LSDYNA的中文教程.docx

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LSDYNA的中文教程

第二部分ANSYS/LS-DYNA程序的使用方法

一、概述

ANSYS/LS-DYNA程序系统是将非线性动力分析程序LS-DYNA显式积分部分与ANSYS程序的前处理PREP7和后处理POST1、POST26连接成一体。

这样既能充分运用LS-DYNA程序强大的非线性动力分析功能，又能很好地利用ANSYS程序完善的前后处理功能来建立有限元模型与观察计算结果，它们之间的关系如下。

Jobname.DB

Jobname.RSTd3plot

Jobname.HISd3thdt

ANSYS/LS-DYNA程序系统的求解步骤为：

（一）前处理Preprocessor建模（用PREP7前处理解算器）

1.设置Preference（MainMenu:

Preference）选项

置StructuralLS-DYNAexplicit。

这样，以后显示的菜单完全被过滤成ANSYS/LS-DYNA的输入选项。

再定义一种显式单元类型，即可激活LS-DYNA求解。

GUI:

MainMenu>Preferences

a.选择Structural.

b.选择LS-DYNAExplicit.

c.OK.

2.定义单元类型ElementType和Option（算法）和实常数RealConstant。

3.定义材料性质MaterialProperties。

4.建立结构实体模型Modeling。

5.进行有限元网格剖分Meshing。

6.定义接触界面Contact。

（二）加载和求解Solution

1.约束、加载和给定初始速度。

2.设置求解过程的控制参数。

3.选择输出文件和输出时间间隔。

4.求解Solve（调用LS-DYNA）。

（三）后处理POST1（观察整体变形和应力应变状态）和POST26（绘制时间历程曲线），也可连接LSTC公司的后处理程序LS-TAURUS。

在各程序模块之间传递数据的文件有：

（1）ANSYS数据文件

数据库文件（DatabaseFile）－Jobname.DB二进制文件

图形数据文件（ResultsFile）－Jobname.RST二进制文件

时间历程数据文件－Jobname.HIS二进制文件

输出文件（OutputFile）－Jobname.OUTASCII文件

命令文件（LogFile）－Jobname.LOGASCII文件

（2）LS-DYNA数据文件

输入数据文件（Iuputfile）－Jobname.KASCII文件

重起动文件（DumpFile）－D3DUMP随机文件

图形数据文件（PlotFile）－D3PLOT随机文件

时间历程文件－D3THDT随机文件

由于ANSYS前处理程序还不能满足LS-DYNA程序系统的全部功能，用户可以生成LS-DYNA的输入数据文件Jobname.K，经过编辑、修改后，再直接调用LS-DYNA程序求解，其计算结果图形数据文件仍然可以连接ANSYS后处理程序POST1和POST26以及LS-DYNA的后处理程序LS-TAURUS观察计算结果。

