SPH-FEM耦合仿真
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2025-12-01
SPH-FEM耦合仿真的視頻教程
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(diǎn)轉(zhuǎn)換法。附件中為視頻中用到的模型，還有一個(gè)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(qǐng)?jiān)谙路搅粞裕铱吹綍?huì)及時(shí)解答，謝謝
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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(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)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(kuò)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耦合仿真的實(shí)例教程
1、背景
有限元方法作為數(shù)值計(jì)算的強(qiáng)大工具，計(jì)算結(jié)果精確且可重復(fù)，降低了試驗(yàn)成本，縮短了研發(fā)周期，但有限元方法在切削仿真時(shí)容易造成網(wǎng)格畸變，造成求解中斷。
光滑粒子動(dòng)力學(xué)（smoothed particle hydrodynamics，SPH）的基本思想是將連續(xù)體離散為相互作用的粒子，每個(gè)粒子具有密度、質(zhì)量以及相關(guān)物理屬性，粒子間運(yùn)動(dòng)遵循牛頓第二定律；其本質(zhì)是一種拉格朗日方法，運(yùn)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(diǎn)的值通過微分形式轉(zhuǎn)換成積分運(yùn)算。SPH法采用粒子劃分，不依賴于網(wǎng)格，具有很好的自適應(yīng)性，可以避免網(wǎng)格畸變，適合切削引起的大變形問題。然而SPH法對(duì)每個(gè)粒子進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要搜索影響區(qū)域內(nèi)近鄰的粒子信息、粒子物理量計(jì)算和搜索信息都比較費(fèi)時(shí)，因此計(jì)算效率比普通的有限元法低，對(duì)于三維模型占用計(jì)算機(jī)資源較大。
針對(duì)SPH與FEM的各自特點(diǎn)，為提高計(jì)算效率并消除網(wǎng)格畸變，采用SPH與FEM耦合的方法解決切削數(shù)值模擬問題。在變形大的區(qū)域采用SPH，避免FEM的網(wǎng)格畸變過大造成計(jì)算困難。在變形小的區(qū)域采用FEM，以提高計(jì)算效率。SPH與FEM耦合算法分為固定耦合算法和自適應(yīng)耦合算法。固定耦合算法在計(jì)算之前就已確定SPH區(qū)域和FEM區(qū)域。自適應(yīng)耦合算法則在計(jì)算之前都是FEM網(wǎng)格，在計(jì)算過程中自動(dòng)地將大變形的有限元網(wǎng)格單元轉(zhuǎn)換為光滑粒子，并按SPH法計(jì)算物理量。
基于以上考量，本文運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行了SPH-FEM耦合算法的拉伸試驗(yàn)?zāi)M。
2、模型設(shè)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(jìn)行綁定，以實(shí)現(xiàn)FEM與SPH之間的耦合計(jì)算。
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(duì)工件可能移動(dòng)方向進(jìn)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(duì)于靠近邊界的SPH粒子，通過對(duì)自身的映射，自動(dòng)創(chuàng)建具有相同質(zhì)量、壓力、絕對(duì)速度的虛粒子，使得真粒子能正常進(jìn)行鄰域搜索，以達(dá)到約束邊界的目的。與之對(duì)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(duì)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(dòng)點(diǎn)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(duì)應(yīng)的關(guān)鍵字為*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE。本文針對(duì)接觸算法經(jīng)過多次仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)論：自動(dòng)點(diǎn)面接觸算法、侵蝕點(diǎn)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(dòng)點(diǎn)面接觸算法的計(jì)算效率更高且計(jì)算不易報(bào)錯(cuò)。故本文最終選用自動(dòng)點(diǎn)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(diǎn)[6]：一是計(jì)算時(shí)間合適，二是結(jié)合實(shí)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(yùn)動(dòng)完成，工件底面設(shè)為全約束。根據(jù)實(shí)際研磨實(shí)驗(yàn)中磨粒相對(duì)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(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 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(huì)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(shì)，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(jì)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(diǎn)，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(yàn)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(shí)際是金剛石磨粒的刀尖圓弧半徑劃過工件表面實(shí)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(gè)，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(jì)算結(jié)果，為提高計(jì)算時(shí)間，可適當(dāng)取大網(wǎng)格間距，本文中取1μm，即4個(gè)SPH粒子與1個(gè)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?yàn)槟チ榻饎偸馁|(zhì)，其硬度和彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單晶碳化硅工件，因此在研磨過程中，磨粒幾乎不會(huì)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 SPH-FEM耦合 ￥20
做了一個(gè)簡單的SPH-FEM耦合實(shí)例，SPH-FEM耦合方法廣泛應(yīng)用于爆炸與沖擊的數(shù)值計(jì)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耦合仿真的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
SPH-FEM耦合仿真的最新內(nèi)容
[圖片]
<p>本案例為LS-DYNA高級(jí)應(yīng)用，使用S-ALE-FEM-SPH耦合算法計(jì)算鋼筋混凝土墻動(dòng)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(duì)孔腔的擴(kuò)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(shí)現(xiàn)藥柱爆炸對(duì)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(shí)現(xiàn)SPH和FEM之間的耦合
慢動(dòng)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(shí)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(xiàn)中基本一致，驗(yàn)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(diǎn)在于分界面力（位移）傳遞，以及四分之一模型中，對(duì)SPH粒子邊界的約束。 1000m/s的撞擊速度，計(jì)算結(jié)果如圖，精確結(jié)果還需要對(duì)材料模型參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)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(shí)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(shí)可以完美解決這個(gè)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(duì)露天臺(tái)階的影響，露天臺(tái)階采用FEM有限元模型，高位水庫采用SPH粒子，可以實(shí)現(xiàn)流體與固體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合分析。模擬結(jié)果較好地反映了突水對(duì)臺(tái)階的沖擊造成的動(dòng)力破壞過程和動(dòng)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(shí)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(yuǎn)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(yuǎn)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(kuò)展云圖終于有了一定的進(jìn)展，紀(jì)念一下。2021-12-7.
