ANSYSLS-DYNA显式动力学培训手册
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e.g., 160 ms 终止时间 e.g., 5500 mm/ms 在钢中 e.g., 9 mm
结论
...隐式—显式比较
使用隐式求解所需要的工 显式求解所需要的工作:
作:
调整模型以增加时间步长:
寻找求解的收敛标准
避免小单元
求解
使用刚性体
如果计算不收敛， 重做 第一步工作，直到收敛
ANSYSLS-DYNA显 式动力学培训手册
跌落试验模块 (DTM)
本章目标
• 本章涵盖了ANSYS/LS-DYNA Drop Test Module (DTM)的内容。讨 论了物体跌落试验，以及利用DTM去模拟它们的具体步骤。
• 主题:
– 物体跌落试验 – 虚拟跌落试验分析 – 跌落试验分析的运用 – ANSYS/LS-DYNA 跌落试验模块 – 典型的DTM处理过程 – 跌落试验模块（DTM）习题
其中termination time 是碰撞前后时间的总和。如果你选择了 “start analysis near impact time”，分析所需的CPU时间将比从跌落点开始进行大大减少。 • 确信该标签上显示了如下信息: “Successful Set-Up. Ready to drop.”
• 当你确信所有设置正确后， 点击OK按钮。
• 进行虚拟的跌落试验模拟有许多好处：
– 跌落试验可以在产品设计的早期阶段进行，这样就可以消除因为开发不适当产 品或在设计的最后阶段修改较差设计而发生的费用。
– 在虚拟世界中，跌落试验的不同初始方位和跌落高度都可以很方便的确定。而 在在现实世界中，这往往会受到经济上的限制。
– 分析完早期设计，在进行新的设计之前，可以评估建议的设计修改方案。这样 节省了制造那些注定失败的原型的时间验分析的运用
• 许多类型的产品都需要进行跌落试验。在充满竞争的市场中，易碎的设计是 不可能获得成功的。根据当前的法律规定，即使产品在实际使用中发生了意 外跌落，也应该在设计中保证其至多是无害的失效。
• 需要进行跌落测试检验的产品包括： – 工具：锤子、钳子、螺丝刀、锯、钻等。 – 电子产品：电话、便携电脑、电视、CD播放机等。 – 家用电器：冰箱、洗衣机、干衣机、微波炉等。 – 工业容器：有毒的化学品储罐等。 – 消费品储存容器：牛奶包装盒、罐头产品、清洁剂等。
• DTM 被设计为在一个连续的操作过程中使用。如果你中途离开DTM又重新 进入，一些变量将被重新初始化，你过去的设置将被删除。因此，当进入 DTM时，应该总是以原始数据库为出发点。这不是一个很大的限制，因为 DTM的用法很简单，你可以迅速地重新输入先前的跌落试验设置。
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
第4步: 完成Velocity标签的信息: • 初始的平移速度可以在屏幕或物体坐标系中确定。如果在跌落开始时进行分析
，指定的速度就被直接调用。如果分析在接近碰撞时开始，DTM将把这些速度 分量加入到那些由跌落高度和加速度求得的分量中。
• 初始的角速度可以在任何一种坐标系中指定，但是要激活它，分析必须在跌落 时开始。
重心来作为其中心。你也可以缩放SOLID164 刚体的长度和厚度（很少要求这 样）。
• 你也可以指定在接触计算中目标表面的角度和材料的属性。而且你可以选择 ASSC 或 AG 接触，指定静态或动态的摩擦系数。
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
第 6 步: 检查Status标签并运行 Solution : • 现在点击Status 标签，回顾一下信息总结，以确信你的所有输入数据都正确。
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3
5
• 记住要用统一单位！混合单 位是DTM中最常见的一种错 误。
• 要利用初始的角速度，你必 须选择 “Start analysis at drop time” = slower run time…
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
• 对于 “Set Orientation,”你有两种选择 : “Rotate” 或 “Pick Nodes”
跌落试验模块 (DTM)
A. 物理跌落试验
