第5章 LSDYNA单元之离散单元梁单元和体单元
LS-DYNA 理论及功能(简介)
LS-DYNA 理论及功能LS-DYNA 的理论及功能LS-DYNA 发展概况 (LS-DYNA Introduction)LS-DYNA是以显式为主、隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，特别适合求解 各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成形等非线性动力冲击问题，同时可以 求解传热、流体及流固耦合问题。
DYNA 程序系列最初是 1976 年在美国 Lawrence Livermore National Lab. 由 J.O.Hallquist 博士主持开发完成的，主要目的是为武器设计提供分析工具，后经 1979、1981、1982、1986、 1987、1988 年版的功能扩充和改进，成为国际著名的非线性动力分析软件，在武器结构设 计、内弹道和终点弹道、军用材料研制等方面得到了广泛的应用。
1988 年 J.O.Hallquist 创建 LSTC 公司，推出 LS-DYNA 程序系列，主要包括显式 LS-DYNA2D、LS-DYNA3D、隐式 LS-NIKE2D、LS-NIKE3D、热分析 LS-TOPAZ2D、 LS-TOPAZ3D、前后处理 LS-MAZE、LS-ORION、LS-INGRID、LS-TAURUS 等商用程序， 进一步规范和完善 DYNA 的研究成果，陆续推出 930 版（1993 年）、936 版（1994 年）、940 版（1997 年），950 版（1998 年）增加了汽车安全性分析（汽车碰撞、气囊、安全带、假人）、 薄板冲压成形过程模拟以及流体与固体耦合（ALE 和 Euler 算法）等新功能，使得 LS-DYNA 程序系统在国防和民用领域的应用范围进一步扩大，并建立了完备的质量保证体系。
1997 年LSTC公司将LS-DYNA2D、LS-DYNA3D、LS-TOPAZ2D、LS-TOPAZ3D等程序 合成一个软件包，称为LS-DYNA，PC版的前后处理采用ETA公司的FEMB，新开发的后处 理器为LS-POST。
ls-dyna单元简介
ls-dyna单元简介LS-DYNA使用指南中文版本第2章单元(2012-04-05 11:25:53)转载▼标签：杂谈第二章单元在显式动态分析中可以使用下列单元：·LINK160杆·BEAM161梁·PLANE162平面·SHELL163壳·SOLID164实体·COMBI165弹簧阻尼·MASS166质量·LINK167仅拉伸杆本章将概括介绍各种单元特性,并列出各种单元能够使用的材料类型。
除了PLANE162之外,以上讲述的显式动态单元都是三维的,缺省时为缩减积分(注意：对于质量单元或杆单元缩减积分不是缺省值)缩减积分意味着单元计算过程中积分点数比精确积分所要求的积分点数少。
因此,实体单元和壳体单元的缺省算法采用单点积分。
当然,这两种单元也可以采用全积分算法。
详细信息参见第九章沙漏,也可参见《LS-DYNA Theoretical Manual》。
这些单元采用线性位移函数；不能使用二次位移函数的高阶单元。
因此，显式动态单元中不能使用附加形状函数，中节点或P-单元。
线位移函数和单积分点的显式动态单元能很好地用于大变形和材料失效等非线性问题。
值得注意的是，显单元不直接和材料性能相联系。
例如，SOLID164单元可支持20多种材料模型，其中包括弹性，塑性，橡胶，泡沫模型等。
如果没有特别指出的话（参见第六章，接触表面），所有单元所需的最少材料参数为密度，泊松比，弹性模量。
参看第七章材料模型，可以得到显式动态分析中所用材料特性的详细资料。
也可参看《ANSYS Element Reference》,它对每种单元作了详细的描述，包括单元的输入输出特性。
2.1实体单元和壳单元2.1.1SOLID164SOLID164单元是一种8节点实体单元。
缺省时，它应用缩减（单点）积分和粘性沙漏控制以得到较快的单元算法。
单点积分的优点是省时，并且适用于大变形的情况下。
ls-dyna显示非线性动力分析梁单元建模方法
