七月 19

LS-DYNA入门教程

本教程为LS-DYNA官网教程,安静出于方便大家的原则将英文版本翻译成中文,方便英语不好的同学们学习LS-DYNA。本教程由安静辛苦整理翻译并发布于安静笔记(www.ajnote.com),转载请注明出处:http://www.ajnote.com/lsdynatutorial/

LS-DYNA作为一款优秀的多物理场有限元分析软件,可以被用来解决固体力学、热力学以及流体力学等问题。这些问题既可以是单独的物理现象,也可以是也可以由几种物理现象耦合而成,例如热应力分析或者流固耦合分析。本教程提供的都是比较简单的计算案例,这些案例可以被用来当做范例,方便以后更加复杂的有限元建模。本教程应该和LS-DYNA关键字用户手册(LS-DYNA Keyword User’s Manual)一起使用。使用关键字定义输入既方便灵活,又符合逻辑。类似的功能都被打包到了相同的关键字下。例如,在关键字*ELEMENT(单元)下包含了实体单元、梁单元和壳单元。虽然在输入文件中,关键字可以按照任意顺序进行输入。但是本教程为了让大家能够更加清晰的学习LS-DYNA,我们会将按照以下几个模块来逐个定义关键字:

  1. 定义求解控制和输出参数
  2. 定义几何形状和材料参数
  3. 定义边界条件

单位定义

在LS-DYNA中进行运算前,用户需要定义好自己使用的单位制。本教程中所有的单位都采用国际单位制(SI单位制)。

译者注:有限元常用单位制可以参考:http://www.ajnote.com/unitsinfea/

通用单位:

  • 长度:length [m]
  • 质量:mass [kg]
  • 温度:temperature [K]
  • 时间:time [sec]
  • 压力:pressure [Pa]

力学单位:

  • 密度:density [kg/m3]
  • 弹性模量:Modulus of elasticity [Pa]
  • 屈服应力:yield stress [Pa]
  • 膨胀系数:coefficient of expansion [m/m K]

热力学单位:

  • 热容:heat capacity [J/kg K]
  • 导热系数:thermal conductivity [W/m K]
  • 热生成率:heat generation rate [W/ m3]

入门案例

问题描述:

将一个正方形铝块放置于工作台面上,向铝块的上表面施加70.e+05 Pa压力,求铝块的变形情况。

LS-DYNA官网教程getting started with ls-dyna

材料属性:

铝 1100-O:Aluminum 1100-O

密度:density 2700 kg/m3
弹性模量:modulus of elasticity 70.0 e+09 Pa
泊松比:Poisson Ratio 0.3
膨胀系数:coefficient of expansion 3.6e-06 m/m K
热容:heat capacity 900 J/kg K
导热系数:thermal conductivity 220 W/m K

输入文件:

首先,我们要进行网格划分和定义结点。由于我们才刚刚开始,因此我们先将铝块简化为一个由八个结点构成的单元,如下图所示。此外,我们还会使用许多默认的LS-DYNA参数,这样我们就不必一个一个的输入它们了。

LS-DYNA官网教程getting started with ls-dyna

下面,我们给大家讲解创建有限元模型的必要步骤。

输入文件的第一行必须以*KEYWORD开头。LS-DYNA求解器通过这个关键字来判断输入文件是关键字格式(Keyword Format)而不是结构化格式(Structured Format)。

    *KEYWORD

在输入文件的第一部分我们将定义求解控制和输出参数。在这部分定义内容中,*CONTROL_TERMINATION关键字是不可缺少的,它可以决定计算的终止时间。我们的载荷定义为在1秒时间内从0 Pa上升到70.e+05 Pa的线性压力加载。因此,我们计算的终止时间即为1秒钟。另外,我们还应该控制结果输出的时间间隔。在这里我们使用*DATABASE_BINARY_D3PLOT进行结果输出时间间隔的控制。我们每0.1秒输出一个结果。

    *CONTROL_TERMINATION 
            1.
    *DATABASE_BINARY_D3PLOT 
            .1

在输入文件的第二部分我们来定义模型的几何形状,网格信息和材料参数。下面的图片和描述可以帮助读者更加清晰的了解这部分定义的数据结构。我们有1个部件(part),即铝块。我们可以用*PART关键字来开始有限元模型的定义。*PART关键字包含了的数据为我们指明了部件的各种特性,例如材料特性。而部件的这些特性又在别的地方指向新的特性。关键字输入的组织结构如下图所示:

