基于SPH/FEM耦合的彈丸入土教程

步驟：

一、workbench中的前處理

1. 首先在creo中建立三維模型，分別為彈丸，內層土壤和外層土壤，其中，內層土壤與外層土壤要有一定的間隔，避免內層土壤生成的SPH粒子附在外層土壤的表面上

圖1 三維模型

2. 模型導入workbench中，進行前處理，用explicit dynamics(ls dyna export)顯示動力學模塊，首先對彈丸進行抽殼，將實體彈丸轉化為殼單元

圖2 彈丸實體模型抽殼

 

3. 劃分網(wǎng)格：內側土壤與外側土壤采用掃略方式劃分，彈丸采用自動劃分網(wǎng)格方式，網(wǎng)格大小可根據(jù)模型自行定義，外側土壤的網(wǎng)格尺寸要大于內側網(wǎng)格的尺寸，彈丸由于較小，因此將網(wǎng)格劃分的密一些使得彈丸的曲線能顯示出來,彈丸采用剛體形式劃分

 

圖3 網(wǎng)格劃分

 

4. 初始條件定義：定義重力加速度，定義彈丸位移，定義分析時間0.05s與時間步300步，將單位制修改為m,kg,s。至此workbench中的前處理完畢

二、LS-PREPOST中的前處理

1. 將內側土壤SPH粒子化，方法見上一篇文章SPH法入門，之后刪除原本的內側土壤part

圖4粒子化后的內側土壤

2. 將模型最下方的所有節(jié)點定義為節(jié)點組1，所有SPH粒子定義為節(jié)點組2，靠近外側土壤的一層SPH粒子定義為節(jié)點3，將外側土壤的側壁定義為面組1

圖5土壤外側面組1

3. 添加BOUNDARY_NON_REFLECTING，定義面組1為無反射表面

4. 添加BOUNDARY_SPC_SET，約束點組1全部自由度

5. 添加BOUNDARY_SPH_SYMMETRY_PLANE，定義SPH粒子的對稱面為X0Y

6. 添加CONSTRAINED_GLOBAL，定義實體對稱面為XOY

7. 添加CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE，定義土壤粒子與彈丸的接觸，主接觸面為彈丸，從接觸為SPH粒子，即節(jié)點組2

8. 添加CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE_CONSTRAINED_OFFSET，定義SPH粒子與外側土壤的接觸，主接觸面為外側土壤，從接觸為節(jié)點組3

9. 添加CONTROL_SPH，采用三維粒子算法

10. 定義土壤材料MAT_FHWA_SOIL，定義彈丸材料MAT_RIGID，在彈丸材料中約束彈丸的自由度

圖6 彈丸材料模型

11. 添加SECTION_SPH

12. 將SPH part中的材料改為MAT_FHWA_SOIL，SECID改為SPH，外側土壤材料改為MAT_FHWA_SOIL

至此前處理完畢，導入LS-DYNA971中進行計算。

 

三、計算結果

  
    視頻1主視圖

視頻2俯視圖

可以看到土壤粒子被彈丸排開，在重力的作用下回落的過程，并擠壓外側FEM單元的土壤。以及外側FEM單元的土壤的變形

         下面給出外側土壤3個單元的應力曲線

         本方法可以用來研究彈丸入水沖擊、彈丸侵徹混凝土等模型。在解決大變形和破壞類型的問題上，SPH 有著其他方法無可比擬的優(yōu)勢。在有限元方法中，單元的形狀對結果的精度影響很大，如果單元因為變形過大可能造求解精度降低甚至無法求解下去。而 SPH 算法則是把每個粒子作為一個物質的插值點，各個粒子間通過規(guī)則的內插函數(shù)計算全部質點，得到整個問題的解。由于 SPH 方法不涉及單元，不存在網(wǎng)格變形問題，無需侵蝕算法。

在網(wǎng)格畸變或大變形區(qū)域中使用 SPH 方法，在小變形區(qū)域使用有限元方法，在 SPH 粒子和 Lagrange 單元邊界上設置接觸條件，用 Lagrange 單元為 SPH 粒子提供邊界條件。這種方法不僅能在求解大變形或破壞問題時保證計算精度和準確性，還可以節(jié)省計算時間。

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