第3讲-非线性与显式动力学分析-535502420

《有限元法与应用》《有限元法与应用》--上机课上机课第3讲非线性与显式动力学分析•非线性问题分析ANSYS非线性分析基本参数设置Project1:钢支架弹塑性应力分析•接触问题分析ANSYS中的接触单元Project2:汽车板簧刚度分析•碰撞(显式动力学)问题分析LS-DYNA简介Project3:薄壁圆管轴向压缩吸能分析-2-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室Project1:钢支架弹塑性应力分析36015板厚t=3均布载荷：10MPar=7.5R=120长度单位：mm理想弹塑性材料：E=210GPa,ν=0.3，σs=270MPa60σεσs求图示钢支架在均布压力作用下的应力分布和卸载后的残余应力。-3-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室演示重点学习：•非线性材料参数的定义•载荷步定义•非线性计算参数设定•查看结果：残余应力，载荷-位移历程-4-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室ANSYS非线性分析参数设置1.算法（附录1）2.载荷步与子步3.载荷和位移方向4.收敛准则（附录2）5.收敛性增强选项（附录3）6.计算中止选项（附录4）7.输出控制（附录5）-5-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室1算法•ANSYS采用Newton-Raphson算法（混合法），以增量形式逐渐施荷加载，并在每一载荷增量中进行平衡迭代。增量法NR法-6-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室2载荷步与子步•通常可采用一个或多个载荷步来施加外部载荷以及边界条件。子步“时间外载荷载荷步1载荷步2•每个载荷步又可以分为多个子步。每一子步代表一个载荷增量。•对每个载荷子步，需进行平衡迭代以获得在每一子步的平衡（或收敛）。-7-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室•时间(TIME)：—为方便起见，可以设置时间为任何期望的值。例如，将时间设置与载荷大小相等，可很容易地获得载荷-变形曲线。“时间外载荷1.02.0—ANSYS在每一个载荷步末端给定TIME参数识别出载荷步。每一载荷步和子步与一个具体的时间相对应。—缺省情况下，在第一载荷步末，时间为1.0，在第二载荷步末，时间为2.0，以此类推。-8-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室•时间步〔NSUBST〕和时间步长〔DELTIM〕：—非线性分析要求在每一个载荷步内有多个子步或时间步(这两个术语是等效的)；从而逐渐施加所给定的载荷。—NSUBST定义在一个载荷步内将被使用的子步的数目。缺省时是每个载荷步有一个子步。—DELTIM定义时间步长。时间步长决定了在一个子步中的载荷增量。时间步长越大，载荷增量越大，因此时间步长对求解的精度有直接的影响。“时间”外载荷1.02.0ΔtΔF-9-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室•自动时间分步〔AUTOTS〕:—ANSYS具有自动时间步长的功能，它会在一个载荷步的所有子步中预测并控制时间步长。—打开自动时间步长选项时，在一个时间步的求解完成后，下一个时间步长的大小基于四种因素预计：1)在最近的时间步中使用的平衡迭代的次数（更多次的迭代则减小时间步长）；2)对非线性单元状态改变的预测（临近状态改变时减小时间步长）；3)塑性应变增加的大小；4)蠕变增加的大小。-10-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室•斜坡或阶跃载荷〔RampedorStepped〕:ft—在与应变率无关的材料行为的非线性静态分析中通常不需要指定这个选项。—缺省情况下，载荷为阶跃载荷〔KBC，1〕。—对率相关材料行为情况（蠕变或粘塑性），则需指定加载过程。-11-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室3载荷和位移方向•很多情况中，无论结构如何变形，施加在系统中的载荷保持恒定的方向。而另一些情况中，载荷将随着单元位置的改变而变化。•加速度和集中力将始终保持最初的方向；而表面载荷作用在变形单元表面的法向，随着单元的变形而发生变化。-12-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室有限元模型-13-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室02468101200.511.5displacement/mmpressure/MPa加载卸载载荷-位移曲线《有限元法与应用》《有限元法与应用》--上机课上机课第3讲非线性与显式动力学分析•非线性问题分析ANSYS非线性分析基本参数设置Project1:钢支架弹塑性应力分析•接触问题分析ANSYS中的接触单元Project2:汽车板簧刚度分析•碰撞(显式动力学)问题分析LS-DYNA简介Project3:薄壁圆管轴向压缩吸能分析-15-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室ANSYS中的接触单元1点-点接触单元2点-面接触单元适用于接触面之间有较小相对滑动的情况。需预先知道确切的接触位置，接触面之间也需保持网格的一致。单元类型：CONTAC12，CONTAC52，COMBIN40允许接触面之间有大的变形和大的相对滑动。不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需保持网格一致。