LS-DYNA精编教程

LS-DYNA软件1.1LS-DYNA简介LS-DYNA是世界上昀著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为昀佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。由J.O.Hallquist主持开发完成的DYNA程序系列被公认为是显式有限元程序的鼻祖和理论先导，是目前所有显式求解程序（包括显式板成型程序）的基础代码。1988年J.O.Hallquist创建LSTC公司，推出LS-DYNA程序系列，并于1997年将LS-DYNA2D、LS-DYNA3D、LS-TOPAZ2D、LS-TOPAZ3D等程序合成一个软件包，称为LS-DYNA。LS-DYNA的昀新版本是2004年8月推出的970版。1.1.1LS-DYNA功能特点LS-DYNA程序是功能齐全的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（140多种材料动态模型）和接触非线性（50多种）程序。它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能（如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算）；军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。LS-DYNA功能特点如下：1.分析能力：z非线性动力学分析z多刚体动力学分析z准静态分析（钣金成型等）1z热分析z结构-热耦合分析z流体分析：—欧拉方式—任意拉格郎日-欧拉（ALE）—流体-结构相互作用—不可压缩流体CFD分析z有限元-多刚体动力学耦合分析（MADYMO，CAL3D）z水下冲击z失效分析z裂纹扩展分析z实时声场分析z设计优化z隐式回弹z多物理场耦合分析z自适应网格重划z并行处理（SMP和MPP）2.材料模式库(140多种)z金属z塑料z玻璃z泡沫z编制品z橡胶（人造橡胶）z蜂窝材料z复合材料z混凝土和土壤z炸药z推进剂2z粘性流体z用户自定义材料3.单元库z体单元z薄/厚壳单元z梁单元z焊接单元z离散单元z束和索单元z安全带单元z节点质量单元zSPH单元4.接触方式(50多种)z柔体对柔体接触z柔体对刚体接触z刚体对刚体接触z边-边接触z侵蚀接触z充气模型z约束面z刚墙面z拉延筋5.汽车行业的专门功能z安全带z滑环z预紧器z牵引器z传感器z加速计3z气囊z混合III型假人模型6.初始条件、载荷和约束功能z初始速度、初应力、初应变、初始动量（模拟脉冲载荷）；z高能炸药起爆；z节点载荷、压力载荷、体力载荷、热载荷、重力载荷；z循环约束、对称约束（带失效）、无反射边界；z给定节点运动（速度、加速度或位移）、节点约束；z铆接、焊接（点焊、对焊、角焊）；z二个刚性体之间的连接－球形连接、旋转连接、柱形连接、平面连接、万向连接、平移连接；z位移/转动之间的线性约束、壳单元边与固体单元之间的固连；z带失效的节点固连。7.自适应网格剖分功能自动剖分网格技术通常用于薄板冲压变形模拟、薄壁结构受压屈曲、三维锻压问题等大变形情况，使弯曲变形严重的区域皱纹更加清晰准确。对于三维锻压问题，LS-DYNA主要有两种方法：自适应网格剖分和任意拉格朗日-欧拉网格（ALE）网格进行Rezoning），三维自适应网格剖分采用的是四面体单元。8ALE和Euler列式ALE列式和Euler列式可以克服单元严重畸变引起的数值计算困难，并实现流体-固体耦合的动态分析。在LS-DYNA程序中ALE和Euler列式有以下功能：z多物质的Euler单元，可达20种材料；z若干种Smoothing算法选项；z一阶和二阶精度的输运算法；z空白材料；zEuler边界条件：滑动或附着条件；z声学压力算法；z与Lagrange列式的薄壳单元、实体单元和梁单元的自动耦合。