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显式动力学单元

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发表时间:2024-09-18 17:28

• ANSYS/LS-DYNA 程序可以定义8种不同的单元:

– LINK160: 3-D 显式杆单元

– BEAM161: 3-D 显式梁单元

– PLANE162: 2-D 显式平面体单元

– SHELL163: 3-D 显式薄壳单元

– SOLID164: 3-D 显式体单元

– COMBI165: 3-D 显式弹簧阻尼单元

– MASS166: 3-D 显式结构质量单元

– LINK167: 3-D 显式索单元

– 3D Tet-Solid 168 10节点金子塔单元

除2-D PLANE162外 (平面应力,平面应变或轴对称),其它显式单元都是三维单元

显式单元族在以下方面与 ANSYS 隐式单元明显不同:

– 每种显式单元几乎对所有的材料模型有效。在隐式 ANSYS中,不同的单 元类型仅仅适用于特定的材料模式,如超弹单元 (HYPER56, 58, 74) 和 粘弹单元 (VISCO106 , 108), 尽管现在新的18X 隐式单元允许多种材料 选项。

– 大多数显式单元有许多不同的算法,如SHELL163最多有12种算法。 历史上,隐式单元根据不同的算法给单元以不同的名字 (如SHELL43 和 63), 但是现在新的18X隐式单元正向这个趋势发展。

– 显式单元支持ANSYS/LS-DYNA所允许的所有非线性选项。

– 所有的显式动力学单元具有一次线性位移函数。目前尚没有高阶的二次 位移函数。

– 在ANSYS/LS-DYNA中,没有带有额外形函数和中间节点的单元及P-单 元。

– 每种显式单元缺省为单点积分单元。

• 缩减积分单元 是使用最少积分点的单元。一个缩减积分体单元在其中心有 一个积分点,一个缩减积分壳单元有一个平面内积分点,但沿着壳的厚度 可以设置多个积分点。

• 全积分单元 主要用于隐式ANSYS中。 在ANSYS/LS-DYNA中,全积分体 单元有8个积分点,全积分壳单元有4个平面内积分点(沿着壳的厚度有多 组积分平面)。

• 缩减积分通过减小单元处理时间来减少CPU时间,所以缩减积分通常是ANSYS/LS-DYNA中缺省的形式。

• 沙漏 是一种以比结构全局响应高得多的频率震荡的零能变形模式。 沙漏 模式导致一种在数学上是稳定的、但在物理上无法实现的状态。他们通 常没有刚度,变形呈现锯齿形网格。

– 单点 (缩减) 积分单元将产生零能模式

– 在分析中沙漏变形的出现使结果无效,所以应尽量减小和避免

– 如果总体沙漏能超过模型总体内能的10% ,那么分析可能就是无效 的。关于沙漏能以后会讨论 (GLSTAT 和 MATSUM文件), 有时侯甚 至 5% 的沙漏也是不允许的。

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• 在 ANSYS/LS-DYNA中控制沙漏

– 避免能够激起沙漏模式的单点载荷。因为一个被激励的单元会将沙漏 模式传递到周围的单元,所以不要施加单点载荷。如果可能,尽量将 载荷如同压力那样施加到多个单元上。

– 细化网格通常减少沙漏,但是一个大的模型通常会增加求解时间并使 结果文件增大。

– 全积分单元可以避免沙漏,但根据不同应用,要以求解速度,求解能 力甚至求解精度为代价。另一种选择,可以在网格划分时,分散一些 全积分的“种子”单元于模型中从而减少沙漏。 PLANE162无全积分 模式,梁单元不需要全积分。

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• 3-D 梁单元适用于刚体旋转,因为它不产生应变

– 用三个节点定义单元

– 第三个节点用来定义梁的方向

– 可以定义许多标准的梁横截面

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• PLANE162 – 2-D, 4-节点体

– 3节点三角形单元 (不推荐)

– 仅支持 Lagrangian 算法

– UX, UY, VX, VY, AX, AY 自由度

– 对于轴对称模式,Y 轴 = 对称轴

– 不允许混用2D 和3D 单元类型

– 不允许全积分选项

• PLANE162 KEYOPT 设置:

– Keyopt(2) –面积加权或体积加权 (AXISYM)

– Keyopt(3) – 平面应力,轴对称或平面应变

• 在给定的分析中仅仅可以使用一种2-D类型 (如在一个模型中不能同时轴对称和平面应力单元)

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• 在X-Y 平面建立PLANE162 单元

• PLANE162单元不要定义实常数

• 支持许多材料模式 (如塑性,复合材料 ,Mooney-Rivlin橡胶 材料)

• RSYS 支持位移和应力(不包括应变)

• Lagrangian 算法基于大应变理论 ,根据此理论实体被离散 化,并且当网格随时间物理变形时几何体不断更新。该算法 同样使用于隐式ANSYS中。

SHELL163 有 12 种不同的单元算法, 重要的包括:

• Belytschko-Tsay (BT, KEYOPT(1)=0 or 2, 缺省):

– 简单壳单元

– 非常快 (相对速度 = 1.0)

– 翘曲时易出错

• Belytschko-Wong-Chiang (BWC, KEYOPT(1)=10):

– 相对速度 = 1.28 * BT

– 设用于翘曲分析

– 推荐使用

• Belytschko-Leviathan (BL , KEYOPT(1)=8):

