求解器¶

SHARPy 通过 .sharpy 配置文件中的 flow 列表串联求解器，从模型加载一直运行到结果输出。本章说明常用的求解器及其常见组合方式。

求解器总览¶

以下为求解器功能的大致介绍，对于求解器的具体原理和其输入输出，请参考官方文档。

求解器	类型	用途
`BeamLoader`	加载器	加载梁结构 FEM 模型（.fem.h5）
`AerogridLoader`	加载器	加载气动面模型（.aero.h5）
`NonLinearStatic`	结构求解器	非线性静态平衡求解
`NonLinearDynamic`	结构求解器	非线性时域推进
`StaticUvlm`	气动求解器	稳态涡格法求解
`StepUvlm`	气动求解器	时域推进涡格法求解
`StaticCoupled`	耦合求解器	静态气动弹性紧耦合迭代
`DynamicCoupled`	耦合求解器	动态气动弹性紧耦合推进
`Modal`	结构求解器	模态分析（固有频率与振型）
`BeamLoads`	后处理	梁载荷输出
`BeamPlot`	后处理	梁变形与载荷可视化（VTK）
`AerogridPlot`	后处理	气动网格与尾迹可视化（VTK）
`SaveData`	后处理	结果数据保存（HDF5）

典型求解流水线¶

纯结构静态求解¶

适用场景：悬臂梁在集中力、分布力、仅重力等工况下的稳态变形计算。

flowchart LR
    A["BeamLoader<br/>加载结构模型"] --> B["NonLinearStatic<br/>非线性静力平衡"]
    B --> C["BeamLoads<br/>提取梁载荷"]
    C --> D["BeamPlot<br/>输出梁 VTK"]

输入文件：

文件	内容
`.fem.h5`	节点坐标、单元连接、刚度数据库、质量数据库、边界条件、外加载荷
`.sharpy`	flow 定义、求解器参数

主要参数：

NonLinearStatic.gravity_on：是否开启重力。
NonLinearStatic.num_load_steps：载荷增量步数，0 表示一次性施加。
NonLinearStatic.min_delta：收敛容差。

StaticCoupled 静气动弹性¶

适用场景：静态气动弹性耦合求解，包含结构重力但不包含动态激励；求解气动力、结构变形和重力的联合平衡。

flowchart LR
    A["BeamLoader<br/>加载 .fem.h5"] --> C["StaticCoupled<br/>静态气动弹性平衡"]
    B["AerogridLoader<br/>加载 .aero.h5"] --> C
    C --> D["BeamLoads<br/>梁载荷输出"]
    D --> E["BeamPlot<br/>梁变形可视化"]
    D --> F["AerogridPlot<br/>气动网格可视化"]

输入文件：

文件	内容
`.fem.h5`	结构模型（含刚度、质量、边界条件）
`.aero.h5`	气动节点、弦长、扭转角（迎角）、翼型数据、弹性轴位置
`.sharpy`	flow 定义、耦合求解器参数、重力开关与方向

主要参数：

StaticCoupled.max_iter：最大耦合迭代次数。
StaticCoupled.tolerance：耦合收敛容差。
NonLinearStatic.gravity_on：true，gravity_dir=[0,0,1]。

StaticCoupled 气动弹性耦合¶

适用场景：柔性机翼在给定迎角和空速下的静气动弹性平衡。

flowchart LR
    A["BeamLoader<br/>结构模型"] --> C["StaticCoupled<br/>静气动弹性耦合"]
    B["AerogridLoader<br/>气动面模型"] --> C
    C --> D["BeamLoads<br/>梁载荷输出"]
    C --> E["BeamPlot<br/>梁变形可视化"]
    C --> F["AerogridPlot<br/>气动与尾迹可视化"]

StaticCoupled 将 NonLinearStatic 与 StaticUvlm 紧耦合：

flowchart LR
    A["未变形构型"] --> B["StaticUvlm<br/>求解气动力"]
    B --> C["气动力映射到结构节点"]
    C --> D["NonLinearStatic<br/>求解结构变形"]
    D --> E["更新气动网格"]
    E --> F{"力与位移收敛？"}
    F -- 否 --> B
    F -- 是 --> G["静态平衡结果"]