• 物体跌落试验的研究内容是：在重力场中（1g）物体从高处跌落时，它所 能承受冲击的能力。
– 物体的初始位置可能会影响试验结果。 – 跌落的目标表面通常认为是刚性的平面。
• 在承受这种假定的载荷后，产品必须要符合设计要求的功能。这种跌落产生 的原因可能是物体的标准使用所致，也可能是意外事件（比如说是对物体的 错误操作）。
• 如果可能的话，不要使用三角形、四面体、棱柱形单元 。尽管也支持这些 单元，但是不推荐使用。用立方体单元可以得到更好的结果。
• 通常在产品最终设计的原型上进行物体跌落试验，因为产品以及进行跌落试 验所需的测试设备的成本是相当高的。
跌落试验模块 (DTM)
B. 虚拟跌落试验分析
• FEA 软件可以用来进行虚拟的跌落试验分析，这样既省时又省钱。此类计算 机模拟仍然必须与实际的物体跌落试验相结合，从而验证材料属性、许用应 力、载荷工况、边界条件等的准确性。
• DTM 的设计目标是允许没有经验的用户快速地建立复杂的跌落试验模拟， 求解该模型并观察结果。
• DTM在本质上讲是一个高效的图形用户界面，它通过必要的步骤来指导你 进行跌落试验模拟。 ANSYS 的用户界面设计语言 (UIDL) 和工具命令语言 及工具箱 (Tcl/Tk) 在该GUI程序中都得到了运用。
• 对于 Pick Nodes，图形用户界面将会提示你 定义屏幕坐标系的+Y方向的矢量，先定义矢 量的尾部，然后定义其首部（该方向与自由 落体的方向相反）。 缺省条件下，向量的首 部指向物体的重心（CG）。
• 期望的跌落方向确定了模型中最低点的位置 。
屏幕坐标系
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
些简洁的工具，也可以用标准的POST1 和 POST26方法。 • 最低的节点和最接近CG的节点的数据被保存在.HIS文件中。
跌落试验模块 (DTM)
F. 跌落试验模块 (DTM) 习题
• 这个练习包括以下问题: • 习题5-1. 跌落试验分析
第5-2章
总结
结论
本章目标
• 这一章复习一下本次课程中的基本概念
第 1步:导入或创建模型 : • 你必须首先创建或导入要进行跌落试验的物体的模型。该模型可以从CAD中导
入或者用在本课程中先前描述的方法创建（比如要避免四面体，小单元，尖角 等问题）
• 在进入ANSYS主菜单的跌落试验部分之前必须完整定义物体。 所有的单元和 材料属性，包括阻尼，都需要被指定。而且，在进入DTM之前，一定要保存模 型。
• 主题
– 隐式—显式比较 – 建模指导 – 材料指导 – 加载指导 – 接触指导 – 常规指导 – 统一的单位制
结论
A.隐式—显式比较
隐式程序的计算工作
模型尺寸 非线性程度 时间步的数目
显式程序的计算工作
模型尺寸 关键的时间步
单元边长 波速:
杨氏模量 密度 终止时间
使用质量缩放 使用更快的速度载荷
在金属成形的模拟中，冲头的速度可以提高 很多而不降低精度。
检查结果以确定动能，内能和沙漏变形能
如果可应用，在静态求解应使用动态松弛或 者大阻尼
结论
B. 建模指导
• 尽可能地避免小单元，那会显著减小时间步长。如果需要小的单元，可以 使用质量缩放来增加临界时间步。
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
第3步: 完成 Basic 标签的信息: • 现在填写Basic 标签要求的数据：
– 选择预定义的重力值（或输入要求的值） – 输入跌落高度和用来度量此高度的参考点（即物体的最低点或模型的重心） – 确定要做跌落试验的物体方向（动态旋转或通过两节点的向量） – 指定分析开始时刻和碰撞后运行时间 – 指定写入结果文件的输出频率
• 对于 Rotate, 将会出现 Pan-Zoom-Rotate GUI box. 这是唯一的激活菜单， 运用Dynamic Viewing或其他按钮定位模型后，你必须在运行DTM之前关闭 Pan-Zoom-Rotate对话框。注意+Y 的屏幕坐标将是自由落体的反方向。我们 不会用到物体坐标。
物体坐标系
• 模型中应该只包括与 LS-DYNA (ELEM160-167)协调的单元。这些单元在 ANSYS/LS-DYNA User’s Guide中都有讨论。而且一些隐式的ANSYS命令（ 比如SF,F,IC等）都不能包括在数据库中。一个从已存在的数据库中删除这些命 令的方法是编辑ASCII 码格式的.CDB 文件。 (CDWRITE/CDREAD).