单元类型：CONTA175-16-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室ANSYS中的接触单元3面-面接触单元模拟刚体-柔体的接触。刚性面被当作“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面。一个目标单元和一个接单元叫作一个“接触对”。“目标”面单元:•Targe169(2-D)，Targe170(3-D)“接触”面单元类型:•Conta171,Conta172,Conta173,Conta174-17-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室CONTAC12：2D点-点的接触单元采用相对于总体坐标X轴的输入角θ（用度表示）来定义接触面，即总体坐标的X轴逆时针旋转θ角便得到正的滑动方向，法向方法N垂直于S。通过总体坐标系X－Y平面内的二个结点I，J来定义，可以用于2D平面应力、平面应变和轴对称分析中。-18-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室CONTAC12的实常数：•THETA－界面角，定义接触面方位的角度•KN－法向刚度，在法线方向的接触刚度•INTF－位移过盈量，初始过盈量或缝隙•START－单元初始接触状态•KS－粘附刚度，在滑动方向的接触刚度KS-19-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室CONTAC12的单元选项：•K1－摩擦类型0：弹性库仑；1：刚性库仑。•K2－初始方位角基于0：实常数THETA确定；1：运动方向确定。•K4－过盈量或缝隙基于0：实常数INTF；1：初始结点的位置。-20-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室单元初始接触状态（START）：•0：由INTF决定接触状态•1：闭合，且没有滑动•2：闭合，且有正方向的滑动•-2：闭合，且有负方向的滑动•3：张开，未接触《有限元法与应用》《有限元法与应用》--上机课上机课第3讲非线性与显式动力学分析•非线性问题分析ANSYS非线性分析基本参数设置Project1:钢支架弹塑性应力分析•接触问题分析ANSYS中的接触单元Project2:汽车板簧刚度分析•碰撞(显式动力学)问题分析LS-DYNA简介Project3:薄壁圆管轴向压缩吸能分析-22-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室Project2:汽车板簧刚度计算12201207500N求图示汽车板簧变形和等效应力。已知：板簧圆拱的弧长1220mm，拱高120mm，宽度75mm，共3片，每片板簧的厚度10mm。板簧材料弹性模量为207GPa，泊松比为0.3，载荷为7500N。-23-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室汽车板簧-24-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室610mm180cos120mm1529.9877mm22.8436RRRR°πβ=−β==β=弧长：拱高：解得：β=22.8436120mm610mmR=1529.99O-25-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室18612单元数713接触数-26-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室《有限元法与应用》《有限元法与应用》--上机课上机课第3讲非线性与显式动力学分析•非线性问题分析ANSYS非线性分析基本参数设置Project1:钢支架弹塑性应力分析•接触问题分析ANSYS中的接触单元Project2:汽车板簧刚度分析•碰撞(显式动力学)问题分析LS-DYNA简介Project3:薄壁圆管轴向压缩吸能分析-28-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室LS-DYNA简介•应用领域高速碰撞模拟（如飞机、汽车、火车、船舶等碰撞引起的结构动力响应和破坏）乘员安全性分析（气囊与假人相互作用、安全带的可靠性分析等）金属成型（物料的滚压、挤压，薄板的冲压成型等）爆炸分析、弹丸穿甲模拟LS-DYNA程序的初版是1976年美国LawrenceLivermoreLaboratory研究开发的，经不断改进，已成为著名的显式非线性动力学分析软件，可以求解各种二维、三维非弹性结构的高速碰撞、爆炸和冲压等大变形动力响应问题。•其他碰撞分析软件：RADIOS，PAM-Crash，ABAQUS-29-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机课汽车工程系汽车工程系结构分析与结构分析与CAECAE研究室研究室单元类型⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩通用自动刚体固连、固连失效侵蚀成型材料模型•薄壳单元、厚壳单元、膜单元、实体单元、梁单元、弹簧单元、刚体单元、集中质量单元等。•近百种金属、非金属本构模型，有弹性、弹塑性、超弹性、泡沫、玻璃、混凝土、蜂窝等。接触类型•单面接触（singlesurface）•点-面接触（nodes-to-surface）•面-面接触（surface-to-surface）《有限元法与应用》《有限元法与应用》--上机课上机课第3讲非线性与显式动力学分析•非线性问题分析ANSYS非线性分析基本参数设置Project1:钢支架弹塑性应力分析•接触问题分析ANSYS中的接触单元Project2:汽车板簧刚度分析•碰撞(显式动力学)问题分析LS-DYNA简介Project3:薄壁圆管轴向压缩吸能分析-31-有限元法与应用有限元法与应用--上机课上机