1、显式动力学分析技术培训1,许 沛ANSYS-CHINA EBU高级应用工程师,课程安排,第一天AUTODYN基本功能，软件的结构及其文件系统集成于ANSYS Workbench的AUTODYN前处理，单元类型、用法第二天Lagrange算法，Euler-FCT算法，Euler Godunov算法ALE算法，SPH技术载荷、边界条件，材料库及应用，接触问题处理第三天状态方程，耦合算法及ReMapping技术穿甲分析实例爆轰（燃）模拟实例实例、练习,(注)上课安排： 上午主要用来讲课，配以课堂练习；下午继续未讲完的内容，然后做当日练习，并就当日的内容进行答疑。 上课时间： 上午 09：3012：0
2、0 下午 13：3017：00,2018/4/27,内容安排,1、AUTODYN 简介2、AUTODYN 界面3、一般问题的分析步骤4、ANSYS WORKBECH前处理功能介绍,2018/4/27,AUTODYN发展概述,AUTODYN由美国Century Dynamics 公司于1985年开发成功，该软件从开发至今一直致力于军工行业的研发。2005年1月该公司加盟ANSYS公司，现正融入ANSYS协同仿真平台；1995 开发出高精度 Euler-FCT、Euler-Godunov 求解器，专门用来模拟爆炸冲击波的传递 ；2000 引入由欧洲航空局开发的 SPH 求解器，专门用来模拟超高速条
3、件下的接触碰撞分析；在国际军工行业占据80以上市场。,2018/4/27,AUTODYN行业应用,2018/4/27,blast effect on building,fragmentation warhead,hypervelocity impact,shaped charge into water,KEP penetration into concrete,hydraulic RAM,bullet impact,reinforced concrete impact,launcher stage separation,Blast-Structure Interaction,AUTODYN应用
4、实例,Explosively Formed Projectile,2018/4/27,破片聚能装药穿甲与半穿甲反应装甲,战斗部设计及侵彻效应,2018/4/27,随机破片战斗部,破片战斗部及对目标毁伤 (计算模型),87 kg TNT；距离混凝土5m； 战斗部直径330mm；高度910mm。,2018/4/27,随机破片战斗部,爆轰波、破片形成,2018/4/27,随机破片战斗部,破片数量每块破片的体积重量质心位置速度矢量等,破片信息统计,战斗部的威力和效果可以清楚的知道。,2018/4/27,随机破片战斗部,爆炸冲击波和破片对目标的毁伤,2018/4/27,全预制破片战斗部,2018/4/2
5、7,聚能装药,Explosively Formed Projectile,爆炸成形侵彻体 (EFP),2018/4/27,聚能装药,MEFP 战斗部,2018/4/27,聚能装药,射流战斗部 (JET),2018/4/27,聚能装药,射流战斗部对目标的毁伤,2018/4/27,半穿甲战斗部,侵彻、爆轰效应,2018/4/27,穿甲战斗部,钻地弹侵彻钢筋混凝土模型,2018/4/27,穿甲战斗部,钻地弹侵彻钢筋混凝土,2018/4/27,穿甲战斗部,仿真结果与试验对比（模拟混凝土）,2018/4/27,反应装甲,爆炸式反应装甲对冲击的响应,2018/4/27,爆轰及冲击波分析,冲击波传播及结构响
6、应内弹道火箭点火、级间分离,2018/4/27,冲击波对钢筋混凝土靶的作用,Beam Reinforcement,Lagrange Concrete,2018/4/27,冲击波对钢筋混凝土靶的作用,Euler-FCT、 Lagrange、 Beam Coupling,2018/4/27,冲击波对建筑物破坏,1、窗户和屋顶被冲击波破坏；2、门被完全破坏；3、整个砖墙被冲击波打坏，在重力作用下坍塌,Euler-FCT、 Lagrange、 Shell Coupling,2018/4/27,地雷爆炸对装甲车的冲击作用,装甲车受到地雷攻击的响应分析,2018/4/27,内弹道分析,炮膛内弹体所受到的气
7、动载荷,2018/4/27,火箭级间点火分离,要求：既要满足分离功能，又要减小对火箭主体结构及内部设备或控制仪器的冲击,2018/4/27,防护墙耐撞性分析,F-4战斗机撞击钢筋混凝土墙（厚3.66m）,2018/4/27,防护墙耐撞性分析,对1m厚度防护墙的冲击 (墙体完全洞穿),对3m厚度防护墙的冲击 (没有穿过墙体),2018/4/27,材料的碰撞响应,2018/4/27,典型的碰撞现象,2018/4/27,连续介质力学,连续介质运动方程：质量守恒动量守恒能量守恒材料模型初始条件边界条件在AUTODYN中，这些方程通过显式积分和不同的求解技术来求解；对于不同的求解器，方程都是相同的；具体
