SPH与FEM耦合模拟弹丸入土教程:从理论到实践

步骤:



一、workbench中的前处理

1. 首先在creo中建立三维模型,分别为弹丸,内层土壤和外层土壤,其中,内层土壤与外层土壤要有一定的间隔,避免内层土壤生成的SPH粒子附在外层土壤的表面上

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图1 三维模型



2. 模型导入workbench中,进行前处理,用explicit dynamics(ls dyna export)显示动力学模块,首先对弹丸进行抽壳,将实体弹丸转化为壳单元

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图2 弹丸实体模型抽壳

3. 划分网格:内侧土壤与外侧土壤采用扫略方式划分,弹丸采用自动划分网格方式,网格大小可根据模型自行定义,外侧土壤的网格尺寸要大于内侧网格的尺寸,弹丸由于较小,因此将网格划分的密一些使得弹丸的曲线能显示出来,弹丸采用刚体形式划分

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图3 网格划分

4. 初始条件定义:定义重力加速度,定义弹丸位移,定义分析时间0.05s与时间步300步,将单位制修改为m,kg,s。至此workbench中的前处理完毕




二、LS-PREPOST中的前处理


  1. 将内侧土壤SPH粒子化,方法见上一篇文章SPH法入门,之后删除原本的内侧土壤part

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图4粒子化后的内侧土壤



2. 将模型最下方的所有节点定义为节点组1,所有SPH粒子定义为节点组2,靠近外侧土壤的一层SPH粒子定义为节点3,将外侧土壤的侧壁定义为面组1

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图5土壤外侧面组1



3. 添加BOUNDARY_NON_REFLECTING,定义面组1为无反射表面

4. 添加BOUNDARY_SPC_SET,约束点组1全部自由度

5. 添加BOUNDARY_SPH_SYMMETRY_PLANE,定义SPH粒子的对称面为X0Y

6. 添加CONSTRAINED_GLOBAL,定义实体对称面为XOY

7. 添加CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE,定义土壤粒子与弹丸的接触,主接触面为弹丸,从接触为SPH粒子,即节点组2

8. 添加CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE_CONSTRAINED_OFFSET,定义SPH粒子与外侧土壤的接触,主接触面为外侧土壤,从接触为节点组3

9. 添加CONTROL_SPH,采用三维粒子算法

10. 定义土壤材料MAT_FHWA_SOIL,定义弹丸材料MAT_RIGID,在弹丸材料中约束弹丸的自由度

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图6 弹丸材料模型

11. 添加SECTION_SPH

12. 将SPH part中的材料改为MAT_FHWA_SOIL,SECID改为SPH,外侧土壤材料改为MAT_FHWA_SOIL

至此前处理完毕,导入LS-DYNA971中进行计算。



三、计算结果


可以看到土壤粒子被弹丸排开,在重力的作用下回落的过程,并挤压外侧FEM单元的土壤。以及外侧FEM单元的土壤的变形


下面给出外侧土壤3个单元的应力曲线

7.jpg8.jpg


本方法可以用来研究弹丸入水冲击、弹丸侵彻混凝土等模型。在解决大变形和破坏类型的问题上,SPH 有着其他方法无可比拟的优势。在有限元方法中,单元的形状对结果的精度影响很大,如果单元因为变形过大可能造求解精度降低甚至无法求解下去。而 SPH 算法则是把每个粒子作为一个物质的插值点,各个粒子间通过规则的内插函数计算全部质点,得到整个问题的解。由于 SPH 方法不涉及单元,不存在网格变形问题,无需侵蚀算法。

在网格畸变或大变形区域中使用 SPH 方法,在小变形区域使用有限元方法,在 SPH 粒子和 Lagrange 单元边界上设置接触条件,用 Lagrange 单元为 SPH 粒子提供边界条件。这种方法不仅能在求解大变形或破坏问题时保证计算精度和准确性,还可以节省计算时间。



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