ANSYSLSDYNA显式动力学培训手册

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,March 7, 2002,Inventory #001630,13-,*,Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNA 6.0,Training Manual,跌落试验模块(,DTM),第 5-1 章,跌落试验模块 (,DTM),本章目标,本章涵盖了,ANSYS/LS-DYNA Drop Test Module (DTM),的内容。讨论了物体跌落试验，以及利用,DTM,去模拟它们的具体步骤。,主题:,物体跌落试验,虚拟跌落试验分析,跌落试验分析的运用,ANSYS/LS-DYNA,跌落试验模块,典型的,DTM,处理过程,跌落试验模块（,DTM）,习题,March 7, 2002,跌落试验模块 (,DTM),A.,物理跌落试验,物体跌落试验的研究内容是：在重力场中（1,g）,物体从高处跌落时,，,它所能承受冲击的能力。,物体的初始位置可能会影响试验结果。,跌落的目标表面通常认为是刚性的平面。,在承受这种假定的载荷后，产品必须要符合设计要求的功能。这种跌落产生的原因可能是物体的标准使用所致，也可能是意外事件（比如说是对物体的错误操作）。,通常在产品最终设计的原型上进行物体跌落试验，因为产品以及进行跌落试验所需的测试设备的成本是相当高的。,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),B.,虚拟跌落试验分析,FEA,软件可以用来进行虚拟的跌落试验分析，这样既省时又省钱。此类计算机模拟仍然必须与实际的物体跌落试验相结合，从而验证材料属性、许用应力、载荷工况、边界条件等的准确性。,进行虚拟的跌落试验模拟有许多好处：,跌落试验可以在产品设计的早期阶段进行，这样就可以消除因为开发不适当产品或在设计的最后阶段修改较差设计而发生的费用。,在虚拟世界中，跌落试验的不同初始方位和跌落高度都可以很方便的确定。而在在现实世界中，这往往会受到经济上的限制。,分析完早期设计，在进行新的设计之前，可以评估建议的设计修改方案。这样节省了制造那些注定失败的原型的时间和资金。,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),C.,跌落试验分析的运用,许多类型的产品都需要进行跌落试验。在充满竞争的市场中，易碎的设计是不可能获得成功的。根据当前的法律规定，即使产品在实际使用中发生了意外跌落，也应该在设计中保证其至多是无害的失效。,需要进行跌落测试检验的产品包括：,工具,：锤子、钳子、螺丝刀,、,锯、钻等。,电子产品,：,电话、便携电脑、电视、,CD,播放机等。,家用电器,：,冰箱、洗衣机、干衣机、微波炉等。,工业容器,：,有毒的化学品储罐等。,消费品储存容器,：,牛奶包装盒、罐头产品、清洁剂等。,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),D. ANSYS/LS-DYNA,跌落试验模块,ANSYS/LS-DYNA,跌落试验模块,(DTM),是一个,ANSYS/LS-DYNA,的可选附加功能。它能够大大简化与进行跌落试验模拟相关的工作。,方便地定位跌落物体,迅速地建立重力场,自动构造和约束刚性目标表面,直接输入物体跌落高度,方便地计算冲击速度,DTM,的设计目标是允许没有经验的用户快速地建立复杂的跌落试验模拟，求解该模型并观察结果。,DTM,在本质上讲是一个高效的图形用户界面，它通过必要的步骤来指导你进行跌落试验模拟。,ANSYS,的用户界面设计语言,(,UIDL,),和工具命令语言及工具箱,(,Tcl/Tk,),在该,GUI,程序中都得到了运用。,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),. ANSYS/LS-DYNA,跌落试验模块,作为一个附加的产品，,DTM,的运行需要一个单独的授权，但是环境变量,ANSYS60_PRODUCT,仍然保持不变。例如，如果你拥有,ANSYS/Multiphysics/LS-DYNA，,那么输入：,ansys60 p ANE3FLDS dtm g,参数 “,-,dtm,”,将通知程序去寻找一个,DTM,的许可授权，并在找到后启动该模块。,DTM,在,ANSYS 6.0,的,CD,上，它将和,ANSYS/LS-DYNA,程序一起自动安装，因此你所需要的只是能够使它运行的附加授权。,在此，只讨论典型的,DTM,操作程序，有关的详细细节，请参考,ANSYS/LS-DYNA Users Guide,第16章的内容，这可以通过在线帮助得到。