8、的求解过程根据求解器而定。,2018/4/27,材料模型,状态方程 强度模型 失效模型,2018/4/27,AUTODYN 求解器类型,LagrangeEulerALE,SPHShellBeam,2018/4/27,AUTODYN求解器,求解器使用技术：有限差分、有限体积、有限元和无网格光滑粒子方法。,Lagrange * 2D & 3D 3D ParallelALE 2D & 3D 3D ParallelShell/Membrane * 2D & 3D 3D ParallelBeam/Truss/Spring/Damper * 3D 3D Parallel SPH 2D & 3D 3D Pa
9、rallel Euler-FCT 2D & 3D 3D Parallel Multi-Material Euler 3D 3D Parallel Fill3D *,* 结构和非结构求解器* 2D 用拉格朗日,2018/4/27,AUTODYN要求所有的数值技术将复杂的问题分解成有限的更小、更简单的问题，这个过程称为离散化过程；方程离散化方法： 时间空间时间离散化对于所有的求解器是相同的；不同的是空间离散化(比如：几何定义和数值积分)。,离散化,2018/4/27,时间离散,整个求解时间域被分成若干个时间步长（经常是数千上万个）；在AUTODYN中所有的求解器用显示积分方法：根据前一个时间步长值
10、通过积分求变量的值；计算简单。,2018/4/27,空间离散,根据问题，需要将物理几何模型需要被分成许多个连续的或不连续的部分（单元、粒子）；两种基本方案：Lagrangian 依据材料, 离散部分与材料一起移动；Eulerian 依据空间，离散部分在空间上保持固定。所有的求解器(SPH除外)用网格来离散几何模型；网格定义节点(顶点)、边 (线)和单元-连通性固定；根据求解器，网格可以是结构化或非结构化网格；SPH 用粒子建立模型，每一个粒子通过核函数作用-连通性不固定。,2018/4/27,Lagrange网格：基于Lagrangian方法,拉格朗日网格,网格在材料里面,外面空间不需要网格,
11、2018/4/27,Euler网格：基于Eulerian方法,网格固定在空间材料在网格中流动,外面空间需要空物质网格,欧拉网格,2018/4/27,SPH ：粒子(无网格) 基于Lagrangian方法,由粒子来组成几何模型,外面空间不需要粒子,SPH网格,2018/4/27,Lagrange Euler ALE SPH,空间网格对比,2018/4/27,模型相关概念,Part采用相同求解器的一组节点和单元的集合；相同的求解器可以使用多个part；可用于结构和非结构求解器。component可选择；Part组；一个component可以包含多个part。用来帮助模型结构和参数设置对多个part
12、进行速度、初始条件和材料的设置；边界条件的施加；平移、旋转和放大/缩小多个part；复制和删除多个part。Group其它实体的集合,2018/4/27,求解器之间的联合,每一次计算可以有多个PART；同一个模型不同的PART之间以及模型与模型之间通过以下方式作用：JoinLagrange-Lagrange作用Euler-Lagrange作用复杂模型可以通过此种方式建立。,对于每一个问题选择最适合的求解器,2018/4/27,求解器之间的联合,2018/4/27,内容安排,1、AUTODYN 简介2、AUTODYN 界面3、一般问题的分析步骤4、ANSYS WORKBECH前处理功能介绍5、I
13、CEM CFD前处理功能介绍,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,整体界面,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,2018/4/27,文件处理,视 图,动 画,交 互,AUTODYN 用户界面,工 具 栏,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,控制视图,建立模型,开始/停止 一个计算,导 航 面 板,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,对视图进行平移旋转和比例操作,创建视图,视 图 面 板,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,对话面板,对话框,帮助 取消 确定,打开窗口按钮,对话面板和对话框,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,鼠标/键盘
14、操作,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,新建模型和路径,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,my_ident_0.ad 第0步保存文件 my_ident_428.ad 第428步保存文件 my_ident_0.ad_formatted 第0步格式保存文件 my_ident.his 历史文件(gauges) my_ident.sum 概要文件 my_ident.prt 打印文件 my_ident.log 记录文件 my_ident.uhs 用户历史文件 my_ident.fil 映射文件 my_ident.frg 破片数据文件,文件名字与含义,2018/4/27,AUTOD
