ansys中显式动力学介绍

显式动力学是采用显式算法进行动力学方程的求解。显式算法最大优点是有较好的稳定性。不存在隐式算法中的收敛性问题。

目前显式动力学软件主要有LS-DYNA、Abaqus/Explicit、autodyn、Workbench/Explicit dynamics、MSC Dytran等软件。Workbench中的显式动力学主要包括有Autodyn、workbench Explicit Dynamics和workbench Ls-Dyna。


图 1‑1workbench中的显式动力学模块

显式动力学最适合发生在短时间,几毫秒内的事件或更小时间。持续1秒以上的事件可以模拟但是需要较长的时间,通过诸如质量缩放和动态松弛之类的技术可用于提高模拟效率减少计算时长。

显示动力学的一些主要应用如下图所示:材料的动态力学响应,汽车的碰撞,高速切削、电子产品的跌落、流固耦合、军事工业中的战斗部的设计等。





隐式和显式有限元求解器使用不同的方法来评估基础计算方程。 下图给出了一个简单的概述。“准静态”应用领域存在重叠,隐式和显式方法均可用于求解模型。 隐式方法通常受到正在发生的变形量和接触非线性的影响,其结果容易不收敛。其中显式方法通常受求解问题时间范围限制,这会导致计算机运行时间过长。



图 1‑2隐式求解和显式求解速度范围

动态显式算法采用动力学方程的差分格式,不用直接求解刚度矩阵,不需要进行平衡迭代,计算速度快,时间步长只要取的足够小,一般不存在收敛性问题,因此需要的内存也比隐式算法要少,对于材料的大变形和非线性的求解有较好的模拟。并且数值计算过程可以很容易地进行并行计算,程序编制也相对简单。但显式算法要求质量矩阵为对角矩阵,对网格质量要求较高。而且只有在单元计算尽可能少时速度优势才能发挥, 因而往往采用减缩积分方法,容易激发沙漏模式,影响应力和应变的计算精度。

隐式算法中,在每一增量步内都需要对静态平衡方程进行迭代求解,并且每次迭代都需要求解大型的线性方程组,这个过程需要占用相当数量的计算资源、磁盘空间和内存。该算法中的增量步可以比较大,至少可以比显式算法大得多,但是实际运算中上要受到迭代次数及非线性程度的限制,需要取一个合理值。

使用显式方法,计算成本消耗与单元数量成正比,并且大致与最小单元的尺寸成反比,应用隐式方法,对于许多问题的计算成本大致与自由度数目的平方成正比。

可以这样认为:显式求解器更适合于非线性问题,工作计算量较小,但可以在更高的频率下进行大量的迭代,这些迭代可以跟随物理参数的变化。隐式求解器对每次迭代的计算都要复杂得多,但是它们的数量要少得多。

Workbench-autodyn软件

AUTODYN是Century Dynamics公司研发的软件产品,为线性、非线性、显式、以及多物质流体动力学问题提供成熟易用的仿真软件。该公司于已被Ansys公司收购,被收购后的新AUTODYN版本功能有了较大的增加,可以集成于workbench平台,与各个模块进行联合仿真。在一个统一的计算环境中提供强大的工程设计和仿真能力。

AUTODYN是一个显式有限元分析程序,用来解决固体、流体、气体及其相互作用的高度非线性动力学问题。具有深厚的军工背景,在国际军工行业占据80%以上的市场,如下是AUTODYN的典型应用:

1、装甲和反装甲的优化设计;

2、航天飞机、火箭等点火发射;

3、战斗部设计及优化;

4、水下爆炸对舰船的毁伤评估;

5、针对城市中的爆炸效应,对建筑物采取防护措施,并建立保险风险评;

6、石油射孔弹性能研究;

7、国际太空站的防护系统的设计;

8、内弹道气体冲击波;

