ANSYS 经典培训第二章

第 2章

单元

单元

本章目标 本章包括理解和定义ANSYS/LS-DYNA单元

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Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNA 6.0

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 SolidH. SHELL163 -- 3-D Thin Shell

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… 本章目标 主题 (继续):I. SOLID164 -- 3-D 8-node Brick

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J. COMBI165 -- 3-D Spring or DamperK. MASS166 -- 3-D Mass L. LINK167 -- 3-D Cable M. 单元使用指导 N. 单元习题

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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)

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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

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…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:

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– 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。

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…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:(续):

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– 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。

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B. 缩减积分算法

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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。

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… 缩减积分算法

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除了节省CPU 时间，单点积分单元有利于大变形分析。ANSYS/LSDYNA 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

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C. 沙漏

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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。

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… 沙漏 单点积分实体单元的零能模式:

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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

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… 沙漏 在 ANSYS/LS-DYNA中控制沙漏

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– 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。

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… 沙漏 在 ANSYS/LS-DYNA中控制沙漏(续)

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– 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 … 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.

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。

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… 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 …

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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.

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。

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… 沙漏 ANSYS/LS-DYNA中控制沙漏 (续)

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– 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。

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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-DYNA Explicit

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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。

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… 定义 ANSYS/LS-DYNA 单元 增加单元类型:– Preprocessor > Element type > Add/Edit/Dele....

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设置LS/DYNA选项后，可选单元 将被限制于显式单元 (160 – 167)

– 可以用标准的格式定义关键选项和实常数

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E. LINK160 -- 3-D 杆 (Truss)

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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

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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

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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yJ

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SHELL162: 2-D PLANAR SOLID

K

I

L

– 不允许混用2D 和3D 单元类型 – 不允许全积分选项

x

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)

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