15、YN 用户界面,autodyn.ini 初始化文件 matlib_name.mlb 材料库文件 partlib_name.slb Part 库文件 setting_name.set Plot 设置文件 sequence_name.seq 幻灯片顺序文件 slide_name_nn.gif 演示文件 animation_name.gif gif动画文件 animation_name.gfa gfa动画文件,其 它 文 件,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,所有 AUTODYN 的文件是以二进制文件格式保存：旧版本保存的执行文件自动转变成新版本执行文件AUTODYN的其它版本保存的执行
16、文件能够方便地倒入到AUTODYN v6中进行计算。,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,AUTODYN 用单精度来满足求解效率和内存的需要，所以单位制的选择相当重要：避免出现压力低于10-6的单位制；避免出现单元质量低于10-6的单位。缺省的单位制如下：,单 位 制,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,消息面板和命令行面板,消息面板,命令行面板,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,上下文帮助,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,初 始 界 面 定 制,通过GUI改变选项或者编辑初始化文件autodyn.ini,2018/4/27,AUTODYN 用户界
17、面,图像输出格式：GIF、TIFF 和JPEG 三种格式动画：创建.gif 幻灯片格式用创建视图菜单来调整每张幻灯片的顺序和显示时间等可以创建下面一种或三种格式：GIFMPEGAVI,图 像 和 动 画,2018/4/27,文件扩展名为.gfa创建单张图片在AUTODYN动画播放器中播放在播放中操作：大小旋转平移快进/快退控制动画速度,AUTODYN 用户界面,交互式动画文件,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,标准的应用程序运行不需要license播放.gif和.gfa动画格式Gif格式的动画,动 画 播 放 器,2018/4/27,AUTODYN 用户界面,系 统 要 求,201
18、8/4/27,AUTODYN 用户界面,编 译 器 要 求（用户子程序需要）,2018/4/27,熟悉菜单,练习,2018/4/27,内容安排,1、AUTODYN 简介2、AUTODYN 界面3、一般问题的分析步骤4、ANSYS WORKBECH前处理功能介绍5、ICEM CFD前处理功能介绍,2018/4/27,一般问题分析步骤,第一步 设置求解类型、单位制,2D 问题,3D 问题,2018/4/27,一般问题分析步骤,第一种方式：材料库材料,第二步 定义材料,2018/4/27,一般问题分析步骤,自定义材料状态方程强度模型失效模型侵蚀类型,第二步 定义材料,第二种方式,2018/4/27,
19、一般问题分析步骤,常用于对初始速度的设置,第三步 定义初始条件,2018/4/27,一般问题分析步骤,不同的求解器有相适应的边界条件,第四步 定义边界条件,2018/4/27,一般问题分析步骤,一、选择求解器二、对于 Definition 有两种方式：Manual 和 Part wizard,第五步 建立模型,大多数求解器两种方式都可以；对于 Shell (2D) 求解器使用 Manual ，Shell (3D) 两种都可以；SPH 求解器在后面专门讲解。,2018/4/27,一般问题分析步骤,Part wizard 方式三步曲 (形状、网格和材料),第五步 建立模型,2018/4/27,一般
20、问题分析步骤,第五步 建立模型,Manual 方式三步曲 (网格、形状和材料),2018/4/27,一般问题分析步骤,边界条件的施加/删除测量点的添加/删除ALE 运动的施加求解器的调整IJK 范围的调整模型的激活与抑制模型重命名,第六步 模型相关操作,用 Part 构成 Component 对 Component 进行操作：用材料、速度和初始条件进行填充；边界条件的施加；移动和放大/缩小；复制和删除。,用一组节点和单元组成 Group 对 Group 进行操作：边界条件的施加；用材料、速度和初始条件进行填充；移动和放大/缩小；复制和删除。,2018/4/27,一般问题分析步骤,连接接触爆炸,
21、第七步 穿甲、爆炸相关操作,连接,接触,起爆,2018/4/27,一般问题分析步骤,求解设置输出设置,第八步 求解与输出设置,2018/4/27,一般问题分析步骤,第九步 计算与后处理,通过导航栏上 Run 进行计算,历史曲线的相关处理,动画和幻灯片的制作,2018/4/27,泰勒杆碰撞试验,练习,Symmetry: 2D AxialMaterial: Tantalum (library)Impact Velocity: 100 m/sBoundary condition: Rigid (x-vel. limit)Cylinder length: 25 mm (33 elements)Cyli
