【专题】SPH的源流、特点、应用及在LS-DYNA中模拟的注意事项

songerking

目的：
了解SPH的源流、特点、应用及在LS-DYNA中模拟的注意事项。
专题结构：

1.什么是SPH；

2.SPH方法的应用领域；

3.SPH方法的基本思想；

4. LS-DYNA/SPH如何实现SPH的（SPH程序实现思路）；

5.SPH方法模拟中常见问题；

6.LS-DYNA问题贴。

负责人：songerking，欢迎各位大牛前来编辑此专题

songerking

5.LS-DYNA/SPH方法模拟中常见问题

1）K文件中如何生成粒子模型：先生成结构化网格（FEM网格），然后自编程序（网上有很多界面封装较好的SPH粒子生成程序）在节点上/单元积分点/节点和单元内部等部位配置SPH粒子，然后删除掉FEM的Elements，即可。目前已知ANSYS前处理不支持粒子生成。lspp可以生成SPH粒子【#12楼，感谢zhuliuxian】，hm等未进行相关操作，一般流行做法是利用小程序在节点上配置SPH粒子。

2）SPH控制的关键字：除常规关键字外，至少需要以下关键字SPH方可运行，*Control_SPH，*Element_SPH，*Section_SPH

3）光滑长度h的选用：*Section_SPH卡片Card1，item2，CSLH，合适的取值1.0~1.2，数值越大，支持域内粒子越多，计算量越大。PS：此处并非真正的光滑长度h，而是一个系数，LS-DYNA已默认为3*L，因此若CSLH取1.0，则h=CSLH*3*L，其中L为最大单元特征长度。

4）SPH粒子质量多大合适：mass value的取值不当，会造成应力波无法正常传播，这个质量可以根据具体问题进行调整，但是在Mass=total mass/total number附近为宜。

5）SPH是否支持SPC边界？Yes

6）SPH专用边界关键字：*Boundary_SPH_Flow, *Boundary_SPH_Symmetry_Plane.前者用于施加流体边界，后者用于虚粒子配置。

7)  LS-DYNA/SPH模型的建立方法：把有限元模型用LS-DYNA生成K文件，用文本编辑器编辑K文件，删除*ELEMENT_SOID、*SECTION_SOLID等Lagrange单元信息，添加SPH质点及其相关属性*ELEMENT_SPH、*SECTION_SPH和*CONTROL_SPH等关键字，保存修改后的单元类型、材料类型及参数、接触方式、节点编号等设置，重新生成K文件。单元网格划分一定要均匀，单元质量=总质量/粒子总数。由于是无网格方法，SPH算法要求粒子的初始质量和坐标满足一定的条件：所有的SPH粒子应具有相同的质量，即同种材料的粒子（具有相同的初始密度）具有相同的体积。【详见#12楼，感谢zhuliuxian】

8）如何进行SPH-FEM联合仿真：SPH方法中node与element其实是一一对应的关系，联合仿真一般用接触来实现，SPH接触一般采用node形式，FEM接触可进行选择node或者element。 基础理论与工程实践一书中有弹体侵彻靶板的FE/SPH耦合计算实例。

9）虚粒子多少层合适：个人建议不低于3层。

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6.LS-DYNA/SPH问题及资料贴汇总

1）【已解决】求助弹体侵彻FE-SPH靶板模型出现问题！ http://forum.simwe.com/forum.php?mod=viewthread&tid=1036635&highlight=sph

内容概要：建立弹体侵彻FE-SPH靶板模型，弹从SPH粒子中经过，粒子没有被推开或发生飞溅效应，弹和SPH粒子发生重叠，被这个错误困扰了很久，现在终于找到了解决的方法，将弹体的网格放大，使其相对于SPH粒子要粗些，这是因为看到htbbzzg老师博客上的资料介绍说粗网格表面定义为主面，细网格表面为从面。这里我是将弹为主面，靶（SPH粒子）为从面，于是改动之后，果然可行了【bitmse2010 自己解决，并提供了自己的经验和k文件，鼓励之！】

