FEM-SPH仿真
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-08-26
FEM-SPH仿真的實例教程
彈體高速撞擊擋風玻璃的FEM-SPH仿真對比分析
1選題意義：高速彈體侵徹的顯示動力學仿真已經(jīng)有很多學者對此進行了透徹的研究，按照侵徹目標體建模采用的算法可分為彈體侵徹FEM目標體、彈體侵徹SPH目標體。FEM算法由于計算效率高、邊界條件易于處理而得到廣泛應用，采用SPH算法能夠更加準確反映大變形問題，如破碎、裂紋等物理想象而多被用于科學研究中。本文針對于此，分別采用FEM SPH算法建立了高速彈體沖擊擋風玻璃的仿真建模，對比了兩種不同建模方法實現(xiàn)沖擊擋風玻璃后損失形貌與實際形貌的準確度，總結(jié)了FEM與SPH算法各自的優(yōu)缺點，最后對此類侵徹問題的發(fā)展趨勢做出了展望。
2有限元方法分析
2.1模型假設及建立
彈體高速沖擊擋風玻璃的模型中，玻璃相對彈體可以看成無限大平面，外，模型假設彈體沖擊玻璃中心區(qū)域，所以可以建立四分之一模型，以減小計算量。彈體及玻璃平面模型較為簡單，本文直接在ANSYS中進行幾何模型的建立，建模采用APDL語言建模。
2.2區(qū)域網(wǎng)格劃分
高速沖擊問題中，網(wǎng)格劃分精度影響最終計算結(jié)果。因此對玻璃平面劃分區(qū)域后，按照區(qū)域進行網(wǎng)格精度控制，在四分之一彈體下方直接與其接觸的玻璃部分網(wǎng)格劃分密一點，對四分之一玻璃邊界區(qū)域網(wǎng)格控制同樣需要精密一點，避免邊界應力集中，在遠離彈體直接接觸部分采用六面體稀疏網(wǎng)格，模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。
圖1 模型網(wǎng)格劃分
2.3其他前處理
網(wǎng)格劃分完成后，進行其他在ANSYS中較為容易的前處理設置，如初始速度，求解時間，能量控制，輸入接觸力等，對于接觸設置，邊界條件設置等其他較為復雜的可以在LSPP中完成。（個人認為LSPP中對接觸，邊界條件的設置較為簡單）。
展開 從沿刻劃方向（X向）的中位剖面圖中可以看出，在t=0.7μs，磨粒切入工件2.06μm，可以看到工件表面剛剛開始出現(xiàn)相連的紅色粒子，此時單晶碳化硅還處于彈塑性變形階段，并沒有出現(xiàn)裂紋；但t=1.1μs，磨粒切入工件3.29μm，紅色粒子繼續(xù)增加，而當t=3.2μs，磨粒切入工件9.52μm，紅色粒子開始飛濺，表明工件表面開始出現(xiàn)脆性斷裂，即裂紋開始產(chǎn)生；在這之后，工件進入脆性破碎加工階段，磨粒下方的 SPH 粒子存在大量致密的且相連的紅色粒子，說明出現(xiàn)明顯的裂紋擴展現(xiàn)象。裂紋不斷擴展、加深如圖5.4（d）所示。
為了計算在不同切深下（27μm、30μm）裂紋擴展的深度，自t=3.2μs后（裂紋產(chǎn)生），對裂紋深度進行統(tǒng)計分析，如圖5.5所示。
分析：從圖5.5（a）中可以看出，在27μm切深范圍內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)大量相連的致密的紅色 SPH 粒子，說明工件加工面存在明顯的損傷。在 27μm切深下方約 33μm深的范圍內(nèi)也存在大量的紅色 SPH 粒子，說明此時單晶碳化硅工件的亞表面損傷深度約為 33μm。雖然沿深度方向繼續(xù)往下也能發(fā)現(xiàn)少量紅色 SPH 粒子，但原本位置上的藍色SPH 粒子并沒有發(fā)生明顯的位移，所以這部分區(qū)域沒有發(fā)生明顯損傷，而此區(qū)域的少量紅色 SPH 粒子則是由于去除的SPH粒子飛濺溢散導致的。而在最大切深30μm范圍內(nèi)，大量紅色SPH粒子致密相連更加明顯，且工件表面出現(xiàn)114μm左右的橫向裂紋，說明工件表面損傷愈加嚴重。此時損傷深度為26μm，有所減小，說明損傷深度并不是隨著切深增大而增大的。
6.仿真結(jié)果驗證
為了驗證本論文中所建立的變切深刻劃FEM-SPH 仿真模型準確性，應該進行仿真實驗與理論分析和實際實驗中的結(jié)果進行比較，當仿真實驗結(jié)果與實際實驗結(jié)果在規(guī)律和量級上保持一致時，認為本文中的仿真模型具備一定的準確性。