主要参数：

StaticCoupled.max_iter：最大耦合迭代次数。
StaticCoupled.tolerance：耦合收敛容差。
StaticCoupled.relaxation_factor：松弛因子（0 表示关闭松弛）。

DynamicCoupled 气动弹性动态¶

适用场景：时变载荷作用下的气动弹性动态响应。

flowchart LR
    A["BeamLoader<br/>结构模型与初始条件"] --> D["DynamicCoupled<br/>动态气动弹性推进"]
    B["AerogridLoader<br/>气动模型"] --> D
    C[".dyn.h5<br/>动态载荷时间序列"] --> D
    D --> E["BeamLoads<br/>梁载荷输出"]
    D --> F["BeamPlot<br/>梁响应可视化"]
    D --> G["AerogridPlot<br/>气动与尾迹可视化"]

DynamicCoupled 将 NonLinearDynamic 与 StepUvlm 紧耦合，在每个时间步内迭代结构变形与气动力平衡。

flowchart LR
    A["当前时间步"] --> B["StepUvlm<br/>推进气动状态"]
    B --> C["气动力映射到结构节点"]
    C --> D["NonLinearDynamic<br/>推进结构状态"]
    D --> E{"FSI 子迭代收敛？"}
    E -- 否 --> B
    E -- 是 --> F["进入下一时间步"]

输入文件：

文件	内容
`.fem.h5`	结构模型（含初始条件）
`.aero.h5`	气动模型
`.dyn.h5`	动态载荷时间序列（如翼尖周期力）
`.sharpy`	flow 定义、求解器参数、时间步长

主要参数（项目 .sharpy 生成器实际使用的字段）：

DynamicCoupled 级别：structural_solver、structural_solver_settings、aero_solver、aero_solver_settings、fsi_substeps、relaxation_factor。
NonLinearDynamic（位于 structural_solver_settings 内）：dt（时间步长，本项目典型值约 \(10^{-4}\)–\(10^{-3}\) s）、num_steps（总时间步数）。
StepUvlm（位于 aero_solver_settings 内）：dt、num_steps、velocity_field_generator 等。
.dyn.h5 中的 dynamic_forces：(num_steps, num_nodes, 6) 数组，格式为 \([F_x, F_y, F_z, M_x, M_y, M_z]\)。

模态分析¶

适用场景：计算悬臂梁无阻尼固有频率和振型。

flowchart LR
    A["BeamLoader<br/>加载质量与刚度矩阵"] --> B["Modal<br/>求解固有频率与振型"]

SHARPy Modal 求解器使用 .fem.h5 中的质量矩阵（mass_db）和刚度矩阵（stiffness_db），求解广义特征值问题：

\[ \mathbf{K} \boldsymbol{\phi} = \omega^2 \mathbf{M} \boldsymbol{\phi} \]

固有频率 \(f = \omega / (2\pi)\)，振型 \(\boldsymbol{\phi}\) 按质量归一化或最大位移归一化。

输入输出总览¶

flowchart LR
    subgraph 输入文件
        A[.fem.h5<br/>结构模型]
        B[.aero.h5<br/>气动模型]
        C[.dyn.h5<br/>动态载荷]
        D[.sharpy<br/>求解器配置]
    end
    subgraph 求解器
        E[SHARPy<br/>solver chain]
    end
    subgraph 输出文件
        F[raw_results.json<br/>原始响应]
        G[beam/*.vtp<br/>梁变形可视化]
        H[aero/*.vtp<br/>气动与尾迹可视化]
        I[logs/<br/>运行日志]
    end
    A --> E
    B --> E
    C --> E
    D --> E
    E --> F
    E --> G
    E --> H
    E --> I

实操建议¶

先从静力调试：运行 NonLinearStatic 确认结构模型正确，再逐步添加气动加载和耦合。
检查收敛：关注 log 中的收敛信息；如不收敛，尝试减小载荷、增加增量步或降低容差。
动态计算用小步长：DynamicCoupled 的初始时间步长建议取 \(dt < 1 / (20 \cdot f_{\max})\)，其中 \(f_{\max}\) 为激励或关心的最高频率。
验证平衡：例如对于悬臂梁，结果应满足 \(\text{根部力} + \text{梁上外力} \approx 0\)。