2）【资料共享】SPH粒子算法资料：autodyna的SPH manual http://forum.simwe.com/forum.php?mod=viewthread&tid=854141&highlight=sph【汪洋1234 】

3）【原创】SPH在入水冲击、机轮滑水和水上迫降中的应用：http://forum.simwe.com/thread-1018190-1-1.html

内容概要：这是入水问题（流固耦合）的经典之作，内容翔实，画面美观，堪称佳作。【cnetuwmj 大神巨制】

4）【原创】SPH算例讨论区（妞妞专用帖,更新到17楼2011.5.31）：http://forum.simwe.com/thread-982981-1-1.html

内容概要：cnetuwmj 发布的原创帖，楔形体自由入水，加速度仪掉入泥土两个例子。帖子中提到：高速时，需要减小时间步长缩放因子，或者增大接触刚度缩放因子，否则检测不到接触。（估计直接就穿透了，导致非物理的数值解，这跟FEM类似-----by songerking）【cnetuwmj 发布】

5）【资料共享】分享: SPH论文：http://forum.simwe.com/thread-868791-1-1.html

内容概要：ywh362568 版主分享的射流破岩方面的SPH论文。【ywh362568 】

6）【原创】混凝土板接触爆炸SPH数值模拟 ：http://forum.simwe.com/forum.php?mod=viewthread&tid=767795&highlight=sph

内容概要：接触碰撞，爆炸耦合【Paper_Gunner 】

7）【资料共享】一篇很好的文献！模拟水箱跌落lag/euler/ale/sph四法比较http://forum.simwe.com/forum.php?mod=viewthread&tid=459107&highlight=sph

内容概要：数值计算方法对同一问题的比较。【over973515 】

8）【原创】SPH切削模拟的一些经验：[url=http://forum.simwe.com/forum.php?mod=viewthread&tid=1023522&highlight=SPH%E5%88%87%E5%89%8A%E6%A8%A1%E6%8B%9F%E7%9A%84%E4%B8%80%E4%BA%9B%E7%BB%8F%E9%AA%8C]http://forum.simwe.com/forum.php ... B%E7%BB%8F%E9%AA%8C[/url]

内容概要：金属切削，内容丰富，有自己的经验分享，对SPH的接触、热力耦合等进行了很好的说明和仿真。接触时，网格密度与粒子密度不可相差太大，否则会出错；sph部件与刚体部件之间无法热传递，除非都是弹性体；sph不支持刚性材料。【jijingzhisheng大作，强烈推荐】

9）【原创】 弹丸侵彻SPH靶板的教程：http://forum.simwe.com/forum.php?mod=viewthread&tid=990041&highlight=%E5%BC%B9%E4%B8%B8%E4%BE%B5%E5%BD%BBSPH%E9%9D%B6%E6%9D%BF%E7%9A%84%E6%95%99%E7%A8%8B

内容概要：step by step教程。主要是利用ANSYS前处理建立弹丸的有限元模型，然后输出K文件，利用LS-PREPOST软件对K文件进行前处理（建立SPH靶板模型、完成相关关键字的设置及修改），通过操作能对LS-PREPOST的前处理功能有所熟悉。本教程是基于ANSYS13.0和LS-PREPOST3.0制作完成的。【wyc412721管理员大作，感谢#19楼76243386推荐】

76243386

songerking 发表于 2012-5-28 10:19
6.LS-DYNA/SPH问题及资料贴汇总
1）【已解决】求助弹体侵彻FE-SPH靶板模型出现问题！ http://forum.simwe.c ...