,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),E.,典型的,DTM,过程,在一个典型的,DTM,问题中包含以下步骤：,导入或创建模型,进入,DTM,并初始化模型,完成,Basic,标签的信息,完成,Velocity,标签的信息,完成,Target,标签的信息,检查,Status,标签并运行,Solution,对计算结果进行后处理,DTM,被设计为在一个连续的操作过程中使用。如果你中途离开,DTM,又重新进入，一些变量将被重新初始化，你过去的设置将被删除。因此，当进入,DTM,时，应该总是以原始数据库为出发点。这不是一个很大的限制，因为,DTM,的用法很简单，你可以迅速地重新输入先前的跌落试验设置。,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),.,典型的,DTM,过程,第,1,步:导入或创建模型,:,你必须首先创建或导入要进行跌落试验的物体的模型。该模型可以从,CAD,中导入或者用在本课程中先前描述的方法创建（比如要避免四面体，小单元，尖角等问题）,在进入,ANSYS,主菜单的跌落试验部分之前必须完整定义物体,。,所有的单元和材料属性，包括阻尼，都需要被指定。而且，在进入,DTM,之前，一定要保存模型。,模型中应该只包括与,LS-DYNA (ELEM160-167),协调的单元。这些单元在,ANSYS/LS-DYNA Users Guide,中都有讨论。而且一些隐式的,ANSYS,命令（比如,SF,F,IC,等）都不能包括在数据库中。一个从已存在的数据库中删除这些命令的方法是编辑,ASCII,码格式的,.,CDB,文件。 (,CDWRITE/CDREAD,).,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),.,典型的,DTM,过程,第2步: 进入,DTM,并且初始化模型,:,一旦模型被定义，则可以进入跌落试验模块,:,ANSYS Main Menu Drop Test Set Up,在进入,DTM,之前要注意保存你所做的模型，以防止你进行另一个跌落,试验,分析时丢失数据。,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),.,典型的,DTM,过程,第3步: 完成,Basic,标签的信息,:,现在填写,Basic,标签要求的数据：,选择预定义的重力值（或输入要求的值）,输入跌落高度和用来度量此高度的参考点（即物体的最低点或模型的重心）,确定要做跌落试验的物体方向（动态旋转或通过两节点的向量）,指定分析开始时刻和碰撞后运行时间,指定写入结果文件的输出频率,记住要用统一单位！混合单位是,DTM,中最常见的一种错误。,要利用初始的角速度，你必须选择,“Start analysis at drop time” = slower run time,1,2,3,4,5,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),.,典型的,DTM,过程,对于,“,Set Orientation,”,你有两种选择,: “,Rotate,”,或 “,Pick Nodes,”,对于,Rotate,将会出现,Pan-Zoom-Rotate GUI box,.,这是唯一的激活菜单，,运用,Dynamic Viewing,或其他按钮定位模型后，你必须在运行,DTM,之前关闭,Pan-Zoom-Rotate,对话框。注意,+Y,的屏幕坐标将是自由落体的反方向。我们不会用到物体坐标。,对于,Pick Nodes,，,图形用户界面将会提示你定义屏幕坐标系的+,Y,方向的矢量，先定义矢量的尾部，然后定义其首部（该方向与自由落体的方向相反）。 缺省条件下，向量的首部指向物体的重心（,CG）。,期望的跌落方向确定了模型中最低点的位置。,物体坐标系,屏幕坐标系,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),.,典型的,DTM,过程,第,4,步: 完成,Velocity,标签的信息,:,初始的平移速度可以在屏幕或物体坐标系中确定。如果在跌落开始时进行分析，指定的速度就被直接调用。如果分析在接近碰撞时开始，,DTM,将把这些速度分量加入到那些由跌落高度和加速度求得的分量中。,初始的角速度可以在任何一种坐标系中指定，但是要激活它，分析必须在跌落时开始。,而且，只有带旋转自由度的单元才可以用该特性。如果该特性在模型中不存在，它将变灰。,指定一个角速度会显著增加,CPU,时间,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),.,典型的,DTM,过程,第,5,步: 完成,Target,标签的信息,:,接下来，通过,Target,标签创建刚性目标面。你可以选择物体的最低点或物体的重心来作为其中心。你也可以缩放,SOLID164,刚体的长度和厚度（很少要求这样）。,你也可以指定在接触计算中目标表面的角度和材料的属性。而且你可以选择,ASSC,或,AG,接触，指定静态或动态的摩擦系数。