LS-DYNA 平台积累手册

显式与隐式方法对比：

隐式时间积分

——不考虑惯性效应（[C]and[M]）。

——在t+△t 时计算位移和平均加速度：{u}={F}/[K]。

——线性问题时，无条件稳定，可以用大的时间步。

——非线性问题时，通过一系列线性逼近（Newton－Raphson）来求解；要求转置非线性刚度矩阵[k]；收敛时候需要小的时间步；对于高度非线性问题无法保证收敛。

显式时间积分

——用中心差法在时间 t 求加速度：{a}=([F(ext)]-[F(int)])/[M]。

——速度与位移由：{v}={v0}+{a}t,{u}={u0}+{v}t

——新的几何构型由初始构型加上{X}={X0}+{U}

——非线性问题时，块质量矩阵需要简单的转置；方程非耦合，可以直接求解；无须转置刚度矩阵，所有的非线性问题（包括接触）都包含在内力矢量中；内力计算是主要的计算部分；无效收敛检查；保存稳定状态需要小的时间步。

关于文件组织：

jobname.k——lsdyna 输入流文件，包括所有的几何，载荷和材料数据

jobname.rst——后处理文件主要用于图形后处理（post1），它包含在相对少的时间步处的结果。

jobname.his——在 post26 中使用显示时间历程结果，它包含模型中部分与单元集 合的结果数据。

时间历程 ASCII 文件——包含显式分析额外信息，在求解之前需要用户指定要输出的文件，它包括：GLSTAT 全局信息，MATSUM 材料能量，SPCFORC 节点约束反作用力，RCFORC接触面反作用力，RBDOUT 刚体数据，NODOUT 节点数据，ELOUT 单元数据……

在显式动力分析中还可以生成下列文件： D3PLOT——类似 ansys 中 jobname.rst

D3THDT——时间历程文件，类似 ansys 中 jobname.his

关于单元：

ANSYS/LSDYNA 有 7 中单元（所有单元均为三维单元）:

LINK160:显式杆单元；BEAM161：显式梁单元；SHELL163：显式薄壳单元；SOLID164 ：显式块单元；COMBI165：显式弹簧与阻尼单元；MASS166：显式结构质量；LINK167:显式缆单元

显式单元与 ansys 隐式单元不同：

——每种单元可以用于几乎所有的材料模型。在隐式分析中，不同的单元类型仅仅适用于特定的材料类型。

——每种单元类型有几种不同算法，如果隐式单元有多种算法，则具有多个单元名称。

——所有的显式动力单元具有一个线性位移函数，目前尚没有具有二次位移函数的高阶单元。

——每种显式动力单元缺省为单点积分。

——不具备额外形函数和中间节点的单元以及 P 单元。

——单元支持ansys/lsdyna 中所有的非线性选项。

简化积分单元的使用：一个简化积分单元是一个使用最少积分点的单元，一个简化积分块单元具有在其中心的一个积分点；一个简化壳单元在面中心具有一个积分点。全积分块与壳单元分别具有 8 个和 4 个积分点。

——在显式动力分析中最消耗 CPU 的一项就是单元处理。

——由于积分点的个数与 CPU 时间成正比，所有的显式动力单元缺省为简化积分。

——简化积分单元有两个缺点：出现零能模式（沙漏）；应力结果的精确度与积分点直接相关。

沙漏：一种比结构响应高的多的频率震荡的零能变形模式。它在数学上是稳定的，但在物理上是不可能的状态。它们通常是没有刚度，变形时候呈现锯齿形网格。单点积分单元容易产生零能模式；它的出现会导致结果无效，应尽量避免和减小。如果总的沙漏能大于模型内能的 10％，这个分析就有可能是失败的。

避免沙漏的方法：1，避免单点载荷，因为它容易激发沙漏。2，用全积分单元，全积分单元不会出现沙漏，用全积分单元定义模型的一部分或全部可以减少沙漏。3，全局调整模型体积粘性，可以通过使用 EDBVIS 命令来控制线性和二次系数，从而增大模型的体积粘性。4，全局增加弹性刚度，用命令 EDHGLS 增加沙漏系数。建议刚度系数不超过0.15 。5，局部增加弹性刚度。有时只需要用 EDMP，HGLS 命令增加某些特定潮流或区域单元的刚度即可达到目的。

