第6章 加载约束和边界条件

1、 第六章加载、约束和边界条件6.1 加载LS-DYNA 加载采用的是*LOAD 关键字，可以施加集中力，均布力，爆炸冲击波、重力等各种载荷，使用的关键字如下： 下面就各种加载做简单介绍 *LOAD_BEAM_OPTION功能：给梁单元表面施加均布力需要输入的参数及说明： 梁单元ID 或 梁单元SET ID （由OPTION 选项控制ELEMENT 或SET） 载荷的方向：r、s、t 方向选其一 如图所示 加载曲线 ID 号，由*DEFINE_CURVE 定义 加载曲线的缩放因子 58 *LOAD_BLAST功 能 ： 提 供 一 种 简 单 的 方 法 施 加 爆 炸 冲 击 波 ， 需 要

2、与 *LOAD_SEGMENT 、 *LOAD_SEGMENT_SET 或*LOAD_SHELL_OPTION 结合才能施加。需要输入的参数及说明： TNT的当量质量爆炸源的X、Y、Z 坐标起爆时间点 单位换算开关 爆炸的类型：表面爆炸或空中爆炸单位换算因子 *LOAD_BODY_OPTION功能：施加一个体力载荷，根据总体坐标下施加的指定加速度或角速度产生的体力载荷 如重力加速度导致的重力作用等。作用对象为整个模型，也可以指定只需要施加的 PART OPTION 选项指定X、Y、Z 的方向。 需要输入的参数及说明： 载荷曲线 载荷曲线缩放因子 施加角加速度时的转动中心坐标 需要指出的是施加重

3、力加速度时，正值表示与坐标轴方向相反施加。 *LOAD_BODY_GENERALIZED功能：与*LOAD_BODY_OPTION 功能一样，不同的是施加的对象为一个节点集合，同时载荷施加的方向由参数中的缩放因子来确定，从而可以施加任意方向的加速度或角速度。 对象。*LOAD_BRODE功能：与*LOAD_BLAST 功能相同，只是冲击波函数不一样。也需要与*LOAD_SEGMENT、 *LOAD_SEGMENT_SET 或*LOAD_SHELL_OPTION 联合才能施加。 59 *LOAD_DENSITY_DEPTH功能：定义由于重力作用导致的密度变化，这主要应用于地下或水下的结构由于重力

4、作用 导致的静水压力对密度的影响。如在研究水下爆炸效应中的气泡脉动时必须考虑这种载荷的影 响。 需要输入的参数及说明： 施加的对象PART SET ID 号，即作用的对象重力加速度值 加载方向 载荷曲线定义密度和深度的关系 *LOAD_HEAT_GENERATION_OPTION功能：对体单元施加热生成率需要输入的参数及说明： 体单元ID 号或SET ID 号，即作用的对象热生成率的载荷曲线 载荷曲线的乘积因子 *LOAD_MASK功能：给壳单元施加一个分布压力，可以定义一个固定的BOX 来限制施加的对象，即在BOX 内的壳单元才施加分布压力，还可以定义一条曲线来确定施加的对象，即可以用一个曲

5、线来裁 剪BOX 得到任意范围的施加区域。 *LOAD_NODE_OPTION功能：给一个节点或一系列节点施加节点集中力。需要输入的参数及说明： 节点ID 号或节点SET ID 号施加的自由度方向： 需要指出的是设置为 4 或 8 则可施加跟随力和跟随力矩载荷曲线ID 号 载荷曲线缩放因子 *LOAD_RIGID_BODY功能：与*LOAD_NODE_OPTION 功能相同，只不过是给一个刚体施加节点集中力或力矩， 作用的点是刚体的质心或绕总体坐标轴（力矩）。 *LOAD_SEGMENT功能：给一个段施加一个均布压力需要输入的参数及说明： 载荷曲线ID 号 若设置为-1，则压力由*LOAD_B

6、RODE 提供若设置为-2，则压力由*LOAD_BLAST 提供大于零，由*DEFINE_CURVE 提供 载荷曲线缩放因子 压力开始作用的时间点 60 定义该段的 4 个节点ID 号 *LOAD_SEGMENT_SET 功能：与*LOAD_SEGMENT 的作用一样，不同的是对象为一个段 SET。需要输入的参数及说明： SET ID 号 载荷曲线ID 号 若设置为-1，则压力由*LOAD_BRODE 提供若设置为-2，则压力由*LOAD_BLAST 提供大于零，由*DEFINE_CURVE 提供 载荷曲线缩放因子 压力开始作用的时间点 *LOAD_SHELL_OPTION功能：与*LOAD_