,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),.,典型的,DTM,过程,第,6,步: 检查,Status,标签并运行,Solution,:,现在点击,Status,标签，回顾一下信息总结，以确信你的所有输入数据都正确。其中,termination time,是碰撞前后时间的总和。如果你选择了,“,start analysis near impact time,”，,分析所需的,CPU,时间将比从跌落点开始进行大大减少。,确信该标签上显示了如下信息,: “,Successful Set-Up. Ready to drop,.”,当你确信所有设置正确后，点击,OK,按钮。,此时，,Drop Test,菜单将激活,Solve,命令，如下图所示。,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),.,典型的,DTM,过程,在点击,Solve,选项之前，你最好能再次保存一下你的数据库。事实上，你可以用,ftp,把你的数据传到另外一台机器上，并在它上面运行。你也可以在不影响你的,DTM,的情况下，对数据进行微小的改动。例如，你可以增加终止时间，添加质量缩放比例等。,如果你需要利用,DTM,中的选项来改变设置的话，利用原始的数据，按前面所说的方法进行即可。,在你选择了,Solve,选项后，,DTM,将把头文件写入到结果文件中，生成名为.,K,的输入文件，并把它提交给,LS-DYNA,求解器。,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),.,典型的,DTM,过程,第7步: 结果的后处理,:,在求解完成之后，,DTM,将激活跌落试验菜单中的后处理选项。你既可以运用那些简洁的工具，也可以用标准的,POST1,和,POST26,方法。,最低的节点和最接近,CG,的节点的数据被保存在.,HIS,文件中。,March 7, 2002,跌落试验模块,(DTM),F.,跌落试验模块 (,DTM),习题,这个练习包括以下问题:,习题5-1. 跌落试验分析,March 7, 2002,总 结,第5-2章,结论,本章目标,这一章复习一下本次课程中的基本概念,主题,隐式显式比较,建模指导,材料指导,加载指导,接触指导,常规指导,统一的单位制,March 7, 2002,显式程序的计算工作,模型尺寸,关键的时间步,单元边长,波速:,杨氏模量,密度,终止时间,结论,A.,隐式显式比较,隐式程序的计算工作,模型尺寸,非线性程度,时间步的数目,March 7, 2002,结论,.隐式显式比较,估计,ANSYS/LS-DYNA,计算时间,:,with,T,CPU,=,总共占用的,CPU,秒,k=,系统因子,e.g., 0.000033 CPU-,秒/单元,N,elem,=,单元数,t=,模拟时间,e.g., 160 ms,终止时间,c=,波速,e.g., 5500 mm/ms,在钢中,l,min,=,最小的单元边长,e.g., 9 mm,取决于材料的性质，单元类型，接触类型等,March 7, 2002,使用隐式求解所需要的工作:,寻找求解的收敛标准,求解,如果计算不收敛， 重做第一步工作，直到收敛,结论,.隐式显式比较,显式求解所需要的工作:,调整模型以增加时间步长:,避免小单元,使用刚性体,使用质量缩放,使用更快的速度载荷,在金属成形的模拟中，冲头的速度可以提高很多而不降低精度。,检查结果以确定动能，内能和沙漏变形能,如果可应用，在静态求解应使用动态松弛或者大阻尼,March 7, 2002,结论,B.,建模指导,尽可能地避免小单元，,那会显著减小时间步长。如果需要小的单元，可以使用质量缩放来增加临界时间步。,如果可能的话，,不要使用三角形、四面体、棱柱形单元,。,尽管也支持这些单元，但是不推荐使用。用立方体单元可以得到更好的结果。,如果全部的沙漏能量超过内（应变）能的5%,，使用其它附加形式的沙漏控制模型。这种能量可以在,GLSTAT,和,MATSUM,文件中监控。,另外，全积分单元可以用来处理沙漏问题。然而，这些单元在处理大变形或者弯曲问题时得到的结果精度较差。,在任何变形结果不重要的地方使用刚性体，它可以很有效的节约,CPU,时间,March 7, 2002,结论,C.,材料指导,在定义材料属性的时候，确信你使用的是统一的单位。 不正确的材料属性不仅影响材料本身的响应，而且会影响模型的接触刚度。,确信在一个模型中使用的材料数据是准确的。大多非线性的动力学问题的计算精度和输入的材料属性数据的质量有直接的关系。需要花费特别的时间和精力来得到准确的材料数据。,对于一个给定的问题选择最好的材料模型。如果不能确定一个部件的物理响应是否应该包括特定的属性（例如应变速率效应），最好使用包括所有可能特性的材料模型。,March 7, 2002,结论,D.,加载指导,避免单点载荷，它们会激起沙漏模式。一个被激励的单元传递这一模式至其相邻单元，载荷将被传播开来。