ANSYS经典培训第二章.ppt

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1、单元,第2章,单元 本章目标,本章包括理解和定义ANSYS/LS-DYNA单元主题:A.了解显式动力学单元家族B.缩减积分C.沙漏D.定义 ANSYS/LS-DYNA 单元E.LINK160-3-D Spar(Truss)F.BEAM161-3-D BeamG.PLANE162-2-D SolidH.SHELL163-3-D Thin Shell,单元 本章目标,主题（继续):I.SOLID164-3-D 8-node BrickJ.COMBI165-3-D Spring or DamperK.MASS166-3-D Mass L.LINK167-3-D CableM.单元使用指导N.单元习题

2、,单元 A.显式动力学单元概述,ANSYS/LS-DYNA 程序可以定义8种不同的单元:LINK160:3-D 显式杆单元(类似于 LINK8)BEAM161:3-D 显式梁单元(类似于 BEAM4)PLANE162:2-D 显式平面体单元(类似于 PLANE42)SHELL163:3-D 显式薄壳单元(类似于 SHELL181)SOLID164:3-D 显式体单元(类似于 SOLID185)COMBI165:3-D 显式弹簧阻尼单元(类似于 COMBIN14)MASS166:3-D 显式结构质量单元(类似于 MASS21)LINK167:3-D 显式索单元(类似于 LINK10)除2-D P

3、LANE162外(平面应力，平面应变或轴对称)，其它显式单元都是三维单元,单元 显式动力学单元概述,显式单元族在以下方面与 ANSYS 隐式单元明显不同:每种显式单元几乎对所有的材料模型有效。在隐式 ANSYS中，不同的单元类型仅仅适用于特定的材料模式，如超弹单元(HYPER56,58,74)和粘弹单元(VISCO106,108),尽管现在新的18X 隐式单元允许多种材料选项。大多数显式单元有许多不同的算法，如SHELL163最多有12种算法。历史上，隐式单元根据不同的算法给单元以不同的名字(如SHELL43 和 63),但是现在新的18X隐式单元正向这个趋势发展。,显式单元族在以下方面与 A

4、NSYS 隐式单元明显不同:(续):显式单元支持ANSYS/LS-DYNA所允许的所有非线性选项。所有的显式动力学单元具有一次线性位移函数。目前尚没有高阶的二次位移函数。在ANSYS/LS-DYNA中，没有带有额外形函数和中间节点的单元及P-单元。每种显式单元缺省为单点积分单元。,单元 显式动力学单元概述,单元 B.缩减积分算法,缩减积分单元 是使用最少积分点的单元。一个缩减积分体单元在其中心有一个积分点，一个缩减积分壳单元有一个平面内积分点，但沿着壳的厚度可以设置多个积分点。全积分单元 主要用于隐式ANSYS中。在ANSYS/LS-DYNA中，全积分体单元有8个积分点，全积分壳单元有4个平面

5、内积分点（沿着壳的厚度有多组积分平面）。缩减积分通过减小单元处理时间来减少CPU时间，所以缩减积分通常是ANSYS/LS-DYNA中缺省的形式。,单元 缩减积分算法,除了节省CPU 时间，单点积分单元有利于大变形分析。ANSYS/LS-DYNA 单元能经历比ANSYS 单元大得多的变形。缩减积分单元有两个主要的缺点可能出现零能模式的变形(沙漏)应力结果的精度直接与积分点的个数相关,单元 C.沙漏,沙漏 是一种以比结构全局响应高得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、但在物理上无法实现的状态。他们通常没有刚度，变形呈现锯齿形网格。单点(缩减)积分单元将产生零能模式在分析中

6、沙漏变形的出现使结果无效，所以应尽量减小和避免如果总体沙漏能超过模型总体内能的10%，那么分析可能就是无效的。关于沙漏能以后会讨论(GLSTAT 和 MATSUM文件)，有时侯甚至 5%的沙漏也是不允许的。,单点积分实体单元的零能模式:,有必要控制零能模式,沙漏控制通过附加的刚度或粘性阻尼来阻止这样的模式,单元 沙漏,单元 沙漏,在 ANSYS/LS-DYNA中控制沙漏避免能够激起沙漏模式的单点载荷。因为一个被激励的单元会将沙漏模式传递到周围的单元，所以不要施加单点载荷。如果可能，尽量将载荷如同压力那样施加到多个单元上。细化网格通常减少沙漏，但是一个大的模型通常会增加求解时间并使结果文件增大。

7、全积分单元可以避免沙漏，但根据不同应用，要以求解速度，求解能力甚至求解精度为代价。另一种选择，可以在网格划分时，分散一些全积分的“种子”单元于模型中从而减少沙漏。PLANE162无全积分模式，梁单元不需要全积分。,单元 沙漏,在 ANSYS/LS-DYNA中控制沙漏(续)总体 调整模型的体积粘度可以减少沙漏变形。可以通过EDBVIS命令的线性或二次系数来增加模型的体积粘度:Solution Analysis Options Bulk Viscosity 不推荐过大改变 EDBVIS命令的缺省值(1.5 and.06)，因为它将对总体结构产生相反的效应。,粘性沙漏控制推荐用于快速变形的问题中（例