ANSYS/LS-DYNA可以与ANSYS结构分析程序之间传递几何数据和结果数据来执行隐式显式和显式－隐式分析，如跌落试验、回弹计算等。

使用ANSYS/LS-DYNA时，建议用户使用程序提供的缺省设置。

多数情况，这些设置适合求解问题。

下面详细介绍ANSYS/LS-DYNA程序的使用方法，由于ANSYS前处理程序PREP7的实体建模和网格剖分在ANSYS培训教材中详细介绍，这里不再重复。

二、单元

1.概述

在ANSYS/LS-DYNA程序的显式动态分析中可以使用如下类型单元：

LINK160杆单元

BEAM161梁单元

SHELL163薄壳单元

SOLID164实体单元

COMBI165弹簧阻尼单元

MASS166质量单元

LINK167仅位伸单元

这些单元都是三维的，采用线性位移函数（低阶单元），每种单元都有多种算法可供用户选择。

其高斯积分点数，缺省时实体单元是单点积分，薄壳单元是面内单点积分、沿壳厚多点积分。

线性位移函数和单积分点的显式单元能够很好地用于大变形和材料失效等非线性问题。

近年来新版本LS-DYNA的单元也可以采用多点积分，供用户选择。

各种单元能够选用的材料模型是有限制的，详见下一节“材料性质”。

（1）SOLID164实体单元

它是8节点六面体单元，可以采用某些节点重复来退化成6节点楔形单元，5节点锥形单元。

在受弯曲时退化单元比较僵硬，要尽量避免使用。

实体单元算法有二种：

（1）KEYOPT

（1）=1，缺省算法，采用单点积分和沙漏控制。

它能节省机时并在大变形条件下增加可靠性。

（2）KEYOPT

（1）=2，采用2X2X2多点高斯积分。

它没有零能模式，不需要沙漏控制。

对于某种材料，如泡沫材料，计算结果会好些。

但计算机时将有显著增加。

（2）SHELL163薄壳单元

它是4节点四边形单元，或3节点三角形单元。

有11种算法，用KEYOPT

（1）值来定义不同算法。

和实体单元一样，积分点数会显著影响机时耗费，对于一般课题建议采用面内单点积分。

以下概述这十一种算法。

a.4节点四边形薄壳单元（沿壳厚多积分点）

－Belytschko-Tsay（KEYOPT

（1）=2）缺省算法

采用面内单点积分，计算速度快，建议在大多数分析中使用，单元过度翘曲时不要使用。

－Belytschko-Wong-Chiang（KEOPT

（1）=10）

比Belytschko-Tsay算法慢1/4，采用面内单点积分，用于翘曲情况，一般可得到正确结果。

－Belytschko-Leriathan（KEYOPT

（1）=8）

采用面内单点积分，比Belytschko-Tsay算法慢2/5，自动含物理上的沙漏控制。

－Hughes-Liu（KEYOPT

（1）=1）

采用面内单点积分，比Belytschko-Tsay算法慢250%。

－Fast（Co-Rotational）Hughes-Liu（改进型KEYOPT

（1）=11）

采用面内单点积分，比Belytschko-Tsay算法慢150%。

－S/RHughes-Liu（KEYOPT

（1）=6）

采用面内２X２积分点，没有沙漏，比Belytschko-Tsay算法慢20倍，如果在分析中遇到沙漏麻烦的话，建议使用这种算法。

－S/Rco-rotationalHughes-Liu（KEYOPT

（1）=7）

采用面内２X２积分点，没有沙漏，比Belytschko-Tsay算法慢8.8倍，如果在分析中遇到沙漏麻烦的话，建议使用这种算法。

b.薄膜单元算法（沿壳厚单积分点）

－Belytschko-Tsay（KEYOPT

（1）=5）薄膜单元

采用单个积分点，计算速度快，建议在大多数薄膜分析中使用，可很好地用于纤维织品。

－FullyintegratedBelytschko-Tsay（KEYOPT

（1）=9）薄膜单元

采用2X2积分点，无沙漏控制，比Belytschko-Tsay单积分点薄膜单元要显著地慢。

c.3节点三角形薄壳单元（沿壳厚多积分点）

－C0三角形壳单元（KEYOPT

（1）=4）

面内单点积分，根据Mindlin-Reissner薄板理论导出，相当僵硬，建议不要用它做整体网格剖分。

－BCIZ三角形壳单元（KEYOPT

（1）=3）

采用面内单点积分，根据Kirchhoff薄板理论导出，比C0三角形壳单元的计算速度慢。

退化的四边形单元在横向剪切时会发生锁死，应改用三角形壳单元。

在同一种材料中，只要把单元分类标记（EDSHELL命令中ITRST值）置1，就可混合使用四边形单元和三角形单元（程序将三角形单元自动改为C0算法）。

所有壳单元算法，沿壳厚方向用户可任选2-5个高斯积分点，对于弹性材料沿壳厚方向2个积分点已足够，但对于塑性材料，至少要3个或更多的积分点。

薄壳单元的输出应力，尽管后处理中采用顶面Top和底面Bottom术语，实际上它们是最外面积分点处的应力，而不是薄壳表面上的应力，因此，在分析计算结果时应特别注意。

