LS-DYNA中文教程

第二部分ANSYS/LS-DYNA程序的使用方法1概述ANSYS/LS-DYNA程序系统是将非线性动力分析程序LS-DYNA显式积分部分与ANSYS程序的前处理PREP7和后处理POST1、POST26连接成一体。这样既能充分运用LS-DYNA程序强大的非线性动力分析功能，又能很好地利用ANSYS程序完善的前后处理功能来建立有限元模型与观察计算结果，它们之间的关系如下。Jobname.DBJobname.RSTd3plotJobname.HISd3thdtANSYS/LS-DYNA程序系统的求解步骤为：1.1前处理Preprocessor建模（用PREP7前处理解算器）1.设置Preference(MainMenu:Preference)选项置StructuralLS-DYNAexplicit。这样，以后显示的菜单完全被过滤成ANSYS/LS-DYNA的输入选项。再定义一种显式单元类型，即可激活LS-DYNA求解。GUI:MainMenuPreferencesa.选择Structural.b.选择LS-DYNAExplicit.c.OK.ANSYS前处理PREP7ANSYS/LS-DYNAANSYS后处理POST1,POST26后处理LS-TAURUSJobname.k2.定义单元类型ElementType和Option（算法）和实常数RealConstant。3.定义材料性质MaterialProperties。4.建立结构实体模型Modeling。5.进行有限元网格剖分Meshing。6.定义接触界面Contact。1.2加载和求解Solution1.约束、加载和给定初始速度。2.设置求解过程的控制参数。3.选择输出文件和输出时间间隔。4.求解Solve（调用LS-DYNA）。1.3后处理POST1（观察整体变形和应力应变状态）和POST26（绘制时间历程曲线），也可连接LSTC公司的后处理程序LS-TAURUS。在各程序模块之间传递数据的文件有：(1)ANSYS数据文件数据库文件(DatabaseFile)－Jobname.DB二进制文件图形数据文件(ResultsFile)－Jobname.RST二进制文件时间历程数据文件－Jobname.HIS二进制文件输出文件(OutputFile)－Jobname.OUTASCII文件命令文件(LogFile)－Jobname.LOGASCII文件(2)LS-DYNA数据文件输入数据文件(Iuputfile)－Jobname.KASCII文件重起动文件(DumpFile)－D3DUMP随机文件图形数据文件(PlotFile)－D3PLOT随机文件时间历程文件－D3THDT随机文件由于ANSYS前处理程序还不能满足LS-DYNA程序系统的全部功能，用户可以生成LS-DYNA的输入数据文件Jobname.K，经过编辑、修改后，再直接调用LS-DYNA程序求解，其计算结果图形数据文件仍然可以连接ANSYS后处理程序POST1和POST26以及LS-DYNA的后处理程序LS-TAURUS观察计算结果。ANSYS/LS-DYNA可以与ANSYS结构分析程序之间传递几何数据和结果数据来执行隐式显式和显式－隐式分析，如跌落试验、回弹计算等。使用ANSYS/LS-DYNA时，建议用户使用程序提供的缺省设置。多数情况，这些设置适合求解问题。下面详细介绍ANSYS/LS-DYNA程序的使用方法，由于ANSYS前处理程序PREP7的实体建模和网格剖分在ANSYS培训教材中详细介绍，这里不再重复。2单元160-168九种单元2.1概述在ANSYS/LS-DYNA程序的显式动态分析中可以使用如下类型单元：LINK160杆单元轴向力BEAM161梁单元两个端点PLANE162二维实体单元SHELL163薄壳单元薄壳SOLID164三维实体单元三维一般情况COMBI165弹簧阻尼单元弹簧MASS166质量单元一个点LINK167仅位伸单元索SOLID168四面体实体单元这些单元都是三维的，采用线性位移函数（低阶单元），每种单元都有多种算法可供用户选择。