FEM-SPH耦合仿真的案例
FEM-SPH耦合算法高效性驗證及球形磨粒恒切深劃擦6H-SiC仿真
1問題的提出
單純用FEM算法建立有限元網格模型在模擬大變形問題經常會出現網格畸變，且FEM算法在模擬不連續的問題，如斷裂等問題并不具有優勢，SPH算法由于不用依賴網格算法，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點，以期獲得理想的仿真結果。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的材料去除，因此在介觀尺度下，不規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的切深范圍內采用SPH算法建模，剩下部.分采用FEM算法建立有限元網格，SPH粒子總數為144000個，粒子間隔為0.25μm，SPH粒子下的FEM網格工件網格大小并不影響計算結果，為提高計算時間，可適當取大網格間距，本文中取1μm，即4個SPH粒子與1個有限元網格匹配。磨粒仿真模型如圖2-1所示。幾何模型的具體參數如表2-1所示。因為磨粒為金剛石材質，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，磨粒幾乎不會發生變形，因此將磨粒（密度3560kg/m3、泊松比0.2、楊氏模量1000GPa）設為剛體。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）工件的本構參數如表2-2所示。
展開 基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
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）范圍內設置出虛粒子。對于靠近邊界的SPH粒子，通過對自身的映射，自動創建具有相同質量、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。與之對應的關鍵字是*BOUNDARY_SPC_SYMMETRY_PLANE。
（4）有限網格磨粒與SPH粒子化工件的耦合接觸
不同于FE算法，本文中SPH模型以粒子代替網格，相當于有限網格的磨粒與粒子化工件的不連續加工過程。因此，FE的面面接觸算法已經不再適用。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），則是通過罰函數算法來定義，耦合接觸算法采用自動點面接觸算法，主面設為磨粒，從面設置為SPH工件（MSTYP=3，SSTYP=4），其對應的關鍵字為*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE。本文針對接觸算法經過多次仿真實驗驗證，得出結論：自動點面接觸算法、侵蝕點面接觸算法（*CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE）均可應用于FEM-SPH耦合模型的接觸設置中，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
仿真參數的設置原則一般遵循三點[6]：一是計算時間合適，二是結合實際工藝參數，三是適當放大來凸顯作用規律。
4.1加工參數的設置
本文中磨粒的變切深刻劃是通過磨粒的運動完成，工件底面設為全約束。根據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]，并適當合理放大，設定磨粒的初始速度為50m/s，最大切深設為30μm，磨粒從切入工件到離開工件切深的變化范圍為0-30μm。具體仿真參數的設置如下表1所示。
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。數據來源：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。
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
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 基于SPH,FEM耦合的彈丸入土教程
在網格畸變或大變形區域中使用 SPH 方法，在小變形區域使用有限元方法，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，還可以節省計算時間。
關注微信公眾號:ANSYS有限元仿真， 后臺聯系小編可對本文進行咨詢答疑
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?
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 利用ANSYS/LS-DYNA的SPH-FEM耦合拉伸模擬
1、背景
有限元方法作為數值計算的強大工具，計算結果精確且可重復，降低了試驗成本，縮短了研發周期，但有限元方法在切削仿真時容易造成網格畸變，造成求解中斷。
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 
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 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
LS-DYNA中FEM-SPH熱力耦合金屬削切模擬 ￥15
LS-DYNA中FEM-SPH熱力耦合金屬削切模擬
