矿泉水瓶 跌落 流固耦合问题分析

前言

本文将使用VPS软件(Pamcrash)，模拟矿泉水瓶跌落的问题，其中，模型中不仅有矿泉水瓶体，还包含瓶中的水，因此，该模型仍是一个流固耦合问题。

在之前的文章中，我们使用VPS软件中的FPM方法，解决了流固耦合问题。

本文将使用另外一种方法，SPH粒子法(smooth particle hydrodynamics, SPH)。与FPM方法相比，该方法需要我们在前处理中将粒子进行可视化，并进行相应的前处理设置。

SPH方法简介

光滑粒子流体动力学(SPH)方法是流体模拟，尤其是液体模拟的一种主要方法。SPH方法也是一种无网格的粒子法,最初提出用于模拟天体物理现象；MULLER 采用 SPH 方法来模拟水，并为SPH 方法在模拟水等流体方面提供了算法基础。

VPS中的SPH算法与CSM求解器相结合，可用于对以下内容进行模拟：

• 超高速冲击，
• 弹道冲击和穿透，
• 爆炸，
• 鸟撞分析，
• 结构对水的影响，
• 液体晃动，
• 动脉血流，
• 波浪对船舶和海洋结构的影响。

SPH粒子不像有限元单元那样具有固定的连通性，而是在一个影响范围内有一个动态邻域，该邻域由求解算法自动更新。一个粒子与另一个粒子之间的定位和信息传递是通过称为 “平滑长度” 的插值距离概念来实现的。当粒子 "N" 位于粒子 "P" 的影响范围内时，粒子"N" 就作为 粒子"P" 的有贡献的邻居 。

SPH 平滑粒子示例

在连续介质动力学数值模拟中，材料由 i = 1, 2, …, N 个质量为 m_i ，密度为 ρ_i 的粒子建模。粒子 i 与属于其影响范围的邻近粒子 j 相互作用。影响范围 (见下图) 由“核函数”(权衡相互关系)，和“平滑长度”(用于限制空间内的相互作用)定义。

粒子i 的影响范围 

前处理软件中的设置

SPH粒子的创建

SPH粒子在VPS求解器中以一个质心位置和体积表示，因此，需要在前处理软件中，将SPH粒子进行可视化。ESI的VCP软件，可以很方便地创建SPH粒子，方法是先将期望进行粒子化的区域划分为实体网格，然后通过单元转换的功能将实体网格转化为SPH粒子。实体单元划分得越小，则获得的SPH粒子越密，数量越多。

SPH单元关键字

SPH粒子在VPS中作为一种特殊的单元进行处理，只与质心位置的一个节点相连，关键字为SPHEL，关键字及解释如下图如所示，可以看到，SPH粒子需要定义质心节点的ID号和其代表的体积。

SPHEL关键字

SPH Part

SPH粒子的其他参数需要在SPH Part中定义，包括平滑长度，滑动选项，反渗透选项，人为粘性，拉伸不稳定性控制等选项。

SPH Part 卡片

SPH 材料

SPH 可以使用以下类型材料：type7（流体动力/弹性塑性），type12 （Johnson-Cook），type16（弹塑性损坏本构），type28（Murnaghan 模型）。本模型中使用了 type28 材料。材料卡片如下图所示。

Mat type28 材料卡片

接触设定

SPH与有限元结构的耦合通过接触罚函数实现，其中SPH粒子是从节点，接触类型选用 type 34。接触卡片设置如下图所示。

Contact 卡片

模型边界和载荷的创建

初速度：模拟水瓶自由落体落地。

将下落高度简化为落地瞬间的初速度，施加对象为模型中所有部件。

落地高度为1.53m，初速度值约为5.48 mm/ms。

初速度卡片

重力加速度：施加恒定的重力加速度场，作用于整个模型所有部件。

重力加速度卡片

结果后处理

动画结果，如下图所示。

动画结果

通过动画结果，可以看到。瓶子竖直跌落到地面后，瓶体底部受到冲击，并向上竖直弹起，如果关心瓶体的变形情况，则可以打开应力，应变结果进行查看。该工况下，瓶体没有发生太大的塑性应变。但实际情况中，水瓶掉落并不是这么理想，可能会有各种不同的角度。因此，有必要根据实际情况调整不同的各个角度的跌落分析。本文将模型进行了适当旋转，落地时，瓶身轴线与竖直方向20°夹角，计算结果如下。

动画结果

可见，在该工况下，瓶体底部会发生严重变形，并发生较大的不可逆的塑性变形。变形结果和应变值如下图所示。

应力应变结果

视频

小编将模型的设置过程做成了视频，关于更多的软件操作和结果展示，从下面原文链接进行观看。

结束语

本文的模型中矿泉水瓶与实际情况一致，可以作为矿泉水瓶开发过程的验证参考。当然，在实际开发过程中，需要验证 不同造型，不同材料，不同壁厚，以及不同的跌落角度等各个因素和工况。

针对这种典型的工况，可以二次开发，将流程固化下来做成固定模板，方便一次建多个模型，并做DOE优化分析。

拓展：如果瓶体的材料是其他材料(如铝罐，玻璃等)，则在分析时需要设置与之匹配的材料本构，可能会涉及到失效参数等。

希望本文能为你带来一些收获，感谢阅读！

引用:

[1]、MULLER M, CHARYPAR D, GROSS M, Particle-based fluid simulation for interactive applications[C] Proceedings of the ACM SIGGRAPH Eurographics Symposium on Computer Animation, Aire-la-Ville, Switzerland: The Eurographics Association, 2003:154-159.

文字 · TechManLxs

校核 · Nicle

视频 · TechManLxs

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