其高斯积分点数，缺省时实体单元是单点积分，薄壳单元是面内单点积分、沿壳厚多点积分。线性位移函数和单积分点的显式单元能够很好地用于大变形和材料失效等非线性问题。近年来新版本LS-DYNA的单元也可以采用多点积分，供用户选择。各种单元能够选用的材料模型是有限制的，详见下一节“材料性质”。(1)SOLID164实体单元它是8节点六面体单元，可以采用某些节点重复来退化成6节点楔形单元，5节点锥形单元。在受弯曲时退化单元比较僵硬，要尽量避免使用。实体单元算法有二种：(1)KEYOPT(1)=1，缺省算法，采用单点积分和沙漏控制。它能节省机时并在大变形条件下增加可靠性。(2)KEYOPT(1)=2，采用2X2X2多点高斯积分。它没有零能模式，不需要沙漏控制。对于某种材料，如泡沫材料，计算结果会好些。但计算机时将有显著增加。(2)SHELL163薄壳单元它是4节点四边形单元，或3节点三角形单元。有11种算法，用KEYOPT(1)值来定义不同算法。和实体单元一样，积分点数会显著影响机时耗费，对于一般课题建议采用面内单点积分。以下概述这十一种算法。a.4节点四边形薄壳单元（沿壳厚多积分点）－Belytschko-Tsay(KEYOPT(1)=2)缺省算法采用面内单点积分，计算速度快，建议在大多数分析中使用，单元过度翘曲时不要使用。－Belytschko-Wong-Chiang(KEOPT(1)=10)比Belytschko-Tsay算法慢1/4，采用面内单点积分，用于翘曲情况，一般可得到正确结果。－Belytschko-Leriathan(KEYOPT(1)=8)采用面内单点积分，比Belytschko-Tsay算法慢2/5，自动含物理上的沙漏控制。－Hughes-Liu(KEYOPT(1)=1)采用面内单点积分，比Belytschko-Tsay算法慢250%。－Fast(Co-Rotational)Hughes-Liu（改进型KEYOPT(1)=11）采用面内单点积分，比Belytschko-Tsay算法慢150%。－S/RHughes-Liu(KEYOPT(1)=6)采用面内２X２积分点，没有沙漏，比Belytschko-Tsay算法慢20倍，如果在分析中遇到沙漏麻烦的话，建议使用这种算法。－S/Rco-rotationalHughes-Liu(KEYOPT(1)=7)采用面内２X２积分点，没有沙漏，比Belytschko-Tsay算法慢8.8倍，如果在分析中遇到沙漏麻烦的话，建议使用这种算法。b.薄膜单元算法（沿壳厚单积分点）－Belytschko-Tsay(KEYOPT(1)=5)薄膜单元采用单个积分点，计算速度快，建议在大多数薄膜分析中使用，可很好地用于纤维织品。－FullyintegratedBelytschko-Tsay(KEYOPT(1)=9)薄膜单元采用2X2积分点，无沙漏控制，比Belytschko-Tsay单积分点薄膜单元要显著地慢。c.3节点三角形薄壳单元（沿壳厚多积分点）－C0三角形壳单元（KEYOPT(1)=4）面内单点积分，根据Mindlin-Reissner薄板理论导出，相当僵硬，建议不要用它做整体网格剖分。－BCIZ三角形壳单元（KEYOPT(1)=3）采用面内单点积分，根据Kirchhoff薄板理论导出，比C0三角形壳单元的计算速度慢。退化的四边形单元在横向剪切时会发生锁死，应改用三角形壳单元。在同一种材料中，只要把单元分类标记（EDSHELL命令中ITRST值）置1，就可混合使用四边形单元和三角形单元（程序将三角形单元自动改为C0算法）。所有壳单元算法，沿壳厚方向用户可任选2-5个高斯积分点，对于弹性材料沿壳厚方向2个积分点已足够，但对于塑性材料，至少要3个或更多的积分点。