汽车仿真分析基础-2010.ppt
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1、汽车仿真分析基础 臧孟炎,汽车正面碰撞安全仿真,汽车正面碰撞安全仿真,可变性障碍壁汽车偏置碰撞安全仿真,可变性障碍壁汽车偏置碰撞安全仿真,汽车侧面碰撞安全仿真,安全气囊展开与前挡玻璃作用仿真,安全气囊展开与驾驶员作用仿真,行人头部保护安全仿真,教学目的和要求,基本掌握汽车碰撞安全仿真分析软件LS-DYNA的使用方法 了解隐式、特别是显式有限元方法的相关基础知识,理论教学内容,LS-DYNA简介:LS-DYNA软件的发展历程、数据结构、基本使用方法。 隐式、显式有限元方法:特别是显式有限元分析的一般方法、时间步长的确定、沙漏产生原因及控制方法。 材料模型:包含弹塑性材料、刚体材料在内的碰撞仿真分
2、析常用材料模型。 接触方法:点面接触、面面接触的基本方法和注意事项。 分析实例:介绍汽车及零部件冲击问题有限元分析实例介绍。,实验教学内容,构造一个钢球撞击一块板的有限元分析模型并进行分析和结果处理。了解基于Hypermesh的有限元网格划分、模型建立、仿真计算和结果处理的基本方法。,平衡方程:不依赖于变形状态的线性方程; 几何方程:应变和位移的关系呈线性; 物性方程:应力和应变的关系呈线性; 边界条件:力边界上的外力和位移边界上的位移是独立的,或线性依赖于变形状态。 上述方程或边界条件中的任何一个不符合所述特点,就成为非线性问题。,非线性有限元,非线性有限元,非线性问题: 材料非线性 塑性域
3、的发生,高温条件下结构的蠕变 几何非线性 大变形(板壳结构的大挠度,屈曲) 边界非线性 接触和碰撞,非线性问题分析步骤:,1. 明确分析目的,决定模型化方针 明确分析目的:确认“什么” 评价标准(设计规范、安全标准)、评价部位(冲击部位、焊接部位) 选择求解器:关键是静态分析还是动态分析? 决定模型形状:形状省略、对称性利用 选择单元类型 材料物性选择 确定使用条件 选择单位,非线性问题分析步骤:,2. 构造分析数据(前处理器) 网格划分 分析条件设定(载荷、边界、约束和接触等) 材料定义(物性和单元断面定义等) 分析控制参数确定(分析结束时间等) 输出选择设定,非线性问题分析步骤:,3. 执
4、行计算(求解器) 分析计算开始 计算数据文件确认 分析计算过程确认 分析计算结束,非线性问题分析步骤:,4. 分析计算结果研究(后处理器),显式有限元分析软件-LS-DYNA,John O. Hallquist President and Founder Lawrence Software Technology Corporation,John Hallquist earned his B.S. in Industrial Engineering, from Western Michigan University in 1970. He received an M.S. degree in E
5、ngineering Mechanics from MTU in 1972,and earned a Ph.D. degree in Mechanical Engineering and Engineering Mechanics in 1974. John joined the weapons laboratory at Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).,显式有限元分析软件-LSDYNA,LS-DYNA的输入数据结构,KEYWORD,数值卡,节点定义,立体单元定义,初速度定义,面的定义,定义顺序可任意变动,*KEYWORD,*END
6、,LS-DYNA的输入数据结构,材料定义,单元类型-体单元,定义体单元关键字需要的参数: *ELEMENT_SOLID 体单元的ID号。 PART的ID号 8个节点的ID号 单元公式的指定,通过*SECTION_SOLID SECTION的ID号 体单元计算公式。 0专门用于蜂窝材料*MAT_MODIFIED_HONEYCOMB的体单元 1-缺省的常应力单元 2-全积分S/R体单元,*ELEMENT_SOLID $# eid pid n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 2843 7 285 284 289 287 6183 6186 6185 6184 2844 7 284 268
7、 267 289 6186 6188 6187 6185 2845 7 287 289 290 288 6184 6185 6190 6189,单元类型-体单元,1-缺省的常应力单元公式,也称为1点积分单元 积分点在单元的中心,需要控制沙漏。 通常用于8节点6面体单元,但也可用于退化后的4节点、6节点单元,但精度有所下降。 对于弯曲板件,厚度方向至少划分两个单元(因为该单元为常应力单元,表示拉压应力状态至少需要两个单元 2-全积分S/R体单元 单元内8点高斯积分,没有沙漏发生;但需要1点积分单元4倍的计算时间。 没有体积锁死(由于采用了选择性缩减积分,且各积分点压力成分相同) 大变形问题时不是