LS-DYNA可以使用梁单元来显式动力非线性分析，其中的梁单元主要有两种梁截面，一种是resultant (组合的)，一种是discrete(离散的)，顾名思义，这种resultant是采用已经计算好的实常数来代替整个截面的几何特性，而离散的通过将截面划分成若干个高斯点，采用这些小截面通过高斯积分来计算截面特性，类似于隐式分析中的纤维梁单元。如果不考虑材料非线性，则可以采用resultant，若果需要考虑，则需要采用discrete，具体使用哪些截面可以采用可参考LS-DYNA关键字手册。对于resultant，只需定义采用的梁截面格式、截面面积、绕各个轴的惯性矩以及剪切面积就可以了；而对于discrete，除了必须规定一些如采用的积分规则等的基本参数外，还需规定其他一些参数，以指定积分规则和定义任意截面为例，第一步需要指定单元的类型，KEYOPT(1) =2，KEYOPT(2) =1，KEYOPT(4)=1，KEYOPT(5) =2，这些参数分别为定义采用梁截面类型、梁截面采用的积分点、梁截面积分规则标识号、梁截面规定为任意截面。定义好之后，实常数分别需要定义SHRF、TS1、TS2、TT1、TT2、NIP、RA、S(i)、T(i)、WF(i)这些具体参数意义请参看ansys帮助手册中的beam161单元。实际上，这个截面定义比较类似于Teacher Xiang开发的程序中截面定义方式，只是他的程序直接给出了面积，而LS-DYNA是采用权的方式给出的，程序内部需要将总面积换算为各个积分点所代表的面积。
LS-dyna ppt 第五章
• 最后，你要指定分析阶段，默认值是瞬态阶段 “Transient only” ，如果你的载 荷是应用于动力松驰分析（用来模拟隐式静态求解），选 “Dynamic relax”。 如果包括两种分析，请选 “Trans and Dynam” 。
March 7, 2002 Inventory #001630 5-11
D. 初始速度 E. 阻尼的施加 F. 刚体 G. 约束 H. 本章的例题
March 7, 2002 Inventory #001630 5-2
加载，定义边界条件及刚体
A. 加载和边界条件
Training Manual
Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNA 6.0
Training Manual
Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNA 6.0
对单元组元（ Element Components） :
Pressures: PRESS
• 注意左边的规定
对 Parts (刚体) :
Forces: RBFX, RBFY, RBFZ Displacements: RBUX, RBUY, RBUZ Velocities: RBVX, RBVY, RBVZ Moments: RBMX, RBMY, RBMZ Rotations: RBRX, RBRY, RBRZ Angular Velocities: RBOX, RBOY, RBOZ
• 载荷标识总是沿坐标系 正向显示。 • 因为载荷标识仅标识施 加载荷的components 或Parts,所以需要显示载 荷曲线以保证采用了正 确的载荷方向和数值。
March 7, 2002 Inventory #001630 5-14
[转载]关于LSDYNA中离散梁（discrete
![[转载]关于LSDYNA中离散梁（discrete](https://img.taocdn.com/s3/m/98167ee77d1cfad6195f312b3169a4517623e541.png)
[转载]关于LSDYNA中离散梁（discrete beam）使⽤的⼀些说明原⽂地址：关于LSDYNA中离散梁（discrete beam）使⽤的⼀些说明作者：快乐的⽼⿏⼀个离散梁（6号梁单元）最多有6 个⾃由度，⽽弹簧单元（*element_discrete）只有⼀个⾃由度，离散梁单元的内⼒在局部坐标系（r,s,t）中输出，包括在d3plot，d3thdt和elout⽂件中。
离散量单元可以是0长的也可以是⾮0长的。
