1、ANSYS/LS-DYNA中的不同数值模拟方法 2012/4/27 2 目录 第一章 ANSYS/LS-DYNA简介 第二章 建模方法 第三章 网格划分方法及技巧 第四章 数值模拟中的算法 第五章 几种算法的实例 2012/4/27 3 第一章 ANSYS/LS-DYNA简介 1970 年 John Swanson 博士创立 , 总部位于宾夕法尼亚州的匹兹堡。 它是一个工程分析软件，其 1971 年的 2.0 版本与今天的 11.0 版本已有很大的不同 ,起初它仅提供结构线性分析和热分析 , 现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。 2012/4/27 4 LS-DYNA是以显
2、式为主 、 隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序 ， 特别适合求解各种二维 、 三维非线性结构的高速碰撞 、 爆炸和金属成形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 。 2012/4/27 5 DYNA程序系列最初是 1976年在美国Lawrence Livermore National Lab. 由J.O.Hallquist博士主持开发完成的 ， 主要目的是为武器设计提供分析工具 ， 后经 1979、 1981、 1982、 1986、 1987、1988年版的功能扩充和改进 ， 成为国际著名的非线性动力分析软件 。 2012/4/27 6 1988年 J.O.H
3、allquist创建 LSTC公司 ， 推出 LS-DYNA程序系列 ， 主要包括显式 LS-DYNA2D/3D、 隐式 LS-NIKE2D/3D、 热分析 LS-TOPAZ2D/3D、 前后处理 LS-MAZE等商用程序 。 后几年时间中 LSTC进一步推出 930版 （ 1993年 ） 、 936版（ 1994年 ） 2012/4/27 7 1996年 LSTC与 ANSYS公司合作推出ANSYS/LS-DYNA。 （ 推出前 PC版的前后处理采用 ETA公司的 FEMB， 新开发的后处理器为 LS-POST。 ） 1997年 LSTC公司将 LS-DYNA2D/3D、LS-TOPAZ2D
4、/3D等程序合成一个软件包 ，称为 LS-DYNA（ 940版 ） 。 1999年推出 950版 ， 2001年 5月推出 960版 ， 2003年 3月正式发布 970版 2012/4/27 8 分析能力 (LS-DYNA Capability) 非线性动力分析 热分析 失效分析 裂纹扩展分析 接触分析 准静态分析 欧拉场分析 任意拉格朗日 -欧拉 （ ALE） 分析 流体 -结构相互作用分析 不可压缩流体 CFD分析 实时声场分析 多物理场耦合分析 （ 结构 、 热 、 流体 、 声场等 ） 2012/4/27 9 材料模型 (Material Model) LS-DYNA程序目前有 14
5、0多种金属和非金属材料模型可供选择 ， 如弹性 、弹塑性 、 超弹性 、 泡沫 、 玻璃 、 地质 、土壤 、 混凝土 、 流体 、 复合材料 、 炸药及起爆燃烧 、 刚性及用户自定义材料 ， 并可考虑材料失效 、 损伤 、 粘性 、蠕变 、 与温度相关 、 与应变率相关等性质 。 2012/4/27 10 2012/4/27 11 状态方程 (Equation of State) 在 LS-DYNA的材料模型中有较多的材料可通过状态方程来描述 。 常规条件下的结构材料 ， 一般不使用状态方程 ， 但对于高速 （ 100m/s） 、 高压 （ 6-10Gpa）碰撞下的结构材料 、 流体 、 物
6、质燃烧等有化学反应的过程都必须采用状态方程来描述 。 LS-DYNA有 14种状态方程 ， 可以处理各种非常复杂的物理现象和材料特性 。 2012/4/27 12 2012/4/27 13 单元库 (Element Formulation) LS-DYNA程序现有 16种单元类型 ， 有二维 、 三维单元 ， 薄壳 、 厚壳 、 体 、 梁单元 ， ALE、 Euler、 Lagrange单元等 。各类单元又有多种理论算法可供选择 ，具有大位移 、 大应变和大转动性能 ， 单元积分采用沙漏粘性阻尼以克服零能模式 ， 单元计算速度快 ， 节省存储量 ， 可以满足各种实体结构 、 薄壁结构和流体-