8、如激振波）可用的单元包括PLANE162 和 SOLID164.,单元 沙漏,在 ANSYS/LS-DYNA中控制沙漏(续)总体 增加 弹性刚度 来减少沙漏.可以通过EDHGLS 命令的沙漏系数(HGCO)来实现整体模型的沙漏控制:Solution Analysis Options Hourglass Ctrls Global 当增加沙漏系数时必须谨慎，因为大于0.15的值会过分刚化变形过程中的响应并导致不稳定。,刚度沙漏控制推荐用于低速变形问题（如金属成型安定碰撞中）适用的单元包括PLANE162,SHELL163,and SOLID164.,单元 沙漏,ANSYS/LS-DYNA中控制沙漏

9、(续)在模型的关键部位局部 减少沙漏而对模型的总体刚度没有过大的影响。EDMP,HGLS 命令被用来对特定材料施加沙漏控制。可以用下面的命令定义沙漏控制类型（粘性或刚度）、沙漏系数、体积粘度系数、壳弯曲和扭曲系数:Solution Analysis Options Hourglass Ctrls Local,LS-DYNA 局部施加沙漏控制是基于Part 号（不是基于材料号),所以任何带有特定材料的Part 将有这种沙漏控制。VAL1=5 通常用来定义减少沙漏。,单元 D.定义 ANSYS/LS-DYNA 单元,使用标准的ANSYS方法定义显式动力学单元:从ANSYS GUI 过滤器选择 LS

10、-DYNA ExplicitANSYS Main Menu Preferences,选择 LS-DYNA Explicit 将在目前的分析中将单元限制于显式单元家族。必须记住，显式和隐式单元不能在一个分析中同时使用。如果在同一个模型中定义了隐式单元，那么当执行SOLVE命令时，分析将自动被中止。,单元 定义 ANSYS/LS-DYNA 单元,增加单元类型:Preprocessor Element type Add/Edit/Dele.可以用标准的格式定义关键选项和实常数,设置LS/DYNA选项后，可选单元将被限制于显式单元(160 167),单元 E.LINK160-3-D 杆(Truss),

11、3-D 杆单元只能承受轴向载荷用三个节点定义单元第三个节点用来定义初始杆方向,单元 F.BEAM161-3-D 梁,3-D 梁单元适用于刚体旋转，因为它不产生应变用三个节点定义单元第三个节点用来定义梁的方向可以定义许多标准的梁横截面,单元 G.PLANE162-2-D 体,PLANE162 2-D,4-节点体 3节点三角形单元(不推荐)仅支持 Lagrangian 算法 UX,UY,VX,VY,AX,AY 自由度 对于轴对称模式，Y 轴=对称轴 不允许混用2D 和3D 单元类型 不允许全积分选项PLANE162 KEYOPT 设置:Keyopt(2)面积加权或体积加权(AXISYM)Keyop

12、t(3)平面应力，轴对称或平面应变在给定的分析中仅仅可以使用一种2-D类型(如在一个模型中不能同时轴对称和平面应力单元),单元 PLANE162-2-D 体,在X-Y 平面建立PLANE162 单元PLANE162单元不要定义实常数 支持许多材料模式(如塑性，复合材料，Mooney-Rivlin橡胶材料)RSYS 支持位移和应力（不包括应变）Lagrangian 算法基于大应变理论，根据此理论实体被离散化，并且当网格随时间物理变形时几何体不断更新。该算法同样使用于隐式ANSYS中。,单元 H.SHELL163-3-D 薄壳,SHELL163 有 12 种不同的单元算法，重要的包括:Belyts

13、chko-Tsay(BT,KEYOPT(1)=0 or 2,缺省):简单壳单元 非常快(相对速度=1.0)翘曲时易出错Belytschko-Wong-Chiang(BWC,KEYOPT(1)=10):相对速度=1.28*BT 设用于翘曲分析 推荐使用Belytschko-Leviathan(BL,KEYOPT(1)=8):相对速度=1.25*BT 较新，仍在开发中 第一个有物理沙漏控制的单元(对于EDMP,HGLS,Mat,Val1无参数)S/R co-rotational Hughes-Liu(S/R CHL,KEYOPT(1)=7):没有沙漏控制的壳 相对速度=8.84*BT,单元 SHE

14、LL163-3-D Thin Shell,单元算法BT,BWC,BL 仅适用于平面内单点积分，而 S/R CHL 用于平面内4点积分。所有的壳单元沿着厚度方向有任意多数目的积分点(NIP)。对于弹性行为NIP=2(缺省)对于塑性行为，3 NIP 5(推荐NIP=5)实常数用来定义积分点的数目 R,NSET,SHRF,NIP,T1NSET=实常数组参考号SHRF=剪切因子(对于薄壳推荐为5/6)NIP=积分点数T1=单元厚度目前SHELL163 不支持新的壳截面命令(SECTYPE,SECDATA,SECOFFSET等),单元 SHELL163-3-D Thin Shell,用 EDINT命令定

