[发明专利]一种针对弹性薄壁结构的流固耦合方法

权利要求书

1.一种针对弹性薄壁结构的流固耦合方法，其中，所述的弹性薄壁结构至少包括在土木、水利、海洋工程领域应用的一切厚度相对于长度能忽略不计的结构构件，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、流体运动由流体连续性方程和纳维-斯托克斯方程控制，并利用流体状态方程闭合；采用光滑粒子流体动力学方法对由所述流体连续性方程、所述纳维-斯托克斯方程和所述流体状态方程组成的流体控制方程进行离散，得到常微分方程组；利用预报矫正数值积分方法求解所述常微分方程组，得到流体粒子的位移、速度和密度；利用动力学边界粒子方法施加流体固壁边界条件，基于流体粒子和动力学边界粒子间的动量守恒原理求得流体对固体的作用力；

步骤(2)、固体弹性变形由结构动力学方程控制；采用有限元方法离散所述结构动力学方程，得到常微分方程；利用纽马克数值积分方法求解离散后的所述常微分方程，得到固体上各有限元单元的位移、速度和加速度；

其中，所述的有限元方法是利用整齐排列的四节点四边形网格来离散固体域；所述的有限元方法的具体求解方法为：采用纽马克数值积分方法求解离散后的结构动力学方程，通过调整积分参数，使数值解法无条件稳定且具有二阶精度；时间步长的选取应保证一个结构自振周期内至少包含8个时间步，其中所述的结构自振周期指二阶或二阶以上；所述的有限元方法中设置了结构刚度阻尼来吸收于弱流固耦合系统交界面处产生的多余能量；

步骤(3)、建立起有限元网格和动力学边界粒子间的空间位置对应关系；

步骤(4)、建立起有限元网格和动力学边界粒子间的信息传递关系，其中，所述的建立起有限元网格和动力学边界粒子间的信息传递关系为利用动力学边界粒子将流体作用力传递至固体域，同时将固体域的变形和运动速度传递至流体域，具体包括以下步骤：

步骤(4-1)、在流体域内应用光滑粒子流体动力学方法求解得到流体粒子对动力学边界粒子的作用力；

步骤(4-2)、将步骤(4-1)中所求得的作用力散布在动力学边界粒子所在有限元网格的各个节点上，接着应用有限元方法求解固体网格节点的位置和速度；

步骤(4-3)、将步骤(4-2)中所求得的网格节点位置和速度集中在动力学边界粒子上，并传递至流体域；

至此完成了一个求解步骤，重复步骤(4-1)至步骤(4-3)，直至到达所设定的模拟时间上限。

2.根据权利要求1所述的一种针对弹性薄壁结构的流固耦合方法，其特征在于，步骤(1)所述的光滑粒子流体动力学方法是基于弱可压缩流体计算模式，所述的弱可压缩流体计算模式具体表现为引入流体状态方程来补充流体密度与压强间的关系；所述的光滑粒子流体动力学方法中还采用了Shepard密度过滤法来减弱弱可压缩流场中的高频压力振荡。

3.根据权利要求1所述的一种针对弹性薄壁结构的流固耦合方法，其特征在于，步骤(3)所述的有限元网格和动力学边界粒子间的空间位置对应关系为在每一个有限元网格的几何形心位置均设置一个动力学边界粒子，动力学边界粒子的位置随有限元网格位置的改变而改变。