Ansys Workbench2024/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導教程

夏德偉，2004年4月畢業於北京理工大學車輛工程學院，獲得機械設計及理論專業碩士學位，高級工程師，畢業後長期從事金屬材料在航空航天領域研究，完成多項國家重點項目研究和生產試制。2006年出版《UNIGRAPHICS MX 4.0中文版工業造型時尚百例》一書。

前言
第1章　CAE與Ansys Workbench 簡介 1
1.1　CAE技術及其優越性 2
1.1.1　CAE技術流程 2
1.1.2　CAE的優越性 3
1.2　Ansys Workbench概述 3
1.2.1　Ansys Workbench的特點 3
1.2.2　Ansys Workbench 應用程序分類 4
1.2.3　Ansys Workbench文檔管理 5
1.3　Ansys Workbench 2024的圖形界面 7
1.3.1　工具箱 7
1.3.2　項目原理圖 9
1.3.3　系統和單元格 9
1.3.4　單元格的類型 9
1.3.5　了解單元格狀態 10
1.3.6　項目原理圖中的鏈接 11
第2章　Ansys Workbench 2024/LS-DYNA基礎 12
2.1　Ansys Workbench/LS-DYNA簡介 13
2.1.1　LS-DYNA的功能特點 13
2.1.2　LS-DYNA的應用領域 14
2.1.3　LS-DYNA的文件系統 16
2.2　隱式與顯式時間積分 17
2.3　Ansys Workbench/LS-DYNA分析的一般流程 19
2.4　在Ansys Workbench中創建LS-DYNA分析系統 20
第3章　定義工程數據 21
3.1　定義工程數據的流程 22
3.1.1　材料庫 22
3.1.2　添加庫中的材料 23
3.1.3　添加新材料 24
3.1.4　材料模型選擇要點 25
3.2　彈性材料模型 25
3.2.1　線性彈性材料模型 25
3.2.2　超彈性材料模型 27
3.2.3　黏彈性材料模型 30
3.3　非彈性材料模型 30
3.3.1　塑性材料模型 30
3.3.2　成形塑性材料模型 34
3.3.3　失效材料模型 39
3.4　與狀態方程相關的材料模型 41
3.4.1　體積模量材料模型 42
3.4.2　剪切模量材料模型 42
3.4.3　多項式EOS材料模型 42
3.4.4　沖擊EOS線性材料模型 43
3.4.5　沖擊EOS雙線性材料模型 44
3.5　其他材料模型 45
3.5.1　泡沫材料模型 45
3.5.2　歐拉材料模型 46
3.5.3　LS-DYNA外部模型材料 46
3.5.4　剛性體模型 46
第4章　DesignModeler應用程序 48
4.1　DesignModeler簡介 49
4.1.1　建模前的規劃 49
4.1.2　進入DesignModeler 49
4.1.3　DesignModeler操作界面介紹 50
4.1.4　DesignModeler和CAD類文件的交互 54
4.2　DesignModeler的操作 55
4.2.1　圖形的控制 55
4.2.2　選擇過濾器 56
4.2.3　快捷菜單 57
4.3　繪制草圖 59
4.3.1　創建新平面 59
4.3.2　創建新草圖 60
4.3.3　草圖工具箱 61
4.3.4　繪制草圖輔助工具 65
4.4　三維特征建模 66
4.4.1　擠出 66
4.4.2　旋轉 68
4.4.3　掃掠 69
4.4.4　蒙皮/放樣 69
4.4.5　薄/表面 70
4.5　三維建模高級功能和工具 71
4.5.1　幾何體轉換 71
4.5.2　幾何體操作 73
4.5.3　模式（陣列） 74
4.5.4　Boolean（布爾）操作 74
4.5.5　直接創建幾何體 75
4.5.6　凍結和解凍體 75
4.6　概念建模 76
4.6.1　線操作 76
4.6.2　面操作 78
4.6.3　定義橫截面 79
第5章　Mechanical應用程序 81
5.1　啟動Mechanical應用程序 82
5.2　Mechanical用戶界面 82
5.2.1　Mechanical選項卡 82
5.2.2　圖形工具欄 85
5.2.3　輪廓窗格 86
5.2.4　詳細信息窗格 87
5.2.5　視圖區 87
5.2.6　狀態欄 88
5.2.7　快速啟動 88
第6章　網格劃分 90
6.1　網格劃分概述 91
6.1.1　網格劃分流程 91
6.1.2　分析類型 91
6.2　網格劃分方法 92
6.2.1　自動劃分方法 92
6.2.2　四面體網格劃分方法 92
6.2.3　六面體主導網格劃分方法 94
6.2.4　掃掠網格劃分方法 94
6.2.5　多區域網格劃分方法 94
