使用LSDYNA如何通过重启动实现螺栓预紧力的研究

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引言：上一篇文章《LS-DYNA ICFD典型多相流问题模拟仿真详解-附模型》基于瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor Instability）这一典型多相流问题，深入探讨如何在ICFD模块中实现多相流模拟。

本文基于LS-DYNA重启动技术，建立了完整的螺栓预紧力与冲击载荷耦合分析方法。研究采用完全重启动（Full Restart）实现多阶段工况的连续计算，通过d3dump文件继承预紧力计算结果，显著提升计算效率。关键技术包括：预紧力模拟采用隐式算法配合子步长控制确保接触收敛，通过INITIAL_STRESS_SECTION精确施加截面压力载荷；冲击分析阶段采用显式算法，利用STRESS_INITIALIZATION实现预紧力结果的准确传递。工程实践表明，该方法需重点关注螺栓轴向截面网格的规整性，采用叠加时间设置方式，并保持前后计算参数的一致性，为螺栓连接结构的复杂工况分析提供了高效可靠的解决方案。

一、写在文前

LS-DYNA作为显式动力分析领域的权威软件，其重启动（Restart）功能在复杂仿真计算中具有重要作用。该功能基于计算过程中生成的d3dump文件保存完整的模型状态数据（如位移、应力、接触信息等），允许用户从中断点继续计算，或修改模型参数后进一步分析，从而显著提高计算效率并降低资源消耗。重启动方法主要分为简单重启动（延长计算时间）、小型重启动（调整控制参数）和完全重启动（修改模型几何或载荷），可分别应对不同工程需求，例如优化仿真参数、修正模型错误或分阶段进行多工况分析。掌握重启动技术的原理及应用方法，对于提高LS-DYNA仿真的灵活性和可靠性具有重要意义。

二、不同重启动类型操作方法

综上所述，在工程仿真实践中，完全重启动（Full Restart）因其能够灵活处理模型几何修改、材料参数调整等复杂需求，成为LS-DYNA重启动技术中应用最为广泛的方法。

三、案例讲解——预紧力模拟

螺栓预紧力（Bolt Preload）是工程结构设计与分析中的关键参数，其精确控制对机械系统的整体性能具有决定性影响。通过施加适当的预紧力，不仅能显著提高连接结构的整体刚度和稳定性，还能有效保证接合面的密封性能，同时对于延长连接件的疲劳寿命至关重要。在各类机械系统中，恰当的预紧力可以防止螺栓松动，优化载荷分布，避免应力集中，从而确保结构在复杂工况下的安全可靠运行。本文将通过LS-DYNA软件的重启动方法研究预紧力下支撑板受冲击载荷的情况。

1、初次计算——施加预紧力

在模拟螺栓预紧力这类加载过程缓慢、持续时间较长的工况时，推荐优先采用隐式求解算法（Implicit Analysis Method）。隐式算法具有以下显著优势：首先，其允许采用较大的时间步长，能够显著提高计算效率；其次，算法本身具有数值阻尼特性，可有效抑制计算过程中可能出现的数值振荡问题，确保求解过程的稳定性。然而需要注意的是，由于螺栓预紧力计算通常涉及多个接触对的相互作用，为保证接触的收敛性，建议在求解设置时适当减小子载荷步的步长。

在LS-DYNA中进行螺栓预紧力模拟时，其计算原理是通过对螺栓轴向截面施加压力来等效螺栓预紧时对零件产生的压缩作用。这一方法对螺栓的网格质量提出了严格要求，特别是在轴向截面位置需要保证网格的平整性和连续性。具体而言，建议在螺栓杆部采用均匀分布的六面体单元划分，确保轴向截面处的网格平面具有良好的几何平整度，这样才能准确传递预紧载荷。在建模过程中螺栓与螺母可简化为一个模型，并且忽略垫片等零件。

预紧力的施加通过*INITIAL_STRESS_SECTION关键字实现，在该关键字中需要我们定义截面位置、加载曲线以及目标零件，其中截面位置通过CSID项调用，该项调用DATABASE_CROSS_SECTION_PLANE关键字中定义的信息，在该关键字中需要定义零件接触位置的截面。

在求解设置中通过CONTROL_IMPLICIT_GENERAL关键字开启隐式计算，并且设置初始载荷步长为0.1s。

在CONTROL_IMPLICIT_DYNAMICS关键字中选择准静态求解。

在CONTROL_IMPLICIT_AUTO关键字中设置子载荷步的大小，其中本次模拟采用可变时间步长。变化的范围由DTMAX项与DTEXP项定义，当IAUTO默认为0时为固定时间步长，且步长等于在CONTROL_IMPLICIT_GENERAL关键字中设置的初始时间步长（DT0）。

设置求解结束时间为5s，其余关键字的设置大家可查看本文附带的k文件了解，完成预紧力模拟的k文件后即可提交计算无需额外的设置。本文采用MPP并联式处理器进行计算，但需注意的是隐式算法只能通过双精度求解器计算。

2、重启动计算——施加冲击载荷

将初次计算的k文件另存至同一路径下并删除预紧力与隐式计算相关的关键字，冲击模拟将通过显式算法实现。通过CONSTRAINED_INTERPOLATION关键字将零件通孔内壁上的节点耦合至一个点上便于对内壁施加表面载荷，该关键字与CONSTRAINED_NODAL_RIGID不同的是该关键字为柔性耦合而非刚性耦合，具有更好的灵活性。

通过*STRESS INITIALIZATION 关键字将前一次计算的结果数据映射至本次计算的模型中，若计算模型未发生改变则只需设置PIDO，只当模型发生改变时才需设置PIDN，这里的改变指的是原模型中零件发生的替换而非增加或删除零件。对于零件的增减可直接在LSPP中建立新模型以及直接删除PART，不建议采用DELETE_关键字进行额外的设置。

设置求解结束时间，重启动计算的时间是叠加的过程，所以需要设置求解结束时间为5.001s。其余关键字无需改变，保存当前k文件。

在LS-RUN中正常导入重启动k文件，因第一次计算采用MPP求解器所以在命令行中加入N=d3full01，并且重启动计算的单双精度以及核心数应于初次计算的设置保持一致。

3、计算结果

四、LS-DYNA从入门到精通视频课程

1、LS-Dyna2023R1基础入门

该视频教程基于ANSYS LS-dyna最新的版本2023 R1进行讲解，手把手全流程界面操作演示。具有完整的案例介绍，从建模、设置边界条件、求解设置、后处理全流程讲解；包括19个最新仿真设计案例讲解与下载，涵盖包括航空、汽车等多个工业制造行业，及多个常见的模拟应用场景演示，工程实践性强；适合学生、老师以及有意愿学习显式求解算法的初学者。