显式动力学单元6
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。 • 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。 • 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 • 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) • 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
• 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
• 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 • 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)。 • 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 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。 • 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)。 下一篇隐式算法与显式算法对比
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