第3讲 非线性与显式动力学分析_535502420

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非线性问题分析 ANSYS非线性分析基本参数设置 Project 1: 钢支架弹塑性应力分析 接触问题分析 ANSYS 中的接触单元 Project 2: 汽车板簧刚度分析 碰撞(显式动力学)问题分析 LS-DYNA简介 Project 3: 薄壁圆管轴向压缩吸能分析
LS-DYNA简介
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第3讲 非线性与显式动力学分析
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非线性问题分析 ANSYS非线性分析基本参数设置 Project 1: 钢支架弹塑性应力分析 接触问题分析 ANSYS 中的接触单元 Project 2: 汽车板簧刚度分析 碰撞(显式动力学)问题分析 LS-DYNA简介 Project 3: 薄壁圆管轴向压缩吸能分析
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• 斜坡或阶跃载荷〔 Ramped or Stepped〕 :
在与应变率无关的材料行为的非线性静态分析中通常不需 要指定这个选项。 缺省情况下，载荷为阶跃载荷〔KBC，1〕。 对率相关材料行为情况（蠕变或粘塑性），则需指定加载 过程。 f t
1.0
2.0
“时间"
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时间步〔NSUBST〕和 时间步长〔DELTIM〕： 非线性分析要求在每一个载荷步内有多个子步或时间步(这 两个术语是等效的)；从而逐渐施加所给定的载荷。 NSUBST 定义在一个载荷步内将被使用的子步的数目。缺 省时是每个载荷步有一个子步。 DELTIM定义时间步长。时间 步长决定了在一个子步中的载 荷增量。时间步长越大，载荷 增量越大，因此时间步长对求 解的精度有直接的影响。
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单元初始接触状态（START）： • 0：由INTF决定接触状态 • 1：闭合，且没有滑动 • 2：闭合，且有正方向的滑动 •-2：闭合，且有负方向的滑动 • 3：张开，未接触
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非线性问题分析 ANSYS非线性分析基本参数设置 Project 1: 钢支架弹塑性应力分析 接触问题分析 ANSYS 中的接触单元 Project 2: 汽车板簧刚度分析 碰撞(显式动力学)问题分析 LS-DYNA简介 Project 3: 薄壁圆管轴向压缩吸能分析
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有限元模型
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计算结果
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LS-DYNA计算参数设置
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CONTAC12的实常数： • THETA －界面角，定义接触面方位的角度 • KN－法向刚度，在法线方向的接触刚度 • INTF－位移过盈量，初始过盈量或缝隙 • START －单元初始接触状态 • KS－粘附刚度，在滑动方向的接触刚度KS
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非线性问题分析 ANSYS非线性分析基本参数设置 Project 1: 钢支架弹塑性应力分析 接触问题分析 ANSYS 中的接触单元 Project 2: 汽车板簧刚度分析 碰撞(显式动力学)问题分析 LS-DYNA简介 Project 3: 薄壁圆管轴向压缩吸能分析
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CONTAC12：2D点-点的接触单元
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通过总体坐标系X－Y平面内的二个结点I，J来定义，可以 用于2D平面应力、平面应变和轴对称分析中。 采用相对于总体坐 标X轴的输入角θ（用 度表示）来定义接触 面，即总体坐标的X 轴逆时针旋转θ 角便 得到正的滑动方向， 法向方法N垂直于S。
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3 载荷和位移方向
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很多情况中，无论结构如何变形，施加在系统中的载荷保 持恒定的方向。而另一些情况中，载荷将随着单元位置的 改变而变化。 加速度和集中力将始终保持最初的方向；而表面载荷作用 在变形单元表面的法向，随着单元的变形而发生变化。
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ANSYS中的接触单元
3 面-面接触单元
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模拟刚体-柔体的接触。刚性面被当作“目标”面，柔性体的 表面被当作“接触”面。一个目标单元和一个接单元叫作一个 “接触对” 。 “目标”面单元: •Targe169(2-D)，Targe170(3-D) “接触”面单元类型: •Conta171, Conta172, Conta173, Conta174
120mm 610mm
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18 12 6 单元数
13 7
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接触数
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CONTAC12的单元选项： •K 1 －摩擦类型 0：弹性库仑； 1：刚性库仑。 •K 2 －初始方位角基于 0：实常数THETA确定； 1：运动方向确定。 •K 4 － 过盈量或缝隙基于 0：实常数INTF； 1：初始结点的位置。
LS-DYNA程序的初版是1976年美国 Lawrence Livermore Laboratory研究开发的，经不断改进，已成为著名的显式非线 性动力学分析软件，可以求解各种二维、三维非弹性结构的高 速碰撞、爆炸和冲压等大变形动力响应问题。
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应用领域
高速碰撞模拟 （如飞机、汽车、火车、船舶等碰撞引起的结构动力响应和破坏） 乘员安全性分析（气囊与假人相互作用、安全带的可靠性分析等） 金属成型（物料的滚压、挤压，薄板的冲压成型等） 爆炸分析、弹丸穿甲模拟
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有限元模型
