FEM-SPH仿真的案例
彈體高速撞擊擋風(fēng)玻璃的FEM-SPH仿真對(duì)比分析
彈體高速撞擊擋風(fēng)玻璃的FEM-SPH仿真對(duì)比分析
1選題意義：高速彈體侵徹的顯示動(dòng)力學(xué)仿真已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了透徹的研究，按照侵徹目標(biāo)體建模采用的算法可分為彈體侵徹FEM目標(biāo)體、彈體侵徹SPH目標(biāo)體。FEM算法由于計(jì)算效率高、邊界條件易于處理而得到廣泛應(yīng)用，采用SPH算法能夠更加準(zhǔn)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(xué)研究中。本文針對(duì)于此，分別采用FEM SPH算法建立了高速彈體沖擊擋風(fēng)玻璃的仿真建模，對(duì)比了兩種不同建模方法實(shí)現(xiàn)沖擊擋風(fēng)玻璃后損失形貌與實(shí)際形貌的準(zhǔn)確度，總結(jié)了FEM與SPH算法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對(duì)此類侵徹問題的發(fā)展趨勢(shì)做出了展望。
2有限元方法分析
2.1模型假設(shè)及建立
彈體高速?zèng)_擊擋風(fēng)玻璃的模型中，玻璃相對(duì)彈體可以看成無限大平面，外，模型假設(shè)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(jì)算量。彈體及玻璃平面模型較為簡(jiǎn)單，本文直接在ANSYS中進(jìn)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?zèng)_擊問題中，網(wǎng)格劃分精度影響最終計(jì)算結(jié)果。因此對(duì)玻璃平面劃分區(qū)域后，按照區(qū)域進(jìn)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(diǎn)，對(duì)四分之一玻璃邊界區(qū)域網(wǎng)格控制同樣需要精密一點(diǎn)，避免邊界應(yīng)力集中，在遠(yuǎn)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(jìn)行其他在ANSYS中較為容易的前處理設(shè)置，如初始速度，求解時(shí)間，能量控制，輸入接觸力等，對(duì)于接觸設(shè)置，邊界條件設(shè)置等其他較為復(fù)雜的可以在LSPP中完成。（個(gè)人認(rèn)為L(zhǎng)SPP中對(duì)接觸，邊界條件的設(shè)置較為簡(jiǎn)單）。
展開 基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
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(shí)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(dāng)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(jìn)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(kuò)展現(xiàn)象。裂紋不斷擴(kuò)展、加深如圖5.4（d）所示。
為了計(jì)算在不同切深下（27μm、30μm）裂紋擴(kuò)展的深度，自t=3.2μs后（裂紋產(chǎn)生），對(duì)裂紋深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)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(lán)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(dǎo)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(yán)重。此時(shí)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(yàn)證
為了驗(yàn)證本論文中所建立的變切深刻劃FEM-SPH 仿真模型準(zhǔn)確性，應(yīng)該進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)與理論分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果進(jìn)行比較，當(dāng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果在規(guī)律和量級(jí)上保持一致時(shí)，認(rèn)為本文中的仿真模型具備一定的準(zhǔn)確性。
展開 FEM-SPH耦合算法高效性驗(yàn)證及球形磨粒恒切深劃擦6H-SiC仿真
對(duì)磨粒的約束通過PRESCRIBED_MOTIOM_RIGID關(guān)鍵字定義，較為簡(jiǎn)單，而對(duì)FEM-SPH耦合工件的接觸設(shè)置用固連點(diǎn)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(duì)邊界處粒子進(jìn)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(duì)對(duì)磨粒與SPH工件的耦合接觸采用AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE 關(guān)鍵字進(jìn)行定義。