8、很稳定,单元类型-壳单元,定义壳单元关键字所需要的参数: *ELEMENT_SHELL 壳单元的ID号。 PART的ID号 4个节点的ID号 单元公式的指定,通过*SECTION_SHELL SECTION的ID号 体单元计算公式。 1-Hughe-Liu壳单元 2-Belyschko-Tsay单元 16-全积分壳单元(非常快),*ELEMENT_SHELL $# eid pid n1 n2 n3 n4 3639 8 7781 7783 7785 7780 3640 8 7780 7785 7776 7777 3641 8 7769 7786 7784 7768,*SECTION_SHELL
9、$HMNAME PROPS 1glass $# secid elform shrf nip propt qr/irid icomp setyp 1 2 $# t1 t2 t3 t4 nloc marea 2.000000 2.000000 2.000000 2.000000,单元类型-壳单元,节点的逆时针方向确定壳单元正面。 板厚方向1-5点积分指定可能。 单元中使用平面应力单元计算公式。 应力应变的输出为积分点位置的值。,单元类型-壳单元,1-Hughes-Liu壳单元 LS-DYNA中最早的壳单元,定义来自体单元的退缩形。 面内一点积分,采用Jaumann应力更新,对翘曲的几何体有效。 能
10、对壳单元的参考面进行偏置(中、内、外) 计算时间是BT壳单元的两倍,单元类型-壳单元,2-Belytschko-Tsay壳单元 缺省的壳单元公式,面内单点积分,计算速度很快,对大变形问题是最稳定有效的方法。 采用Co-rotational应力更新、单元坐标系置于单元中心、基于平面单元假定,所以对于翘曲的几何体不适用。,单元类型-壳单元,16-全积分壳单元 以BT壳单元为基础,面内4点积分。 只比BT壳多2-3倍计算时间。 可以处理翘曲的几何体问题,此时需要激活第种沙漏控制公式。,单元类型-梁单元,定义梁单元关键字既需要的参数: *ELEMENT_BEAM 梁单元的ID号。 PART的ID号 3
11、个节点的ID号 单元公式的指定,通过*SECTION_BEAM SECTION的ID号 梁单元计算公式。 1-Hughe-Liu断面积分梁 2-Belytschko-Schwer合力梁 3-杆单元 9-可变形焊点梁单元,*ELEMENT_BEAM $# eid pid n1 n2 n3 3639 8 7781 7783 7785 3640 8 7780 7785 7776 3641 8 7769 7786 7784,*SECTION_BEAM (Material) $ secid elform shrf qr/irid cst scoor 3 9 0.0000000 0.0000000 1.0
12、000000 0.0000000 $ ts1 ts2 tt1 tt2 nsloc ntloc 6.5000000 6.5000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000 0.0000000,单元类型-梁单元,1-Hughe-Liu断面积分梁,N1,N2两节点确定r轴方向,第三个节点确定断面内惯性主轴。 节点立体单元节点退缩为节点,单元类型-梁单元,1-Hughe-Liu断面积分梁,断面内积分点数和断面形状需要定义 断面形状为矩形和圆管可在SECTION_SHELL下定义,工字梁等的其他断面,使用*INTEGRATION定义 与轴垂直方向上的应力假定为平面应力状态 轴向积
13、分点为单元中心一点,并在此截面计算应力 单元轴向弯矩一定 应力输出为局部坐标系。,2-Belytschko-Schwer合力梁,不计算梁单元应力,仅计算节点上的力和力矩,3-杆单元,不需要第三个节点;断面内一点积分,单元类型-梁单元,单元类型-梁单元,9-可变形点焊梁单元,需要*MAT_SPOTWELD材料定义,包括塑性和失效功能,单元类型-梁单元,9-可变形点焊梁单元,单元类型-梁单元,9-可变形点焊梁单元,单元类型-梁单元,9-可变形点焊梁单元,单元类型-弹簧阻尼单元,使用两个节点和离散的材料来定义无质量的弹簧阻尼单元 能与其他所有显式单元连接 具有平动和转动自由度 能定义复杂的力-位移关
14、系 由于只能同时定义一个弹簧或阻尼,所以定义弹簧-阻尼集合时需要重叠定义两个单元,单元类型-弹簧阻尼单元,求解方法,静态线性问题 特征值问题 瞬态分析方法:隐式和显式,静态线性问题,Solve KD=F for D Gauss elimination LU decomposition Etc.,自由振动分析(特征值分析),(Homogeneous equation, F = 0),Assume,Let, K - li M fi = 0,(Eigenvector:特征向量),(Roots of equation are the eigenvalues:特征值),特征值方程,自由振动分析(特征值分
15、析),Methods of solving eigenvalue equation Jacobis method Givens method and Householders method The bisection method (Sturm sequences) Inverse iteration QR method Subspace iteration Lanczos method,瞬态分析方法,Structure systems are very often subjected to transient excitation. A transient excitation is a h
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