49.SPH算法SPH（SmoothedParticleHydrodynamics）光顺质点流体动力算法是一种无网格Lagrange算法，昀早用于模拟天体物理问题，后来发现解决其它物理问题也是非常有用的工具，如连续体结构的解体、碎裂、固体的层裂、脆性断裂等。SPH算法可以解决许多常用算法解决不了的问题，是一种非常简单方便的解决动力学问题的研究方法。由于它是无网格的，它可以用于研究很大的不规则结构。SPH算法适用于超高速碰撞、靶板贯穿等过程的计算模拟。10.边界元法LS-DYNA程序采用边界元法BEM（BoundaryElementMethod）求解流体绕刚体或变形体的稳态或瞬态流动，该算法限于非粘性和不可压缩的附着流动。11.隐式求解用于非线性结构静动力分析，包括结构固有频率和振型计算。LS-DYNA中可以交替使用隐式求解和显式求解，进行薄板冲压成型的回弹计算、结构动力分析之前施加预应力等。12.热分析LS-DYNA程序有二维和三维热分析模块，可以独立运算，也可以与结构分析耦合，可进行稳态热分析，也可进行瞬态热分析，用于非线性热传导、静电场分析和渗流计算。热传导单元：8节点六面体单元（3D），4节点四边形单元（2D）；材料类型：各向同性、正交异性热传导材料，可以与温度相关，以及各向同性热传导材料的相变；边界条件：给定热流flux边界，对流convection边界，辐射radiation边界，以及给定温度边界，它们可随时间变化；给定初始温度，可计算二个物体接触界面的热传导和热辐射，给定材料内部热生成（给定热源）；热分析采用隐式求解方法，过程控制有：z稳态分析还是瞬态分析；z线性问题还是非线性问题；z时间积分法：Crank-Nicholson法（a=0.5）和向后差分法（a=1）；z求解器：直接法或迭代法；5z自动时步长控制。13.不可压缩流场分析LS-DYNA不可压缩流求解器是970版新增加的功能，用于模拟分析瞬态、不可压、粘性流体动力学现象。求解器中采用了超级计算机的算法结构，在确保有限元算法优点的同时计算性能得到大幅度提高，从而在广泛的流体力学领域具有很强的适用性。14.多功能控制选项z多种控制选项和用户子程序使得用户在定义和分析问题时有很大的灵活性。z输入文件可分成多个子文件；z用户自定义子程序；z二维问题可以人工控制交互式或自动重分网格（REZONE）；z重启动；z数据库输出控制；z交互式实时图形显示；z开关控制-可监视计算过程的状态；z对32位计算机可进行双精度分析。15.前后处理功能LS-DYNA利用ANSYS、LS-INGRID、ETA/FEMB、TrueGrid、LS-POST和LS-PREPOST强大的前后处理模块，具有多种自动网格划分选择，并可与大多数的CAD/CAE软件集成并有接口。后处理：结果的彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、等值面、粒子流迹显示、立体切片、透明及半透明显示；变形显示及各种动画显示；图形的PS、TIFF及HPGL格式输出与转换等。16.支持的硬件平台LS-DYNA970版的SMP版本和MPP版本是同时发行的。MPP版本使一项任务可同时在多台分布计算机上进行计算，从而昀大限度地利用已有计算设备，大幅度减少计算时间。计算效率随计算机数目增多而显著提高。LS-DYNA970版的SMP版本和MPP版本可以在PC机（NT、LINUX环境）、6UNIX工作站、超级计算机上运行。1.1.2LS-DYNA应用领域1汽车工业z碰撞分析z气囊设计z乘客被动安全z部件加工2航空航天z鸟撞z叶片包容z飞机结构冲击动力分析z碰撞，坠毁z冲击爆炸及动态载荷z火箭级间分离模拟分析z宇宙垃圾碰撞z特种复合材料设计3制造业z冲压z锻造z铸造z切割，等4建筑业z地震安全z混凝土结构z爆破拆除z公路桥梁设计5国防z内弹道和终点弹道；7z装甲和反装甲系统；z穿甲弹与破甲弹设计；z战斗部结构设计；z冲击波传播；z侵彻与开坑；z空气，水与土壤中爆炸；z核废料容器设计，等6电子领域z跌落分析z包装设计z热分析z电子封装7石油工业z液体晃动z完井射孔z管道设计z爆炸切割z事故模拟z海上平台设计8其它应用z玻璃成型z生物医学z体育器材（高尔夫杆，高尔夫球，棒球杆，头盔）。