一天解析一个Abaqus子程序-VFRIC

尽管由于历史原因，四面体单元，尤其是二次四面体单元常常不被认可，但它们可以成为薄壁复杂部件的解决方案。尤其对于显式仿真的新手，我们推荐使用二次单元、全局网格划分设置和自动网格特征提取等安全方法。积分和单元类型的选择您肯定知道求解运动方程的方法有很多种。然而，每个人都知道“隐式”方法用于线性动力学，而“显式”方法用于非线性冲击和碰撞分析？事实上，隐式方法的时间步长可以选得很大，因此它们的速度在低频范围内表现出来。显式分析本质上需要非常小的时间步长，因此波在一个时间步长内传播的距离不能超过一个单元。然而，由于公式化的原因，没有迭代方程解，因此问题的线性或非线性形式几乎无关紧要。这就是为什么显式求解器在高频范围内表现出优势，而非线性几乎是天赐之物。然而，这两个求解器基本上都可以解决所有应用。您可能也听到过类似关于所用单元类型的“谬论”。例如，通常的做法是大幅简化模型，以便使用特殊技术将其与六面体单元进行网格划分。为了缩短计算时间，这通常需要耗费大量的工程时间。如果必须使用四面体单元，LS-DYNA用户会避免使用二次单元，因为仅仅因为这个原因，这会使时间步长再次减半，计算时间也会加倍。为什么我们一直这样做？因为时代需要！在（显式）仿真的早期，我们使用穿孔卡片在磁片上进行仿真，并将结果存储在磁带上。当时，工程时间比仿真时间便宜，而存储空间是昂贵的。如今，显式仿真可供众多工程师使用。我们的模型，例如复杂的注塑件，只有付出巨大的努力才能简化。这意味着，如今高效的仿真也意味着更少的模型准备工作。这种策略需要强大的网格划分工具，该工具具有许多实用的默认设置和自动化功能，还需要具有二次拟设函数的四面体。在本文中，我想用一个易于理解的示例来演示合理的网格划分策略，并提高对正确单元类型的认识。我们应该了解的跌落测试和冲击模拟在跌落试验中，物体从一定高度跌落，以检查冲击效果并确保物体能够承受载荷。跌落试验用于检查产品的安全性和可靠性，并可能用于改进设计或材料。有时，也会将部件夹紧，然后让试样跌落。这种（反向）跌落试验具有很高的可重复性，因此试验结果具有可比性。施加的能量可以通过冲击器的质量和速度精确控制。例如，在汽车领域，可以用这种方式模拟头部撞击。冲击模拟基于一些简单的假设。待检查的部件或组件通常被牢固夹紧。注意：问问自己这是否允许？冲击器通常被建模为刚体，并赋予初速度。记住，跌落过程不必模拟，可以用初速度代替。初速度可以根据能量平衡简单地计算如下：因此，可以记住，跌落高度h=1m时，v0=4.429m/s。最后，您需要确定正确的结束时间。在我们的示例中，20ms就足够了。然而，这在很大程度上取决于结构的刚度和冲击器的能量。最后，同样重要的是，简要说明一下网格细度。这通常与结构的纯变形行为和（保持）力有关。在这种情况下，相当粗的网格就足够了，并且必须能够单独表示刚度和振动行为。如果应力或例如塑性应变起着重要作用，则需要进行额外的局部细化。结果变量因应用而异，并且取决于您在模拟中提出的具体问题。固定件是否会“脱落”或销钉是否会从结构上脱落？AnsysLS-DYNA中显式仿真的正确网格划分如果您处理过显式仿真，就会注意到有些事情有所不同。例如，在AnsysLS-DYNA中，二次位移Ansatz并不一定意味着单元具有中间节点。此外，还有一些单元针对特定载荷场景进行了速度调整。您听说过有限元模型中的质量缩放吗？由于模型中的计算时间步长基于最小单元，因此通过局部增加密度可以最小化声速，从而最大化允许的时间步长。最后，重要的是要理解显式网格划分不仅仅是简单的网格划分，而是一个迭代过程。用户必须在网格划分工作量、质量缩放、所需的结果质量和计算时间之间找到有效的平衡。对我来说，以下方法效果很好。我先从粗网格开始，让模型“运行”。