帮楼主补充一份wyc412721大神的《弹丸侵彻SPH靶板的教程》step by step教程
该教程采用ANSYS做前处理建立弹丸有限元模型，LSPP建立靶板SPH粒子！
http://forum.simwe.com/forum.php ... 4%E6%95%99%E7%A8%8B

songerking

1.什么是SPH？

SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics)， 光滑粒子流体动力学方法，又叫光滑质点流体动力学方法，简称粒子法、SPH方法。

1）SPH方法的诞生

SPH方法于1977分别同时由Lucy以及Gingold和Monaghan提出，用于解决无边界的天体物理三维流体自引力问题和模拟连续介质流问题。1994年Benz等人利用该方法模拟了固体力学应力波传播问题。随后，Monaghan在自由表面流和重力流等非连续不可压缩流体力学问题上给出了很好的计算结果（1994，1996年）。

2）SPH方法的应用发展概述

自从上世纪90年代初，SPH方法的应用扩展到多个领域的计算力学之中，在固体的侵彻冲击、爆炸与高速冲击科学、流体动力学、二相流、磁流体动力学以及材料动载响应等领域取得了长足进展，国内主要方向集中在SPH在冲击动力学方面的应用。

3）SPH方法的应用领域概述

在光滑粒子流体动力学方法里面，系统的状态是用一系列的粒子来描述的，这些粒子包含了独自的材料性质，而且服从运动的守恒控制方程。SPH方法作为一种纯拉格朗日形式的无网格粒子方法，其最重要的特性就是自适应性，因此SPH的公式构造不会受到粒子分布的随意性影响，自然可以处理一些具有极大变形的广义流体动力学问题。

------------------------------------资料推介------------------------------------

   1.   G. R. Liu，M. B. Liu. Smoothed particle hydrodynamics—a meshfree particle method [M]. New Jersey: World Scientific Publishing Company, 2003.9【湖南大学出版社有中文版】，新加坡国立大学之ACES是MeshFree方法的一个学术高地

   2..  Manchester大学Sphysics软件及文献资料  http://wiki.manchester.ac.uk/sphysics/index.php/Main_Page#，受欧洲原子能机构资助研发，非常经典。

songerking

2.SPH方法的应用领域

一般流体领域

电影特效及流体加速（OpenGL的SPH加速）

天体物理学

侵砌问题

高速碰撞

磁流问题

多相流

溃坝问题

海岸线冲刷及近海构筑物问题

自由表面流（岩浆喷发及致灾）

绕柱流（海洋工程桩基稳定性）

沙漠演化问题

入水问题

炸药问题

地震中土壤液化

锻压成型

断裂问题

渗流问题

…

songerking

3.SPH方法的基本思想：

SPH方法是一种具有无网格、自适应、计算稳定以及拉格朗日性质的动力学求解方法：

a.无网格：问题域采用粒子描述，形成几何离散模型。

b.函数（核）近似：某个粒子的函数值以其支持域内粒子积分表述，因此SPH方法一般是一种强形式的计算方法，其在函数近似阶段即进行积分，而弱形式的EFG等方法是在系统方程离散化中进行积分运算。

c.核近似方程的粒子近似：对b中函数进行离散化，以粒子形式求和。

--------------- abc类似于FEM单元刚度矩阵形成的过程----------------------------

d.每个时间步的粒子近似：SPH方法对每个时间步都进行粒子近似，因此具备自适应性。

e.拉格朗日特性：应用粒子近似法到所有偏微分方程组中，得到只与时间相关的常微分方程组。

f. 动力学特性：显式积分法求解常微分方程组。

---------------def是系统方程的求解思想----------------------------------------------------

SPH方法的缺点是边界不够精确，这是由于积分域在边界处被截断所致，目前有很多学者从事边界的修正工作，比如采用非球形支持域、虚粒子方法等等，从而使得边界问题得到了很大改善。

songerking

4.SPH程序实现思路

1）用粒子描述问题域，再对边界条件进行适当处理则可以得到初始瞬时t时刻离散粒子上的计算信息；

2）用适当的粒子近似法进行离散控制方程的导数或者积分；

3）从得到的速度或者位置坐标计算应变和应变率，然后计算每个粒子在瞬时t的应力；

4）用计算出来的应力计算每个粒子的加速度；

5）用瞬时t的加速度计算t+Δt时刻的速度和位置新坐标；

6）用新速度或者新位置坐标计算t+Δt瞬时新的应变率和新应变，然后计算t+Δt瞬时的新应力，重复第四、第五和第六步，直到指定的瞬间。

--------------------SPH领域的开源程序，有兴趣者可以下载研究--------------------------

详见songerking在非有限元数值方法区的主题帖http://forum.simwe.com/thread-1036841-1-1.html

songerking

小弟仅作抛砖引玉，希望大家一起来研究SPH方法。有什么经验和案例可以在此分享，恭请各位不吝赐教！
PS：本专题逐步完善，未尽事宜请各位版主、总版、管理员及站长予以补充，并加以指导！

