LS-DYNA初学者常见的问题

LS-DYNA初学者常见的问题分类:文摘,作者:MagicWolf,热度:43%LS-DYNA在1976年由美国劳伦斯·利沃莫尔国家实验室（LawrenceLivermoreNationalLaboratory）J.O.Hallquist博士主持开发，时间积分采用中心差分格式，当时主要用于求解三维非弹性结构在高速碰撞、爆炸冲击下的大变形动力响应，是北约组织武器结构设计的分析工具。LS-DYNA的源程序曾在北约的局域网PubicDomain公开发行，因此在广泛传播到世界各地的研究机构和大学。从理论和算法而言，LS-DYNA是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论基础。1988年，J.O.Hallquist创建利沃莫尔软件技术公司（LivermoreSoftwareTechnologyCorporation），LS-DYNA开始商业化进程，总体来看，到目前为止在单元技术、材料模式、接触算法以及多场耦合方面获得非常大的进步。以下为LS-DYNA初学者常见的问题:一、LS-DYNA与市面上其它的前处理软件兼容性如何？解答：由于LS-DYNA是全球使用率最高的结构分析软件，因此其它的前处理软件与LS-DYNA是完全兼容的。在此要强调的是：LS-DYNA的官方前处理程序为FEMB，因为FEMB是专门为LS-DYNA量身订作的前处理程序，有许多设定条件及架构逻辑是其它前处理软件所难望其项背的，为了避免在学习LS-DYNA的过程及操作上产生困扰，强烈建议使用者采用原厂出品的FEMB来做为LS-DYNA的前处理工具，使用者必定更能体会LS-DYNA直觉式的设定与强大的分析能力。.二、LS-DYNA似乎很重视「ContactAlgorithm」，这是为什么？解答：是的，LS-DYNA很早以前就已经发展「接触算法」，这是因为基础力学所分析的对像均只考虑「力的受体」，故输入条件皆为外力量值。然而在真实情况下，物体受力通常是因为与其它的物体发生「接触」（Contact）才受力，此时外力量值是无法预期的，应该输入的条件往往都是几何上的接触条件。因为有完备的接触力学演算方式，LS-DYNA才得以忠实的仿真现实环境的复杂结构行为。三、如果要利用LS-DYNA进行MPP(平行运算)的计算，硬件配备及操作系统有无特殊需求？解答：不论是PCcluster、工作站及一般的PC环境，都适合执行LS-DYNA的MPP平行运算功能，一般我们还是会建议要用来执行平行运算的计算机群组，彼此的等级宜尽量一致；操作系统方面并无特别需求，以一般的windows2000、LINUX或是UNIX皆可执行。国外已有很多厂商利用非办公时间，将办公室内的计算机串连在一起，结合LS-DYNA来分析问题，宛如一部超级计算机，不仅可以有效提升研发的竞争力，同时亦可弹性地运用计算机资源，一举数得。四、FEMB能够自动产生有限元素网格吗？解答：FEMB当然可以自动产生有限元素网格，使用者再也不必费心在每个几何边界上指定结点数量，仅需要输入元素尺寸的参考值，FEMB便会依此产生网格。当然，如果能够先在CAD进行合理的简化，auto-mesh得到的元素品质会更好。在国外CAE领域有两句名言：「WellDoneisQuicklyDone」、「QualityMeshleadstoQualityAnalysis」，因此势流科技建议使用者应该多花点心思在前处理上，这对后续的分析工作有着莫大的帮助。五、实际的产品CAD图文件，有许多复杂的几何造型，这些feature是否都该纳入分析考量？解答：这样的问题事实上是属于「EngineerJudgement」的层次，而非软件层次的问题。使用者当然可以将完全按照CAD几何来建立有限元素的模型，然而任何一位有经验的工程师一定会先将不必要的几何造型予以忽略，以提升分析效益，并将分析课题明确化。