ls-dyna知识（下）

1.4  单元
1.4.1  单元类型

LS-DYNA有7种单元类型：

(1)   LINK160：桁架单元

(2)   BEAM161：梁单元

(3)   SHELL163：薄壳单元

(4)   SOLID164：块单元

(5)   COMBI165：弹簧与阻尼单元

(6)   MASS166：结构质量

(7)   LINK167：缆单元

所有显式动力单元为三维的，每种单元都可用于几乎所有材料模型，都有几种不同算法，均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。

1.4.1.1 LINK160 单元

3D 圆杆单元用来承受轴向载荷，用 3 个节点定义单元，第 3 个节点用来定义杆的初始方向

1.4.1.2 BEAM161 梁单元

由于不产生应变，此 3D 梁适用于刚体旋转，用 3 个节点定义此单元，见图 1.2。

   可以定义几种标准梁截面，见图 1.3。

1.4.1.3  SHELL163  薄壳单元

Shell163 有 11 种不同算法，最重要的几种有：

(1)   Belytschko-Tsay (BT，KEYOPT(1)=2，default)：

  a.  简单壳单元；

  b.   非常快；

  c.   翘曲时易出错。

(2)  Belytschko-Wong-Chiang (BWC，KEYOPT(1)=10)：      

  a.   速度是BT单元的1.25倍；

  b.  适用于翘曲分析；

  c.   推荐使用。

(3)  Belytschko-Leviathan (BL，KEYOPT(1)=8)：

  a.  CPU 时耗为 BT 单元的 1.4 倍；

  b.  第一个具有物理沙漏控制的单元。

(4)  S/R co-rotational Hughes-Liu (S/R CHL，KEYOPT(1)=7)：

  a.  没有沙漏的壳单元；

  b.  CPU为 8.8 * BT。

1.4.1.4     SHELL163 膜单元算法 

有两种膜单元算法：

(1)    Belytschko-Tsay-Membrane (KEYOPT(1)=5)：

具有单点积分的膜单元算法。

(2)    Fully integrated Belytschko-Tsay-Membrane (KEYOPT(1)=9)：

具有4个积分点的膜单元算法。

1.4.1.5  SOLID164  8 节点六面体单元 

可以选择两种算法：

(1)    单点积分；

  a.   对大变形问题十分有效；

  b.   需要沙漏控制；

(2)  完全积分 (2x2x2 积分)；

  a.   求解慢，但无沙漏；

  b.   使用大的泊松比时谨慎；

建议不用退化四面体单元，对于显式动力分析最好用映射网格，拖拉出的带金字塔形网格也可以。

   1.4.1.6  COMBI165弹簧阻尼单元 

用两个节点定义，可以与所有其他单元联结，具有平动和扭动自由度。这种单元能够应用复杂的非线性力-位移关系。

由于 COMBI165 只具有弹簧与阻尼选项，对于弹簧、阻尼组合体必须分别定义两个单元。

1.4.1.7  MASS166 Mass Element 

MASS 166 是一个有9个自由度的点质量单元：在x，y，z方向的平动、速度、加速度，单元还有针对旋转惯性，但没有质量的选项。这种单元用来整车碰撞建模，代替其中许多部件没有建模的大型模型质量。

1.4.1.8  LINK167 缆单元 

三节点仅拉伸单元，第3个节点确定单元初始方向，用于缆绳建模，见图 1.8。

1.4.2  单元划分时注意事项

(1)避免使用小的单元，以免过小的时间步长。如果要用，则同时使用质量缩放。

(2)尽量减少使用三角形 / 四面体 / 棱柱单元。

(3)避免锐角单元与翘曲的壳单元，否则会降低计算精度。

(4)在需要沙漏控制的地方使用全积分单元。但是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)。

1.4.3  简化积分

LS-DYNA 中所有的显式动力单元缺省为简化积分，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。而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耗 CPU 的一项就是单元的处理，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，除了节省 CPU，单点积分单元在大变形分析中同样有效，LS-DYNA 单元能承受比隐式单元更大的变形。

简化积分单元有两个缺点：

(1)   出现零能模式 (沙漏)。

(2)   应力结果的精确度与积分点直接相关。

1.4.4  沙漏

沙漏是一种以比结构全局响应高的多的频率震荡的零能变形模式，沙漏模式导致一种在数学上是稳定的，但在物理上是不可能的状态。它们通常没有刚度，变形呈现锯齿形网格。单点积分单元容易产生零能模式，沙漏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，有时侯即使 5% 也是不允许的。

 LS-DYNA 有以下方法控制沙漏:

1   避免单点载荷。单点载荷容易激发沙漏。

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。沙漏变形可以通过结构体积粘性来阻止，可以通过控制线性和二次系数，从而增大模型的体积粘性。

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