟海洋工程中波浪生成的关键技术解析

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导读：上一篇文章LS-DYNA仿真提效关键-3个重力初始化方法大揭秘！向读者系统介绍LS-DYNA中实现重力初始化的主流方法。本系列文章将逐一讨论在LS-DYNA中实现海浪的两种方法：ALE法与ICFD法，并会在之后的文章中详细讲解每个方法与船体流固耦合时的方法与技巧。另外我还会附送模型文件供读者练习。

在海洋工程领域，研究船舶在不同海浪条件下的力学响应具有重要的理论价值和工程意义。随着全球航运业的快速发展，船舶在复杂海洋环境中的结构安全问题日益突出。恶劣的海况条件，如极端波浪、风暴潮等，会对船体施加持续的动态载荷，从而引发结构振动、疲劳损伤甚至局部破坏。这些力学响应不仅影响船舶的结构完整性，更可能威胁到船员的生命安全。因此，深入探究船舶在极端海洋环境下的结构动力学行为，建立准确的力学响应模型，对于优化船舶设计、提高航行安全性以及预防海洋事故具有重要的现实意义。

一、基于ALE法的波浪模拟

1、流体材料

在讲解关键字的设置流程时，本文将按照前处理—求解—后处理的逻辑进行。首先模拟使用的材料为水与空气，具体材料参数如下：

若需要考虑流体中的空泡效应，则需要在空物质组材料本构MAT_NULL中填写PC值，该值为空泡效应的截断压力。

2、SALE网格设置

模拟选用SALE网格以避免额外的网格划分操作。SALE网格的设置如下：

其中关键字ALE STRUCTURED MESH 用于建立ALE MESH ID (MSHID)以及该网格组所对应的PART ID (DPID)。该关键字在CPIDX中需引用关键字ALE STRUCTURED MESH CONTROL POINTS所对应的CPID，目的是通过引用其所定义的节点数量N与距离X来确定SALE MESH在三个主方向上的长度与网格节点数量，从而建立完整的SALE MESH。需要注意的是关键字ALE STRUCTURED MESH中的DPID选项不能与其他PART ID重复，所以一般将其设置为一个较大的数，并且当用户设置完成该选项后，在PART关键字下会自动生成一个新的PART_PART关键字，如下图所示。

在该关键字中无需额外填写SECTION ID、MAT ID 等参数。

二、多物质组的建立与填充

通过ALE STRUCTURED MULTI-MATERIAL GROUP 关键字设置ALE的多物质组。相比于ALE MULTI MATERIAL GROUP 关键字，该关键字只需要直接设置材料对应的本构以及状态方程不需要额外定义PART关键字，并且在该关键字中可以直接在PREF选项中直接填写该材料的初始压力。

接下来通过ALE STRUCTURED MESH VOLUME FILLING 关键字实现初始体积的填充，其中首先在整个SALE网格填充为空气，再通过平面填充的方式（GEOM=PLANE）将下半部分填充为水，具体设置如下图所示。

三、波浪载荷设置

在ALE法中实现波浪载荷较为复杂，可主要分为重力初始化的设置、周期性载荷的设置、以及全域载荷的设置。其中ALE的重力初始化方法可以参考我之前发布的关于LS-DYNA中重力初始化的文章。

1、周期性载荷设置

波浪载荷可以分解为在法向方向上是一种周期性载荷，在切向方向上为普通的速度载荷，所以通过不同的法向周期性变化的速度与变化的切向速度组成不同类型的波浪载荷。本文将讨论一种简单的波浪载荷的生成方式：法向为往复变化的速度，切向为恒定速度。

首先在我之前所发布的关于LS-DYNA中重力初始化的文章中，定义重力初始化需要定义参考点，该点为每个物质组在重力方向上的顶点。重力初始化关键字的设置如下图所示，其中NID1和NID2为分别为空气与水的参考点。

同样，实现波浪载荷的法向速度变化也需要用到这两个点。其中位于空气与水这两个物质组界面位置的点被施加往复载荷（点1），而位移空气物质组顶部的点（点2）曾被施加固定约束。往复载荷与固定约束的设置如下图所示：

其中往复变化的速度通过一个三角函数实现。

完成法向速度的设置后，接下来设置切向速度。切向速度也直接通过BOUNDARY PRESCRIBED MOTION SET 关键字实现，只不过在选择施加对象NSID时，只需要选择最外侧的一排节点，如下图所示。

具体关键字参数的设置如下图所示：

2、全域载荷的设置

全域载荷包括重力加速度以及计算域内的初始速度，分别通过关键字LOAD BODY Y 与INITIAL VELOCITY实现，其中初始速度应于在波浪载荷中设置的切向速度一致。

3、求解设置

求解设置与常规ALE法中的设置方式一致，所需的关键字如下：

四、写在文后

本文详细介绍了在LS-DYNA中使用ALE方法模拟波浪生成的关键技术，为研究船舶在波浪中的力学响应提供了有效解决方案。通过定义水与空气的材料参数并设置空泡效应截断压力，建立了准确的流体模型；采用结构化SALE网格简化了建模流程，利用多物质组和初始填充实现了空气与水的分层设置；通过周期性法向载荷和恒定切向速度的组合模拟波浪运动，结合重力初始化和边界条件完成了波浪载荷的动态加载；最后通过合理的求解设置获得了可靠的仿真结果。该方法为船舶与波浪的流固耦合分析提供了高效的技术手段，对优化船舶设计和评估结构安全性具有重要意义，后续可结合ICFD方法进一步拓展研究。

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