6.2.6　笛卡兒網格劃分方法 95
6.3　全局網格控制 95
6.3.1　分辨率 95
6.3.2　全局單元尺寸 95
6.3.3　初始尺寸種子 96
6.3.4　平滑和過渡 96
6.4　局部網格控制 97
6.4.1　尺寸調整 97
6.4.2　接觸尺寸 98
6.4.3　加密 98
6.4.4　面網格剖分 98
6.4.5　匹配控制 99
6.4.6　收縮 99
6.4.7　膨脹 99
6.5　網格工具 100
6.5.1　生成網格 100
6.5.2　截面 101
6.5.3　創建命名選擇 102
第7章　LS-DYNA的單元算法 103
7.1　Ansys Workbench/LS-DYNA的單元特性 104
7.1.1　梁單元 104
7.1.2　殼單元 107
7.1.3　實體單元 108
7.1.4　質量單元 110
7.2　定義單元算法 111
7.3　縮減積分與沙漏 111
7.3.1　縮減積分單元 112
7.3.2　沙漏概述 112
7.3.3　沙漏控制技術 112
7.3.4　單元綜合要點 113
第8章　載荷、約束、初始條件和連接 114
8.1　施加載荷 115
8.1.1　施加載荷的方法和載荷類型 115
8.1.2　定義表格數據、載荷圖形 117
8.2　施加約束 118
8.3　施加初始條件 119
8.4　“LSDYNA Pre”選項卡 119
8.4.1　剛體工具 120
8.4.2　條件 120
8.4.3　接觸特性 121
8.5　定義連接 121
8.5.1　焊點 121
8.5.2　彈簧 122
8.5.3　梁 122
8.6　接觸及其定義 123
8.6.1　與接觸有關的基本概念 123
8.6.2　LS-DYNA的接觸算法 124
8.6.3　LS-DYNA的接觸類型 125
8.6.4　定義接觸 128
8.6.5　穿透問題及解決措施 132
第9章　求解與求解控制 133
9.1　求解基本參數設定 134
9.1.1　計算時間控制 134
9.1.2　輸出控制 135
9.1.3　其他求解控制 136
9.1.4　輸出k文件 138
9.2　求解與求解監控 139
9.2.1　求解過程描述 139
9.2.2　求解監控 142
9.2.3　求解中途退出的原因 143
9.2.4　負體積產生的原因 144
9.3　重啟動 144
9.3.1　簡單重啟動 145
9.3.2　小型重啟動 146
9.3.3　完全重啟動 147
9.4　LS-DYNA輸入數據格式 147
9.4.1　關鍵字文件的格式 147
9.4.2　關鍵字文件的組織關系 148
第10章　Ansys Workbench/LS-DYNA後處理 150
10.1　Ansys Workbench後處理 151
10.1.1　添加結果對象 151
10.1.2　查看結果 151
10.2　LS-PrePost V4.10.8後處理 157
10.2.1　LS-PrePost V4.10.8程序界面 157
10.2.2　下拉菜單 157
10.2.3　圖形繪制區 158
10.2.4　圖形控制區 159
10.2.5　動畫控制區 160
10.2.6　主菜單 161
10.2.7　鼠標和鍵盤操作 169
第11章　產品的墜落測試分析 171
11.1　墜落測試分析概述 172
11.2　墜落測試模塊MechanicalDropTest 172
11.2.1　MechanicalDropTest模塊的加載 172
11.2.2　墜落測試分析基本流程 173
11.2.3　墜落測試向導 174
11.3　PDA墜落測試分析 177
11.3.1　加載MechanicalDropTest模塊 177
11.3.2　定義工程數據 178
11.3.3　導入和編輯幾何模型 180
11.3.4　定義表面幾何體厚度和分配材料 181
11.3.5　網格劃分 182
11.3.6　定義接觸 184
11.3.7　定義單元算法 187
11.3.8　啟動墜落測試向導 189
11.3.9　觀察分析結果 190
第12章　板料沖壓及回彈分析 192
12.1　顯式-隱式序列求解 193
12.1.1　通過LS-DYNA分析系統進行沖壓分析 194
12.1.2　導出結果數據信息 194
12.1.3　創建靜態結構分析系統並進行數據鏈接 194
12.1.4　讀入厚度分布數據 195
12.1.5　讀入應力分布數據 195
12.1.6　通過靜態結構分析系統進行回彈分析 196
12.2　板料沖壓成形模擬 196
12.2.1　創建LS-DYNA分析系統 196
12.2.2　定義工程數據 196
12.2.3　創建幾何模型 199
12.2.4　定義板料厚度和分配材料 204
12.2.5　定義接觸 204
12.2.6　網格劃分 204
12.2.7　定義約束 205
