应用ls-dyna3d进行爆炸分析三种模型对比分析_secret

应用LS-DYNA3D进行爆炸分析

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0 概述

爆炸过程的模拟一共有三种方式：

1. 炸药单元使用8节点实体单元（Lagrange）模拟，炸药单元与被爆炸

单元之间共用节点。

该方法计算速度最快。同时，即使接触单元已经发生破裂，仍然可以继续计算。这是因为：dyna中，单元失效（eliminating brick element）是通过将失效单元的刚度（弹性模量）设置成“0”实现的。单元节点还继续存在（这一点可以从单元失效后单元应变＝0，而节点位移仍然存在得到证明），因此还可以继续计算。该方法的劣势在于，当爆炸单元变形较大时，将会引起被爆炸单元的大变形，同时由于采用了共用节点，限制了爆炸单元的滑移变形，引起附加的虚假滑移刚度。这可能会对计算结果产生一定影响。

2. 炸药单元使用8节点实体单元（Lagrange）模拟，炸药单元与被爆炸

单元之间使用接触。

可以采用的接触类型有：

●*CONTACT_SLIDING_ONLY

●*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE

●*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE

其中，SLIDING要求定义SEGMENT接触，而另外两者可以采用SEGMENT 也可以采用Part或者Part Set。

通过定义接触模拟爆炸的主要问题在于，计算有时会因为接触的计算而不收敛，通常表现为网格单元的突然膨胀，计算过程突然中止而不提示任何错误与警告信息等等。产生这种情况的原因有很多，如错误或不恰当的输入、网格的疏密、单位制匹配、各种参数的选取等（有时默认值不一定是最好的）。网格畸变过大等原因也会对接触的计算产生影响。从计算过程的维持来看，显然共用节点方法更加鲁棒，即使网格畸变很大仍然可以继续进行计算，当然此时的计算精度就很难保证了。

3. ALE技术，即爆炸单元采用Euler或ALE单元，被爆炸物采用Lagrange

单元，两种网格之间通过定义耦合实现爆炸过程模拟。

该方法避免了因为网格畸变过大造成的计算发散、计算结果不可信等缺陷。该方法计算速度较慢，同时需要最少定义三种网格：炸药（ALE）、被爆炸物（Lagrange）以及炸药在其中流动的ALE网格。在有限元模型中ALE与Lagrange网格之间可以随意交叉，因而大大方面了模型的建立过程。

上述三种方法均可进行爆炸过程中出现单元破损问题的求解。本文研究了上述模型的计算结果、计算效率，希望对以后的研究能有所帮助。

1 共用节点方法模拟爆炸

图1 有限元网格图2 爆炸后的结构变形

定义了2个Part。Part1为被爆炸物，Part2为炸药，两个Part之间通过共用节点连接。

Part 1：

Section＝*SECTION_SOLID 1（缺省的中心单点积分常应变单元）

Material＝*MAT_PLASTIC_KINEMATIC

Part 2：

Section＝*SECTION_SOLID 1（缺省的中心单点积分常应变单元）

Material＝*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN

Eos＝*EOS_JWL

*INITIAL_DETONATION 控制起爆点与起爆时间。

2 接触模拟爆炸：侵彻接触（Eroding）

图3 有限元网格图4 爆炸后的结构变形定义了2个Part。Part1为被爆炸物，Part2为炸药，两个Part之间通过定义侵彻接触连接。

Part 1与Part 2的属性与“共用节点模拟”完全相同。

接触定义：

*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE

3 接触模拟爆炸：滑动接触（Sliding）

图5 有限元网格图6 爆炸后的结构变形定义了2个Part。Part1为被爆炸物，Part2为炸药，两个Part之间通过定义侵彻接触连接。

Part 1与Part 2的属性与“共用节点模拟”完全相同。

接触定义：

*CONTACT_SLIDING_ONLY

4 接触模拟爆炸：面面接触（STS）

图7 有限元网格图8 爆炸后的结构变形定义了2个Part。Part1为被爆炸物，Part2为炸药，两个Part之间通过定义侵彻接触连接。

Part 1与Part 2的属性与“共用节点模拟”完全相同。

接触定义：

*CONTACT_ SURFACE_TO_SURFACE

5 流固耦合方法模拟爆炸

图9 有限元网格图10 爆炸后的结构变形定义了3个Part。Part1为被爆炸物，Part2为炸药，Part3为炸药流动的ALE网格。Part2与Part3之间通过共用节点相互连接。Part 1与另外两个Part 之间通过命令设置耦合。

Part 1：被爆炸物

Section＝*SECTION_SOLID 1（缺省的中心单点积分常应变单元）

Material＝*MAT_PLASTIC_KINEMATIC

Part 2：炸药

Section＝*SECTION_SOLID_ALE 12（中心单点积分的带空白材料的单物质ALE单元）

Material＝*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN

Eos＝*EOS_JWL

*INITIAL_DETONATION 控制起爆点与起爆时间。

Part 3：空间网格（VOID）

Section＝*SECTION_SOLID_ALE 12（中心单点积分的带空白材料的单物质ALE单元）

Material＝*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN

Eos＝*EOS_JWL

*INITIAL_VOID_PART：定义初始空间。初始空间材料在计算过程中是不被考虑的。该选项对于单物质单元（ALE12）必须定义，否则系统会提示如下错误：

同时，初始空间一定要定义成空间网格（VOID），如果定义错误，比如把炸药网格定义成初始空间，那么在计算结果的显示（LSPOST软件）中，History Var # 2的显示将完全错误，完全反向（将显示：1-真实比例）；如果把被爆炸物（Lagrange）网格定义成初始空间，将得到完全不可相信的结果。

➢主要控制语句

*CONTROL_ALE：ALE算法选项

*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 流固耦合定义。注意耦合方式（CTYPE）在本例中=5。

6 各种方法的对比

表1显示了不同计算方法之间的计算效率对比。