LS-DYNA关键字输入的组织结构

我们可以查询LS-DYNA关键字用户手册来获得上述关键词的描述信息。下面我们也对这些关键词进行简单描述:

*PART(部件)
部件pid指的是part identification,也就是部件编号。这个部件有自己的截面属性sid和材料属性mid。这里的sid指的是section identification,而mid指的是material identification。
*SECTION_SOLID(实体截面)
这个关键字下定义的是实体截面属性。如果定义sid = 1,那么对应的部件都是由八结点六面体的常应力单元构成。
*MAT_ELASTIC(弹性材料)
这个关键字下定义的是弹性材料属性。其中定义mid = 1,那么对应的部件材料都由密度RO,弹性模量E,和泊松比µ定义。
*ELEMENT_SOLID(实体单元)
由单元编号eid(element identification)定义的八结点六面体单元属于部件编号pid对应的部件,由结点编号nid对应的结点定义。
*NODE(结点)
由节点编号nid(node identification)定义的结点有自己的结点坐标x,y,z。

我们的有限元模型由1一个单元,8个结点和1中材料构成。了解了上面的内容,我们就可以来看我们这部分的输入内容:

    *PART 
    aluminum block 
    $--------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+ 
    $      PID     SECID       MID     EOSID      HGID      GRAV    ADPOPT      TMID
             1         1         1 
    *SECTION_SOLID 
    $--------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+
    $    SECID    ELFORM       AET
             1 
    *MAT_ELASTIC 
    $--------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+
    $      MID        RO         E        PR        DA        DB         K
             1     2700.   70.e+09        .3 
    *ELEMENT_SOLID 
    $------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
    $    EID     PID      N1      N2      N3      N4      N5      N6      N7      N8
           1       1       1       2       3       4       5       6       7       8 
    *NODE 
    $------+---------------+---------------+---------------+-------+-------+-------+
    $    NID               X               Y               Z      TC      RC
           1              0.              0.              0.       7       7       
           2              1.              0.              0.       5       0 
           3              1.              1.              0.       3       0 
           4              0.              1.              0.       6       0 
           5              0.              0.              1.       4       0 
           6              1.              0.              1.       2       0 
           7              1.              1.              1.       0       0 
           8              0.              1.              1.       1       0

在输入文件的第三部分我们来定义边界条件和随时间变化的载荷曲线。我们在铝块顶部施加一个最大压力为70.e+05 Pa的载荷。铝块的顶部由结点5-6-7-8定义。而我们施加的载荷将在1秒内从 0 Pa线性提高到70.e+05 Pa。

    *LOAD_SEGMENT 
    $--------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+ 
    $     LCID        SF        AT        N1        N2        N3        N4  
             1        1.        0.         5         6         7         8 
    *DEFINE_CURVE 
    $--------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+ 
    $     LCID      SIDR       SFA       SFO      OFFA      OFFO    DATTYP
             1        
    $------------------+-------------------+
    $                 A1                  O1
                      0.                  0.
                      1.             70.e+05
    *END

输入文件一定是以*END关键字结尾。

LS-DYNA运算结果

下面两幅图展示的是LS-DYNA计算的7号结点的横向和纵向位移。由于这个问题比较简单,因此我们也可以通过解析法获得计算结果。LS-DYNA计算获得的结果与解析法计算获得的结果对比,两者完全一致。

LS-DYNA运算结果1 LS-DYNA运算结果2

由 70.0e+05 Pa压力引起的纵向位移可以由下列公式计算获得:

解析1

横向位移可以由下列公式计算获得:

解析2

本教程为LS-DYNA官网教程,安静出于方便大家的原则将英文版本翻译成中文,方便英语不好的同学们学习LS-DYNA。本教程由安静辛苦整理翻译并发布于安静笔记(www.ajnote.com),转载请注明出处:http://www.ajnote.com/lsdynatutorial/


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发表 2018年7月19日 自 anjing 类别 "LS-DYNA官方教程

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