展開 對磨粒的約束通過PRESCRIBED_MOTIOM_RIGID關(guān)鍵字定義，較為簡單，而對FEM-SPH耦合工件的接觸設置用固連點面接觸（TIED_NODE_TO_SURFACE）定義，這就避免了單純SPH工件需要定義關(guān)鍵字*BOUNDARY及 SPH_SYMMETRY_PLANE來對邊界處粒子進行約束。本文的FEM-SPH耦合之處除了工件之間的耦合，還有磨粒與SPH工件的耦合，對對磨粒與SPH工件的耦合接觸采用AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE 關(guān)鍵字進行定義。最后，對仿真時間、沙漏能等進行最后的設置，另外對于工件損傷裂紋的查看需要借用UE編輯器修改EXTENT_BINARY關(guān)鍵字完成，將所有已經(jīng)定義的關(guān)鍵字在 Part 中進行關(guān)聯(lián)后，并用UE編輯器最終檢查K文件后，完成球形磨粒劃擦6H-SiC工件算例。
2.2.4求解算例
最后在LSPP將文件保存為K文件格式，用LSDYNA Solver求解器求解K文件。在LSPP中可以打開binary文件（D3PLOT）查看云圖，繪制二維圖像等。
3 FEM-SPH、SPH對比
仿真效率的高低與電腦的配置有關(guān)，本次算例在如圖3-1所示的電腦配置下進行。為了較為客觀比較采用FEM-SPH算法與采用SPH算法建模的計算效率，本文進行了兩次仿真，仿真參數(shù)及幾何模型尺寸均設為相同，但采用SPH算法建模的計算效率低下，在設置相同仿真時間1μs時，計算時間實在太長（＞90h），因此經(jīng)過多次仿真調(diào)試試驗后，在設置仿真時間為0.04μs時，采用SPH算法建模的計算時間約為14h37min，這比仿真1μs，采用FEM-SPH算法建模的計算時間（10h42min）還要長（如圖3-2所示），由此可見，采用FEM-SPH算法的計算效率要遠遠高于采用SPH算法建模的計算效率。
展開 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(guān)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(fā)生金屬氧化反應釋放能量，無氣態(tài)產(chǎn)物生產(chǎn)，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(tài)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(tài)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(nèi)溫度。以此衡量非晶含能破片(生產(chǎn)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(jié)果：在相同時間內(nèi)，靠近壁面的溫度較低，而空腔溫度較高，說明短時間內(nèi)碎片向壁面?zhèn)鳠彷^少可以認為絕熱。數(shù)據(jù)來源：論文《非晶合金沖擊釋能的溫度表征研究》
展開 SPH（光滑質(zhì)點動力學）是一種無網(wǎng)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(zhì)量的可動點。質(zhì)量固定在質(zhì)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(gòu)方程。由于SPH方法不使用網(wǎng)格，沒有網(wǎng)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(xiàn)復雜的本構(gòu)模型，已成功在水下爆炸仿真模擬、超高速碰撞等材料動態(tài)響應的數(shù)值模擬領(lǐng)域，可以模擬連續(xù)體結(jié)構(gòu)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(wǎng)格如下圖所示，（sph中的部分節(jié)點需要與FEM中的對齊）
5、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。
6、用prepost打開K文件
7、將FEM網(wǎng)格變?yōu)?em>SPH網(wǎng)格。
8、完成SPH網(wǎng)格的建立，刪除掉元Part。
9、設置set_node，用于定義接觸.