22、nder radius: 3.81 mm (6 elements)Wrapup: 0.06 msSave data: every 100 cycles,2018/4/27,内容安排,1、AUTODYN 简介2、AUTODYN 界面3、一般问题的分析步骤4、ANSYS WORKBECH前处理功能介绍5、ICEM CFD前处理功能介绍,网格划分,用户需要权衡计算成本和网格划分份数之间的矛盾。细密的网格可以使结果更精确，但是会增加CPU计算时间和需要更大的存储空间。在理想情况下，用户需要的网格密度是结果不再随网格的加密而改变的密度（例如，当网格细化后解没有什么改变）。收敛控制（稍后讨论）可以达到这样
23、的目的但是，细化网格不能弥补不准确的假设和输入引起的错误。,整体网格划分控制,基本的网格控制可以在“Mesh” 分支下操作 当“Global Controls” 为“Basic” (默认)时,用户可以通过滑移块进行控制 。 Relevance是网格划分的相对精度；“Relevance” 可以设置在 100 和 +100之间；默认的 Relevance值是0，但可以通过“Tools Control Panel Meshing: Relevance”改变值；,整体网格划分控制,用户可以变为 “Advanced” 整体网格控制向用户提供了四种控制选项:“Element Size” 定义了平均的单元边
24、的长度一种方法是通过“edge”选择器选取具有代表性的边（像筋板的厚度）进行控制。“Curv/Proximity” 使DS可以定义单元之间的有更加相近的曲率 并且更加接近。设定滑块从100 到 +100 ，如果单元尺寸靠近左边的“Default”， “Curv/Proximity” 的作用和“Relevance” 相同。“Shape Checking” 用于对单元质量的检验。对于线性分析，用 “Standard” 就可以。对于非线性分析和场分析，需要严格的检验(“Aggressive”)，对于显式动力学问题可选取explict。“Solid Element Order”允许用户建立 低阶和 (
25、default) 实体单元之间的连接。,整体网格划分 (ANSYS Details),DS和ANSYS网格划分的比较：整体 “Element Size” 相似于 ESIZE在DS中的 “Curv/Proximity”与ANSYS中的 SMRTSIZE 相似都考虑曲线的曲率和相近性网格划分有不同的结果，所以这两种设定不是完全的一样“Shape Checking”与SHPP,LSTET,ON相似对于线性分析适合用Jacobian 在积分点检查是“Standard” 或是SHPP,LSTET,ON的方法。 采用Jacobian 在角点的检查是“Aggressive” 或是 SHPP,LSTET,OF
26、F 的方法。这是种保守的方法，很适合非线性分析 。这是因为在求解中经过严重变形的单元需要好质量的形状开始计算。因为DS有自己的形状检验标准，当ANSYS种输出网格时应设置SHPP,OFF 。,局部网格控制,可以对局部的单元大小进行控制对于单元尺寸，可以定义被选边、面或parts的平均单元 尺寸。对于边，用户可以定义边上的划分份数。用户控制网格尺寸，可以得到比较相对统一的网格密度，还可以得到比定义整体边的长度更密或更疏的网格。,局部网格控制,可以对已经划分的网格进行单元细化尽管用户很清楚，先进行整体和局部网格控制，然 后对被选的边、面进行网格细化。推荐使用“1“级别细化。这使单元边界划分为初始单
27、元边界的一半。在生成粗网格后，网格细化的得到更加密的网格的简易方法。,局部网格控制,下面讨论使用尺寸控制和细化控制的区别尺寸控制在划分前先给出网格单元的平均单元长度。通常来说，在定义的几何体上可以产生一致的网格，网格过渡平滑。细化是打破原来的网格划分。如有原来的网格不是一致的，细化后的网格也不是一致的。尽管对单元的过渡进行平滑处理，但是细化仍导致不平滑的过渡。在同一个表面进行尺寸和细化定义。在网格初始划分时，首先应有尺寸控制，然后在进行第二步的细化。,映射面网格划分,映射面网格划分允许在面上生成结构网格：下面例子，对内圆柱面进行映射网格划分可以得到很一致的网格。这样对计算求解有益。如果因为某些
28、原因不能进行映射面网格划分，网格划分仍将继续，这时将在Outline Tree 上出现标志；,映射面网格,对surface可以进行四边形和三角形映射网格划分。Surface可以划分四边形或是三角形网格。（不推荐使用三角形壳体单元，这样会影响结果精度）,实体网格划分,DS定义实体网格划分的默认情况：可以Sweep网格划分的，被划分成六面体单元，其他的体划分成四面体单元。Sweep-meshing 可以应用在某一方向上拓扑一致的结构上。在“Mesh” 分支上点击右键，可以预览能够sweep的体。可以选取要sweep的体,实体网格划分,利用“Element Shape” 分支，用户可以控制被选实 体