跌落试验模块 (DTM)
E. 典型的DTM过程
• 在一个典型的DTM问题中包含以下步骤：
– 导入或创建模型 – 进入DTM并初始化模型 – 完成Basic标签的信息 – 完成 Velocity标签的信息 – 完成 Target标签的信息 – 检查Status标签并运行Solution – 对计算结果进行后处理
跌落试验模块 (DTM)
D. ANSYS/LS-DYNA 跌落试验模块
• ANSYS/LS-DYNA 跌落试验模块 (DTM) 是一个ANSYS/LS-DYNA的可选附 加功能。它能够大大简化与进行跌落试验模拟相关的工作。
– 方便地定位跌落物体 – 迅速地建立重力场 – 自动构造和约束刚性目标表面 – 直接输入物体跌落高度 – 方便地计算冲击速度
• 而且，只有带旋转自由度的 单元才可以用该特性。如果 该特性在模型中不存在，它 将变灰。
• 指定一个角速度会显著增加 CPU时间…
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
第 5 步: 完成 Target标签的信息 : • 接下来，通过Target标签创建刚性目标面。你可以选择物体的最低点或物体的
结论
...隐式—显式比较
估计 ANSYS/LS-DYNA 计算时间:
with TCPU k Nelem t c lmin
= 总共占用的CPU 秒 = 系统因子 = 单元数 = 模拟时间 = 波速 = 最小的单元边长
取决于材料的性质，单元类型，接触类型等
e.g., 0.000033 CPU-秒/单元
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
第2步: 进入 DTM 并且初始化模型 : • 一旦模型被定义，则可以进入跌落试验模块:
ANSYS Main Menu > Drop Test > Set Up
• 在进入DTM之前要注意 保存你所做的模型，以 防止你进行另一个跌落
试验分析时丢失数据。
跌落试验模块 (DTM)
... ANSYS/LS-DYNA 跌落试验模块
• 作为一个附加的产品，DTM的运行需要一个单独的授权，但是环境变量 ANSYS60_PRODUCT仍然保持不变。例如，如果你拥有 ANSYS/Multiphysics/LS-DYNA，那么输入：
ansys60 –p ANE3FLDS –dtm –g
• 如果你需要利用DTM中的选项来改变设置的话，利用原始的数据，按前面所说 的方法进行即可。
• 在你选择了Solve选项 后，DTM将把头文件写 入到结果文件中，生成 名为.K的输入文件，并 把它提交给LS-DYNA 求解器。
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
第7步: 结果的后处理: • 在求解完成之后，DTM将激活跌落试验菜单中的后处理选项。你既可以运用那
• 此时，Drop Test 菜单将激 活Solve命令，如下图所示 。
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
• 在点击Solve选项之前，你最好能再次保存一下你的数据库。事实上，你可以 用ftp把你的数据传到另外一台机器上，并在它上面运行。你也可以在不影响你 的DTM的情况下，对数据进行微小的改动。例如，你可以增加终止时间，添加 质量缩放比例等。
• 参数 “-dtm”将通知程序去寻找一个DTM的许可授权，并在找到后启动该模 块。DTM 在ANSYS 6.0的 CD上，它将和ANSYS/LS-DYNA程序一起自动安 装，因此你所需要的只是能够使它运行的附加授权。
• 在此，只讨论典型的DTM操作程序，有关的详细细节，请参考ANSYS/LSDYNA User’s Guide第16章的内容，这可以通过在线帮助得到。
结论
...隐式—显式比较
使用隐式求解所需要的工 显式求解所需要的工作:
作:
调整模型以增加时间步长:
寻找求解的收敛标准
避免小单元
求解
使用刚性体
如果计算不收敛， 重做 第一步工作，直到收敛
ANSYSLS-DYNA显 式动力学培训手册
跌落试验模块 (DTM)
本章目标
• 本章涵盖了ANSYS/LS-DYNA Drop Test Module (DTM)的内容。讨 论了物体跌落试验，以及利用DTM去模拟它们的具体步骤。
• 主题:
– 物体跌落试验 – 虚拟跌落试验分析 – 跌落试验分析的运用 – ANSYS/LS-DYNA 跌落试验模块 – 典型的DTM处理过程 – 跌落试验模块（DTM）习题
其中termination time 是碰撞前后时间的总和。如果你选择了 “start analysis near impact time”，分析所需的CPU时间将比从跌落点开始进行大大减少。 • 确信该标签上显示了如下信息: “Successful Set-Up. Ready to drop.”
