一种基于光滑粒子流体动力学和非线性有限元的流固耦合方法

摘要

本发明提供一种基于光滑粒子流体动力学（Smoothed-particle hydrodynamics，SPH）和非线性有限元的流固耦合方法，包括了六个步骤：碰撞检测阶段，用于检测流体粒子与有限元网格的碰撞信息；生成代理粒子阶段，主要根据碰撞信息生成代表有限元模型的碰撞代理粒子，用于处理流体与固体的碰撞；计算耦合力阶段，根据代理粒子与流体粒子的位置与速度关系，计算两者碰撞产生的力；分配耦合力阶段，控制代理粒子与有限元模型的位置关系，将耦合力分配到有限元受力模型上；更新位置与速度阶段，根据求出的耦合力驱动有限元模型与流体粒子模型的位置与速度更新；无穿透修正阶段，根据更新的位置修正发生穿透的流体粒子。

主权项

一种基于光滑粒子流体动力学和非线性有限元的流固耦合方法，其特征在于包括以下步骤：步骤（1）、碰撞检测：通过将流体粒子与有限元网格模型投影到规则HASH网格里，为每个粒子查找周围的三角形，检测粒子与三角形产碰撞情况，给出碰撞结果并求出碰撞深度和位置；步骤（2）、生成代理粒子：根据碰撞位置和流体粒子的位置，生成代表碰撞位置附近有限元网格的代理粒子；代理粒子的位置由碰撞和流体粒子的位置求出，代理粒子的质量和速度由其附近的有限元网格求出；步骤（3）、计算耦合力：根据步骤（2）中得到的代理粒子和流体粒子，将两种粒子做为刚体小球，根据动量守恒原则求出碰撞之后流体粒子的速度，并求出碰撞产生的耦合力；步骤（4）、分配耦合力：根据代理粒子周围有限元结点的质量和距离，将步骤（3）中计算得到的代理粒子受到的耦合力分配到附近的有限元结点上，做为有限元模型受到的外力进行碰撞响应；步骤（5）、更新位置与速度：根据步骤（3）的计算得到的耦合力，做为流体粒子的外力更新其位置和速度，做为碰撞对流体粒子的影响；步骤（6）、无穿透修正：根据步骤（5）的计算得到的流体粒子的位置和有限元网格的位置，再次进行碰撞检测，找出穿透有限元模型表面的流体粒子，直接修正其位置以解决流体与固体的穿透现象。