FEM-SPH耦合仿真
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2025-12-01
FEM-SPH耦合仿真的視頻教程
LS-DYNA的PBM-SPH-FEM耦合模擬邊坡爆破巖塊拋擲
2.講解了巖石SPH粒子和FEM有限元的耦合方法，采用了新的存在初始間距的耦合方式，解決了先前使用SPH方法有時會報錯的問題。 3.講解了PBM-SPH-FEM三者耦合方式，詳解如何模擬損傷裂紋擴展、巖塊飛散、拋擲和堆積，即可以模擬SPH的拋擲，也可以模擬出FEM單元斷裂、拋擲的效果，詳見課程第一節(jié)。
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SPH-FEM耦合方法step by step講解
本課程step by step講解了SPH-FEM耦合方法在Ls-prepost軟件中的應(yīng)用，主要有兩種方法：直接建模和節(jié)點轉(zhuǎn)換法。附件中為視頻中用到的模型，還有一個完整的SPH-FEM耦合侵徹仿真的k文件，供大家學(xué)習(xí)！ 說明：本課程不接受QQ答疑，視頻內(nèi)容問題請在下方留言，我看到會及時解答，謝謝
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FEM-SPH耦合仿真的實例教程
1問題的提出
單純用FEM算法建立有限元網(wǎng)格模型在模擬大變形問題經(jīng)常會出現(xiàn)網(wǎng)格畸變，且FEM算法在模擬不連續(xù)的問題，如斷裂等問題并不具有優(yōu)勢，SPH算法由于不用依賴網(wǎng)格算法，可以很好解決這一問題，但隨之帶來的邊界難以處理，計算效率低的問題也一直難以很好解決。為此本文嘗試用FEM-SPH耦合算法來耦合兩者優(yōu)點，以期獲得理想的仿真結(jié)果。本文以單顆球形磨粒等切深劃擦碳化硅工件的FEM-SPH耦合模型為例，驗證這一耦合算法的高效性、正確性。
2 FEM-SPH耦合模型算例
2.1模型建立
圖2-1磨粒仿FEM-SPH模型
由于在磨削加工中，實際是金剛石磨粒的刀尖圓弧半徑劃過工件表面實現(xiàn)的材料去除，因此在介觀尺度下，不規(guī)則形狀的磨粒可以簡化成球體，工件簡化成與磨粒尺度相匹配的長方體，工件在7.5μm的切深范圍內(nèi)采用SPH算法建模，剩下部.分采用FEM算法建立有限元網(wǎng)格，SPH粒子總數(shù)為144000個，粒子間隔為0.25μm，SPH粒子下的FEM網(wǎng)格工件網(wǎng)格大小并不影響計算結(jié)果，為提高計算時間，可適當(dāng)取大網(wǎng)格間距，本文中取1μm，即4個SPH粒子與1個有限元網(wǎng)格匹配。磨粒仿真模型如圖2-1所示。幾何模型的具體參數(shù)如表2-1所示。因為磨粒為金剛石材質(zhì)，其硬度和彈性模量遠遠大于單晶碳化硅工件，因此在研磨過程中，磨粒幾乎不會發(fā)生變形，因此將磨粒（密度3560kg/m3、泊松比0.2、楊氏模量1000GPa）設(shè)為剛體。單晶碳化硅是典型的的各向異性材料，本文仿真選用6H-SiC，單晶碳化硅（6H-SiC）工件的本構(gòu)參數(shù)如表2-2所示。
展開 圖3.3給出了“虛粒子約束”算法的基本原理：“虛粒子約束”法是對工件可能移動方向進行約束，靠近SPH粒子邊界處2h（h為粒子光滑長度）范圍內(nèi)設(shè)置出虛粒子。對于靠近邊界的SPH粒子，通過對自身的映射，自動創(chuàng)建具有相同質(zhì)量、壓力、絕對速度的虛粒子，使得真粒子能正常進行鄰域搜索，以達到約束邊界的目的。與之對應(yīng)的關(guān)鍵字是*BOUNDARY_SPC_SYMMETRY_PLANE。
（4）有限網(wǎng)格磨粒與SPH粒子化工件的耦合接觸
不同于FE算法，本文中SPH模型以粒子代替網(wǎng)格，相當(dāng)于有限網(wǎng)格的磨粒與粒子化工件的不連續(xù)加工過程。因此，F(xiàn)E的面面接觸算法已經(jīng)不再適用。本文對于有限元單元與光滑粒子接觸界面的相互作用（磨粒與工件），則是通過罰函數(shù)算法來定義，耦合接觸算法采用自動點面接觸算法，主面設(shè)為磨粒，從面設(shè)置為SPH工件（MSTYP=3，SSTYP=4），其對應(yīng)的關(guān)鍵字為*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE。本文針對接觸算法經(jīng)過多次仿真實驗驗證，得出結(jié)論：自動點面接觸算法、侵蝕點面接觸算法（*CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE）均可應(yīng)用于FEM-SPH耦合模型的接觸設(shè)置中，但自動點面接觸算法的計算效率更高且計算不易報錯。故本文最終選用自動點面接觸耦合算法。
4.仿真參數(shù)