我可以设置此模型的结束时间，并检查边界条件。一旦模型稳定，我就可以细化网格，直到位移场和动态行为能够正确显示。最后，我会细化局部点，以便更好地解析局部刚度或局部评估应力和应变。我根据几何形状和数值调整第一个网格，并遵循以下经验值。纵横比不应超过1-3，最大值为1-5。对于薄壁部件，通常沿厚度方向使用1个单元就足够了；建议使用二次单元（Tet4或Tet16）。10-15年前，当我开始进行显式模拟时，为了快速生成六面体网格，我也会花费数小时甚至数天的时间简化几何结构、移除半径并切割组件。但如今，我通常会采取一种更加务实的方法。虽然良好的四面体网格比等效的六面体网格计算时间更长，但它通常更容易、更快速地生成，并且在结果质量方面也丝毫不逊色于六面体网格。此外，四面体网格可以应用于最复杂的几何结构，并且全局设置通常足以控制整个网格。此外，我并不喜欢快速但“不精确”地达到目标。我更喜欢使用二次单元让模型运行更长时间，但我可以信赖更好的结果质量。碰撞、跌落、变形：高度非线性任务的模拟LS-DYNA适用于模拟具有大变形、稳定性问题和最复杂接触场景的非线性过程车辆仪表板的撞击模拟举个例子，我们来看看对车辆仪表板的撞击。重1kg的物体从一米高处落到一个恰好“柔软”且柔顺的点上，因此我们生成了一个以弯曲为主的载荷工况。因此，我们使用了撞击器的位移。该结构采用之前显示的默认设置进行网格划分，包含约420,000个四面体单元。比较了四种元素类型：Tet10：线性，默认快速但非常坚硬的元素，仅适用于泊松比较低的材料。Tet13：线性，附加压力自由度适用于泊松比较高的材料（超弹性或塑性）Tet4：一阶单元，无中间节点，附加旋转自由度推荐用于薄壁结构Tet16：二阶单元，具有中间节点图中可以清晰地看出单元公式的差异。冲击器位移行为的偏差高达30%，这导致Tet10性能较差，而Tet16性能更佳。（准）二次Tet4的性能也相当不错，但偏差明显。Tet10和Tet13的结果相似，其中Tet13的设计适用于泊松数接近0.5（超弹性或塑性）的情况。因此，静水压力的额外自由度在弯曲主导载荷工况下几乎没有任何优势。在Tet10、Tet13和Tet4采用相同网格，Tet16采用相同节点数的情况下，计算时间（相对于Tet10）存在以下差异：Tet13为1.6，Tet4为1.75，Tet16为9。由于Tet16具有更多节点，我们可以将网格划分粗化两倍，最终结果仅为约5倍。当然，使用Tet10也能取得不错的效果。但遗憾的是，网格必须非常精细。在我们之前示例中，如果沿厚度方向设置3个单元，最终得到的单元数量将是之前的30倍！结论：标准四面体单元Tet10计算速度最快，但偏差也最大。Tet13和Tet4均具有特殊属性，适用于某些载荷场景，并在计算时间和结果质量之间取得平衡。然而，用户必须了解哪种单元适用于哪种场景。Tet16的计算时间更长，但结果最佳。别忘了，您也可以使用更粗的网格划分，同时保持相同的结果质量。总结与建议您是否处理过复杂的、可能是薄壁的部件？那么以下几点或许对您有所帮助。显式仿真的网格划分通常是一个迭代过程。与其他类型的仿真一样，必须定义合适的网格密度才能以所需的精度获得所需的结果。此外，为了确保稳定性和效率，必须考虑时间步和质量缩放。四面体网格通常可以通过一些全局设置生成，并且网格生成器可以轻松进行网格去除.对于薄壁部件，应使用二次单元。由于LS-DYNA中默认的线性四面体单元设计注重速度而非精度，因此用户应切换到二次单元。没有中间节点但具有额外自由度（Tet4）的单元可以在速度和精度之间取得平衡。这些建议旨在提高模拟的效率和精度，并帮助您在不影响模拟稳定性和效率的情况下获得最佳结果。通过使用正确的单元和网格划分方法，您可以确保模拟既快速又准确。来源：ABAQUS仿真世界