最后，對(duì)仿真時(shí)間、沙漏能等進(jìn)行最后的設(shè)置，另外對(duì)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(jìn)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(duì)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(jìn)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(jì)算效率，本文進(jìn)行了兩次仿真，仿真參數(shù)及幾何模型尺寸均設(shè)為相同，但采用SPH算法建模的計(jì)算效率低下，在設(shè)置相同仿真時(shí)間1μs時(shí)，計(jì)算時(shí)間實(shí)在太長(zhǎng)（＞90h），因此經(jīng)過多次仿真調(diào)試試驗(yàn)后，在設(shè)置仿真時(shí)間為0.04μs時(shí)，采用SPH算法建模的計(jì)算時(shí)間約為14h37min，這比仿真1μs，采用FEM-SPH算法建模的計(jì)算時(shí)間（10h42min）還要長(zhǎng)（如圖3-2所示），由此可見，采用FEM-SPH算法的計(jì)算效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用SPH算法建模的計(jì)算效率。
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
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(guó)外實(shí)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(jiǎn)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)致。
一般評(píng)價(jià)測(cè)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(zhǔn)靜態(tài)超壓峰值評(píng)價(jià)含能破片沖擊釋能大小，帖子作者認(rèn)為該法適合用于生成氣體較多的破片如Al/PTFE。
圖1 VCC準(zhǔn)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(píng)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(cè)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(jìn)測(cè)試裝置如圖2所示，裝置尺寸如圖3所示。
圖2 沖擊釋能測(cè)溫
圖3 容器尺寸
試驗(yàn)結(jié)果：在相同時(shí)間內(nèi)，靠近壁面的溫度較低，而空腔溫度較高，說明短時(shí)間內(nèi)碎片向壁面?zhèn)鳠彷^少可以認(rèn)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-FEM 彈丸侵徹靶板的仿真（DYNA）
SPH（光滑質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)）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(xué)問題，用于計(jì)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(dòng)點(diǎn)。質(zhì)量固定在質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)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(jiǎn)單而精確的實(shí)現(xiàn)復(fù)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(dòng)態(tài)響應(yīng)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(diǎn)需要與FEM中的對(duì)齊）
5、設(shè)置邊界條件和初始條件。設(shè)定FEM-SPH界面的segment，設(shè)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(shè)置set_node，用于定義接觸.
10、設(shè)置SPH的對(duì)稱面。
11、設(shè)置接觸為Eroding_nodes_to_surface
12、設(shè)置固粘接觸。
13、設(shè)置Section為sph，并在part中應(yīng)用。
14、設(shè)置全局對(duì)稱。
15，就可以點(diǎn)擊計(jì)算。
展開 技術(shù)鄰周報(bào)Q10：Abaqus/尺寸/isight/彈塑性/Ansys/溫度場(chǎng)/CFD/試驗(yàn)/LS-DYNA...
10、桿式射流對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理及影響因素?cái)?shù)值仿真研究
作者：
陳興
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1813377
本文以聚能戰(zhàn)斗部對(duì)艦船充液防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷為研究背景，運(yùn)用ANSYS/LS_dyna分析了藥型罩壁厚和材料對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)毀傷效能的影響。結(jié)果表明：藥型罩壁厚在0.04Dk~0.06Dk之間形成的桿流對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)的侵徹性能，δ<0.04Dk，桿流成型結(jié)構(gòu)較差，在水中的動(dòng)能抗衰減性能較低，δ>0.06Dk，桿流初始動(dòng)能低，穿透水層后的剩余能量小，無法形成較大的后效；藥型罩可采用純鐵、紫銅和鉭3種材料，其中純鐵桿流的侵徹能力最高，鉭射流的水中動(dòng)能抗衰減性能最好，紫銅射流具有較好的綜合性能。