,列表或者画图显示载荷曲线，确认它们的准确性。,由于,LS-DYNA,可能“超过”求解时间几微秒才结束，载荷时间定义要超过最终求解（中止）时间。,对于 准静态 问题，用高于实际情况的速度来计算可大量节约,CPU,时间,。,在一个刚体节点上的约束是不允许的,。刚体的质量中心用,EDMP，RIGID,命令来施加约束。,March 7, 2002,结论,E.,接触指导,两个接触表面间的初始穿透是不允许的,。确信模型在定义的接触处没有任何面的相互重叠 。,只准使用真实的材料属性和壳的厚度值,。材料属性和几何接触面用来决定接触的罚刚度。,在相同的部件之间不要定义重复的接触对。,对壳单元使用自动的接触设置，除非要求知道接触力。,尽可能使用自动一般接触,。它是最容易定义的接触类型，可以处理大部分接触情况，并且无需大量的,CPU,时间。,在求解以前列出所定义的接触面，确认接触正确定义,。,March 7, 2002,结论,F.,常规指导,在大多数分析中使用质量缩放来增加临界时间步长，节约求解时间。,检查,LS-DYNA,输出窗口以确认质量增加的百分比是很小的。,总是输出所有的能量数据,。确认沙漏、阻尼和接触界面能量都考虑在内，这些数据可以用来监控求解精度和调试出现的问题。,用,LS-DYNA,控制开关监控求解过程。周期性地使用判断开关,sw2,来检查求解的进度。如果模型出现发散，用,SW1,结束求解。,学会使用,LS-POST,(,使用,EDOPT,命令 来得到,d3plot,和,d3thdt,文件)。,LS-POST,没有限制，但是不提供支持。,对材料属性、长度和时间使用统一的单位，,如果单位有错误，那么模型将会出现典型的发散。,March 7, 2002,* 1,slug = 14.594 kg; 1 ft = 0.3048 m = 12*2.54 cm; 1 N = 10,5,dyne = 1 lbf/4.4482;,1 Mbar = 10,12,dynes/cm,2,; 1 bar = 14.7 psi = 1.0 atm = 105 Pa;,1 kg/m,3,= 10,-3,gm/cm,3,= 0.9112 slug/ft,3,概述,G.,统一单位表,March 7, 2002,高度非线性瞬态动力学问题显式法,LS-DYNA,三维快速高度非线性显式有限元分析程序,以三维结构为主的多物理场耦合分析： 结构，流体，热,先进丰富的数值处理技术,材料模式接触方式,ALE,算法并行处理,网格畸变处理,March 7, 2002,丰富的材料类型,种类：126种,模式：,弹性材料、弹塑性材料、,复合材料、蜂窝材料、丝织物,胶类物、生物肌体,炸药（燃爆性）、推进剂、,混凝土、土壤、地质、,超弹性、橡胶、泡沫,玻璃、粘性流体,刚体,自定义材料（用户子程序）,玻壳研磨,混凝土穿透,March 7, 2002,接触方式,四十余种接触类型,变形体-变形体,变形体-刚体,离散点-变形体,变形结构固连和失效,侵蚀接触,单面,一维滑动线(钢筋混凝土)等,用户子程序,March 7, 2002,侵蚀接触（穿甲分析）,March 7, 2002,网格畸变处理技术,Lagrange,自适应网格（,Adaptive）,局部单元细化,细化单元与相邻原有单元依靠耦合方程强制协调,Lagrange,网格重划分（,Re-mesh ）,时间步长与变形程度相关,单元数目增加,计算时间一般较长,ALE（Re-map),时间步长与变形程度相关,单元数目不变,积分步包括,Lagrange,和,Euler,步，在,Euler,步自动优化网格,March 7, 2002,Euler,处理,处理极度变形（网格与物质坐标分离，网格不动，物质在网格中流动）,物质边界不易跟踪,DYAN,的插值技术使之成为可能,March 7, 2002,流体-结构耦合,层流与紊流,有粘与无粘,单物质流,多物质流,流体/结构/热耦合,浇铸，水下爆炸,气泡分析，液体晃动,射流分析，冲击气流,鸟撞问题,声学模拟,头罩分离,March 7, 2002,跌落试验模块,(,Drop Test Module ),只需建立模型，指定初速度、高度、跌落方向等参数,自动建立地面单元（刚体）,日用消费品,电子产品,罐装产品,集装箱,March 7, 2002,薄板成型模块,（,DYANFORM）,具备完整的,工艺概念,影响冲压工艺的因素共有60余个,DYNAFORM,囊括了所有有限元能够模拟的因素,工艺化,的分析过程,以冲压工艺为线索对板成形过程进行定义,工程语言表达分析对象及工程,凸/凹模,拉延筋,切边 回弹,成形极限图（,FLD),March 7, 2002,隐式与显式优势互补,隐式求解,慢速动态问题,显式求解,高速非线性动力问题,显 式-隐 式-显式,特点：,ANSYS,可在隐式和显式分析技术之间,任意切换,优势：二者互补，如冲压件的预应力、加工过程、回弹分析,总结,练习,这个练习包括以下问题:,练习5-2. 金属成型分析,March 7, 2002,