薄壳单元的输出应力，尽管后处理中采用顶面Top和底面Bottom术语，实际上它们是最外面积分点处的应力，而不是薄壳表面上的应力，因此，在分析计算结果时应特别注意。(3)梁单元和杆单元a.BEAM161梁单元采用单元端部二个节点定义，并以第3个节点对单元主轴面定向，它有二种算法：－Hughes-Liu梁单元（KEYOPT(1)=1）缺省算法它是一个很方便的退化单元，可以用梁单元中间跨度横截面上的一组积分点来模拟矩形或圆形横截面。用户还可以自定义一个横截面积分法则来模拟任意截面形状，梁单元与实体单元、梁单元一样，网格必须足够细分以保证计算精度。由于积分点位于单元跨度中间横截面上，计算时只在单元中心检验材料屈服，沿单元长度为不变力矩。因此，必须在单元中间截面处产生全塑性力矩，而不是在单元节点处，悬臂梁模型将在一个稍高的外力作用下才会屈服。－Belytschko-Schwer梁单元（KEYOPT(1)=2）单元的内力矩沿其长度方向线性分布。有“正确”的弹性应力和在单元端部检验屈服。与Hughes-Liu梁单元一样，单元质量集中在节点上，而在动态分析问题中，质量分布正确很重要，必须细分网格。b.LINK160杆单元它与Belytschko-Schwer梁单元很相似，但只能承受轴向加载，而不能承受弯曲力矩，用于桁架系统。适用的材料模型有弹性和随动硬化弹塑性。c.LINK167索单元用单元端部二个节点定义，是仅能拉伸的杆单元，可以模拟索，它与弹簧单元类似。由用户直接输入力与变形的关系式。(4)离散单元和质量单元a.COMBI165弹簧阻尼单元用单元端部二个节点定义。弹簧单元在改变单元长度时产生沿单元轴向的力。如：正力（拉力）时在节点1处沿轴的正方向，而对节点2是沿轴的负方向。缺省时，单元轴就是从节点1到节点2。当单元旋转时，力作用线的方向也将随之旋转，可以模拟弹性、弹塑性和非线性弹性的弹簧性质。阻尼单元可以模拟线性粘性阻尼和非线性粘性阻尼。扭转弹簧阻尼单元也可使用，它由KEYOPT(1)选项来选择。它的力－位移关系可以认为是力矩－转角（单位弧度）关系。旋转弹簧单元只影响它们节点的转动自由度。COMBI165单元也可以与其它显式单元混合使用，由于COMBI165单元没有质量，在分析中一个节点不能只与COMBI165一种类型单元连接，必须在该节点上加质量单元MASS166。b.MASS166质量单元质量单元由一个节点和一个质量值（力＊时间2／长度）定义。采用质量单元可以简化部分结构，以减少动力分析所需单元数目，因而减少求解机时。每个实体单元、壳单元、梁单元、杆单元的质量都平均分配到单元的节点上。在壳单元和梁单元情况下，每个节点上还将附加一个转动惯量：只采用一个单值，它的作用就是让质量围绕节点球形分布。2.2定义单元类型（包括算法选择）和实常数在ANSYS/LS-DYNA的前处理时，通常采用图形用户界面（GUI）操作来选择和输入各种参数，也可采用命令输入。用ET命令定义单元类型（在GUI中：MainMenu：PreprocessorElementType）用R命令来定义实常数（在GUI中：MainMenu：PreprocessorRealConstants）具体执行过程如下：第一步：定义单元类型（ElementType）GUI：MainMenu：PreprocessorelementTypeAdd/Edit/Delete1.Add一个单元类型2.选LS-DYNAExplicit单元族3.采用薄壳单元SHELL1634.OK接受这个选择指定S/RCo-rotationalHughes-Liu面内多积分点改进型单元算法，以消除某种沙漏模态。5.选择Options6.选择S/RCo-rotational算法7.OK8.Close第二步：定义实常数（RealConstants）GUI：MainMenu：PreprocessorRealConstants1.Add2.OK，定义SHELL163单元的RealConstantSet3.如果单元是均匀壳厚，那么只要定义节点1处的