7、SEGMENT 的作用一样，不同的是对象为壳单元或一个壳单元 SET。需要输入的参数及说明： 壳单元ID 号或SET ID 号载荷曲线ID 号 若设置为-1，则压力由*LOAD_BRODE 提供若设置为-2，则压力由*LOAD_BLAST 提供大于零，由*DEFINE_CURVE 提供 载荷曲线缩放因子 压力开始作用的时间点 *LOAD_SSA功能：提供一种简单的方式给结构施加一个水下爆炸冲击波的影响，可考虑最初的爆炸和随后 的气泡振动的影响。 *LOAD_SUPERPLASTIC_FORMING功能： 用于超塑性成型分析， 可施加给体单元或壳单元。该方式必须与 64 号材料 *MAT_RAT

8、E_SENSITIVE_POWERLAW_PLASTICITY 一起使用，考虑应变率相关和指数硬化。超塑性 成 型 分 析 一 般 采 用 质 量 缩 放 ， 所 以 接 触 方 式 一 般 建 议 使 用 *CONTACT_CONSTRAINT_NODES_TO_SURFACE. *LOAD_THERMAL_OPTION功能：在结构分析中定义节点温度热载荷，仅仅用于结构分析，不用于热分析或热/结构耦合分析（在热分析或热/结构耦合分析中，施加得是热边界条件，见*BOUNDARY 选项）。OPTION 的方式有下面几种，可以按照实际情况选择合适的OPTION 来定义节点的温度。 61 6.2 约

9、 束LS-DYNA 施加各种约束采用的是*CONSTRAINED 关键字，可以定义铰链、焊点、铆接、节 点刚体等各种约束关系，使用的关键字如下： 下面就各种约束做简单介绍 *CONSTRAINED_ADAPTIVITY功能：在自适应网格划分中对不连续的网格进行约束，如果在 K 文件汇激活自适应网格划分 62 技术，该关键字总是自动激活的。 *CONSTRAINED_EXTRA_NODES_OPTION功能：对于刚体与变形体的相互连接关系，只能采用该关键字（对于变形体与变形体之间的 相互 连 接 关 系 ， 采 用 的 是 *CONSTRAINED _NODE_SET 或 *CONSTRAINE

10、D_NODAL_RIGID_BODY_OPTION 关键字,生成节点刚体。（见相关关键字的说明）。需要输入的参数及说明： 刚体的PART ID 号 变形体上与刚体相连的节点ID 号或节点SET ID 号 这些节点可以与刚体有任意的空间位置，即使物理上不相连也可把它们定义成刚 体上的一部分。这样在运动中这些节点总是跟随刚体的运动。 *CONSTRAINED_GENERALIZED_WELD_OPTION功能：定义通常的点焊、片焊、接焊等一般焊接连接，可以定义各种失效准则，如塑性失效， 断裂失效。 OPTION 的选项如下： SPOT 焊接如图所示： 需要输入的参数及说明：节点 2节点 32 节点

11、点焊节点 23 节点点焊节点 1节点 1节点n节点n-1N 个节点点焊节点 2节点 163 组成点焊的节点SET ID 号 失效时的有效塑性应变 失效时的法向力 Sn 失效时的切向力 Ss 力失效准则为： 破裂失效是按照节点的顺序进行的，即先节点 1 和 N 失效，然后是节点 2 和 N-1 失效等。 FILLET 焊接如图所示： 需要输入的参数及说明：组成片焊的节点SET ID 号（两个节点组成） 失效时的有效塑性应变 失效时的应力片焊的长度 L 法兰的宽度 片焊的宽度 需要指出的是定义这种焊接需要一一对应的两个节点组成一个节点SET，所以对于物理 上这种焊接关系需要一系列这样的FILLET

12、 焊接关键字来定义。 其他的焊接说明略，参见LS-DYNA 用户手册。 *CONSTRAINED_GLOBAL 功能：定义总体坐标下的边界约束平面，应用于轴对称边界等这样的约束，尤其是对自适应网格划分，与节点相关的约束不再适用，因为节点编号在网格重划分后已发生改变。需要 输入的参数及说明： 64 X、Y、Z 方向的平动约束选项X、Y、Z 方向的转动约束选项约束平面的法向方向 约束坐标系原点的偏置位置 *CONSTRAINED_INTERPOLATION功能：定义一个插值约束，通过这种约束方式，可以定义载荷的重新分配，如把一个力矩转化为 一系列节点上的节点力。另外还可以通过这种约束方式来定义壳与

