SPH-FEM耦合算法
關注創建者：一葉孤舟 創建時間：2022-01-13
SPH-FEM耦合算法的視頻教程
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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LS-DYNA巖土/采礦工程爆破數值模擬36講：FEM/SPH/DEM/PBM/LEB/流固耦合算法
課程采用LS-DYNA軟件模擬巖土、采礦行業涉及到的爆炸與沖擊問題，建模步驟詳細，并講解如何修改關鍵字及后處理，課程包括流固耦合法、PBM-DEM法（離散元+粒子爆破法）、SPH法、FEM-SPH耦合法、荷載曲線法等多種模擬爆破的方法，并詳細教學了簡單重啟動、小型重啟動和完全重啟動技術。 每章視頻的第一節為結果展示，可免費觀看。
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SPH-FEM耦合算法的實例教程
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 <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%">
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<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202403/attachment/35a68e74f4ec47e7a9a90046a3c0d3cd.gif" style="text-align: center">
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展開 （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 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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<p>基于LS-DYNA軟件，采用SPH-FEM耦合算法構建剛體彈體侵徹土壤數值模型，其中土壤采用SPH粒子建模，彈體采用FEM網格建模。
<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
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慢動作.mp4
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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
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！
巖石在爆破荷載作用下表現的性質十分復雜，在實際的鉆爆開挖中容易引發安全事故。埋入巖體中的炸藥發生化學爆炸后，巖石將在爆破近區發生壓剪破壞形成粉碎區，在爆破遠區發生張拉破壞形成裂隙區。
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
