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ANSYSLS-DYNA中的数值模拟方法

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有了上述的三种方法后, 在20世纪七八十年代,主 要由美国开发出了大批具 有影响力的计算机程序, 从离散方法上分类有: 有限差分法(FDM) 有限元法(FEM) 有限体积法(FVM) 从坐标类型上大体分为: 拉 格 朗 日 型 (LAGRANGE) 欧拉型(EULER)
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1988年J.O.Hallquist创建LSTC公司,推 出LS-DYNA程序系列,主要包括显式LSDYNA2D/3D、 隐式LS-NIKE2D/3D、 热 分 析 LS-TOPAZ2D/3D 、 前 后 处 理 LSMAZE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)
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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/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
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有限差分法
先 建 立微 分 方 程 组 (控 制 方 程),然后用网格覆盖空间域 和时间域,用差分近似替代控 制方程中的微分,进行近似的 数值解,其在流体力学和爆炸 力学中得到广泛的应用。
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有限体积法 在物理空间将偏微分方程转化为积分形 式,然后在物理空间中选定的控制体积 上把积分形式守恒定律直接离散的一类 数值方法,适用于任意复杂的几何形状 的求解区域,是在吸收了有限元方法中 函数的分片近似的思想,以及有限差分 法的一些思想发展起来的高精度算法, 目前已在复杂区域的高速流体动力学数 值模拟中得到广泛应用。
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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
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ANSYS本身建模

间接建模法 自顶向下方法 按建模方向分

按模型难易分
直接建模法
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网格划分技巧 在网格划分时,首先要考虑的是模型 的网格数量。 考虑分析数据类型选择合适的网格数 量。 用结构的对称性来减少模型的网格数 量。 保证分析精度的前提下略去结构细节。 应力梯度较大时采取疏密不同的网格。
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曲线1表示结构中的位 移 随 网 格 数 量 收 敛的 一般曲线曲线2代表计 算 时 间 随 网 格 数 量的 变 化 。 网 格 较 少 时增 加 网 格 数 量 可 以 使计 算 精 度 明 显 提 高 ,而 计 算 时 间 不 会 有 大的 增 加 。 当 网 格 数 量增 加 到 一 定 程 度 后 ,在 继 续 增 加 网 格 时 精度 提 高 甚 微 , 而 计 算时 间 却 有 大 幅 度 增 加。 所 以 应 注 意 增 加 网格 的经济性。
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体扫掠网格划分 扫掠网格划分是由面网格经过拖拉、 旋转、偏移等方式而生成网格的一种 网格划分技术。 柱状的模型一般可以考虑使用。如, 对于具有高度不规则横截面的3D模型, 在横截面上自由划分四边形网格,然 后在体内扫掠成六面体单元。在扫掠 前可对四边形网格加密(如需要)。确认 加密后产生的单元保持四边形以保证 扫掠成六面体单元。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。
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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。
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材料模型 (Material Model)
LS-DYNA程序目前有140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。
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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,PARASOLID,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。
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第四章 数值模拟中的算法
目前在爆炸冲击效应技术领域主要的 数值模拟方法包括: 有限单元法
有限差分法
有限体积法
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有限单元法 先将连续的求解域分解成有限个 单元,组成离散化模型,然后求 其近似的数值解。有限元包括结 构有限元和动力有限元
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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。
自底向上方法
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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。
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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, 可以用单独的ANSYS命令来生成。
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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。
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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 -固体耦合结构的有限元网格剖分的需 要。
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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,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。
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/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 wpoff,-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
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ANSYS刚打开导入文件时通常是线条文件, 选 择 菜 单 中 plotctrls>style>solid model facets,再选择对话框里面的fine,replot 画面就出现了实体模型。
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利用命令流的方式建模 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 File>Read 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。
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映射网格划分 映射网格划分是对规整模型的一种网格划 分技术,它在面上生成四边形网格,在体 上生成六面体网格。 优点:生成的有限网格形状规则,数量要 比相应的自由网格少很多,节省计算时间, 提高计算精度。 缺点:对面和体的形状有一定的要求,对 复杂模型,必须先将其分割成规则形状模 型后才能使用。会花费较多的时间和精力。
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