13、体单元，梁与体单元的连 接。 *CONSTRAINED_JOINT_OPTION功能：定义各种铰链，如球铰，转动铰，万向铰等，如图所示，每种铰链要求输入参数各不相同。需要指出的是： 1. 铰链只能在两个刚体 PART 间定义，所以若想在两个变形体之间定义铰链，需要在定义铰链处刚化局部。 2. 两个 PART 定义铰链处的节点不能是同一个节点，但该两个节点的坐标必须一致。 3. 除了球形铰链外，还需要另外两个节点来定义方向，如转动方向等，该两个节点坐标也必须一致，并分别属于该两个PART。 OPTION 的选项如下： 由于铰链种类很多，不一一说明，详情参见LS-DYNA 用户手册。 *CONST

14、RAINED_JOINT_STIFFNESS_OPTION65 功能：给上述铰链定义一个转动刚度，可以提供摩擦、阻尼力矩及转动停止角等定义。 在一些具体应用中是毕不可少的，如假人定义中的关节转动问题。 *CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID功能：用来进行流固耦合分析，具体在流固耦合分析中说明 *CONSTRAINED_LINEAR功能：定义一个线性约束方程，使约束的系列节点自由度按照定义的方程运动： *CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY_OPTION功能：把一系列节点定义成一个节点刚体，该节点刚体可以任意运动，可用来连接两个变形 体，即在连接处分别在

15、两变形体上选择系列节点，组成一个节点 SET，然后把它定义成一个刚体，使两PART 一起运动。 需要输入的参数及说明： 该刚体的PART ID 号 组成该刚体的节点ID 号 在 LS-DYNA950 中不需要输入该刚体的 PART ID 号，只需输入组成该刚体的 节点ID 号。但 LS-DYNA960 兼容LS-DYNA950 的关键字定义。 *CONSTRAINED_NODE_SET功能：在总体坐标系下对一系列节点约束平动运动，不约束转动运动。也可用来连接两个变 形体（变形体与刚体的连接用*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_OPTION。刚体与刚体的连接用*CONSTRAINE

16、D_RIGID_BODIES）。 *CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY_OPTION 连 接 两 个 变 形 体 与 *CONSTRAINED_NODE_SET 连接两个变形体的区别： *CONSTRAINED_NODE_SET*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY_SET如图所示：a，b 两个节点通过上面两种方式进行约束，他们在运动过程中的行为是不一样的，*CONSTRAINED_NODE_SET 只约束平动运动，所以在要考虑转动运动时不适合，如本例。而*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY_SET 能很好的约束两节点的平动与转动

17、运动，使整个系统的运动更真实。 *CONSTRAINED_POINTS66 功能：通过这个方式约束两个点而不是约束两个节点，使他们一起平动和转动。可用于在指定 的坐标位置连接两个壳单元。有时若约束的地方没有对应的节点时可用该方式。 需要输入的参数及说明： 约束点ID 号 两约束点的X、Y、Z 的坐标值对应的两壳单元ID 号 失效时的轴向合力 失效时的剪切合力失效时的合力矩 *CONSTRAINED_RIGID_BODIES功能：约束两个刚体，使从刚体跟随主刚体运动。两刚体一个为主，一个为从 两刚体并不一定要空间上相连 约束后刚体的惯性特性是两刚体的总和 但有时不需要考虑从刚体的惯性特性，如一个

18、绕质心转动的主刚体，增加一个从刚体 后，它的质心会发生改变，此时转动轴也就发生了改变，而不希望出现这种情况。 可以通过关键字*PART_INERTIA 来定义主刚体的惯性特性而保持质心不变。 *CONSTRAINED_RIGID_BODY_STOPPERS功能：在冲压成型分析中提供一种简单的方法控制刚体模具的运动，如图，当主刚体到达刚 体制动器后，速度变为零，如果两个从刚体与主刚体之间的距离小于或等于D2 或 D1 时， 他们的运动也被阻止。要注意的是 D2 和D1 的值需要在*SET_PART_COLUMN 关键字中输 入。 从刚体 2从刚体 1 主刚体刚体制动器67 *CONSTRAINE

