LS-DYNA | 自适应FEM-SPH方法

高速冲击涉及材料的大变形、破碎和飞溅等现象,应用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。SPH在处理大变形方面较有限元法(FEM)等拉格朗日网格方法有优势,计算精度和效率都不及FEM,并且SPH的边界处理不如FEM方便。

基于此,发展了将SPH与FEM进行耦合的方法,有FEM-SPH固定和FEM-SPH自适应两种算法。FEM-SPH固定耦合算法在模型中变形较大的部分使用SHP算法,其余部分使用FEM,FEM与SPH边界采用接触方式进行连接;有别于固定耦合算法,自适应FEM-SPH算法是将失效的拉格朗日单元自动转换为SPH粒子,无需单独创建SPH单元,原理如下图。

LS-DYNA | 自适应FEM-SPH方法的图1

图 自适应FEM-SPH过程

以弹丸侵彻双层靶为例,对比自适应FEM-SPH算法和拉格朗日算法的区别。弹丸垂直侵彻,速度为500m/s,两层靶板中间部分采用自适应FEM-SPH算法,其余部分采用拉格朗日算法。弹丸和靶板采用J-C材料本构。

LS-DYNA | 自适应FEM-SPH方法的图2

图 数值计算1/4模型

弹丸对双层刚靶的侵彻过程如下。自适应FEM-SPH方法在靶板FEM单元失效后自动转化为SPH粒子,拉格朗日方法将失效单元直接删除。

LS-DYNA | 自适应FEM-SPH方法的图3

图 侵彻过程(左:自适应FEM-SPH,右:拉格朗日)

LS-DYNA | 自适应FEM-SPH方法的图4
LS-DYNA | 自适应FEM-SPH方法的图5

图 侵彻过程动图(左:自适应FEM-SPH,右:拉格朗日)

LS-DYNA | 自适应FEM-SPH方法的图6
LS-DYNA | 自适应FEM-SPH方法的图7

图 侵彻过程弹丸速度(上:自适应FEM-SPH,下:拉格朗日)

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