ANSYS经典培训第二章.ppt

1、单元,第2章,March 7, 2002 Inventory #001630 2-2,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 Beam G. PLANE162 - 2-D Solid H. SHELL163 - 3-D Thin Shell,March 7, 2002 Inventory #001630 2-3,单元 本章目标,主题 （继续): I. SOLID16

2、4 - 3-D 8-node Brick J. COMBI165 - 3-D Spring or Damper K. MASS166 - 3-D Mass L. LINK167 - 3-D Cable M. 单元使用指导 N. 单元习题,March 7, 2002 Inventory #001630 2-4,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) SH

3、ELL163: 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 PLANE162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,March 7, 2002 Inventory #001630 2-5,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

4、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。,March 7, 2002 Inventory #001630 2-6,显式单元族在以下方面与 ANSYS 隐式单元明显不同:(续): 显式单元支持ANSYS/LS-

5、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,March 7, 2002 Inventory #001630 2-7,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

6、分壳单元有4个平面内积分点（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。,March 7, 2002 Inventory #001630 2-8,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,March 7, 2002 Inventory #001630 2-9,单元 C. 沙漏,沙漏 是一种以比结构全局响

7、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。,March 7, 2002 Inventory #001630 2-10,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,March

8、7, 2002 Inventory #001630 2-11,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。 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。,March 7, 2002 Inve

9、ntory #001630 2-12,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（例如激振波） 可用的单元包括PLANE162 和 SOLID164.,March 7, 2002 Inventory #001630 2-13,单元 沙漏,在 ANSY

10、S/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.,March 7, 2002 Inventory #001630 2-14,单元 沙漏,ANSYS/LS-DYNA中控制沙漏

11、(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。,March 7, 2002 Inventory #001630 2-15,单元 D. 定义 ANSYS/LS-DYN

12、A 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-DYNA Explicit ANSYS 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。,March 7, 2002 Inventory #001630 2-16,单元 定义 ANSYS/LS-DYNA 单元,增加单元类型: Preprocessor Element type Add/Ed

13、it/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),March 7, 2002 Inventory #001630 2-17,单元 E. LINK160 - 3-D 杆 (Truss),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,March 7, 2002 Inventory #001630 2-18,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,March

14、7, 2002 Inventory #001630 2-19,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) Keyopt(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),Marc

15、h 7, 2002 Inventory #001630 2-20,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。,March 7, 2002 Inventory #001630 2-21,单元 H. SHELL163 - 3-D 薄壳,SHELL163 有 12 种

16、不同的单元算法， 重要的包括: Belytschko-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

17、(S/R CHL, KEYOPT(1)=7): 没有沙漏控制的壳 相对速度 = 8.84 * BT,March 7, 2002 Inventory #001630 2-22,单元 SHELL163 - 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,T1 NSET = 实常数组参考号 SHRF = 剪切因子

18、 (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),March 7, 2002 Inventory #001630 2-23,单元 SHELL163 - 3-D Thin Shell,用 EDINT命令定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

19、3 (顶层，中层和底层) BEAMIP是输出的梁积分点数目,March 7, 2002 Inventory #001630 2-24,CPU factor 2.45*BT KEYOPT(1)=1 1 integration point,normal CS,co-rotational CS,标准 “全缩减”,选择性 “全积分”,CPU factor 1.49*BT KEYOPT(1)=11 1 integration point,CPU factor 20.01*BT KEYOPT(1)=6 4 integration points,CPU factor 8.84*BT KEYOPT(1)=7

20、4 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:,March 7, 2002 Inventory #001630 2-25,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) 基于 Kirchhoff 平板理论 较慢 在混合网格中, C0 三角形单元

21、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, , , , , ,ITRST ITRST = 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,March 7, 2002 Inventory #001630 2-26,单元 SHELL163 - 3-D Thin Shell,有两种膜单元算法: Belytschko-Tsay-膜(KEYOPT(1)=5):

22、 单点积分的膜单元 全积分 Belytschko-Tsay-膜 (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,March 7, 2002 Inventory #001630 2-27,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

23、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,March 7, 2002 Inventory #001630 2-28,单元 SOLID164 - 3-D 8-node 实体,有两种实体单元算法: 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,March 7, 2002 Inventory #001630 2-29,单元 J. COMBI165 - 3-D 弹簧或阻尼,使用两个