MPM

原理

物质点法 (material point method, MPM)采用拉格朗日和欧拉双重描述,将物体离散为一组在空间网格中运动的质点。

  • 质点携带了所有的物质信息,如质量、速度、应变和应力等,可很方便地跟踪材料的界面和引入与变形历史相关的材料模型。
  • 质点在空间网格中运动,运动方程在空间网格上求解,避免了网格畸变问题,适合于分析特大变形及流动问题。

核心思想

拉格朗日视角 (粒子):物质点携带密度、速度、应力等信息,随物质变形运动。
欧拉视角 (背景网格):划分计算域,用于计算空间导数和物理量更新。
粒子-网格-粒子 (P-G-P):信息通过物质点映射到网格节点,在网格上计算更新,再插值回物质点,完成一个时间步。

主要特点与优势

融合拉格朗日与欧拉:兼具拉格朗日法的精确追踪物质界面能力和欧拉法的网格独立性,避免了有限元网格缠绕畸变问题。
处理大变形:能有效模拟材料的超大变形、破碎、断裂等非线性问题。
自动处理多体接触:物质点在网格内运动,自动处理多介质界面,无需复杂的碰撞检测。
适用范围广:适用于高速碰撞、爆炸冲击、岩土动力学、流体与固体相互作用等复杂问题。

但 MPM 在精度上存在劣势。

基本步骤(一个时间步)

粒子到网格 (P2G)

将物质点信息(如质量、动量)通过插值函数映射到背景网格节点。

网格计算

在背景网格上,根据控制方程(如动量守恒)计算节点力、加速度等。

网格到粒子 (G2P)

将网格上的计算结果(如速度、应力)通过插值函数传回物质点。
(可选)丢弃网格:根据需要重新划分或更新背景网格。

更新粒子

更新物质点的位置、速度和应力状态。

优点

避免网格畸变,适合大变形问题(如雪、泥沙、断裂模拟)。

变种

  • 广义插值物质点法(GIMP):改进插值函数,减少数值噪声。
  • CPDI(Convected Particle Domain Interpolation):更精确描述粒子变形。

应用场景

  1. 可以处理不同材质(流、固等)及它们之间的耦合关系
  2. 可以处理碰撞、破碎等效果
  3. 擅长摸拟大形变

P2G

  1. 粒子的质量、动量、速度等属性,过程同PIC
  2. 粒子应力属性 ⟶ 网格力属性
    流体/固体受力 ⟶ 变形梯度 F ⟶ 柯西应力张量 σ ⟶ 应力张量散度 ⟶ 粒子时网格的力
    力来自应力的空间变化(梯度),而不是应力本身的空间插值。

网格更新

只更新网格速度

G2P

  1. 网格速度插值出粒子速度
  2. 更新粒子位置
  3. 重新计算粒子的变形梯度/应力
    变形梯度F的更新 \(∇N_I(x_P)\)

🔎 Deborah Sulsky, Shi-Jian Zhou, and Howard L Schreyer. Application of a particle-in-cell method to solid mechanics.


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