以右图的Block为例，有些工程师会以Solidelement来建构完整的模型，有些则采用Shellelement，甚至有些人会采用1Delement...，这些方式都无伤大雅，重点是工程师如何从分析结果获得充份的信息。势流科技除了提供软件分析技术之外，同时更致力于协助业界将CAE导入于生产流程的正确位阶，培养正确的CAE分析观念，以提升产品研发品质，缩短生产流程。六、LS-DYNA是否只能进行壳元素的分析？解答：LS-DYNA不只能分析实体元素(Tetra、Hexa)、薄/厚壳元素(Quad.、Tri)，同时还有梁元素、质点、Spring/Damper、spotweld等元素型态，另外还有SPHelement。之所以建议台湾电子产业尽量以壳元素来仿真壳件产品，是由于电子产品的组件当中，板壳类占了90%以上，基于结构行为、准确性及分析效能的考量。除非使用者有特殊的分析需求，否则并不建议采用实体元素来仿真板壳类型的产品组件。我们藉由右边的简单案例，以了解不同元素型态在仿真壳件产品的结果表现：(1)实体元素在板壳厚度方向上至少需要分割三层以上，其位移变形量才能收敛至一定值；而壳元素及厚壳元素仅需一层，在位移量上即可达到理想精度。(2)若是发生降伏产生大变形，在厚度方向上即使分割8层以上的实体元素，其掌握材料塑性应变的收敛速度仍然相当缓慢，而付出的时间代价为shellelement的25倍以上。厚壳元素的运算速度及精度与三层实体元素相当，然而就塑性应变的精度而言，厚壳元素的表现比实体元素要好太多。七、在LS-DYNA里该如何强制刚体运动？解答：CAE分析常需要藉由刚体运动，以简化复杂物理行为。应用技巧有二：给定初始速度或是强制运动轨迹(prescribedmotion)。在LS-DYNA中，预设的刚体旋转轴位置为刚体的质心，若要强制刚体绕特定轴旋转，只要利用FEMB在PART选单里设定INERTIA相关的数值即可。其中的XC、YC、ZC为旋转中心所在位置，即旋转轴通过的地方(内定值为刚体质心)。TM为TranslationalMass，一般状况输入质量即可。IXX~IZZ为此刚体质心位置相对于旋转中心的惯性矩，一般CAD软件应已具备此项计算功能，因此使用者无须再额外进行人工运算。以Pro/E的操作为例：1.确认图文件的单位(公制、英制)。2.于旋转中心建立坐标系。3.选择「Analysis」à「ModelAnalysis」à「ModelMassProperties」。4.选择步骤2.产生之坐标系。Pro/E计算结果会有二组InertiaTensor，其中「InertiaatCenterofGravitywithrespecttoXXXcoordinateFrame」才是我们要的，再将相对应的数值填入IXX~IZZ即可。八、在LS-POST如何显示应变分布图？解答：LS-DYNA内定的输出控制并不包含应变值。如果您希望能有应变值的输出的话，请在FEMB里依照下列步骤完成设定即可。步骤1：点选「DynaMisc」，进入「DATABASE」选项。步骤2：请在「Extent」选项中新增一个「Binary」的输出控制。步骤3：设定STRFLG=1即可。步骤4：分析完成后，使用者可直接在LS-Pre/Post中，点选「Fcomp」à「Strain」观察计算后的应变分布图。LS-Pre/Post还有其它关于应变的显示按键，如：「Infin」、「Green」及「Almans」等，基本上这些应变量是根据d3plot档案中所记录的位置资料，经过微分计算而得到。如果点位取得够密的话，理论上会与板壳中性平面的应变值相当接近。九、强制结构体绕着特定轴旋转的时候，为何会出现奇怪的变形？解答：在定义物体旋转自由度的时候，常会以*Initial_velocity_generation来设定角速度，然而这样的方式会将离心的效果纳入考量，特别是当角速度值很大的时候，，旋转物体会由旋转中心沿半径方向膨胀变形。因此，如果不希望有离心膨胀的效果的话，可以利用*Load_body_rz(orrx、ry)，并配合*Define_curve给定角速度对应时间的关系曲线。