29、的网格划分:“Auto Sweep if Possible”定义DS将可以进行sweep的 体划分为六面体单元（有时五面体也可以）“All Tetrahedrons” 定义DS将所有的体划分为四面体单元.如果license添加了Advanced Meshing Module 将有“Hex Dominant”功能,Hex-Dominant 网格划分,Advanced Meshing Module 高级网格划分模块介绍:在有些例子里，用户可能希望对于特定的分析生成hex-dominant网格。hex-dominant网格算法先生成一个平面网格，经过向内拖拉形成块/锥。再在内部添加锥形四面体单元。这
30、种外面上六面体单元，里面是四面体单元的计算结果很好。注意，在“Element Shape” 分支只有相应的licenses才能使用Advanced Meshing Module.如果体不能进行hex-dominant划分， “Control Messages” 将给出警告。,February 2, 2004Inventory #0020103-96,Hex-Dominant 网格划分,hex-dominant 网格划分例子:14,402 brick (40%)6,674 tetra (20%)955 wedges (3%)10957 pyramids (33%),局部网格划分 (ANSYS D
31、etails),在内部, 可以利用:“Sizing” 与 LESIZE, AESIZE相近“Refinement” 与 KREFINE, LREFINE, AREFINE相近“Mapped Face Meshing” 相似于有适当 MSHAPE设置的 MSHKEY,1“Element Shape” 相似于 VMESH (free) 或 VSWEEP.Hex-dominant 网格划分功能在ANSYS没有。注意有些低阶单元(如 SOLID45) 不支持锥形单元形状。如果有六面体-四面体过渡或是有hex-dominant网格划分，在 “Meshing” 分支中不能使用低阶单元。运用APDL宏（如“
32、sortelem.mac” ）可以检查hex-dominan网格划分生成的六面体、四面体、五面体或是锥形单元的数目。,网格划分失效,如果进行网格划分不能生成合适形状的单元，就将生成error信息：在屏幕上有问题的几何体会显示出来，在a named selection group 将生成“Problematic Geometry”。这要用户可以看见模型。,网格划分失效,在 “ Tools menu Control Panels: Meshing,” 可以设置有些默认值设置 “Unmeshable Areas” 为 “Show All Failed” 允许用户改变网格划分的状态，如果有问题几何体，
33、mesher会找出所有划分失败的问题几何体，而不是在找到第一个后就停止。,网格划分失效,引起网格失效可能原因：在surface上的尺寸控制不协调, 这样可以导致畸形单元出现。有问题的CAD几何模型，例如有小的缝隙和是卷曲的面太严格的形状检查 (设置“Aggressive”)可以避免网格划分失败的方法:对几何体定义更多的合理单元尺寸控制定义更小的尺寸控制，生成形状规则的单元。在CAD系统中，利用hidden line 删除可见的缝或是不想要的体。利用 virtual cells 连接缝和小面。这样的选项在下面介绍,虚拓扑,虚拓扑允许用户合并面，为了更好的进行网格划分“Virtual Topolo
34、gy” 分支在默认时没有，可以在“Model” 分支中的Context Toolbar 添加“Virtual Cell”就是用多个相邻的面定义的面 。先选择面，在加 “Virtual Cell”为了进行网格划分，Virtual cells 可以把缝的面合并到一个大的面中。小的缝可能不能执行网格密度划分，可能导致网格划分失败。属于virtual cell的原始面上的内部线，不在影响网格划分。所以划分这样的拓扑结构可能和原始几何体会有不同。对于其他操作（例如加载）个别的面就不在被承认，这时用virtual cell 代替。,虚拓扑,当生成virtual cells,要先选面，在将其加入一个virt
35、ual cell:不能首先加virtual cell ，因为DS要检测要合并的面，看其能否完成这个程序。只有DS确定面能合并，新的Virtual Cell 分支才会生成。当加入virtual cell，其中元素就不能改变具体可以看 “Geometry” 成灰色（不可修改）在定义virtual cell 之前要对面进行评估，那么在此之后面就不能再改变如果需要改变，应该删除已经存在的分支， 选择新的面再重新建立。,虚拓扑,Virtual cells 为用户提供了另外的一套工具去控制网格划分在下面的情况中利用virtual cells是有用的:通过删除小特征在特定的面上减小单元密度通过删除有问题几何体，例如长缝或是小面，避免网格划分失败但是，要注意virtual cells 改变了原有的拓扑模型:在内部的特征将不再被考虑,如加载、支撑、求解域由于有新的拓扑，在网格划分时有些问题要考虑,