必须指定⼀个⾮0值的体积（通过*SECTION_DISCRETE中的VOL参数），离散量的重量和它的长度没有关系，⽽只是体积VOL和材料密度的乘积。
INER是梁关于它三个轴的质量矩，如果它的任意⼀个旋转⾃由度被激活就必须指定⼀个⾮0的INER值。
CA和OFFSET仅针对索（使⽤材料*MAT_CABLE_DISCRETE_BEAM）。
当使⽤970v6763(或者后继版本)时，索的体积在VOL设置为0的时候会⾃动计算为长度与*CABLE ⾯积的乘积。
可使⽤的材料类型为：*MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODELS*MAT_66 (*MAT_LINEAR_ELASTIC_DISCRETE_BEAM)*MAT_67 (*MAT_NONLINEAR_ELASTIC_DISCRETE_BEAM)*MAT_68 (*MAT_NONLINEAR_PLASTIC_DISCRETE_BEAM)*MAT_69 (*MAT_SID_DAMPER_DISCRETE_BEAM)*MAT_70 (*MAT_HYDRAULIC_GAS_DAMPER_DISCRETE_BEAM)*MAT_71 (*MAT_CABLE_DISCRETE_BEAM)最新添加的类型有：*MAT_74 (*MAT_ELASTIC_SPRING_DISCRETE_BEAM)(注)*MAT_93 (*MAT_ELASTIC_6DOF_SPRING_DISCRETE_BEAM)<-- 同时需要 *MAT_74*MAT_94 (*MAT_INELASTIC_SPRING_DISCRETE_BEAM)*MAT_95 (*MAT_INELASTIC_6DOF_SPRING_DISCRETE_BEAM) <-- 同时需要o *MAT_94*MAT_97 (*MAT_GENERAL_JOINT_DISCRETE_BEAM) <--同时需要任意 6 DOF类型*MAT_119 (*MAT_GENERAL_NONLINEAR_6DOF_DISCRETE_BEAM)*MAT_121 (*MAT_GENERAL_NONLINEAR_1DOF_DISCRETE_BEAM)*MAT_146 (*MAT_1DOF_GENERALIZED_SPRING) <-- 使⽤*ELEMENT_BEAM中的 SCALAR 或者 SCALR 选项*MAT_196 (*MAT_general_spring_discrete_beam) <-- 也可选 *MAT_74,93,94,95中任⼀种，包含单独的拉伸和压缩失效准（注）则。
LSDYNA单元介绍
ANSYS/LS-DYNA Training
SOLID164 实体单元
• 可以选择两种算法: – 单点积分
• 对大变形问题十分有效. • 需要沙漏控制.
– 完全积分 (2x2x2 积分)
• 求解慢，但无沙漏 • 使用大的泊松比时谨慎
• 建议不用退化四面体单元 • 对于显式动力分析最好用映射网格，拖拉出的带金字塔形网格也 可以。
ansyslsdynatraining其它的单元类型2d单元57有sectionshell中的elform12平面应力13平面应变14轴对称面积加权15轴对称体积加权安全带seatbeltelementseatbeltelementseatbeltaccelerometerelementseatbeltpretensionerelementseatbeltretractorelementseatbeltsensorelementseatbeltslipping切边单元elementtrim板成形分析定义单元集合这些单元将被由definecurvetrim指定的曲线进行切除厚壳单元elementtshell用于模拟厚壳结构ansyslsdynatraining梁单元定义接触时辅助节点带来的问题任一梁单元由三个节点定义第三个节点为辅助节点无质量用于确定梁的rst单元坐标轴的方向在定义梁的接触时创建的nodecomponet中不能包含辅助节点否则求解时退出最好使用part或partset定义接触对于其他模型中出现的masslessnodes不要对其定义接触
ANSYS/LS-DYNA Training
