Ls-dyna单元简介

ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual第2章单元ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-2本章目标•学完本章后,学员应能够定义和应用ANSYS/LS-DYNA中的显式动力单元.1.了解显式动力单元家族2.描述简化积分单元和沙漏3.详细描述每种显式动力单元4.讲解使用显式动力单元的要点5.给出操作步骤,做一个拉延例子ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-3显式动力单元概述•ANSYS/LS-DYNA有7种单元类型:–LINK160:显式pin-jointed桁架单元(similartoLINK8)–BEAM161:显式梁单元(similartoBEAM4)–SHELL163:显式薄壳单元(similartoSHELL181)–SOLID164:显式块单元(similartoSOLID45)–COMBI165:显式弹簧与阻尼单元(similartoCOMBIN14)–MASS166:显式结构质量(similartoMASS21)–LINK167:显式缆单元(similartoLINK10)•所有显式动力单元为三维的ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-4显式动力单元概述（续）显式单元族在以下方面与ANSYS隐式单元明显不同:–每种单元可用于几乎所有材料模型.在ANSYS隐式分析中,不同的单元类型仅仅适用于特定的材料类型，如超弹材料(HYPER56,58,and74)和粘塑性材料(VISCO106and108).–每种单元类型有几种不同算法.如果ANSYS隐式单元有多种算法，则具有多个单元名称(如SHELL43和63).在ANSYS/LS-DYNA中，每中单元类型可以具有多种算法，如SHELL163最多有11种.–所有显式动力单元具有一个线性位移函数.目前尚没有具有二次位移函数的高阶单元.–每种显式动力单元缺省为单点积分.–不具备带额外形函数和中间节点的单元以及P单元.–单元支持ANSYS/LS-DYNA中所有非线性选项.ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-5简化积分单元一个简化积分单元是一个使用最少积分点的单元.一个简化积分块单元具有在其中心的一个积分点；一个简化壳单元在面中心具有一个积分点全积分块与壳单元分别具有8个和4个积分点.–在显式动力分析中最耗CPU的一项就是单元的处理.–由于积分点的个数与CPU时间成正比,所有的显式动力单元缺省为简化积分.–除了节省CPU,单点积分单元在大变形分析中同样有效.ANSYS/LS-DYNA单元能承受比标准ANSYS隐式单元更大的变形.–简化积分单元有两个缺点:•出现零能模式(沙漏).•应力结果的精确度与积分点直接相关.ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-6沙漏沙漏是一种以比结构全局响应高的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，但在物理上是不可能的状态。它们通常没有刚度，变形呈现锯齿形网格.–单点积分单元容易产生零能模式.–沙漏的出现会导致结果无效，应尽量避免和减小.–如果总的沙漏能大于模型内能的10%,这个分析就有可能是失败的.在Chapter8(GLSTATandMATSUMfiles)中将讨论沙漏能.有时侯即使5%也是不允许的.ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-7•对单点积分实体单元的零能模式:单元-沙漏模式ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-8Solution:AnalysisOptions-BulkViscosity•强烈建议使用缺省值最小化沙漏ANSYS/LS-DYNA有以下方法控制沙漏:1:避免单点载荷–单点载荷容易激发沙漏.2:用全积分单元–全积分单元不会出现沙漏.用全积分单元(KEYOPTS)定义模型的一部分或全部可以减少沙漏.3:全局调整模型体积粘性–沙漏变形可以通过结构体积粘性来阻止，可以通过使用EDBVIS命令控制线性和二次系数，从而增大模型的体积粘性。ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-9建议刚度系数不超过0.15最小化沙漏（续）4:全局增加弹性刚度–沙漏还可以通过增大弹性刚度来消除.即用命令EDHGLS增加沙漏系数(HGCO)：Solution:AnalysisOptions-HourglassCtrls-BulkViscosity5:局部增加弹性刚度–有时只需用EDMP,HGLS命令增加某些特定材料或区域单元的刚度即可达到目的.ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-10定义显式动力单元显式动力单元通过标准ANSYS步骤定义：–Step1:SelectLS-DYNAExplicitforANSYSGUIfilteringMainMenu:Preferences:•选择LS-DYNAExplicit将过滤单元表，方便定义单元.•显式与隐式单元不能同时在分析中出现.ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-11STEP2:AddelementtypePreprocessor:Elementtype-Add/Edit/Dele....