1.2LS-DYNA的前后处理LS-DYNA的前后处理非常多，例如ANSYS、PATRAN、ETA公司的FEMB、TrueGrid、INGRID、HYPERMESH，新开发的后处理为LS-POST和LS-PREPOST。另外，将LS-DYNA输出的文件进行格式转换后，AVS-EXPRESS也可以读入，它能够生成质量更高的效果图和动画。8应该针对不同的行业，不同的应用领域选择合适的前后处理。LS-PREPOST为后处理，介绍LS-DYNA软件的使用方法。1.3显式动力分析的特点用中心差分法在时间t求加速度：{}[][][]()inttextt1tFFMa−=−{Ftext}为施加外力和体力矢量。{Ftint}为下式决定的内力矢量。contacthgnTFFdBF+⎟⎠⎞⎜⎝⎛+Ω∫Σ=ΩσintFhg为沙漏阻力；Fcont为常量力。速度与位移用下式得到：{}{}{}tttttttavvΔ+=Δ−Δ+2/2/{}{}{}2/2/ttttttttvuuΔ+Δ+Δ+Δ+=式中Dtt+Dt/2=.5(Dtt+Dtt+Dt)；Dtt-Dt/2=.5(Dtt-Dtt+Dt)新的几何构形由初始构形加上{xo}获得:{}{}{}ttottuxxΔ+Δ++=非线性问题：z块质量矩阵需要简单转置。z方程非耦合，可以直接求解(显式)。z无须转置刚度矩阵，所有非线性（包括接触）都包含在内力矢量中。z内力计算是主要的计算部分。z无须收敛检查。z保持稳定状态需要小的时间步。91.4单元1.4.1单元类型LS-DYNA有7种单元类型：zLINK160：桁架单元zBEAM161：梁单元zSHELL163：薄壳单元zSOLID164：块单元zCOMBI165：弹簧与阻尼单元zMASS166：结构质量zLINK167：缆单元所有显式动力单元为三维的，每种单元可用于几乎所有材料模型，都有几种不同算法，均具有一个线性位移函数，目前尚没有具有二次位移函数的高阶单元。每种显式动力单元缺省为单点积分。3.4.1.1LINK160单元3D圆杆单元用来承受轴向载荷，用3个节点定义单元，第3个节点用来定义杆的初始方向，见图3.1。图3.1LINK160单元103.4.1.2BEAM161梁单元由于不产生应变，此3D梁适用于刚体旋转，用3个节点定义此单元，见图3.2。图3.2BEAM161梁单元可以定义几种标准梁截面，见图3.3。图3.3几种标准梁截面113.4.1.3SHELL163薄壳单元Shell163有11种不同算法，昀重要的几种有：zBelytschko-Tsay(BT，KEYOPT(1)=2，default)：—简单壳单元；—非常快；—翘曲时易出错。zBelytschko-Wong-Chiang(BWC，KEYOPT(1)=10)：—速度是BT单元的1.25倍；—适用于翘曲分析；—推荐使用。zBelytschko-Leviathan(BL，KEYOPT(1)=8)：—CPU时耗为BT单元的1.4倍；—第一个具有物理沙漏控制的单元。zS/Rco-rotationalHughes-Liu(S/RCHL，KEYOPT(1)=7)：—没有沙漏的壳单元；—CPU为8.8*BT。图3.4SHELL163薄壳单元123.4.1.4SHELL163膜单元算法有两种膜单元算法：zBelytschko-Tsay-Membrane(KEYOPT(1)=5)：具有单点积分的膜单元算法。zFullyintegratedBelytschko-Tsay-Membrane(KEYOPT(1)=9)：具有4个积分点的膜单元算法。3.4.1.5SOLID1648节点六面体单元可以选择两种算法：z单点积分；—对大变形问题十分有效；—需要沙漏控制；z完全积分(2x2x2积分)；—求解慢，但无沙漏；—使用大的泊松比时谨慎