LS-DYNA/Hypermesh携手：FEM-SPH模型构建法（一）

前言：

在对裂纹扩展进行研究时，现有的有限元方法具有一定的局限性。传统的有限单元离散是一种连续的网格划分，相邻单元之间共享节点和边界，阻止了单元之间的分离，从而无法进行断裂模拟[1]。并且基于网格的方法对其进行数值模拟存在困难，拉格朗日网格方法 会遭遇单元畸变而计算终止。光滑粒子流体动力学 (SPH)作为一种无网格、拉格朗日粒子法，能克服基于网格的方法的缺陷。但是由于其计算效率低下遂产生了FEM-SPH 联合算法。

初步进行学习时，未发现有参考资料对FEM-SPH联合建模的方法进行介绍，所以专门对本部分内容进行一个讲解。文中使用的软件为LS-DYNA r11.1及其自带的处理器Pre-Post4.6.17。

现有的生成SPH粒子的方法主要有两种，一种是基于几何模型生成SPH粒子（需要自己先建立几何模型），另一种是根据现有软件定义的一些几何形状，直接生成粒子。前一种方法的优点就是可以对复杂几何形状的模型进行粒子生成，但是生成的粒子可能不是太规整。后者则反之。这里我们首先使用LS-DYNA对第二种生成方式进行介绍。之后会对第一种方式进行讲解。

我们都知道LS-DYNA的计算文件叫K文件 ，所以FEM-SPH联合模型的生成就围绕这个进行。现有的LS-DYNA程序自带的Pre-Post前后处理器虽然可以进行网格的划分，但是其效率不高，主流选择是使用美国Altair公司提供的Hypermesh 软件，其是世界领先的有限元前处理软件。可以为现有的主流有限元计算程序提供前处理功能，并且兼容性很好。使用Hypermesh软件的一个隐藏优点就是将来使用其他有限元程序时可以很快的解决前处理问题，不用换一个软件还要从新学习一遍前处理。

同时使用LS-DYNA和Hypermesh建立FEM-SPH联合模型有一定的局限性，就在于K文件的编写属性决定Hypermesh在建立有限元单元之后，不能将包含有有限元网格和几何模型的K文件同时导出，也就决定了FEM-SPH联合模型不能是相连接的。如下图所示：

这是小球撞击平板的模型，这个模型中小球是使用FEM单元，背后的平板则是使用的SPH粒子。实现方法是先在Hypermesh中生成小球网格，之后导出K文件，导入LS-DYNA中继续生成SPH粒子，这个模型的特点就是小球和平板是分离的。继续拿平板举例，我们如果要将平板的一部分生成FEM，另一部分是SPH，则需要使用Hypermesh软件统一建立，否则将无法建立。这也是一点局限性。

综上所述，我们可以得出以下结论。同时使用LS-DYNA和Hypermesh建立FEM-SPH联合模型时，建立的模型FEM网格和SPH粒子部分不能是相连的。并且由于K文件的编写属性，LS-DYNA中建立的SPH粒子必须是简单几何，比如二维面，三维球、圆柱、圆台等。模型符合这几个条件，才采用多软件联合建立的方式。否则必须采用先建立几何模型，之后使用Hypermesh统一建立FEM-SPH联合模型的方法。

[1]. 王木飞与李志强, 冲击载荷下平板玻璃裂纹扩展和破坏形态的数值模拟. 高压物理学报, 2022. 36(05): 第117-127页.