[论文解读] An open-source finite volume toolbox for solid mechanics and fluid-solid interaction simulations

Philip Cardiff, Aleksandar Karač+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2018

Advanced Numerical Methods in Computational Mathematics参考文献 43被引用 67

一句话总结

它展示 solids4foam，一个基于 OpenFOAM 的开源固体力学与流固耦合工具箱，强调模块化、面向对象的设计与可扩展性，并与有限元解法进行比较。

ABSTRACT

Over the past 30 years, the cell-centred finite volume method has developed to become a viable alternative to the finite element method in the field of computational solid mechanics. The current article presents an open-source toolbox for solid mechanics and fluid-solid interaction simulations based on the finite volume library OpenFOAM. The object-oriented toolbox design is outlined, where emphasis has been given to code use, comprehension, maintenance and extension. The toolbox capabilities are demonstrated on a number of representative test problems, where comparisons are given with finite element solutions.

研究动机与目标

• 在有限体积框架内，推动开源、集成的固体力学与 FSI 工具的需求。
• 描述使 OpenFOAM 中的模块化、可扩展开发成为可能的 solids4foam 工具箱设计。
• 通过具有代表性的测试问题展示能力，并将结果与有限元解进行比较。
• 促进开放协作和可维护的多物理场仿真代码设计。

提出的方法

• 提出一个模块化、面向对象的类结构，在 OpenFOAM 内封装固体、流体和 FSI 的物理模型。
• 在一个统一框架内实现如流体的 PISO 求解方法和固体的非线性几何方法等求解方法。
• 采用带派生固体模型、流体模型和流固耦合模型类的抽象物理模型基类，以实现运行时互换。
• 通过多种本构定律支持线性几何（小应变/转动）和非线性几何（有限应变）。
• 使用单元中心有限体积离散并利用 TL（总拉格朗日）和 UL（更新拉格朗日）形式来求解固体动量方程。
• 强调软件工程实践，包括编码标准、Git 版本控制和 Doxygen 文档，以确保可用性和可维护性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个开源、模块化的有限体积工具箱在 OpenFOAM 内是否能够支持多样的固体力学和流固耦合问题，并具有可扩展的本构模型？
• RQ2 在具有代表性的测试问题上，统一的 solids4foam 设计相对于有限元解法的表现如何？
• RQ3 在多开发环境中维护和扩展开源 CSM/FSI 工具箱需要哪些软件工程实践？

主要发现

• 介绍 solids4foam 作为一个开源工具箱，使 OpenFOAM 内的普适固体力学与 FSI 成为可能。
• 展示一个支持多种固体与流体模型以及在几何和求解方法之间实现运行时切换的模块化类结构。
• 强调能够实现线性和非线性几何本构法并在同一框架中耦合它们的能力。
• 表明该工具箱在可用性、可理解性、可维护性和可扩展性方面的设计，具备严格的编码标准和版本控制。