• 当你确信所有设置正确后， 点击OK按钮。
• 进行虚拟的跌落试验模拟有许多好处：
– 跌落试验可以在产品设计的早期阶段进行，这样就可以消除因为开发不适当产 品或在设计的最后阶段修改较差设计而发生的费用。
– 在虚拟世界中，跌落试验的不同初始方位和跌落高度都可以很方便的确定。而 在在现实世界中，这往往会受到经济上的限制。
– 分析完早期设计，在进行新的设计之前，可以评估建议的设计修改方案。这样 节省了制造那些注定失败的原型的时间验分析的运用
• 许多类型的产品都需要进行跌落试验。在充满竞争的市场中，易碎的设计是 不可能获得成功的。根据当前的法律规定，即使产品在实际使用中发生了意 外跌落，也应该在设计中保证其至多是无害的失效。
• 需要进行跌落测试检验的产品包括： – 工具：锤子、钳子、螺丝刀、锯、钻等。 – 电子产品：电话、便携电脑、电视、CD播放机等。 – 家用电器：冰箱、洗衣机、干衣机、微波炉等。 – 工业容器：有毒的化学品储罐等。 – 消费品储存容器：牛奶包装盒、罐头产品、清洁剂等。
• DTM 被设计为在一个连续的操作过程中使用。如果你中途离开DTM又重新 进入，一些变量将被重新初始化，你过去的设置将被删除。因此，当进入 DTM时，应该总是以原始数据库为出发点。这不是一个很大的限制，因为 DTM的用法很简单，你可以迅速地重新输入先前的跌落试验设置。
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
第4步: 完成Velocity标签的信息: • 初始的平移速度可以在屏幕或物体坐标系中确定。如果在跌落开始时进行分析
，指定的速度就被直接调用。如果分析在接近碰撞时开始，DTM将把这些速度 分量加入到那些由跌落高度和加速度求得的分量中。
• 初始的角速度可以在任何一种坐标系中指定，但是要激活它，分析必须在跌落 时开始。
重心来作为其中心。你也可以缩放SOLID164 刚体的长度和厚度（很少要求这 样）。
• 你也可以指定在接触计算中目标表面的角度和材料的属性。而且你可以选择 ASSC 或 AG 接触，指定静态或动态的摩擦系数。
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
第 6 步: 检查Status标签并运行 Solution : • 现在点击Status 标签，回顾一下信息总结，以确信你的所有输入数据都正确。
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• 记住要用统一单位！混合单 位是DTM中最常见的一种错 误。
• 要利用初始的角速度，你必 须选择 “Start analysis at drop time” = slower run time…
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
• 对于 “Set Orientation,”你有两种选择 : “Rotate” 或 “Pick Nodes”
跌落试验模块 (DTM)
A. 物理跌落试验
• 物体跌落试验的研究内容是：在重力场中（1g）物体从高处跌落时，它所 能承受冲击的能力。
– 物体的初始位置可能会影响试验结果。 – 跌落的目标表面通常认为是刚性的平面。
• 在承受这种假定的载荷后，产品必须要符合设计要求的功能。这种跌落产生 的原因可能是物体的标准使用所致，也可能是意外事件（比如说是对物体的 错误操作）。
• 如果可能的话，不要使用三角形、四面体、棱柱形单元 。尽管也支持这些 单元，但是不推荐使用。用立方体单元可以得到更好的结果。
• 通常在产品最终设计的原型上进行物体跌落试验，因为产品以及进行跌落试 验所需的测试设备的成本是相当高的。
跌落试验模块 (DTM)
B. 虚拟跌落试验分析
• FEA 软件可以用来进行虚拟的跌落试验分析，这样既省时又省钱。此类计算 机模拟仍然必须与实际的物体跌落试验相结合，从而验证材料属性、许用应 力、载荷工况、边界条件等的准确性。
• DTM 的设计目标是允许没有经验的用户快速地建立复杂的跌落试验模拟， 求解该模型并观察结果。