SHELL163 薄壳单元（续）
• Hughes-Liu 壳单元算法有 4 种变化形式:
普通
普通 “完全简化” 选择性 “完全简化”
LS-DYNA使用指南第五章
LS-DYNA使用指南第五章2007-11-29 作者：安世亚太点击进入论坛第五章求解特性5.1求解过程当模型建好后（即，单元、实常数、材料性质的定义，建立模型、网格划分、边界/初始条件指定以及加载、结束控制），执行SOLVE命令即可以开始求解过程。
（在GUI中，菜单路径为Main Menu>Solution>Solve）。
此时，ANSYS/LS-DYNA程序将运行以下几步：1.标题记录：包括几何特性（如节点和单元等），都写到相应的两个结果文件Jobname.RST和Jobname.HIS中。
（此时ANSYS/LS-DYNA数据库中包含全部相应的信息。
即在运行SOLVE命令前，必须执行SAVE命令，把所有的模型信息都写入到文件Jobname.DB）。
2.将所有输入的信息写出LS-DYNA程序的输入文件Jobname.K 。
3.控制权由ANSYS程序转移给LS-DYNA程序。
LS-DYNA求解器运行的结果写入到结果文件Jobname.RST和Jobname.HIS中。
如果执行SOLVE命令前给定命令EDOPT，ADD，，BOTH，则也将输出用于LS-POST后处理程序的结果文件（d3plot和d3thdt文件）。
当求解结束后，ANSYS/LS-DYNA GUI将提醒用户求解已完成，控制权重新转回到ANSYS/LS-DYNA程序。
可以通过ANSYS/LS-DYNA程序的POST1和POST26后处理器来查看结果。
如果产生了错误或警告，输出窗口将自动显示弹出信息，表明有几个错误和警告。
可以参考LS-DYNA的信息文件，其中详细记录了错误和警告。
这些信息也同时被写入到LS-DYNA d3hsp文件。
5.2 LS-DYNA终止控制LS-DYNA求解终止点与建模时设定的终止控制有关。
主要有以下几种终止控制类型：·终止时间-用T IME命令定义分析结束时间。
时间步累积达到结束时间时计算就会停止。
LS-DYNA使用指南中文版本
第一章引言ANSYS/LS-DYNA将显式有限元程序LS-DYNA和ANSYS程序强大的前后处理结合起来。
用LS-DYNA的显式算法能快速求解瞬时大变形动力学、大变形和多重非线性准静态问题以及复杂的接触碰撞问题。
使用本程序，可以用ANSYS建立模型，用LS-DYNA做显式求解，然后用标准的ANSYS后处理来观看结果。
也可以在ANSYS和ANSYS-LS-DYNA之间传递几何信息和结果信息以执行连续的隐式－显式/显式－隐式分析，如坠落实验、回弹、及其它需要此类分析的应用。
1.1显式动态分析求解步骤概述显式动态分析求解过程与ANSYS程序中其他分析过程类似，主要由三个步骤组成：1：建立模型（用PREP7前处理器）2：加载并求解（用SOLUTION处理器）3：查看结果（用POST1和POST26后处理器）本手册主要讲述了ANSYS/LS-DYNA显式动态分析过程的独特过程和概念。
没有详细论述上面的三个步骤。
如果熟悉ANSYS程序，已经知道怎样执行这些步骤，那么本手册将提供执行显式动态分析所需的其他信息。
如果从未用过ANSYS,就需通过以下两本手册了解基本的分析求解过程：·ANSYS Basic Analysis Guide·ANSYS Modeling and Meshing Guide使用ANSYS/LS-DYNA时，我们建议用户使用程序提供的缺省设置。
多数情况下，这些设置适合于所要求解的问题。
1.2显式动态分析采用的命令在显式动态分析中，可以使用与其它ANSYS分析相同的命令来建立模型、执行求解。
同样，也可以采用ANSYS图形用户界面（GUI）中类似的选项来建模和求解。