7、固体耦合结构的有限元网格剖分的需要 。 2012/4/27 14 接触分析功能 (Contact Type) 2012/4/27 15 第二章 建模方法 对于某一具体的数值模拟实例 ， 在分析了解模型的结构及方法后 ， 首先要建立的就是模型实体 ， 建立起一个模型 ， 然后才能去划分网格 ， 进行进一步操作 。 LS-DYNA与 ANSYS合作后 ， 前处理器就是 ANSYS， 这里介绍的建模方法也即 ANSYS的建模方法 。 2012/4/27 16 ANSYS本身建模 通过 ANSYS和 CAD的接口导入模型 利用命令流的方式建模 APDL语言参数化建模 2012/4/27 17 ANSY
8、S本身建模 自底向上方法 自顶向下方法 按模型难易分 按建模方向分 间接建模法 直接建模法 2012/4/27 18 结构外形尺寸比较简单的计算模型 ，ANSYS可采用直接建模方法 ， 即先确立节点 ， 然后创建单元 。 这种方法在土木工程中应用比较广泛 。 若结构外形尺寸比较复杂 ， ANSYS则采用立体模型建立法 ， 即间接建模法 。一般航天航空和机械工程中大多采用间接建模方法 。 2012/4/27 19 自顶向下方法 自顶向下进行实体建模时 ， 用户只要定义一个模型的最高级图元 ， 其下的低级图元就都包括了 。 较为常用的实体建模形状 (如球 ， 棱柱 )， 称为几何体素 ，可以用单独
9、的 ANSYS命令来生成 。 2012/4/27 20 2012/4/27 21 自底向上方法 自底向上进行实体建模时 ， 用户从最低级图元向上构建模型 ， 即 :用户首先定义关键点 ， 然后依次是相关的线 、 面 、体 。 自顶向下与自底向上建模技术可在任何模型中自由组合使用 。 2012/4/27 22 2012/4/27 23 通过 ANSYS和 CAD的接口导入模型 在 ANSYS中 ， 提供了多种 CAD接口 ，主要有 :IGES,UG,PRO/E,CATIA,PA- RASOLID,SAT等 。 通过这些接口 ， 可以把模型直接导人 ANSYS中 ， 然后进行网格划分 ， 加载求解
10、等过程 ， 此种方法适用于一些在 ANSYS软件中不容易构建成功的复杂的三维实体模型 。 2012/4/27 24 通常我们选择IGES 格式导人ANSYS。 但由于用 IGES 导人ANSYS的时候 ，会发生实体模型数据丢失的倩况 ，例如部分实体无法显示 ， 产生了多余的点 、 线等问题 。 因此我们选 Para_solid格式导入 。 2012/4/27 25 ANSYS刚打开导入文件时通常是线条文件 ，选择菜单中 plotctrlsstylesolid model facets， 再选择对话框里面的 fine， replot画面就出现了实体模型 。 2012/4/27 26 利用命令流的
11、方式建模 在抽入窗口直接输入命令并按回车 。 直接在记事本中输入模型创建的每条命令 ， 并可在命令流后加入注释内容 ，然后保存成 .txt文件 ， 作为一个批处理文件 。 从 ANSYS 的 实 用 菜 单FileRead Input From命令调用编辑好的命令流文件 ， 在图形窗口即可看到模型创建的每一个过程 。 2012/4/27 27 /prep7！ 进入前处理器 et,1,solid164！ 选择单元 mp,ex,1,210e3！ 定义材质 mp,prxy,1,0.3 RECTNG,50,20！ 生成实体 wpoff,50,0 CSYS,4 RECTNG,-20,0,-20,0 wp
12、off,-10,-20 CYL4,0,0,10 AADD,ALL CYL4,0,0,5 ASBA,4,1 VEXT,ALL,-5 wpoff,-40,40 wpro,90 RECTNG,10,10 CYL4,5,5,2 ASBA,15,16 VEXT,17,5 VADD,ALL /PREP7！ 重新进入前处理器 MSHAPE,1,3D！ 网格划属性 MSHKEY,0 VMESH,ALL！ 实体划分网格 2012/4/27 28 APDL语言参数化建模 Ansys Parametric Design language ，具有宏 、 循环 、 分支等程序语言功能 ，并可以提供简单的界面定制功能 ，
13、 实现参数的交互输入 ， 运行程序 ， 从而可以实现参数化建模 。 主要用于对 ANSYS不熟悉的用户 ， 只需使用定制按钮调出交互输入框 ， 按照提示输入实体的各个参数 ， 即可自动生成实体模型 。 2012/4/27 29 第三章 网格划分方法及技巧 自由网格划分 映射网格划分 体扫掠网格划分 网格划分技巧 2012/4/27 30 自由网格划分 优点：自动化程度最高的网格划分技术 。对所有划分模型无特殊要求 ， 可以应用于任何模型的网格划分 ， 省时省力 ， 效率很高 。 缺点：由于它只能将体划分成四面体网格 ， 这样造成有限元模型网格数量过大 ，降低了计算的精度和速度 ， 所以在对体进行网格划分时尽量不使用自由网格划分 。