仿真參數(shù)的設(shè)置原則一般遵循三點[6]：一是計算時間合適，二是結(jié)合實際工藝參數(shù)，三是適當(dāng)放大來凸顯作用規(guī)律。
4.1加工參數(shù)的設(shè)置
本文中磨粒的變切深刻劃是通過磨粒的運動完成，工件底面設(shè)為全約束。根據(jù)實際研磨實驗中磨粒相對工件的速度、研磨盤直徑及加工深度[7]，并適當(dāng)合理放大，設(shè)定磨粒的初始速度為50m/s，最大切深設(shè)為30μm，磨粒從切入工件到離開工件切深的變化范圍為0-30μm。具體仿真參數(shù)的設(shè)置如下表1所示。
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(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(zhǔn)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(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-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(yīng)用于爆炸與沖擊的數(shù)值計算中。通過關(guān)鍵字CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE連接有限元界面和相鄰的SPH粒子。
Sph-fem耦合方案的異同比較 ￥10
Sph-fem耦合方案的異同比較
FEM-SPH耦合仿真的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
FEM-SPH耦合仿真的最新內(nèi)容
<p>本案例為LS-DYNA高級應(yīng)用，使用S-ALE-FEM-SPH耦合算法計算鋼筋混凝土墻動態(tài)破壞及碎片云形成過程。</p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image
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(shè)置為sph算法
<ol><li class="ql-align-center"><strong>內(nèi)容簡介</strong></li></ol><p>該案例以藥柱在混凝土內(nèi)部爆炸為例，講解如何采用SPH_FEM耦合算法實現(xiàn)藥柱爆炸對混凝土損傷的數(shù)值模擬。該案例主要內(nèi)容如下：</p><p>（1）如何建立SPH_FEM爆炸模型，</p><p>（2）SPH相關(guān)控制關(guān)鍵字如何設(shè)置，</p><p>（3）如何實現(xiàn)SPH和FEM之間的耦合
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(shù)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
粒子拋擲效果及損傷分布與相關(guān)文獻中基本一致，驗證了FE耦合SPH算法的合理性，可用于磨粒精密加工領(lǐng)域。
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(jié)果如圖，精確結(jié)果還需要對材料模型參數(shù)進行詳細的標(biāo)定。這種方法可避免FEM中使用侵蝕算法設(shè)置失效準(zhǔn)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(guān)的k文件
傳統(tǒng)的有限元方法在求解流固耦合問題時存在許多困難，而FEM-SPH(有限元-光滑粒子法)在求解流固耦合問題時可以完美解決這個問題，F(xiàn)EM-SPH耦合算法可以作為一種新的思路求解流固耦合問題。本案例中采用FE-SPH耦合算法有效地模擬了高突水問題對露天臺階的影響，露天臺階采用FEM有限元模型，高位水庫采用SPH粒子，可以實現(xiàn)流體與固體系統(tǒng)的動態(tài)耦合分析。模擬結(jié)果較好地反映了突水對臺階的沖擊造成的動力破壞過程和動力響應(yīng)
巖石在爆破荷載作用下表現(xiàn)的性質(zhì)十分復(fù)雜，在實際的鉆爆開挖中容易引發(fā)安全事故。埋入巖體中的炸藥發(fā)生化學(xué)爆炸后，巖石將在爆破近區(qū)發(fā)生壓剪破壞形成粉碎區(qū)，在爆破遠區(qū)發(fā)生張拉破壞形成裂隙區(qū)。
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(jié)果，并附有k文件供參考學(xué)習(xí)。
炮孔附近的巖石及炸藥采用SPH粒子，遠端采用有限元。FEM
30angle 裂紋云圖
30angle 沿深度方向的裂紋分布云圖
調(diào)試許久的金剛石磨粒磨削硬脆材料引起的裂紋延伸擴展云圖終于有了一定的進展，紀(jì)念一下。2021-12-7.