定义显式动力单元（续）ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-12LINK160Pin-JointedTruss单元•3D圆杆单元用来承受轴向载荷.•用3个节点定义单元.–第3个节点用来定义杆的初始方向.ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-13BEAM161梁单元•由于不产生应变，此3D梁适用于刚体旋转.用3个节点定义此单元.•可以定义几种标准梁截面.ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-14SHELL163薄壳单元Shell163有11种不同算法.最重要的几种有:•Belytschko-Tsay(BT,KEYOPT(1)=2,default):–简单壳单元–非常快–翘曲时易出错•Belytschko-Wong-Chiang(BWC,KEYOPT(1)=10):–速度是BT单元的1.25倍–适用于翘曲分析–推荐使用•Belytschko-Leviathan(BL,KEYOPT(1)=8):–CPU时耗为BT单元的1.4倍–仍在开发中–第一个具有物理沙漏控制的单元•S/Rco-rotationalHughes-Liu(S/RCHL,KEYOPT(1)=7):–没有沙漏的壳单元–CPU为8.8*BTExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-15CPUfactor2.45*BTKEYOPT(1)=11integrationpoint普通co-rotational普通“完全简化”选择性“完全简化”CPUfactor1.49*BTKEYOPT(1)=111integrationpointCPUfactor20.01*BTKEYOPT(1)=64integrationpointsCPUfactor8.84*BTKEYOPT(1)=74integrationpoints这种算法与SHELL143的算法兼容SHELL163薄壳单元（续）•Hughes-Liu壳单元算法有4种变化形式:ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-16SHELL163薄壳单元（续）•单元算法BT,BWC,BL只用面内单点积分，S/RCHL用4点积分.•所有壳单元沿厚度方向可以有任意多个积分点.–对弹性变形沿厚度方向用2个积分点即可(缺省值)–对于塑性行为沿厚度方向需要3到5个积分点(建议)–用实常数来定义积分点•R,nset,r1,r2,r3–nset实常数标号–r1=剪切因子,对于薄壳建议用5/6–r2=积分点个数–r3=单元厚度ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-17SHELL163薄壳单元（续）•用EDINT命令为输出定义沿壳厚度方向的积分点个数–EDINT,SHELLIP,BEAMIP•SHELLIP为输出壳单元的积分点个数•SHELLIP3•每个积分点与一层相关联•缺省为3，分别位于上，中，下层•BEAMIP输出梁单元积分点ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-18SHELL163薄壳单元（续）•对三角形壳体有两种算法:–C0三角形壳(KEYOPT(1)=4)•基于Mindlin-Reissner板理论•刚度比较硬,在构造整个壳体时建议不使用–BCIZ三角形壳(KEYOPT(1)=3)•基于Kirchhoff板理论•慢–但是,在混合网格中,C0三角形壳体比退化4节点单元算法好.因此当面网格混合划分时（自由网格剖分），经常用到以下命令:•EDSHELL,,,,,,ITRST–ITRST=1:退化四边形壳体处理为三角形壳(default)–ITRST=2:退化四边形壳体不变•MainMenuSolutionLS-DYNAcontrolsDefaultCtrlsShellElemCtrlsFullSortingOKExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-19SHELL163膜单元算法•有两种膜单元算法:–Belytschko-Tsay-Membrane(KEYOPT(1)=5):•具有单点积分的膜单元算法–FullyintegratedBelytschko-Tsay-Membrane(KEYOPT(1)=9):•具有4个积分点的膜单元算法ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-20SOLID1648节点六面体单元•可以选择两种算法:–单点积分•对大变形问题十分有效.•需要沙漏控制.–完全积分(2x2x2积分)•求解慢，但无沙漏•使用大的泊松比时谨慎•建议不用退化四面体单元•对于显式动力分析最好用映射网格，拖拉出的带金字塔形网格也可以。ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrainingManual00132210JAN20002-21COMBI165弹簧阻尼单元•用两个节点定义•可以与所有其他单元联结•具有平动和扭动自由度•能够应用复杂的非线性力-位移关系•与COMBIN14不同,弹簧与阻尼必须是分离的单元•由于COMBI165只具有弹簧与阻尼选项,对于弹簧阻尼组合体必须重叠两个单元ExplicitDynamicswithANSYS/LS-DYNATrai