 使用单元注意：

——避免使用小的单元，以免缩小时间步长。如果要用，则同时使用质量缩放。

——减少使用三角形/四面体/棱柱单元。

——避免锐角单元与翘曲的壳单元，否则会降低计算精度。

——需要沙漏控制的地方使用全积分单元，全积分六面体单元可能产生体积锁定（由于泊松比达到 0.5）和剪切锁定（例如，简支梁的弯曲）。

关于 PART：

一个 PART 是具有相同的单元类型，实常数和材料号组合的一个单元集。通常， Part 是模型中的一个特定部分，在被赋予一个 part ID 号后，可以用于一些命令中。

一些需要应用 part 的操作：

——定义和删除两个实体之间的接触（EDCGEN和 EDCDELE）

——定义刚体载荷与约束（EDLOAD 与 EDCRB）

——读取时间历程材料数据（EDREAD）

——向模型的组元施加阻尼（EDDAMP）

使用 PART  步骤：1，建立模型，直到遇到需要使用 PART  的命令。2，创建 PART  列表（EDPART,CREATE）并列出（EDPART,LIST）。3，使用列表中适当的 PART 号。4，在以后的模型中需要使用 PART   的命令时，先更新（ EDPART,UPDATE ）和列表（EDPART,LIST）当前的 PART 。5，对于所有用到 PART 号的命令时重复步骤 4。

使用 PART 注意：

——如果使用 EDPART，CREATE 重复创建 PART 列表，PART 列表被重复覆盖，这有可能对先前定义的一些参考 PART 命令产生影响（如接触等）。

——为了避免这种情况，可以使用 update 更新 part 列表。

——更新后的 part 不会改变 part 顺序，它可以将新产生的单元加到相应的 part 组中。 

——用 EDPART,UPDATE 进行 part 更新。

关于材料模型

相对于隐式分析，ANSYS/LSDYNA 提供了 implicit 中不具备的特性：1，应变率相关塑性模型。2，温度敏感塑性材料。3，应力和应变失效准则模型。4，空材料模型（如应用于鸟撞）。

5，状态方程模型。

概述：

——Linear Elastic:       isotropic(with Fluid Option),Orthotropic,Anisotropic

——Nonlinear Elastic:       Blatz-Ko Rubber,Mooney-Riviln,Viscoelastic

——Plasticity:       Rate Independent(3),Rate Sensitive(8)

——Foam:       Isotropic,Orthotropic

——Composite Damage

——Concrete

——Equation of State:       Temp.&strain rate dependent plasticity,Null materials

——Other:       Rigid bodies,Cables,Fluid

线弹性：

——弹性（各向同性）：所有方向材料特性相同。大多数工程金属都是各向同性的（如钢铁）。简单由 DENS,EX,NUXY 定义。

——正交各向异性：特性具有 3 各相互垂直的对称面。一般用 9 各独立参数和 DENS 定义。定义需要根据特定的坐标系来定义。

——各向异性：材料中各个点处的特性是独立的。需要 21 个独立参数和 DENS 定义。

非线弹性：可以经受大的可恢复的弹性变形

——Blatz-Ko:用于象橡胶一样的可压缩材料。泊松比 ansys 自动设置为 0.463，只需要 DENS和 GXY。材料响应通过应变能量密度函数确定。

——Mooney  Rivlin:用于定义不可压缩橡胶材料。需要输入 DENS,NUXY 和 Mooney-Rivlin常数 C10 和 C01。为了保证不可以压缩行为，NUXY 的值设在 0.49 和 0.5 之间。材料响应通过应变能量密度函数确定。

——Viscoelastic:定义玻璃类材料。需输入 G0,G,K 等参数。

塑性：

——有 11 中塑性模型，模型选择取决于要分析的材料和可以得到的材料参数。要得到好的分析结果，需要使用精确的材料参数。

——塑性模型可分为3 大类

——位于不同的类别内的材料模型之间区别很大，但在一个类别内的材料模型差别不大，通常只是可获得的材料参数不同。

类别 1：各向同性材料应变率无关塑性材料模型（3 种）a，经典双线性随动硬化（BKIN）。

b，经典双线性各向同性硬化（BISO）。c，弹性塑性流体动力（HYDRO）。

——这些模型都用弹性模量（EX）和切线模量(ETAN)来表示材料的应力－应变关系。

——应变率无关的模型通常用于象板金成型一类的总的成型过程相对长的计算中。

——所有 3 个模型可以用于大多数工程金属材料。

——BKIN 与 BISO 模型之间的唯一区别是硬化假设，随动硬化假定二次屈服在 2。y 时出现，而等向硬化出现在 2。max。它们输入参数类似：DENS,EX,NUXY,Yield Stress（。y），Tangent Modulus（Etan）

