显式动力学分析十大要点 —— 第一部分

显式动力学分析十大要点 —— 第一部分

显式动力学分析在工程领域中具有重要作用，但其建模步骤独特且复杂，即使是经验丰富的分析师也可能容易忽视某些关键环节。本文将为您详细介绍建立稳健、快速且准确的显式动力学模型的十大最佳实践步骤的第一部分。

1. 创建或导入几何模型

在显式动力学分析中，几何模型的简化至关重要。应去除模型关键区域中对获得准确解不必要的几何形状和特征。这不仅有助于减少计算量，还能提高分析的准确性。

2. 选择合适的单元类型

单元类型的选取对分析结果有着重要影响：

• 推荐使用减缩积分、低阶单元类型。虽然全积分单元可以提高精度并消除沙漏现象，但它们容易受到剪切锁定的影响，并且会增加求解时间。在某些显式动力学软件中，如LS-Dyna，允许使用高阶单元，但这些单元的求解时间可能会更长，主要是因为由此产生的时间步长会小很多。

• 避免使用由退化的六面体创建的四面体单元。这些单元类型非常不准确。大多数显式动力学代码都有更准确的四面体单元类型，例如在LS-Dyna中ELFORM=10或13。泰勒杆冲击模型的四面体网格和全六面体网格的比较如图1所示。

图1 泰勒杆冲击模型的四面体网格和全六面体网格的比较

• 选择既快速又准确的壳单元类型。在许多情况下，前处理器默认选择的壳单元类型不是很准确，特别是对于扭曲的壳和将经历扭转变形的壳。例如在LS-Dyna中，在这些情况下，Belytschko-Wong-Chiang 和 Belytschko-Leviathan 类型比默认的Belytschko-Tsay类型更准确。

3. 分配材料模型和属性

材料模型和属性的正确分配对分析结果至关重要：

• 在不关心该物体中的应力/应变的地方，使用刚性材料来指定刚体。刚体可以显著减少运行时间。

• 使用一致的单位。一些前处理器不允许你更改单位系统。

• 对于材料塑性，分段线性塑性模型通常是最通用的，因为它允许你直接输入应力 - 应变点，并且在某些情况下，可以在不同应变率下输入不同的曲线（以包括应变率敏感性）。

4. 分配控制以抑制沙漏模式

沙漏模式是显式动力学分析中常见的问题，需要通过以下方式加以控制：

• 避免将载荷和约束应用于孤立节点。

• 在接触区域增加网格细化。

• 添加沙漏控制。常用的类型包括 Flanagan - Belytschko 粘性或刚度形式，或者 Belytschko - Bindeman 方法。图2展示了有和没有应用沙漏控制的角部冲击分析。

图 2 未应用沙漏控制的角部冲击（左）和应用了沙漏控制的角部冲击（右）

5. 根据需要分配阻尼

阻尼可用于减少或消除不良振荡，特别是在准静态分析中。在一些显式动力学软件中，如 LS-Dyna，瑞利阻尼（质量加权阻尼和刚度加权阻尼）是向模型应用阻尼的主要方法。质量加权阻尼在较低频率下更有效，通常在准静态分析中使用。刚度加权阻尼在较高频率下更有效，代表固体或材料阻尼。

6. 为梁和壳分配截面属性

完成上述步骤后，接下来需要进行准备模型所需的其余四个步骤。这些步骤包括划分网格、施加载荷和约束、创建接触界面以及应用求解设置。这些最佳实践步骤将在后续文章中详细讨论。