9、高速动态载荷下材料的特性等。

Autodyn软件含有多个网格类型和求解器:拉格朗日网格、欧拉网格、ALE网格、SPH(粒子法)等,用于多种物理现象耦合情况下的求解。软件含有丰富材料库模型,同时包括有金属、陶瓷、玻璃、水泥、岩土、炸药、水、空气以及其它的固体、流体和气体的材料模型。同时AUTODYN集成了前处理、后处理分析模块。并支持多种格式的网格导入。

表 1‑1 autodyn求解器特点









丰富的材料库模型。含有脆性、复合材料、炸药、流体等200多种材料。并拥有多种的状态方程、强度、破坏模型。

多种算法,简单的接触定义。拥有拉格朗日、欧拉、ALE、SPH等算法可模拟高度非线性问题。并且计算具有较好的稳定性。

多物理场的耦合,对于流体和固体在不同物理条件下的状态均可以模拟。结合结果映射技术,极大地节省了计算时间。

简单的前处理和后处理。Autodyn软件可以兼有前处理和后处理,可以方便的自建简单模型。也可通过多种格式的网格导入到求解器中。

workbench explicit dynamics软件

Workbench explicit dynamics软件是在Ansys收购Autodyn软件基础上开发的显式动力学软件模块,集成于workbench平台,目前发展到19.0版本,增加了Drop-test功能和支持关节【Joint】功能,用于更好的模拟产品的跌落,结构的运动等。依托workbench平台可以方便的导入模型和与其他模块进行联合仿真。拥有丰富的材料模型库、简单的几何建模方式、高效的网格划分方式、简单的并行计算的设置等优点,该模块能够模拟的非线性结构力学涉及以下:

•从低速1m/s到非常高的速度5000m/s;

•应力波、冲击波、爆轰波在固体和液体中传播;

•高频动态响应;

•大变形和几何非线性;

•复杂的接触条件;

•复杂的材料行为,包括材料损坏;

•非线性结构响应,包括屈曲;

•焊缝/紧固件的失效等。

表 1‑2 workbench explicit dynamics的优势









前处理更加方便。更加丰富的材料模型库、方便的几何模型的导入和网格划分。

可以通过ansys space claim进行建模,mesh模块和ICEM模块进行网格划分。

多物理场的耦合。

可以和workbench ACP、workbench transient structural、workbench static structural,poly flow workbench FEM等进行耦合。

高性能计算。支持更多的网格和网格格式,包括结构和非结构网格,可以方便调用多核进行计算。

优化设计。和ANSYS Design Xplorer结合,使工程师能够执行实验设计(DOE)分析,调查响应曲面,并分析输入约束以追求最佳设计候选者。

Workbench LS-DYNA

Ls-dyna是LSTC公司著名的显式动力学软件,广泛应用于汽车、军工、航空航天、电子、机械制造等领域。1996年LSTC公司与Ansys公司合作,为Ansys提供求解器。

Workbench19.0版本新增的extension模块,使得在workbench平台可以直接调用LS-DYNA求解器。极大了简化了建模、网格划分等仿真程序。关键字可以直接在workbench平台通过GUI进行相应参数的定义。

LS-DYNA程序是功能齐全非线性求解器,包括求解几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材料非线性(140多种材料动态模型)和接触非线性(50多种)。它以Lagrange算法为主,兼有ALE,自适应网格和Euler算法;以显式求解为主,兼有隐式求解功能;以结构分析为主,兼有热分析、流体-结构耦合功能;以非线性动力分析为主,兼有静力分析功能(如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算);军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。

表 1‑3 ls-dyna软件特点









众多的前处理和快速的求解。可以通过外部倒入复杂模型,通过定义关键字的方式方便变成及修改模型。多种控制选项,使得用户在分析问题拥有很大灵活性。

多种算法和接触方式。拥有largrange、ALE、Euler、SPH等算法。可兼容隐式和显示算法。自适应网格剖分方式可方便模拟薄板冲压等问题。

在汽车碰撞领域应用广泛,拥有假人、安全带、牵引器、气囊等专业开发工具。


多物理场耦合。拥有BEM算法对于流固耦合问题具有较好的求解。拥有热分析模块,可与结构耦合,用于非线性热传导、静电场和渗流分析等。

编辑于 2018-07-07