15、义结果输出的沿厚度方向的积分点数目Solution Output Controls Integ Pt Storage EDINT,SHELLIP,BEAMIP SHELLIP 是输出中壳的积分点数目 SHELLIP 3 每一个积分点与一个LAYER 相关 缺省值是 3(顶层，中层和底层)BEAMIP是输出的梁积分点数目,CPU factor 2.45*BTKEYOPT(1)=11 integration point,normal CS,co-rotational CS,标准“全缩减”,选择性“全积分”,CPU factor 1.49*BTKEYOPT(1)=111 integration po

16、int,CPU factor 20.01*BTKEYOPT(1)=64 integration points,CPU factor 8.84*BTKEYOPT(1)=74 integration points,这个算法类似于SHELL143算法,单元 SHELL163-3-D Thin Shell,有4种 Hughes-Liu 壳单元算法:,单元 SHELL163-3-D Thin Shell,对于三角形壳单元有两种算法:C0 三角形壳(KEYOPT(1)=4)基于 Mindlin-Reissner 平板理论此算法刚度偏大，不推荐用于整个壳体网格中BCIZ 三角形壳(KEYOPT(1)=3)基

17、于 Kirchhoff 平板理论较慢在混合网格中,C0 三角形单元通常比退化的4节点单元算法更好。所以当混合划分（自由划分）通常使用下面的命令：EDSHELL,ITRSTITRST=1:退化的四边形单元被当作三角形单元（缺省）ITRST=2:退化的四边形单元保持不变Preprocessor Shell Elem Ctrls Triangular Shell Sorting Full Sorting OK,单元 SHELL163-3-D Thin Shell,有两种膜单元算法:Belytschko-Tsay-膜(KEYOPT(1)=5):单点积分的膜单元全积分 Belytschko-Tsay-膜

18、(KEYOPT(1)=9):具有4点积分的膜单元全积分 Belytschko-Tsay 壳(KEYOPT(1)=12):不需要沙漏控制对横向剪切，假设的小应变弥补了剪切锁定平面内4点积分(2 X 2 积分)，但速度仍然很快比缩减积分的Belytschko-Tsay 壳慢2.5 倍当沙漏模式难以控制时推荐使用在每一层的单元中心平均各层应力结果,单元 I.SOLID164-3-D 8-node 实体,极力反对用退化的四面体网格一个完全四面体网格甚至不能运行对显式动力学单元使用映射网格拖拉生成的三棱柱单元可以接受尽可能保持接近于立方体的实体形状,单元 SOLID164-3-D 8-node 实体,有

19、两种实体单元算法:单点积分实体(整个单元中常应力)缺省形式对于单元大变形单元非常快和有效通常需要沙漏控制来阻止沙漏模式全积分实体(2x2x2 积分)比较慢，但无沙漏对于高的泊松比时会同时出现剪切锁定和体积锁定，得到比较差的结果精度比缺省算法对单元形状更敏感在特定区域被选用来降低病态效应,单元 J.COMBI165-3-D 弹簧或阻尼,使用两个节点和离散的材料模式来定义能与其它所有显式单元连接具有平动和转动自由度能定义复杂的力位移关系不象COMBIN14,弹簧和阻尼必须是不同的单元由于只能同时定义一个弹簧或阻尼选项，所以定义弹簧阻尼集合体时需要重叠定义两个单元,单元 K.MASS166-3-D

20、质量,MASS166 是一个有9个自由度的单点质量单元:在x,y,z方向的平动、速度、加速度 这个单元还有附加的选项用来定义无质量的旋转惯量:KEYOPT(1)=0 无惯量的3-D 质量:输入质量KEYOPT(1)=1 3-D 旋转惯量(无质量):输入 6 个惯量值这个单元用来调整例如汽车碰撞这样复杂模型的质量，其中许多组件（如座位，车灯，控制工具和假人等）未被建模（以质量单元替代）。,单元 L.LINK167-3-D 索,三节点仅拉伸单元第三个节点定义单元初始方向用于索绳建模,单元 M.单元使用指导,只要可能尽量避免小单元，因为它将大大减小时间步，从而增加求解时间。如果小单元不可避免，使用质量缩放（见第七章）。减少使用三角形、四面体和棱柱单元，尽管程序支持，但不推荐使用。避免尖角单元和翘曲的壳，因为它们将降低结果精度。在需要沙漏控制的地方使用全积分单元，但是全积分六面体单元会导致体积锁定（由于泊松比接近于0.5）和剪切锁定（如剪支梁的弯曲）。,单元 N.单元练习,这个练习包括下面的问题:练习2.显式动力学单元请参考习题集,