12.2.8　求解控制 206
12.2.9　施加載荷 206
12.2.10　定義單元算法並提交求解 207
12.2.11　觀察分析結果並導出結果數據信息 208
12.3　回彈分析 213
12.3.1　創建靜態結構分析系統並進行數據鏈接 213
12.3.2　讀入厚度分布數據 213
12.3.3　讀入應力分布數據 215
12.3.4　定義邊界條件 218
12.3.5　進行隱式求解 218
12.3.6　檢查回彈結果 219
第13章　鳥撞發動機葉片模擬 220
13.1　隱式-顯式序列求解 221
13.1.1　創建隱式-顯式序列求解分析系統 221
13.1.2　定義隱式求解參數 221
13.1.3　預應力模式定義 221
13.1.4　施加顯式分析所需的接觸、載荷條件 223
13.1.5　進行隱式-顯式序列求解 223
13.2　鳥撞發動機葉片模擬的設置及後處理 223
13.2.1　創建隱式-顯式序列求解分析系統 224
13.2.2　定義隱式求解參數 224
13.2.3　預應力模式定義 236
13.2.4　施加顯式分析所需的接觸、載荷條件 236
13.2.5　進行隱式-顯式序列求解 240
13.2.6　後處理 240
第14章　金屬塑性成形模擬 242
14.1　金屬塑性成形數值模擬 243
14.1.1　金屬塑性成形數值模擬概述 243
14.1.2　塑性成形有限元模擬優點 243
14.1.3　塑性成形中的有限元方法 243
14.2　楔橫軋軋制成形模擬 244
14.2.1　創建LS-DYNA分析系統 244
14.2.2　定義工程數據 245
14.2.3　導入並修改幾何模型 246
14.2.4　分配材料 250
14.2.5　定義對稱 250
14.2.6　網格劃分 251
14.2.7　定義接觸 253
14.2.8　定義約束 254
14.2.9　求解控制設置 254
14.2.10　定義載荷 255
14.2.11　定義模具的質量中心 256
14.2.12　設置沙漏控制 257
14.2.13　求解及求解過程控制 257
14.2.14　後處理 259
第15章　沖擊動力學問題的分析 263
15.1　薄壁方管屈曲分析 264
15.1.1　創建LS-DYNA分析系統 264
15.1.2　定義工程數據 264
15.1.3　創建幾何模型 265
15.1.4　定義方管厚度和材料模型 267
15.1.5　定義對稱 267
15.1.6　定義接觸 268
15.1.7　網格劃分 268
15.1.8　施加約束 269
15.1.9　求解控制設置 269
15.1.10　施加沖擊載荷 271
15.1.11　其他設置 272
15.1.12　求解及求解過程控制 272
15.1.13　後處理 272
15.2　自適應網格方法概述 277
15.2.1　H-adaptive方法 277
15.2.2　R-adaptive方法 279
15.2.3　創建自適應網格區域 280
15.2.4　自適應網格控制 280
15.3　薄壁方管的自適應屈曲分析 281
15.3.1　將項目以新文件名存盤 281
15.3.2　創建自適應網格區域 282
15.3.3　自適應網格控制 282
15.3.4　求解結果對比 282
第16章　侵徹問題的分析 285
16.1　LS-DYNA侵徹問題模擬概述 286
16.1.1　侵徹問題的研究方法 286
16.1.2　侵徹問題的數值模擬 286
16.2　彈丸侵徹靶板分析 287
16.2.1　創建LS-DYNA分析系統 287
16.2.2　定義工程數據 287
16.2.3　創建幾何模型 289
16.2.4　分配材料 293
16.2.5　定義對稱 293
16.2.6　網格劃分 294
16.2.7　定義接觸 298
16.2.8　定義邊界條件 298
16.2.9　定義彈丸初始速度 298
16.2.10　求解控制設置 299
16.2.11　求解及求解過程控制 299
16.2.12　後處理 301
第17章　ALE、SPH高級分析 306
17.1　ALE算法 307
17.1.1　拉格朗日、歐拉、ALE算法 307
17.1.2　ALE算法理論基礎 309
17.1.3　執行一個ALE分析 312
17.2　無網格方法概述 314
17.2.1　無網格方法基本思想 314
17.2.2　無網格方法的發展歷程 314
17.2.3　無網格方法的優缺點 316
17.2.4　部分無網格方法簡介 316
17.3　SPH方法 318
17.3.1　SPH 方法的本質 318
17.3.2　SPH方法的基本理論 318
17.3.3　LS-DYNA中的SPH算法 319
17.3.4　SPH主要的關鍵字說明 322
附錄　LS-DYNA最常用的關鍵字 324
參考文獻 325