(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210885163.7 (22)申请日 2022.07.26 (71)申请人 宁波大学 地址 315211 浙江省宁波市江北区风 华路 818号 (72)发明人 辛建建　 (74)专利代理 机构 重庆市信立达专利代理事务 所(普通合伙) 50230 专利代理师 杨逍 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种用于柔性多体薄壁结构的流固耦合方 法 (57)摘要 本发明公开了一种用于柔性多体薄壁结构 的流固耦合方法， 涉及海洋研究技术领域。 通过 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， 并基于绝对坐标有限元 方法预报结构物的刚柔性和动力响应， 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。 本方法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。 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。 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。 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 CN 115392148 A 2022.11.25 CN 115392148 A 1.一种用于柔 性多体薄壁结构的流固耦合方法， 其特 征是： 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； 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； 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。 2.根据权利要求1所述的一种用于柔性多体薄壁结构的流固耦合方法， 其特征是： 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。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115392148 A 2一种用于柔性多体薄壁结构的流固耦合 方法 技术领域 [0001]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 [0002]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。 [0003]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。说　明　书 1/3 页 3 CN 115392148 A 3