——HYDRO 适用于经受大变形乃至失效的材料，如果没有指定有效的真实应力与应变，则认为是等向硬化，需要指定 Yield Stress（。y），Tangent Modulus（Etan）。

类别 2：各向同性应变率相关塑性模型（5 种）。a，塑性随动（plastic kinematic）：带有失效应变的 Cowper-Symonds  模型。b，率敏感：带有强度和硬化系数的 Cowper-SymondS模型。c，分段线性：带有多线性曲线和失效应变的 Cowper-Symonds 。d，率相关：用载荷曲线和失效应力定义的应变率。e，幂法则：用于超塑性成型的 Ramburgh-Osgood 模型。

——模型 a －c 使用 Cowper－Symonds 模型在应变率的基础上缩比屈服应力。

——由于弹性模量，屈服应力，切线模量和失效应力都可以作为应变的函数输入，模型 2d是最普通的应变率模型。

——模型 a－d可以用于一般的金属和各向同性材料塑性成型分析。

——模型 e 是专用于超塑性成型的特殊材料模型。

类别 3：各向异性应变率相关塑性模型（3 种）。

使用材料注意：

——对于每种单元类型，未必能够使用所有的材料模型， 因此使用时要参考单元手册来确认可以用哪种模型。

——对于每种材料模型，并非所有的常数与选项都要输入。

——在定义材料属性时，确保使用一致的单位制，不正确的单位制不仅会影响材料的响应，而且会影响接触刚度的计算。

——不要低估准确材料数据对结果的重要性，尽量花费额外的时间与金钱去获得准确的材料数据。

关于边界条件，载荷与刚体

载荷与边界条件概述

——与大多数隐式分析不同，显式分析中所有的载荷都必须作为时间函数施加。因此，在显式分析中只能 通过定义数组参数来施加载荷，一列为时间值，另一列为载荷值。

——耦合（CP）与约束方程命令集（CE）在显式分析中仅对位移和旋转自由度有效，在大变形分析时使用 CP 和 CE 要注意。

——初始速度（EDIVELO）与刚体定义（EDMP,RIGID）是显式分析所独有的。

——施加载荷时，如果不定义时间与载荷轴， 可以使用预先定义的载荷曲线 LCID（ via EDCURVE）来定义载荷。

——可以使用 SCALE 系数对载荷数据进行放缩。

——定义完载荷曲线后，可以用 EDPL 画一下确认。

——可以通过 solution>loading options。。得到载荷的参考号。

——与隐式不同，lsdyna 区分零约束与非零约束，所有的非零约束被处理为载荷（EDLOAD）。 ——只有零约束可以使用 D 命令，因为它被用来固定模型的一部分。

—— 除 了 标 准 的 节 点 约 束 ， 可 以 用 EDNROT   命 令 施 加 旋 转 节 点 坐 标 约 束 。

 constrains>apply>rotated nodal

——用 EDBOUND 命令可以使用滑移和循环对称，能大大减少模型尺寸。

——需要一个无限域时候，为限制模型规模，可使用非反射边界条件来表示（只能用SOLID164）。非反射边界阻止应力波从模型的边界反射。

——要定义非反射边界时，首先创建物体外表面节点的组元，然后 EDNB 命令施加非反射边界 ， 可 以 指 定 沿 着 指 定 的 组 元 是 否 消 除 膨 胀 波 与 剪 切 波 的 反 射 。

 solution>constraints>apply>non-refl bndry...