zhuliuxian

songya兄，辛苦了。我学习sph好久了，也在做这方面的分析。先分享一下大牛之作，详情请看：http://www.thecodeway.com/blog/?p=1778

zhuliuxian

songerking 发表于 2012-5-28 10:19
5.SPH方法模拟中常见问题1）K文件中如何生成粒子模型：先生成结构化网格（FEM网格），然后自编程序（网上有 ...

songerking兄，我是在ls-prepost里直接生成的sph模型。

zhuliuxian

zhuliuxian 发表于 2012-5-28 11:15
songerking兄，我是在ls-prepost里直接生成的sph模型。

好，兄弟！我整理一下，稍后奉上！

zhuliuxian

SPH模型的建立方法：
1

    把有限元模型用LS-DYNA生成K文件，用文本编辑器编辑K文件，删除*ELEMENT_SOID、*SECTION_SOLID等Lagrange单元信息，添加SPH质点及其相关属性*ELEMENT_SPH、*SECTION_SPH和*CONTROL_SPH等关键字，保存修改后的单元类型、材料类型及参数、接触方式、节点编号等设置，重新生成K文件。单元网格划分一定要均匀，单元质量=总质量/粒子总数。由于是无网格方法，SPH算法要求粒子的初始质量和坐标满足一定的条件：所有的SPH粒子应具有相同的质量，即同种材料的粒子（具有相同的初始密度）具有相同的体积。

2

     ANSYS前后处理器LS-PREPOST有直接生成SPH粒子模型功能，如图所示。  

3  在有限元模型节点处布置粒子，详情参考songerking兄程序软件。http://forum.simwe.com/thread-1032394-1-1.html

4  通过VB或者其他计算机语言编写可执行程序，生成SPH模型。

以上，是自己本人拙见，欢迎论坛各位好友交流，不当之处欢迎批评指正。向一直以来支持帮助我的各位好友致谢！

2008hmily

zhuliuxian 发表于 2012-5-28 11:37
SPH模型的建立方法：
1    把有限元模型用LS-DYNA生成K文件，用文本编辑器编辑K文件，删除*ELEMENT_SOID、* ...

你好，如何在lspp中生成二维的SPH粒子，非box下，谢谢

76243386

我来谈谈我划分SPH粒子的方法：
lspp里面提供了多种方法分别如下

前面六种方法依赖于粒子区域的几何边界，对于我用HM做前处理的话感觉很不方便，毕竟导入lspp后几何信息丢失了，当然，我也懒得去量几何信息。
我是先在需要划分sph的最外层做好shell网格），放置在一个component里面，导出K文件后用lspp提供的shell volume方法直接快速创建sph粒子。
强调一点，如果是sph粒子和FE耦合，需要在HM里面将两者接触区域的节点进行融合！同时，做耦合的时候还需要考虑相应的接触关键字！

zhuliuxian

zhuliuxian 发表于 2012-5-28 11:37
SPH模型的建立方法：
1    把有限元模型用LS-DYNA生成K文件，用文本编辑器编辑K文件，删除*ELEMENT_SOID、* ...

好，我整理一下，打包送出！

zhuliuxian

大家都对SPH的学习比较热情，现奉上几个SPH实例的k文件，希望大家多多交流！

zhuliuxian

由于现在手头忙毕业的事情，还有些SPH实例k文件没有整理上传，希望大家在版块多多交流，相互学习，共同进步！

zouxicong123

问一下楼主，这个关键词怎么用？*Boundary_SPH_Flow。我想上传一个水箱晃动的例子，但是传不了啊。大概10M左右。

懒羊羊

能请教一下SPH的TNTS接触的问题么，总是出现各种各样问题。