19、D_RIVET功能：在两个不重合的节点间建立铆接连接（若节点重合，则使用*CONSTRAINED_NODE_SET）, 该两节点不应该是梁或壳单元上的节点，即节点没有转动自由度，为体单元上的节点，也就是 说铆接连接的是体单元。若要连接梁或壳单元，采用*CONSTRAINED_SPOTWELD 方式，见下面介绍。 *CONSTRAINED_SHELL_TO_SOLID功能：对壳单元与体单元的连接进行约束，这主要是由于两种单元的自由度不一致造成的。除 了这种方式，还可以用*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY 来进行相同功能的约束。 需要输入的参数及说明，如图所示： 壳单元节点

20、的ID 号 体单元节点SET ID 号，见*SET_NODE_OPTION 定义节点SET壳单元节点 s 应1 该与连接体单元处节点n 的3坐标一致 体单元上的节点 SET 包含的节点应按一定顺序排列，如图，这样壳单元的节点就一直保持与这些节点组成的一条线的约束关系，不再发生转动等位移。 *CONSTRAINED_SPOTWELD_OPTION功能：在两个不重合的节点间定义点焊约束，实际上是在两节点间创立了一个刚性梁。该两 节点应该是梁或壳单元上的节点，体单元上的节点则用*CONSTRAINED_RIVET 来连接。若两节点重合，则用*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY

21、来定义。该连接方式还可以定义失效模式。 需要输入的参数及说明： 两节点的ID 号法向力失效准则 剪切力失效准则 见下面的公式 有效塑性应变失效 68 *CONSTRAINED_TIE-BREAK功能：在壳边与壳边之间建立一种约束关系，并可以定义失效准则，这可以用来模拟壳边与壳 边之间的约束，并模拟撕开的过程。 需要输入的参数及说明： 从节点SET ID 号主节点SET ID 号失效时的塑性应变 注意主节点SET 里的节点应该沿着壳边上的顺序排列。 *CONSTRAINED_TIED_NODES_FAILURE功能：在两个重合的节点间定义约束，并可定义失效塑性应变。可用来模拟破碎的现象，如 图所

22、示，在建立模型过程中，对于每一个壳单元而言，与周边的壳单元连接的节点坐标相同， 但节点号不同，这样在图所示的地方就有 4 个重合的节点，把它们定义成一个节点 SET，应用*CONSTRAINED_TIED_NODES_FAILURE 进行约束，同样对于每个类似的地方都定义一个这样的约束，在碰撞过程中，当达到定义的塑性应变时，这些单元就相互脱开，从而可 以模拟破碎情况。 4 个节点重合， 设置成一个节点SET 需要输入的参数及说明：节点SET ID 号失效塑性应变 节点组的单元类型：体单元节点还是壳单元节点 69 6.3 边界条件LS-DYNA 通过关键字*BOUNDARY_OPTION 施加各

23、种边界条件，当然对不同的求解 领域有不同的边界条件，如结构分析的速度、位移边界条件，热分析的温度、辐射、对流边界 条件等。具体各种边界条件的关键字如下： 下面就各种边界条件做简单介绍： *BOUNDARY_ACOUSTIC_COUPLING功能：提供一种声学单元（第 8 种体单元）与结构单元（壳或体单元）的耦合分析边界条件， 需要输入的是段SET，段SET 由壳单元或体单元的表面组成。 *BOUNDARY_AMBIENT_EOS功能：在做流体分析或流固耦合分析时给环境单元提供一种内能和相对体积的边界条件。需 要输入的参数及说明： 作为环境单元的 PART ID 号（环境单元定义为出口或入口边界

24、条件，见*SECTION 关键字的说明） 载荷曲线定义时间相关的内能 载荷曲线定义时间相关的相对体积 70 *BOUNDARY_CONVECTION_OPTION*BOUNDARY_FLUX_OPTION*BOUNDARY_RADIATION_OPTION*BOUNDARY_TEMPERATURE_OPTION*BOUNDARY_THERMAL_WELD以上关键字定义与热分析相关的边界条件，包括传导、对流、辐射、温度及焊点热源等，详细 介绍参见热分析章节。 *BOUNDARY_CYCLIC功能：提供循环对称边界条件，如图所示： 建立模型只需要建立很小一部分，但 要注意的是： SIDE1 和 S