——瞬态动力问题，需要定义初始速度时候，用 EDIVELO 命令施加旋转与平动速度于节点组元上。注意：在相同节点组元上用 EDIVELO 命令定义初速度会覆盖以往的定义。

刚体

——定义模型中较硬的部分能够大大减少显式动力分析的计算时间。，所有的刚体将自由度耦合在质心，因此无论有多少节点，单个刚体 PART 只有 6 个自由度。

——质量，质心和惯性矩由程序根据刚体的体积与单元密度自动计算。

——作用在刚体上的力与力矩在每个时间步由各节点值相加而成。刚体的运动首先在质心处计算，然后转换到各个节点上。

——刚体不需要网格连续。

——由于要计算接触刚度，刚体材料参数值要用实际的值。

——由于约束应该施加在刚体的质心，所以输入正确的转动与平动约束值是非常重要。

——利用 EDLOAD 给刚体施加位移和速度，但是所有的刚体载荷施加在 part 号上，而不是节点组元。

——两个刚体可以利用 EDCRB  合并，使其行为一致。注意不要多次具有相同参考号的EDCRB 命令。当合并两个刚体时，从刚体则属于主刚体，任何以后对从刚体的参考都没有意义。

——与 ansys 隐式不同，不用大的 EX 值来硬化某一部分，而使之成为刚体。需要输入准确的材料特性来计算接触刚度。

——不能在刚体上的节点处施加约束（D 命令）。所有的约束必须施加在刚体的质心。 ——两个刚体不能共节点。但可用 EDCRB 命令来连接刚体。

——对模型中变形结果不重要的部分使用刚体，从而能够大量地节约 CPU 时间。阻尼

——阻尼是在显式动力分析中阻止非真实震荡的方法。

——质量加权（alpha）和刚度加权（beta）阻尼可以用 EDDAMP 命令施加。

——当 part=all 或指定了曲线 ID 时，模型自动使用 alpha damping。与质量成比例的阻尼对于低频率十分有效。

——当 Curve  ID=O 并且指定了阻尼常数，beta 阻尼被用于特定的 part。刚度阻尼对于高频震荡有效。

点焊

——类似于具有旋转惯性的两个节点之间的约束方程。节点之间的连接是无质量和刚性的。节点不能重合，而且不能再有任何其他的约束。

——可以用来模拟联接失效。preprocessor>lsdyna optns>spotwelds

关于接触

——ansys/lsdyna 不使用单元定义接触，使用接触面定义。

——有 22 种的接触类型，为了选择合适的接触类型，往往需要对接触集 合和算法有深入的理解。

——接触算法是程序用来处理接触面的方法。有 3 种：1，singel surface contact.2,nodes to surface contact.3,surface to surface contact

——一个接触集 合为具有特别相似特性的接触类型的集 合。有 9 种：1,general     2,automatic    3,rigid   4,tied 5,tied with failure   6,eroding   7,edge    8,drawbead   9,forming

——单面接触用于当一个物体外表面与自身接触或和另一个物体的外表面接触时使用。是最通用的接触类型。程序会搜索模型中的所有外表面，检查其间是否相互发生穿透。不需要定义接触面与目标面。

——大多数冲击与碰撞问题需要定义单面接触。当接触面之间的穿透超过接触单元厚度40%时，单面接触自动释放接触，对下面问题造成威胁。如：超薄部分，具有低刚度的软体，高速运动物体之间的接触。

——单面接触在 ASCII  rcforc 文件中不记录所有的接触反作用力，如果需要接触反力，可以使用点到面或面到面的接触。

——点面接触发生在一个接触节点碰到目标面时。由于它是非对称的，所有是最快的算法，只考虑冲击目标面的节点。

——对于点面接触，必须指定接触面与目标面的节点组元或 PART 号。

——当使用点面接触时，注意：平面与凹面为目标面，凸面为接触面。粗网格为目标面，细网格为接触面。对于 drawbead 接触，压延筋总是节点接触面，工件为目标面。

——当一个面穿透另一个物体的面时，使用面面接触算法。它完全对称，因此接触面与目标面选择时任意的。也是要用节点组元和 PART 号来定义接触面和目标面的。节点可以从属多个接触面。

——自动接触与普通接触的区别在于对壳单元接触力的处理方式不同。普通接触在计算接触力时不考虑壳的厚度。自动接触允许接触出现在壳元的两侧。

——侵蚀接触时当单元可能失效时候使用。目的是保证在模型外部的单元失效被删除后，剩下的单元依然可以能够考虑接触。

——刚体接触时，接触 RNTR 和 ROTR 与 NTS 和 OSTS 类似，除了前者是用线性刚度来阻止穿透，后者是采用用户定义的力－变形曲线来阻止穿透。

——变形体与刚体之间的接触必须用 automatic 或 eroding contacts。

——edge contact 用于壳单元的法线与碰撞方向正交时。用 EDCGEN，SE 自动选择所有的边线。

——固连接触是接触被粘在一起，当网格互相不匹配时使用。经常用于销栓连接。

——drawbead 拉延筋接触通常用于板料成型，用于约束板料的运动。在类似冲板的板料成型过程中，通常会出现工件与模具之间失去接触（如起皱）。它允许使用弯曲和摩擦阻力，用于确保工件在整个冲压过程中与压延筋始终保持接触。