（3）梁单元和杆单元

a.BEAM161梁单元

采用单元端部二个节点定义，并以第3个节点对单元主轴面定向，它有二种算法：

－Hughes-Liu梁单元（KEYOPT

（1）=1）缺省算法

它是一个很方便的退化单元，可以用梁单元中间跨度横截面上的一组积分点来模拟矩形或圆形横截面。

用户还可以自定义一个横截面积分法则来模拟任意截面形状，梁单元与实体单元、梁单元一样，网格必须足够细分以保证计算精度。

由于积分点位于单元跨度中间横截面上，计算时只在单元中心检验材料屈服，沿单元长度为不变力矩。

因此，必须在单元中间截面处产生全塑性力矩，而不是在单元节点处，悬臂梁模型将在一个稍高的外力作用下才会屈服。

－Belytschko-Schwer梁单元（KEYOPT

（1）=2）

单元的内力矩沿其长度方向线性分布。

有“正确”的弹性应力和在单元端部检验屈服。

与Hughes-Liu梁单元一样，单元质量集中在节点上，而在动态分析问题中，质量分布正确很重要，必须细分网格。

b.LINK160杆单元

它与Belytschko-Schwer梁单元很相似，但只能承受轴向加载，而不能承受弯曲力矩，用于桁架系统。

适用的材料模型有弹性和随动硬化弹塑性。

c.LINK167索单元

用单元端部二个节点定义，是仅能拉伸的杆单元，可以模拟索，它与弹簧单元类似。

由用户直接输入力与变形的关系式。

（4）离散单元和质量单元

a.COMBI165弹簧阻尼单元

用单元端部二个节点定义。

弹簧单元在改变单元长度时产生沿单元轴向的力。

如：

正力（拉力）时在节点1处沿轴的正方向，而对节点2是沿轴的负方向。

缺省时，单元轴就是从节点1到节点2。

当单元旋转时，力作用线的方向也将随之旋转，可以模拟弹性、弹塑性和非线性弹性的弹簧性质。

阻尼单元可以模拟线性粘性阻尼和非线性粘性阻尼。

扭转弹簧阻尼单元也可使用，它由KEYOPT

（1）选项来选择。

它的力－位移关系可以认为是力矩－转角（单位弧度）关系。

旋转弹簧单元只影响它们节点的转动自由度。

COMBI165单元也可以与其它显式单元混合使用，由于COMBI165单元没有质量，在分析中一个节点不能只与COMBI165一种类型单元连接，必须在该节点上加质量单元MASS166。

b.MASS166质量单元

质量单元由一个节点和一个质量值（力＊时间2／长度）定义。

采用质量单元可以简化部分结构，以减少动力分析所需单元数目，因而减少求解机时。

每个实体单元、壳单元、梁单元、杆单元的质量都平均分配到单元的节点上。

在壳单元和梁单元情况下，每个节点上还将附加一个转动惯量：

只采用一个单值，它的作用就是让质量围绕节点球形分布。

2.定义单元类型（包括算法选择）和实常数

在ANSYS/LS-DYNA的前处理时，通常采用图形用户界面（GUI）操作来选择和输入各种参数，也可采用命令输入。

用ET命令定义单元类型（在GUI中：

MainMenu：

Preprocessor>ElementType）

用R命令来定义实常数（在GUI中：

MainMenu：

Preprocessor>RealConstants）

具体执行过程如下：

第一步：

定义单元类型（ElementType）

GUI：

MainMenu：

Preprocessor>elementType>Add/Edit/Delete

1.Add一个单元类型

2.选LS-DYNAExplicit单元族

3.采用薄壳单元SHELL163

4.OK接受这个选择

5.

指定S/RCo-rotationalHughes-Liu面内多积分点改进型单元算法，以消除某种沙漏模态。

6.选择Options

7.选择S/RCo-rotational算法

8.OK

9.Close

第二步：

定义实常数（RealConstants）

GUI：

MainMenu：

Preprocessor>RealConstants

1.Add

2.OK，定义SHELL163单元的RealConstantSet

3.如果单元是均匀壳厚，那么只要定义节点1处的壳厚，本例输入T1=0.1。

剪切因子SHRF和沿壳厚积分点数NIP取缺省值。

NIP的缺省值为3。

4.OK

5.Close

三、材料

LS-DYNA程序可以使用近100种材料模型，但在ANSYS/LS-DYNA前处理PREP7中直接输入的材料模型约30种，其他材料模型可以修改LS-DYNA程序输入数据文件Jobname.K来加入。