11、彈體高速撞擊擋風(fēng)玻璃的FEM-SPH仿真對(duì)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(dòng)力學(xué)仿真已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了透徹的研究，按照侵徹目標(biāo)體建模采用的算法可分為彈體侵徹FEM目標(biāo)體、彈體侵徹SPH目標(biāo)體。FEM算法由于計(jì)算效率高、邊界條件易于處理而得到廣泛應(yīng)用，采用SPH算法能夠更加準(zhǔn)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(xué)研究中。本文針對(duì)于此，分別采用FEM SPH算法建立了高速彈體沖擊擋風(fēng)玻璃的仿真建模，對(duì)比了兩種不同建模方法實(shí)現(xiàn)沖擊擋風(fēng)玻璃后損失形貌與實(shí)際形貌的準(zhǔn)確度，總結(jié)了FEM與SPH算法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對(duì)此類侵徹問題的發(fā)展趨勢(shì)做出了展望。
展開 你不知道的CAE小常識(shí)（二十八）
7) LS-DYNA/SPH模型的建立方法：把有限元模型用LS-DYNA生成K文件，用文本編輯器編輯K文件，刪除*ELEMENT_SOID、*SECTION_SOLID等Lagrange單元信息，添加SPH質(zhì)點(diǎn)及其相關(guān)屬性*ELEMENT_SPH、*SECTION_SPH和*CONTROL_SPH等關(guān)鍵字，保存修改后的單元類型、材料類型及參數(shù)、接觸方式、節(jié)點(diǎn)編號(hào)等設(shè)置，重新生成K文件。單元網(wǎng)格劃分一定要均勻，單元質(zhì)量=總質(zhì)量/粒子總數(shù)。由于是無網(wǎng)格方法，SPH算法要求粒子的初始質(zhì)量和坐標(biāo)滿足一定的條件：所有的SPH粒子應(yīng)具有相同的質(zhì)量，即同種材料的粒子（具有相同的初始密度）具有相同的體積。【詳見#12樓，感謝zhuliuxian】
8）如何進(jìn)行SPH-FEM聯(lián)合仿真：SPH方法中node與element其實(shí)是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，聯(lián)合仿真一般用接觸來實(shí)現(xiàn)，SPH接觸一般采用node形式，FEM接觸可進(jìn)行選擇node或者element。基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐一書中有彈體侵徹靶板的FE/SPH耦合計(jì)算實(shí)例。
9）虛粒子多少層合適：個(gè)人建議不低于3層。
展開 【公益帖】LS-DYNA SPH方法使用注意事項(xiàng)(穿透和常規(guī)問題)
Yes 如果是對(duì)稱面，不建議使用，建議用SPH專有的對(duì)稱邊界條件
6）SPH專用邊界關(guān)鍵字：*Boundary_SPH_Flow, *Boundary_SPH_Symmetry_Plane.前者用于施加流體邊界，后者用于虛粒子配置。
7) LS-DYNA/SPH模型的建立方法：把有限元模型用LS-DYNA生成K文件，用文本編輯器編輯K文件，刪除*ELEMENT_SOID、*SECTION_SOLID等Lagrange單元信息，添加SPH質(zhì)點(diǎn)及其相關(guān)屬性*ELEMENT_SPH、*SECTION_SPH和*CONTROL_SPH等關(guān)鍵字，保存修改后的單元類型、材料類型及參數(shù)、接觸方式、節(jié)點(diǎn)編號(hào)等設(shè)置，重新生成K文件。單元網(wǎng)格劃分一定要均勻，單元質(zhì)量=總質(zhì)量/粒子總數(shù)。由于是無網(wǎng)格方法，SPH算法要求粒子的初始質(zhì)量和坐標(biāo)滿足一定的條件：所有的SPH粒子應(yīng)具有相同的質(zhì)量，即同種材料的粒子（具有相同的初始密度）具有相同的體積。
8）如何進(jìn)行SPH-FEM聯(lián)合仿真：SPH方法中node與element其實(shí)是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，聯(lián)合仿真一般用接觸來實(shí)現(xiàn)，SPH接觸一般采用node形式，FEM接觸可進(jìn)行選擇node或者element。 基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐一書中有彈體侵徹靶板的FE/SPH耦合計(jì)算實(shí)例
ANSYS+11_0_LS-DYNA基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐.pdf
9）虛粒子多少層合適：個(gè)人建議不低于3層
展開 了解SPH的源流、特點(diǎn)、應(yīng)用及在LS-DYNA中模擬的注意事項(xiàng)
8）如何進(jìn)行SPH-FEM聯(lián)合仿真：SPH方法中node與element其實(shí)是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，聯(lián)合仿真一般用接觸來實(shí)現(xiàn)，SPH接觸一般采用node形式，FEM接觸可進(jìn)行選擇node或者element。 基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐一書中有彈體侵徹靶板的FE/SPH耦合計(jì)算實(shí)例
9）虛粒子多少層合適：個(gè)人建議不低于3層。
