SPH-FEM耦合算法的案例
利用ANSYS/LS-DYNA的SPH-FEM耦合拉伸模擬
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 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FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
（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 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（附K文件） ￥38.79
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 
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 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。
LS-DYNA SPH-FEM彈體侵徹土壤 ￥251
<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。本模型難點如下：</p><p>（1）固結接觸應力波傳遞連續性問題</p><p>（2）彈體與SPH土壤接觸穿透問題，</p><p>（3）MAT_SOIL_AND_FOAM（005）本構模型參數含義</p><p><br></p><p>結果展示</p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202604/attachment/36e2d930a2bf448997a3c933ffeb0383.png" style="display: inline-block;">
<img src="https://img.jishulink.com/202604/attachment/36e2d930a2bf448997a3c933ffeb0383.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202604/attachment/36e2d930a2bf448997a3c933ffeb0383.png?image_process=/format,webp" data-pc-src="https://img.jishulink.com/202604/attachment/36e2d930a2bf448997a3c933ffeb0383.png?
展開 Sph-fem耦合方案的異同比較 ￥10
Sph-fem耦合方案的異同比較
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
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
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 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
展開 磨料水射流侵蝕飛機葉片陶瓷涂層SPH-FEM耦合模擬 ￥30
效果圖.png
應力圖3.png
應力圖2.png
應力圖.png
應力圖4.png
談談常見的幾種CFD算法－FVM FDM FEM MPS SPH LBM究竟有什么區別
第一種SPH光滑粒子法，該算法最早由Gingold and Monaghan (1977) 和Lucy (1977)提出，該方法對流體壓力采用顯示求解，特點是計算快速，弱點壓力場計算不準確。
第二種MPS半隱式運動粒子法是由Koshizuka教授于1995年提出，該算法通過求解壓力泊松方程獲得流體的壓力場，并通過壓力梯度修正預測的流體速度。MPS方法在提出后的很長時間內都存在很多底層的數值穩定性問題，主要體現在壓力場不符合物理實際的波動。后來很多學者對該方法提出了修正和改進。
最后一種FVP粒子法，相對比MPS的區別將控制方程在假想的粒子體積空間內進行積分，獲得新的梯度和Laplacian算子，該算法與MPS無太大本質區別。
SPH方法雖然快，但是有失準確度，適合于追求視覺效果的場景，例如某些電影里的海嘯場景，就采用該算法。MPS和FVP方法雖然計算速度較慢，但物理量計算更加準確，適合于工程場景。
5. LBM-離散格子玻爾茲曼法
Lattice Boltzmann Method(LBM)，即離散格子玻爾茲曼方法，主要用來模擬處于Maxwell或近Maxwell平衡態的連續流區或近連續滑移區低速槽道流。
近年，國際上許多學者提出發展將宏觀流體力學與微觀分子動力學連接起來的介觀理論，通過發展基于分子運動論(氣體動理學理論)Boltzmann方程的介觀數值模型來再現特征尺度達微、納米量級的氣體流動問題。LBM就是其一。
該方法并沒有像前其他CFD方法那樣求解流體的Navier–Stokes方程，而是通過計算微觀粒子間的streaming和collision兩個過程，從而模擬整體流體的運動行為。該算法最大的特點是并行計算效率非常高，主要是因為算法過程相對簡單容易并行。
展開 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 基于SPH,FEM耦合的彈丸入土教程
添加CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE，定義土壤粒子與彈丸的接觸，主接觸面為彈丸，從接觸為SPH粒子，即節點組2
8. 添加CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE_CONSTRAINED_OFFSET，定義SPH粒子與外側土壤的接觸，主接觸面為外側土壤，從接觸為節點組3
9. 添加CONTROL_SPH，采用三維粒子算法
10. 定義土壤材料MAT_FHWA_SOIL，定義彈丸材料MAT_RIGID，在彈丸材料中約束彈丸的自由度
圖6 彈丸材料模型
11. 添加SECTION_SPH
12. 將SPH part中的材料改為MAT_FHWA_SOIL，SECID改為SPH，外側土壤材料改為MAT_FHWA_SOIL
至此前處理完畢，導入LS-DYNA971中進行計算。
三、計算結果
視頻1主視圖
視頻2俯視圖
可以看到土壤粒子被彈丸排開，在重力的作用下回落的過程，并擠壓外側FEM單元的土壤。以及外側FEM單元的土壤的變形
下面給出外側土壤3個單元的應力曲線
本方法可以用來研究彈丸入水沖擊、彈丸侵徹混凝土等模型。在解決大變形和破壞類型的問題上，SPH 有著其他方法無可比擬的優勢。在有限元方法中，單元的形狀對結果的精度影響很大，如果單元因為變形過大可能造求解精度降低甚至無法求解下去。而 SPH 算法則是把每個粒子作為一個物質的插值點，各個粒子間通過規則的內插函數計算全部質點，得到整個問題的解。由于 SPH 方法不涉及單元，不存在網格變形問題，無需侵蝕算法。
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