——钣金成型类接触中 FNTS,FSTS,FOSS 是首选类型。对于这些，冲头与模具通常定义为目标面，而工件则定义为接触面。对于这些接触类型中的模具无需网格贯通，因此减小接触定义的复杂性。使用时，模具网格方向必须一致。

接触四步骤：1，选择合适的接触类型。2，标定接触实体（对于单面接触不需要）。 3，指定需要的额外参数。4，指定高级接触控制。

——画接触面可以使用接触定义号以及 EDPC 命令。用 EDLIST 命令列出接触，然后用接触参考号和 EDPC 命令画出接触对。

高级接触控制选项：

option1:controlling the contact search method

option2:controlling contact depth

option3:controlling contact stiffness

option4:contact surface birth and death times(EDCGEN command)

option1:控制接触搜索方法

——两种方法: 网格连贯性搜索（default for NTS,OSTS,TSTS,TNTS,TDNS）,块方法（default for all other types）

——在网格连贯搜索中，接触算法使用相邻单元共用的节点进行搜索，当一个目标面与一个接触节点脱离接触后，相邻的面被检查。

——mesh connectivity 方法非常快，但要求接触面的网格是连续的。

——在 bucket sort 方法中，由接触面所占据的三维空间被分为许多立方体（buckets）。节点可以接触同一立方体中的任何部分或者相邻的 bucket。接触节点可接触在相同的 bucket中或相邻的 bucket 中接触任何目标面的部分。

——bucket sort 算法 功能十分强大，但是在某种程度上比 mesh connectivity tracking 要慢，尤其对于大的模型。

option2：控制接触搜索深度

——对于 STS,NTS 和 OSTS 的普通选项，ansys/lsdyna 假定搜索的接触深度为 10 的 10 次方，当接触点穿过目标面时，就会产生一个与接触深度成比例的接触力。

——当模型的组件处于连续的相对运动时由于产生假接触，从而带来不稳定，如果接触深度很大，伪接触力会呈现无穷大。如果节点出现（滑到）在目标面的后面，它会很快滑到物体外的空间中。

——为了控制接触深度，使用 EDCONTACT 命令中的 PENCHK。GUI:preprocessor>lsdyna options>contact>andvanced controls

option3：控制接触刚度

——由于 penalty method 用来计算接触力。在 penalty method 中，F=Kδ。k－接触界面刚度。 δ-界面穿透量。理想的情况下， 在接触过程中两个面之间应该没有穿透，这意味着接触面刚度 k = ∞ , 导致数值不稳定。ansys/lsdyna 在材料参数基础上自动计算接触刚度和接触段的大小，由此提供的界面刚度一般会得到理想的接触效果。

——接触刚度通过一个比例因子 SFSI 进行改变，从而调整 K 。SFSI 的缺省值为 0.1，为提高接触刚度，可以增加 SFSI。但是同时应该防止收敛的不稳定。建议 SFSI 不超过 1.0。

——在缺省接触刚度时，ansys/lsdyna 使用材料参数和接触面与目标面的单元尺寸。

——如果模型的接触面之间的材料属性相差太大（如钢撞击泡沫），或单元尺寸相差太大，会产生不稳定性或非真实的响应。

此时，程序会自动调整到比较相近。

option4：接触面生死时间

——在指定有效时间内，定义的接触面处于有效状态，直到失效时间，它的生死由 EDCGEN命令中的 BTIME 和 DTIME 进行控制。

使用接触注意：

——接触面之间的初始穿透不允许。如果程序检查到面之间有初始穿透，将自动将重合部分从接触面中移走。

——要使用真实的材料参数与壳单元厚度。材料参数和接触面的几何尺寸用来确定 K ——不要在相同的 PARTS 之间定义多个接触。

——如果事先不知道具体接触情况，可以使用单面接触。

——在求解之前列出定义的接触面，从而确保正确定义。

——如果一个分析在开始运行后很快发散，下面的 ASCII 输出文件可以用来检查是否是接触出现了问题。GLSTAT：总能量分布。MATSUM：PARTID 对应的能量。SLEOUT：接触能量输出。

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