然而，在显式动态分析中有一些独特的命令，如下：EDADAPT：激活自适应网格EDASMP：创建部件集合EDBOUND：定义一个滑移或循环对称界面EDBVIS：指定体积粘性系数EDBX：创建接触定义中使用的箱形体EDCADAPT：指定自适应网格控制EDCGEN：指定接触参数EDCLIST：列出接触实体定义EDCMORE：为给定的接触指定附加接触参数EDCNSTR：定义各种约束EDCONTACT：指定接触面控制EDCPU：指定CPU时间限制EDCRB：合并两个刚体EDCSC：定义是否使用子循环EDCTS：定义质量缩放因子EDCURVE：定义数据曲线EDDAMP：定义系统阻尼EDDC：删除或杀死/重激活接触实体定义EDDRELAX：进行有预载荷几何模型的初始化或显式分析的动力松弛EDDUMP：指定重启动文件的输出频率（d3dump）EDENERGY：定义能耗控制EDFPLOT：指定载荷标记绘图EDHGLS：定义沙漏系数EDHIST：定义时间历程输出EDHTIME：定义时间历程输出间隔EDINT：定义输出积分点的数目EDIS：定义完全重启动分析的应力初始化EDIPART：定义刚体惯性EDLCS：定义局部坐标系EDLOAD：定义载荷EDMP：定义材料特性EDNB：定义无反射边界EDNDTSD：清除噪声数据提供数据的图形化表示EDNROT：应用旋转坐标节点约束EDOPT：定义输出类型，ANSYS或LS-DYNAEDOUT：定义LS-DYNA ASCII输出文件EDPART：创建，更新，列出部件EDPC：选择、显示接触实体EDPL：绘制时间载荷曲线EDPVEL：在部件或部件集合上施加初始速度EDRC：指定刚体/变形体转换开关控制EDRD：刚体和变形体之间的相互转换EDREAD：把LS-DYNA的ASCII输出文件读入到POST26的变量中EDRI：为变形体转换成刚体时产生的刚体定义惯性特性EDRST：定义输出RST文件的时间间隔EDSHELL：定义壳单元的计算控制EDSOLV：把“显式动态分析”作为下一个状态主题EDSP：定义接触实体的小穿透检查EDSTART：定义分析状态（新分析或是重启动分析）EDTERM：定义中断标准EDTP：按照时间步长大小绘制单元EDVEL：给节点或节点组元施加初始速度EDWELD：定义无质量焊点或一般焊点EDWRITE：将显式动态输入写成LS-DYNA输入文件PARTSEL：选择部件集合RIMPORT：把一个显式分析得到的初始应力输入到ANSYSREXPORT：把一个隐式分析得到的位移输出到ANSYS/LS-DYNAUPGEOM：相加以前分析得到的位移，更新几何模型为变形构型关于ANSYS命令按字母顺序排列的详细资料(包括每条命令的特定路径)，请参阅《ANSYS Commands Reference》。
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Part 2 – 平板 • 壳 (2.5 毫米厚) • 低碳钢（考虑应变率影响） •四个边上约束 Part 3 – 球 • 实体 • 刚体 任务： • 球的初速度为89 mm/ms • 研究平板和球之间的接触
球—平板冲击
指定初始速度
球—不正确的速度
定义接触
接触—平板节点对球表面
接触—球节点对平板表面
*SECTION 由单元类型决定 » 单元公式 » 积分规则 »厚度或横截面特性 关键字 » *SECTION_BEAM » *SECTION_DISCRETE » *SECTION_SEATBELT 在 *PART中指定
*SECTION_SHELL *SECTION_SOLID *SECTION_TSHELL
第五章
单元 I
物理现象的数学描述 » 节点、单元、Parts 和Sections » 离散单元 »梁 » 实体
节点/单元/Parts/Sections/材料
*NODE 节点号 (nid) x, y, z 坐标 不建议但仍然保留，以兼容旧版的DYNA文件： »平动约束 » 转动约束
*ELEMENT 要求单元号 (eid). 定义单元的节点 组织和指定单元的行为 单元分配有一 Part. » 需要 part ID的单元 – 梁、离散单元、安全带、壳、实体、厚壳 »不需要 part ID的单元 – 质量单元、惯性单元、安全带附件
球速度和接触力
平板节点固连
在 *SECTION_SOLID中指定 •常应力单元 (缺省) » 8-节点六面体 » 通过 1x1x1积分控制沙漏 » 对四面体和棱柱同样有效 •全积分 S/R 六面体单元 » 8-节点六面体 » 2x2x2积分(无沙漏) »无因简化积分而有的锁定现象
