Implementierung einer Erweiterung zur Behandlung von Hochgeschwindigkeitsaufprall mit dem SiPER SPH-Code

Abstract

Die Finite-Element-Methode ist gut geeignet, um die Flugbahn und Restgeschwindigkeit eines Projektils bei einem Hochgeschwindigkeitsaufprall vorherzusagen. Große Schwierigkeiten hat die Methode jedoch bei der Vorhersage des Bruchverhaltens eines Projektils. Im Gegensatz dazu ist die Smoothed Particle Hydrodynamics-Methode (SPH) ein verbreiteter Ansatz, um den Bruch von formbaren Körpern zu simulieren. Deshalb soll der Hochgeschwindigkeitsaufprall, als Alternative, mit einer SPH-Simulation durchgeführt werden. Um die zugrundeliegenden Gleichungen zu verstehen, wird eine quelloffene Umgebung gewählt. Das SiPER Simulationsprogramm bietet eine solche quelloffene SPH-Methode, muss aber um eine Rigid Wall und ein Feststoffmodell erweitert werden. Um die Entwicklung zu ermöglichen, wird ausführlich beschrieben, wie die SiPER Entwicklungsumgebung aufgesetzt wird und wie sie möglichst effizient verwendet werden kann. Zusätzlich wird detailliert beschrieben, wie SiPER konfiguriert wird und was die angebotenen Konfigurationen bedeuten. Zum Testen der Erweiterungen wird außerdem ein Testfall beschrieben. Die Erweiterungen selbst werden methodisch erklärt und daraufhin auch praktisch im Code umgesetzt. Dabei wird auf die Schwierigkeiten einer künstlichen Kraft eingegangen und wie diese bewältigt werden können. Außerdem werden ein Überblick über die Arbeit mit SiPER und Vorschläge zur Verbesserung der Codequalität gegeben.

The finite element method is well suited to predict the trajectory and residual velocity of a projectile in a high velocity impact. However, the method has great difficulty in predicting the fracture of the projectile. In contrast, the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method is a widely used approach to simulate the fracture of ductile bodies. Therefore, the high velocity impact, as an alternative, will be performed with a SPH simulation. In order to understand the underlying equations, an open source environment is chosen. The SiPER simulation program offers such an open source SPH method, but must be extended by a rigid wall and a material model for solids. In order to enable the development, it is described in detail how the SiPER development environment is set up and how it can be used as efficiently as possible. In addition, it describes in detail how SiPER is configured and what the offered configurations mean. A test case is also described for testing the extensions. The extensions themselves are methodically explained and then practically implemented in the code. The difficulties of an artificial force and how these can be overcome are dealt with. In addition an overview of the work with SiPER and suggestions for the improvement of the code quality are given.