10、設置SPH的對稱面。
11、設置接觸為Eroding_nodes_to_surface
12、設置固粘接觸。
13、設置Section為sph，并在part中應用。
14、設置全局對稱。
15，就可以點擊計算。
展開 
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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
8）如何進行SPH-FEM聯(lián)合仿真：SPH方法中node與element其實是一一對應的關(guān)系，聯(lián)合仿真一般用接觸來實現(xiàn)，SPH接觸一般采用node形式，F(xiàn)EM接觸可進行選擇node或者element。 基礎理論與工程實踐一書中有彈體侵徹靶板的FE/SPH耦合計算實例
ANSYS+11_0_LS-DYNA基礎理論與工程實踐.pdf
9）虛粒子多少層合適：個人建議不低于3層
11、彈體高速撞擊擋風玻璃的FEM-SPH仿真對比分析
作者：
豐_6487
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1813525
高速彈體侵徹的顯示動力學仿真已經(jīng)有很多學者對此進行了透徹的研究，按照侵徹目標體建模采用的算法可分為彈體侵徹FEM目標體、彈體侵徹SPH目標體。
彈體高速撞擊擋風玻璃的FEM-SPH仿真對比分析
1選題意義：高速彈體侵徹的顯示動力學仿真已經(jīng)有很多學者對此進行了透徹的研究，按照侵徹目標體建模采用的算法可分為彈體侵徹FEM目標體、彈體侵徹SPH目標體。FEM算法由于計算效率高、邊界條件易于處理而得到廣泛應用，采用SPH算法能夠更加準確反映大變形問題，如破碎、裂紋等物理想象而多被用于科學研究中。
圖4-4應力應變圖
圖4-5X Y Z向磨粒對SPH工件的壓力顯示云圖（a-c），SPH工件損傷圖（d）
5 總結(jié)
經(jīng)多次調(diào)試與仿真實驗，得出結(jié)論：
（1）計算效率方面：發(fā)現(xiàn)其計算時間比單純用SPH快了16倍（SPH算法耗時約16小時，而采用FEM-SPH耦合算法仿真耗時1小時13分鐘左右），仿真結(jié)果文件D3PLOT文件平均十秒一個，仿真過程極度絲滑。
6.仿真結(jié)果驗證
為了驗證本論文中所建立的變切深刻劃FEM-SPH 仿真模型準確性，應該進行仿真實驗與理論分析和實際實驗中的結(jié)果進行比較，當仿真實驗結(jié)果與實際實驗結(jié)果在規(guī)律和量級上保持一致時，認為本文中的仿真模型具備一定的準確性。
（1）從材料能量變化上來分析材料去除變形及損傷的大小是在仿真中獨有的優(yōu)勢和特點[10]。在LSPP中通過定義matsum可以查看SPH工件的能量變化。
8）如何進行SPH-FEM聯(lián)合仿真：SPH方法中node與element其實是一一對應的關(guān)系，聯(lián)合仿真一般用接觸來實現(xiàn)，SPH接觸一般采用node形式，F(xiàn)EM接觸可進行選擇node或者element。 基礎理論與工程實踐一書中有彈體侵徹靶板的FE/SPH耦合計算實例
9）虛粒子多少層合適：個人建議不低于3層。
SPH（光滑質(zhì)點動力學）是一種無網(wǎng)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(zhì)量的可動點。質(zhì)量固定在質(zhì)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(gòu)方程。由于SPH方法不使用網(wǎng)格，沒有網(wǎng)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(xiàn)復雜的本構(gòu)模型，已成功在水下爆炸仿真模擬
【詳見#12樓，感謝zhuliuxian】
8）如何進行SPH-FEM聯(lián)合仿真：SPH方法中node與element其實是一一對應的關(guān)系，聯(lián)合仿真一般用接觸來實現(xiàn)，SPH接觸一般采用node形式，F(xiàn)EM接觸可進行選擇node或者element。基礎理論與工程實踐一書中有彈體侵徹靶板的FE/SPH耦合計算實例。
9）虛粒子多少層合適：個人建議不低于3層。