几个要注意的地方如下：步骤1：起始速度的设定选项，请设定Phase=1，以进行dynamicrelaxation。步骤2：定义角速度的曲线中，必须开启stressinitialization的功能(SIDR=1)。步骤3：在controlcard的部份须开启accuracy及dynamicrelaxation的功能。步骤4：参考范例请至下载区download。十、LS-DYNA该如何进行振动模态的分析设定？解答：模态分析即为特征值分析，须采取Implicit的方式求解，您只需要在前处理程序FEMB里依照下列方骤进行设定即可。步骤1：点选「DynaMisc」，进入「Control」选项。步骤2：将一般Implicit功能选项开启，其中一项即为「IMP.EIGENVALUE」。步骤3：最基本的设定，您只需要设定模态个数(NEIG)的值即可。步骤4：LS-DYNA针对特征值，还有许多非常实用的输出控制，详细用法请参考LS-DYNAKeywordUser'sManualVol.I，或是直接与势流科技的工程师联络。十一、究竟采用Implicit及Explicit的分析方式会有多大的差异性？解答：右图为材料试片拉伸试验的仿真，分别采用Implicit及Explicit的分析方式。依照静力的观念，其破坏点必发生于试片中点；然而若是以瞬间拉扯试片的话，因为应力传递速度与路径的关系，其破坏点未必会发生在中点，一般的静力软件必定不能满足真实的结构行为。事实上，ASTM对于材料性质试验，都有相关的规范以定义外力加载的速率，也就是因为这个原因。参考结构动力学及数值分析相关参考书，对于Explicit/Implicit将有更详细的说明。十二、要如何设定才能让LS-DYNA自动进行Implicit/Explicit的切换？解答：在LS-DYNA960的版本即有Implicit/Explicit切换的功能，使用者可在FEMBDynaMiscàIMP.General的第一个字段输入「-100」，表示Implicit/Explicit的切换时间是依据#100的loadcurve来定义的。而在LS-DYNA970最新版本更提供了自动切换的功能，做法如下：步骤1：进入FEMB--DynaMisc--CONTROL步骤2：进入IMP.AUTO选项，给定DTEXP的值，此值即为explicit分析所需的计算步长。步骤3：进入IMP.General选项，设定IMFLAG=4or5即可。十三、评估了很多结构软件，发现LS-DYNA是唯一能够将Implicit与Explicitcode整合在一起的软件，这对实际的分析工作有何帮助？解答：LS-DYNA将Implicit及Explicit两种不同的求解方式整合在一起，对于初学者而言可以降低学习的困扰、缩短软件学习的时程、省去面临不同软件的适应问题；对进阶的使用者而言，可以从事更详实的力学分析。最实际的效益在于：(1)预变形及预应力的仿真：真实的结构行为通常都是以连续作动的方式在进行，因为第一阶段的力学行为而衍生出后续阶段的变形。传统的作法，使用者必须凭借个人经验或是以简化的方式在结构体上施予一假设的预应力(预变形)量，然而所施加的量值却未必能符合真实的数值。LS-DYNA整合Implicit及Explicit解法，可以忠实的仿真各种结构反应。以卡勾卡合的动作机制而言，在第一阶段可利用Implicit解法指定卡勾运动方向，接着可马上切换至Explicit解法，仿真卡合瞬间的反应。(2)相信以往从事Implicit分析的工程师都有调整收敛参数的不愉快经验，而LS-DYNA970可以视运算过程收敛性的难易程度，自动将solver由Implicit切换到Explicit，以克服收敛性的问题，这个功能绝对是非常吸引人的.十四、请问以Explicit方式进行分析，影响运算时间的因素有哪些？解答：采用Explicit方式最直接影响运算时间的因素是「计算步长」(timestep)