ANSYS/LS-DYNA程序可以直接输入的材料模型为：

1.线弹性模型（LinearElastic）

材料类型1：

各向同性（Isotropic）[O,1H,1B,1I,1T,2,3]

材料类型2：

正交各向异性（Orthotropic）[0,2,3]

材料类型2：

各向异性（仅用于实体单元）（Anisotropic）[0]

2.非线性弹性模型（Non-LinearElastic）

材料类型7：

Blatz-Ko橡胶（Blatz-KoRubber）[0,2]

材料类型27：

Mooney-Rivlin橡胶（Mooney-RivlinRubber）[0,2]

材料类型6：

粘弹性（Viscoelastic）[0,1H]

3.弹塑性模型（Plasticity）

材料类型3：

双线性随动硬化（BilinearKinematic）[0,1H,1I,1T,2,3]，与应变率无关。

材料类型3：

双线性各向同性硬化（BilinearIsotropic）[0,1H,1I,1T,2,3]，与应变率无关。

材料类型3：

随动塑性（PlasticKinematic）[0,1H,1I,1T,2,3]，与应变率相关、失效各向同性、随动和组合硬化。

材料类型18：

幂指数硬化塑性（PowerLawPlasticity）[0,1H,2,3]，与应变率相关。

材料类型19：

与应变率相关各向同性硬化（StrainRateDependentPlasticity）[0,2,3]

材料类型64：

与应变率相关的幂指数硬化塑性（RateSensitivePowerLawPlasticity）[0,2,3]

材料类型36：

Barlat和Lian发展的平面应力状态各向异性弹塑性，用于壳单元（3ParameterBarlat）[2]

材料类型33：

由Barlat、Lege和Brem1991年发展，用于模压过程的各向异性弹塑性（BarlatAnisotropicPlasticity）[0,2,3]

材料类型24：

分段线性弹塑性（PiecewiseLinearPlasticity）[0,1H,2,3]

材料类型37：

横向各向异性弹塑性，用于板压成型（TransverselyAnisotropicElasticPlastic）[2,3]

材料类型10：

弹塑性流体动力（Elastic-plasticHydrodynamic），[0]

4.泡沫模型（Foam）

材料类型53：

低密度、闭合的多孔聚氨酯泡沫（closedCellFoam）[0]

材料类型57：

低密度氨基酸酯泡沫（LowDensityFoam）[0]

材料类型62：

粘性泡沫（ViscousFoam）[0]

材料类型63：

可压扁泡沫（CrushableFoam）[0]

材料类型26：

正交异性可压扁Honeycomb蜂窝结构（Honeycomb）

5.复合材料（Composite）

材料类型22：

考虑损伤的复合材料（CompositeDamage）[0,2,3]

6.混凝土模型（Concrete）

材料类型72：

考虑损伤的混凝土（ConcreteDamage）[0]

7.需要状态方程的材料模型（EOS）

材料类型15：

John/Cook与应变率、温度相关的塑性（John-Cook）[0,2]

材料类型9：

无偏应力流体动力模型（Null）[0]

材料类型65：

Zerilli-Armstrong模型，用于金属成型过程和高速碰撞，其应力与应变、应变率及温度有关，[0,2]

材料类型51：

Bamman模型，用于金属成型过程，其塑性与应变率和温度相关，[0，2，3]

这四种材料类型，均需附加状态方程，可选用

（1）LinearPolynomial，

（2）Gruneisen和（3）Tabulated状态方程。

8.其他（Other）

材料类型20：

刚性材料（Rigid）[0,1H,1B,1T,2,3]

材料类型71：

索（Cable），[1D]

材料类型1：

弹性流体（ElasticFluid）,[0]

在方括号［］中的数字符号标志该材料模型可以用于何种单元类型：

1实体单元

1HHughes-Liu梁单元

1BBelytschkoResultant梁单元

1IBelytschkoIntegratedSolidandTubularBeams

1T杆单元

1D离散单元

2薄壳单元

３厚壳单元

４特殊的气囊单元

用图形用户界面（GUI）输入材料数据的过程：

第一步：

增加一个新的材料模型

Preprocessor:

MaterialProps>DefineMATModel>Add

第二步：

选择所需材料模型

－检查输入材料号是否正确

－先选择材料模型所属的材料族（如Plasticity）

－再选择所需材料模型（如BilinearIsotropic）

－选择OK键

第三步：

输入所需值

－几乎所有材料模型，都需输入

DENS,EX和NUXY

－材料应力／应变数据应该是真

应力／真应变格式

－待所有数据已经输入后，选择

OK键

下面介绍各种材料模型的数据输入方法：

第一类线弹性材料（LinearElastic）

这一材料族有三种材料模型：

Elastic（Isotropic），Orthotropic和Anisotropic。

1.Elastic（Isotropic）各向同性弹性

多数工程材料（如钢）都是各向同性材料，在弹性变形范围内采用此材料模型，只要输入DENS（质量密度）、EX（杨氏模量）和NUXY（泊松比）。

缺省值EX=30E6,NUXY=0.3。

2.Orthotropic正交各向异性弹性

－通用正交各向异性弹性材料由9个独立常数和质量密度（DENS）定义。

－横向正交各向异性弹性材料（正交各向异性弹性材料的一种特殊情况）由5个独立常数（EXX,EZZ,NXY,NUXZ,GXY）定义。

－正交各向异性弹性材料定义与一个给定的坐标系统号（CoordinateSystemID）有关。

（1）选择LinearElastic>Orthotropic

（2）输入所需材料常数和质量密度

（3）输入CoordinateSystemID，它由EDLCS命令定义，或

GUI：

Preprocessor>LS-DYNAOptions-LocalCS>CreateLocalCS

3.Anisotropic各向异性弹性

各向异性弹性材料由21个独立的材料常数和质量密度定义。

仅可用于实体单元。

各个材料常数在本构矩阵中位置如下式所示。

（1）选择LinearElastic>Anisotropic

（2）输入所需材料常数和质量密度

（3）输入由EDLCS命令定义的CoordinateSystemID

第二类非线性弹性材料（Non-LinearElastic）

这一材料族有三种材料模型：

Platz-Ko,Mooney-Rivlin和Viscoelastic。

1.Blatz-Ko接近不可压缩橡胶

Blatz-Ko橡胶是由Blatz和Ko定义的超弹性橡胶模型，该模型使用第二类Piola-Kirchoff应力。

G－剪切模量；V－相对体积；n泊松比；Cij－右柯西－格林应变张量；dij－kroneckerdelta。

当剪切模量作为仅有的材料性质定义时就能运行这种材料选项。

泊松比NUXY自动取0.463。

2.Mooney-Rivlin不可压缩橡胶

Mooney-Rivlin橡胶是不可压缩橡胶模型。

它与ANSYS的Mooney-Rivlin二参数模型很相似。

通过C10、C01和n来定义应变能量密度函数：

输入数据DENS（质量密度）、NUXY（泊松比，应取值为0.49~0.5之间）和Mooney-Rivlin常数C10与Ｃ01。

3.粘弹性Viscoelastic

由Herrmann和Peterson提出的线粘弹性材料模型。

该模型采用偏量特性：

式中剪切松弛模量为：

在模型中，由弹性体积模量K和体积V计算压力：

P=KlnV；需要参数G、G0、K（体积模量）和b来定义线粘弹性材料模型。

输入数据：

G0－短期限的弹性剪切模量

G－长期限（无限期）的弹性剪切模量

K－弹性体积模量

Y－衰减常数

DENS－质量密度

第三类弹塑性材料（Plasticity）

这一材料族有十种材料模型，其中2种是与应变率无关的各向同性材料模型，5种是与应变率相关的各向同性材料模型和3种是与应变率相关的各向异性材料模型。

（A）与应变率无关的各向同性材料

二种：

a.双线性随动硬化BilinearKinematic（BKIN）

b.双线性各向同性硬化BilinearIsotropic（BISO）

这二种材料模型的应力／应变曲线用二条直线（斜率为弹性模量EX和切线模量ETAN）表达，其不同在于硬化假定，随动硬化或各向同性硬化，这类与应变率无关的材料模型，可用于多种工程金属材料（钢、铝、铸铁等）。

与应变率相关的各向同性材料