实体单元公式
•全积分有节点转动的二次方程 » 8-节点六面体 » 14 积分点 » 有转动自由度 •S/R有节点转动的二次方程四面体 » 4-节点单元 » 5 个积分点 »有转动自由度
*ELEMENT 梁 集中质量单元 阻尼 安全带 壳 实体 弹簧 厚壳
*PART 组织单元形成特定的组(称为 parts) 指定 part 的特性 » section 特性 (*SECTION) » 材料行为和特性 (*MAT) » 状态方程 (*EOS) » 取代缺省的沙漏控制 (*HOURGLASS) » 重力初始化 »自适应网格划分 »热特性 (*MAT_THERMAL) » 取代接触特性 »刚体的惯性特性和初始条件
定义Parts 和材料
定义离散 Sections
结果—位移
结果—弹簧力
梁单元
*ELEMENT_BEAM 细长物体 (10:1 ratios) » 操纵杆件、悬挂部件、建筑结构、钢筋 要求输入: » 单元ID号 » part ID号 » 3 个节点 ID号
*SECTION_BEAM 单元公式 » 6 自由度 – Hughes-Liu (缺省) –合力Belytschko-Schwer –全积分 Belytschko-Schwer – 管梁Belytschko-Schwer » 3 自由度 – 束truss – 索单元 横截面 » 矩形，管， W，C，T， Z， 任意形状 » 面积或惯性(2nd moment and polar)
选择单元的标准 • 结构几何形状 • 载荷条件 • 模型假定 • 经济性
集中质量单元
*ELEMENT_MASS »给一节点指定集中质量 – 质量单元号(EID) – 节点号 ID – 质量值 *ELEMENT_INERTIA » 给一节点指定一集中惯性 – 惯性单元号 (EID) – 节点号 – 惯性张量 (Ixx, Ixy, Ixz, Iyy, Iyz, Izz)
*SECTION_DISCRETE 平动或转动 动力放大因子 间隔Clearance 失效偏差 拉伸/压缩容限
离散例子 —质量弹簧系统
$ - 4 simple mass spring systems $ - all nodes have 5 kg $ - left end of springs fixed with SPC's $ - right end of springs given an initial velocity $ - all springs modeled with MAT_SPRING_ELASTOPLASTIC $ - 4 cases $ 1. linear $ 2. goes non-linear due to faster initial velocity $ 3. dynamic magnification applied $ 4. failure deflection at 14 mm $ - time step is controlled by a load curve $ J.D. Reid 10/9/98 $ Units: mm, kg, ms, kN, GPa, kN-mm
*ELEMENT_DISCRETE 定义弹簧或阻尼 » 装配，锁定，铰链，设计区域的简化组件，集中参数模型 无质量 沿弧向旋转 要求输入: » 单元号ID » part ID » 2 节点号 ID (can be ground) » 方向 (N1 到 N2, 仅x方向，等) » 力的缩放因子
离散单元 通过材料方式定义力的行为 *MAT_SPRING力 = F(位移) »弹性和非线性弹性 » 无弹性 » 一般非线性 » Maxwell (刚度的指数衰减) *MAT_DAMPER 力= F(速度) » 粘性 » 非线性粘性
梁横截面I
梁横截面II *INTEGRATION_BEAM
实体பைடு நூலகம்元
*ELEMENT_SOLID 三个直角方向相对相似的模型 » 铸造，锻造，散热器 radiators, 螺栓，土壤，木柱，混 泥土等 正确的质量分配 要求输入: » 单元 ID 号 » part ID 号 »节点ID号 (4, 6, 8 – 四面体，棱柱，六面体) 四面体能控制沙漏，但时间步很难控制