25、IDE2 两循环对称边界上的节点数目要一致，在柱坐标系下偏转的角度相同。在前处理器中可以这样建立模型：先生成 SIDE1 上的节点， 然后在柱坐标系下复制到 SIDE2 上， 这样保证节点的一一对应。 需要输入的参数及说明：转动轴的X 方向的矢量 转动轴的Y 方向的矢量 转动轴的Z 方向的矢量SIDE1 上的节点SET ID 号SIDE2 上的节点SET ID 号建模部分*BOUNDARY_ELEMENT_METHOD_OPTION功能：提供边界元（BEM）分析方法,详情参见边界元（BEM）分析章节 *BOUNDARY_MCOL功能：给 LS-DYNA/MCOL 耦合分析提供参数定义，MCOL

26、 程序是用于船舶动力学分析的刚体动力学分析程序。 *BOUNDARY_NON_REFLECTING功能：定义无反射边界条件，对于地质和海洋等一些领域的分析，通过建立有限规模的模型和 在边界上定义无反射边界条件，可以模拟无限域的分析情况。 要注意的是模型必须是体单元。需要输入的参数及说明： 组成边界的SEGMENT SET ID 号膨胀波开关 剪切波开关 *BOUNDARY_NON_REFLECTING_2D功能：与*BOUNDARY_NON_REFLECTING 一样，不同的是作用对象为 2D 的平面应变或 71 轴对称体单元。 需要输入的参数及说明： 组成边界的节点SET ID 号 *BOU

27、NDARY_OUTFLOW_CFD_OPTION*BOUNDARY_PRESCRIBED_CFD_OPTION*BOUNDARY_PRESSURE_CFD_SET以上关键字用来定义LS-DYNA 的CFD 求解的流体边界条件。 *BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_OPTION功能：给一系列节点或刚体施加速度，加速度或位移边界条件，在结构动力学分析中这是用得 最多的边界条件之一，下面做详细的介绍： OPTION 的选项有： 即施加的对象可以是节点或刚体，对于刚体，还可以施加相对与局部坐标系的边界条件。对于 节点可以施加速度，加速度或位移边界条件，对于刚体，只可以施加速度和位移

28、边界条件，若要 对刚体施加加速度，只能通过刚体上的节点方式来实现，此时要注意一般只给刚体上的一个节点 施加加速度。 需要输入的参数及说明： 节点 ID 号、节点SET ID 号或PART ID 号（对刚体而言施加的对象是PART） 施加的自由度方向： 1 X 方向平动 2 Y 方向平动 3 Z 方向平动 4 在由VID 矢量（由*DEFINE_VECTOR 定义）确定的平面上（该平面垂直上矢量）可以平动。 -4在由VID 矢量（由*DEFINE_VECTOR 定义）确定的平面上（该平面垂直上矢量）不可以平动。 5 X 方向转动 6 Y 方向转动 7 Z 方向转动 8 绕VID 确定的矢量转动

29、-8绕VID 确定的矢量不能转动 9 由（OFFSET1，OFFSET2）确定的 YZ 平面上的点（y，z），绕通过该点的 X轴节点转动是允许的，径向运动是不允许的。 -9由（OFFSET1，OFFSET2）确定的 YZ 平面上的点（y，z），绕通过该点的 X轴节点转动是允许的，径向运动是允许的。 10由（OFFSET1，OFFSET2）确定的 ZX 平面上的点（z，x），绕通过该点 的Y 轴节点转动是允许的，径向运动是不允许的。 -10由（OFFSET1，OFFSET2）确定的 ZX 平面上的点（z，x），绕通过该点的 Y72 轴节点转动是允许的，径向运动是允许的。 11由（OFFSET1，

30、OFFSET2）确定的XY 平面上的点（x，y），绕通过该点 的Z 轴节点转动是允许的，径向运动是不允许的。 -11由（OFFSET1，OFFSET2）确定的ZX 平面上的点（z，x），绕通过该点的 Z轴节点转动是允许的，径向运动是允许的。速度/加速度/位移开关选项： 0 速度（施加对象为刚体或节点） 1 加速度（仅施加给节点） 2 位移（施加对象为刚体或节点） 3 速度对位移关系（仅对刚体） 4 相对位移（仅对刚体） 载荷曲线ID 用来描述上面施加的速度、加速度和位移的时间相关历程。载荷缩放因子 矢量ID 号，当选自由度 4 或 8 时用来定义方向施加边界的起始和结束时间 OFFSET1，OFFSET2 坐标值，用来定义自由度 911 时的转动位置点。当速度/加速度/位移开关选项 VAD=4 时，定义主刚体ID 号来确定相对位移。确定两刚体相对位移的两方向节点