– 相对速度 = 1.25 * BT

– 较新,仍在开发中

– 第一个有物理沙漏控制的单元

– (对于EDMP,HGLS,Mat,Val1无参数)

• S/R co-rotational Hughes-Liu (S/R CHL, KEYOPT(1)=7):

– 没有沙漏控制的壳

– 相对速度 = 8.84 * BT

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• 单元算法BT, BWC, BL 仅适用于平面内单点积分,而 S/R CHL 用于平面内4   点积分。

• 所有的壳单元沿着厚度方向有任意多数目的积分点(NIP) 。

– 对于弹性行为NIP = 2 (缺省)

– 对于塑性行为,3 < NIP < 5 (推荐NIP=5)

– 实常数用来定义积分点的数目

• R, NSET, SHRF,NIP,T1

– NSET = 实常数组参考号

– SHRF = 剪切因子 (对于薄壳推荐为5/6)

– NIP = 积分点数

– T1 = 单元厚度

– 目前SHELL163 不支持新的壳截面命令 (SECTYPE, SECDATA,

SECOFFSET等)

• 对于三角形壳单元有两种算法:

– C0 三角形壳 (KEYOPT(1)=4)

• 基于 Mindlin-Reissner 平板理论

• 此算法刚度偏大,不推荐用于整个壳体网格中

– BCIZ 三角形壳 (KEYOPT(1)=3)

• 基于 Kirchhoff 平板理论

• 较慢

– 在混合网格中, C0 三角形单元通常比退化的4节点单元算法更好

。所以当混合划分(自由划分)通常使用下面的命令:

• 有两种膜单元算法:

– Belytschko-Tsay-膜(KEYOPT(1)=5):

• 单点积分的膜单元

– 全积分 Belytschko-Tsay-膜 (KEYOPT(1)=9):

• 具有4点积分的膜单元

• 全积分 Belytschko-Tsay 壳 (KEYOPT(1)=12):

– 不需要沙漏控制

– 对横向剪切,假设的小应变弥补了剪切锁定

– 平面内4点积分 (2 X 2 积分) ,但速度仍然很快

– 比缩减积分的Belytschko-Tsay 壳慢2.5 倍

– 当沙漏模式难以控制时推荐使用

– 在每一层的单元中心平均各层应力结果

• 极力反对用退化的四面体网格

– 一个完全四面体网格甚至不能运行

• 对显式动力学单元使用映射网格

– 拖拉生成的三棱柱单元可以接受

– 尽可能保持接近于立方体的实体形状

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• 有两种实体单元算法:

– 单点积分实体 (整个单元中常应力)

• 缺省形式

• 对于单元大变形单元非常快和有效

• 通常需要沙漏控制来阻止沙漏模式

– 全积分实体 (2x2x2 积分)

• 比较慢,但无沙漏

• 对于高的泊松比时会同时出现剪切锁定和体积锁定,得到比较差的结果

• 精度比缺省算法对单元形状更敏感

• 在特定区域被选用来降低病态效应

• 使用两个节点和离散的材料模式来定义

• 能与其它所有显式单元连接

• 具有平动和转动自由度

• 能定义复杂的力-位移关系

• 不象COMBIN14, 弹簧和阻尼必须是不同的单元

• 由于只能同时定义一个弹簧或阻尼选项,所以定义弹 簧-阻尼集合体时需要重叠定义两个单元

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• MASS166 是一个有9个自由度的单点质量单元:在x,y,z方向的平动、速度 、加速度

• 这个单元还有附加的选项用来定义无质量的转动惯量:

• KEYOPT(1)=0

• KEYOPT(1)=1

无惯量的3-D 质量: 输入质量

3-D 转动惯量 (无质量):输入 6 个惯量值

• 这个单元用来调整例如汽车碰撞这样复杂模型的质量,其中许多组件(如座位,车灯,控制工具和假人等)未被建模(以质量单元替代)。

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• 三节点仅拉伸单元

– 第三个节点定义单元初始方向

– 用于索绳建模

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SOLID168单元为10节点金子塔单元。该单元使用二次位移函数进行插值

,并且具有5个积分点((KEYOPT(1) = 0 or 1)

SOLID168单元非常适合模拟不规则的网格,例如模型是从其他CAD软件 或Workbench导入的。此外,用户需要注意完全使用SOLID168单元计算得出 的结果可能不如使用SOLID164单元计算的得出结果准确。基于这个原因,建 议用户联合使用这两种单元进行计算。将SOLID168单元用于计算模型中的不 规则位置,而将SOLD164单元用于计算模型中较为规则的位置。

虽然程序允许联合使用168和164单元,但是由于168单元具有中间节点,   因此两种单元的过渡区域的网格要进行细化。

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• 只要可能尽量避免小单元,因为它将大大减小时间步,从而 增加求解时间。如果小单元不可避免,使用质量缩放。

• 减少使用三角形、四面体和棱柱单元,尽管程序支持,但不 推荐使用。

• 避免尖角单元和翘曲的壳,因为它们将降低结果精度。

• 在需要沙漏控制的地方使用全积分单元,但是全积分六面体 单元会导致体积锁定(由于泊松比接近于0.5)和剪切锁定(   如剪支梁的弯曲)。


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