LS-DYNA中的材料加工，制造过程及破坏分析-无网格SPG方法

基于网格的数值方法局限性与无网格光滑粒子伽辽金法（SPG）在三维材料模拟中的应用

引言

在材料科学与工程领域，基于网格的数值方法如有限元素法（FEM）在模拟材料的损伤和破坏过程中显示出一定的局限性，尤其是对于复杂三维结构中材料的非线性行为和大应变情况。因此，LSDYNA开发了无网格光滑粒子伽辽金法（Smooth Particle Analytical Globalization, SPG），这一方法通过直接在节点上进行空间积分，避免了传统无网格法中采用背景网格带来的限制，为模拟三维材料、结构中的损伤/破坏行为提供了更为准确和鲁棒的手段。

线性与非线性材料分析

SPG方法特别设计用于处理延性材料的动态破坏分析，包括材料在加工、制造过程中的损伤演化和破坏行为。这种方法吸收了有限元素法的优点，同时克服了网格相关性和单元删除导致的质量、动量或能量守恒问题，利用“bound failure”原则，即使在材料损伤过程中也能保持物理解耦的稳定性。此外，SPG采用振子原理建立离散域，而非仅仅依赖在网格上的积分，使分析更为高效稳定，且只损失与键断裂相关的部分能量，避免了传统无网格方法的收敛性问题和过度振荡现象。

行业应用案例


SPG方法在多个行业的应用展现出其强大的模拟能力：

汽车工业：用于模拟机械连接工艺、接头强度，如螺纹成型、以软件为基础的实验程序（SoftwareAssisted Experimental Procedures, SAP）等加工过程。

制造业与电子工业：涉及橡胶下料、切割、钻孔、研磨、超声波切割等工艺，以及各种材料的螺纹成型，适用于金属、复合材料、混凝土、木材和骨头等。

国防工业：高速撞击与侵彻模拟，如侵彻混凝土和金属目标，特别针对材料的延性和非线性应力响应进行量化。

生物医学和牙科：应用于牙齿钻孔、植入，以及骨钻过程，考虑生物材料的各向异性特性和损伤机制。




技术特点与对比

相较于有限元素法（FEM）和球面粒子网格法（SPAHH、SPH等），SPG法更专注于直接积分，减少对空间网格的依赖，确保能量守恒的同时提供更稳定的求解过程。各数值方法基于相同的平衡方程和强形式建立，但其离散策略和能量混杂机制存在本质差异，SPG方法在准确性、稳定性及能量守恒确保方面更具优势。

几何围体材料（Solid Volume Material）及其模拟

SPG方法能够高效模拟各种几何围体材料的行为，应用范围广泛，覆盖从混凝土材料的螺旋形成和压力敏感特性，到金属、木材、骨和复合材料的机械加工过程，以及涉及裂纹扩展、纤维损伤的影响。

未来展望

LSDYNA团队正致力于开发基于损伤机理的失效模型、热力耦合分析能力、以及颗粒间接触机制的研究，旨在进一步增强SPG方法在制造过程中的分析精度与效果。针对多阶段制造流程（MultiStage Manufacturing Process, MMP）设计专用的模拟算法，包括连接工艺和接头强度分析，使得模拟过程更符合实际工程需求。

附加资源与社区参与

为了推动更多用户参与到基于SPG的数值方法应用中，并获取相关模型及研究资源，LSDYNA团队鼓励通过私信查询以获取更多资料和实例应用。此外，欢迎行业专家、研究机构和整车厂在多年数据共享和协作的基础上，共同推动这项技术的持续发展与优化，服务于更多领域，包括但不限于新能源汽车、生物医药、复合材料加工等。