在航空结构设计领域，鸟体撞击是至关重要的安全性考核项目。传统有限元方法（FEM）在模拟此类强冲击、大变形问题时存在一定局限性。GFE软件可采用光滑粒子与有限元耦合分析方法（FEM-SPH），实现对鸟撞过程的高效数值仿真。
01
问题难点
采用FEM模拟具有以下挑战:
1. 鸟体撞击机身时，会产生剧烈的局部变形和碎裂现象，FEM 网格在这种大变形下容易扭曲、塌陷，导致计算不稳定或直接发散。
2. 为捕捉撞击局部响应，需采用极细网格与极小的时间步长，显著增加计算资源与时间成本。
3. FEM在处理流体行为、飞散碎屑等方面存在理论适配性不足的问题。
SPH-FEM方法的合理性与优点：
1. 在高速撞击条件下，鸟体表现出类流体动力学行为，其生物组织可近似为弱可压缩材料，符合SPH方法的基本假设。
2. 使用SPH-FEM流固耦合分析，将鸟视为一类由离散粒子构成的近似流体介质，SPH基于拉格朗日粒子描述，天然规避网格畸变问题，适用于模拟撞击过程中的飞溅、碎裂等现象，并能显著地提高计算效率。
02
模型概况
飞机模型的节点数为54000，单元数为58866，其中S3R单元3477个，S4R单元55389个。将鸟设置为SPH粒子，并将与鸟体发生接触的外壳单元设置为浮体，以准确模拟耦合作用。
图1 飞机有限元模型
图2 鸟体模型
图3 浮体单元（高亮区域）
03
结果展示
以下动画展示了鸟体与飞机结构撞击的全局及局部动态过程：
全局撞击动画
局部撞击动画
仿真结果清晰呈现了鸟体在撞击过程中的飞溅、扩散行为，以及机身结构的动态响应，验证了SPH-FEM流固耦合方法在此类瞬态强非线性问题中的适用性。
04
小结
GFE成功实现了鸟撞飞机SPH-FEM流固耦合分析，该方法有效克服了传统有限元在大变形模拟中的网格依赖性，在保证物理真实性的同时提高了计算效率。
该技术框架可进一步推广至航空航天、工程防护、抗洪减灾等多个领域的冲击力学分析中，为工程设计与安全评估提供可靠的数值验证手段。
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广州颖力科技有限公司由国家重大人才计划入选者李志山博士和曹胜涛博士创建。公司设立在清华珠三角研究院总部的孵化基地，为黄埔开发区的创业精英人才公司，并入选广州市“红棉计划”。
公司团队有20余年的大规模非线性分析软件的研发经验，一直致力于工业和工程领域高性能有限元分析软件的开发及推广应用，自主研发了高性能通用有限元分析软件GFE。在杜修力院士、赵密教授等专家的指导下，公司自主研发了地下结构动力分析模块GFE-SSA，全面支持我国地下结构抗震领域的科学研究及工程设计，填补了国内技术的空白。
GFE软件共包含有五大功能模块：数据接口、前处理、显式分析求解器、隐式分析求解器及后处理，其应用领域涵括了抗震分析、抗爆分析、环境振动、施工模拟、核电结构、桥梁结构、节点性能等各种工程领域，并涵括了智能设备跌落、汽车NVH及碰撞、特殊设备分析等各种工业领域。
GFE软件将CPU+GPU异构并行计算技术和有限元仿真分析方法结合，并在功能研发上综合考虑了国内工程、工业领域的实际应用需求，在保证计算精度的前提下，大幅提升了国内有限元分析软件的计算效率、非线性分析能力、易用性和专业性，其技术思路和软件效率在世界范围内处于领先地位，在工业制造领域、工程设计领域具有广阔的应用市场前景。
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