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载荷-位移曲线
12 10 pressure /MPa 8 6 4 2 0 0 0.5 displacement /mm 1 1.5 加载 卸载
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时间(TIME)： ANSYS在每一个载荷步末端给定TIME参数识别出载荷步。 每一载荷步和子步与一个具体的时间相对应。 缺省情况下，在第一载荷步末，时间为1.0，在第二载荷步 末，时间为2.0，以此类推。 外载荷 为方便起见，可以设置时间为 任何期望的值。例如，将时间 设置与载荷大小相等，可很容 易地获得载荷-变形曲线。
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非线性问题分析 ANSYS非线性分析基本参数设置 Project 1: 钢支架弹塑性应力分析 接触问题分析 ANSYS 中的接触单元 Project 2: 汽车板簧刚度分析 碰撞(显式动力学)问题分析 LS-DYNA简介 Project 3: 薄壁圆管轴向压缩吸能分析
⎧通用 ⎪ 接触类型 ⎪自动 • 单面接触（single surface） ⎪刚体 ⎪ • 点-面接触（nodes-to-surface） ⎨固连、固连失效 • 面-面接触（surface-to-surface） ⎪ ⎪侵蚀 ⎪ ⎪成型 ⎩
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其他碰撞分析软件： RADIOS，PAM-Crash，ABAQUS
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单元类型
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薄壳单元、厚壳单元、膜单元、实体单元、梁单元、弹 簧单元、刚体单元、集中质量单元等。
材料模型 • 近百种金属、非金属本构模型，有弹性、弹塑性、超弹 性、泡沫、玻璃、混凝土、蜂窝等。
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汽车板簧
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O β=22.8436
R=1529.99Biblioteka Baidu
弧长： πβ R = 610 mm 180 拱高： R − R cos β = 120 mm 解得： R = 1529.9877 mm β = 22.8436°
Project 1: 钢支架弹塑性应力分析
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求图示钢支架在均布压力作用下的应力分布和卸载后的残余应 力。
R=120
15
σ
板厚t = 3
σs
长度单位：mm 理想弹塑性材料： E=210GPa, ν =0.3，σs =270MPa
汽车工程系 结构分析与CAE研究室 -2ε
60
ΔF 外载荷
Δt
1.0 2.0
“时间”
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自动时间分步〔AUTOTS〕: ANSYS具有自动时间步长的功能，它会在一个载荷步的所 有子步中预测并控制时间步长。 打开自动时间步长选项时，在一个时间步的求解完成后， 下一个时间步长的大小基于四种因素预计： 1) 在最近的时间步中使用的平衡迭代的次数（更多次的迭 代则减小时间步长）； 2) 对非线性单元状态改变的预测（临近状态改变时减小时 间步长）； 3) 塑性应变增加的大小； 4) 蠕变增加的大小。
Project 3: 薄壁管轴向压缩吸能分析 有限元法与应用-上机课
计算半径长l=150mm、r=30mm、厚度t=2mm的圆管沿轴 向受12m/s速度刚体压缩时变形和压溃力-位移曲线。圆管的 材料参数为：ρ=7.840e-6kg/mm3，E=210GPa，ν=0.28， σs=270 MPa，为弹塑性材料。 圆管屈曲特征：厚管（直径 与壁厚之比D/t<40）发生轴对 称屈曲，而薄管（D/t>40）发 生非对称屈曲。轴对称屈曲时 半波长 h = πrt / 2
均布载荷：10 MPa
r=7.5
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演示 重点学习： • 非线性材料参数的定义 • 载荷步定义 • 非线性计算参数设定 • 查看结果：残余应力，载荷-位移历程
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ANSYS非线性分析参数设置
1. 算法（附录1 ） 2. 载荷步与子步 3. 载荷和位移方向 4. 收敛准则（附录2 ） 5. 收敛性增强选项（附录3 ） 6. 计算中止选项（附录4 ） 7. 输出控制（附录5 ）
Project 2: 汽车板簧刚度计算
求图示汽车板簧变形和等效应力。
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已知：板簧圆拱的弧长1220mm，拱高120mm，宽度75mm， 共3片，每片板簧的厚度10mm。板簧材料弹性模量为 207GPa，泊松比为0.3，载荷为7500 N。
1220
120
7500N 汽车工程系 结构分析与CAE研究室 - 22 -
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1 算法
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ANSYS采用Newton-Raphson 算法（混合法），以增量 形式逐渐施荷加载，并在每一载荷增量中进行平衡迭代。
增量法
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NR法
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2 载荷步与子步
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ANSYS中的接触单元
1 点-点接触单元
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适用于接触面之间有较小相对滑动的情况。需预先知道确 切的接触位置，接触面之间也需保持网格的一致。 单元类型：CONTAC12，CONTAC52，COMBIN40
2 点-面接触单元 允许接触面之间有大的变形和大的相对滑动。不需要预先 知道确切的接触位置，接触面之间也不需保持网格一致。 单元类型：CONTA175
外载荷 载荷步 2 载荷步1
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通常可采用一个或多个载荷 步来施加外部载荷以及边界 条件。 每个载荷步又可以分为多个 子步。每一子步代表一个载 荷增量。 对每个载荷子步，需进行平 衡迭代以获得在每一子步的 平衡（或收敛）。
子步
“时间"
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