• DTM在本质上讲是一个高效的图形用户界面，它通过必要的步骤来指导你 进行跌落试验模拟。 ANSYS 的用户界面设计语言 (UIDL) 和工具命令语言 及工具箱 (Tcl/Tk) 在该GUI程序中都得到了运用。
• 对于 Pick Nodes，图形用户界面将会提示你 定义屏幕坐标系的+Y方向的矢量，先定义矢 量的尾部，然后定义其首部（该方向与自由 落体的方向相反）。 缺省条件下，向量的首 部指向物体的重心（CG）。
• 期望的跌落方向确定了模型中最低点的位置 。
屏幕坐标系
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
些简洁的工具，也可以用标准的POST1 和 POST26方法。 • 最低的节点和最接近CG的节点的数据被保存在.HIS文件中。
跌落试验模块 (DTM)
F. 跌落试验模块 (DTM) 习题
• 这个练习包括以下问题: • 习题5-1. 跌落试验分析
第5-2章
总结
结论
本章目标
• 这一章复习一下本次课程中的基本概念
第 1步:导入或创建模型 : • 你必须首先创建或导入要进行跌落试验的物体的模型。该模型可以从CAD中导
入或者用在本课程中先前描述的方法创建（比如要避免四面体，小单元，尖角 等问题）
• 在进入ANSYS主菜单的跌落试验部分之前必须完整定义物体。 所有的单元和 材料属性，包括阻尼，都需要被指定。而且，在进入DTM之前，一定要保存模 型。
• 主题
– 隐式—显式比较 – 建模指导 – 材料指导 – 加载指导 – 接触指导 – 常规指导 – 统一的单位制
结论
A.隐式—显式比较
隐式程序的计算工作
模型尺寸 非线性程度 时间步的数目
显式程序的计算工作
模型尺寸 关键的时间步
单元边长 波速:
杨氏模量 密度 终止时间
使用质量缩放 使用更快的速度载荷
在金属成形的模拟中，冲头的速度可以提高 很多而不降低精度。
检查结果以确定动能，内能和沙漏变形能
如果可应用，在静态求解应使用动态松弛或 者大阻尼
结论
B. 建模指导
• 尽可能地避免小单元，那会显著减小时间步长。如果需要小的单元，可以 使用质量缩放来增加临界时间步。
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
第3步: 完成 Basic 标签的信息: • 现在填写Basic 标签要求的数据：
– 选择预定义的重力值（或输入要求的值） – 输入跌落高度和用来度量此高度的参考点（即物体的最低点或模型的重心） – 确定要做跌落试验的物体方向（动态旋转或通过两节点的向量） – 指定分析开始时刻和碰撞后运行时间 – 指定写入结果文件的输出频率
• 对于 Rotate, 将会出现 Pan-Zoom-Rotate GUI box. 这是唯一的激活菜单， 运用Dynamic Viewing或其他按钮定位模型后，你必须在运行DTM之前关闭 Pan-Zoom-Rotate对话框。注意+Y 的屏幕坐标将是自由落体的反方向。我们 不会用到物体坐标。
物体坐标系
• 模型中应该只包括与 LS-DYNA (ELEM160-167)协调的单元。这些单元在 ANSYS/LS-DYNA User’s Guide中都有讨论。而且一些隐式的ANSYS命令（ 比如SF,F,IC等）都不能包括在数据库中。一个从已存在的数据库中删除这些命 令的方法是编辑ASCII 码格式的.CDB 文件。 (CDWRITE/CDREAD).
跌落试验模块 (DTM)
E. 典型的DTM过程
• 在一个典型的DTM问题中包含以下步骤：
– 导入或创建模型 – 进入DTM并初始化模型 – 完成Basic标签的信息 – 完成 Velocity标签的信息 – 完成 Target标签的信息 – 检查Status标签并运行Solution – 对计算结果进行后处理
跌落试验模块 (DTM)
D. ANSYS/LS-DYNA 跌落试验模块
• ANSYS/LS-DYNA 跌落试验模块 (DTM) 是一个ANSYS/LS-DYNA的可选附 加功能。它能够大大简化与进行跌落试验模拟相关的工作。
– 方便地定位跌落物体 – 迅速地建立重力场 – 自动构造和约束刚性目标表面 – 直接输入物体跌落高度 – 方便地计算冲击速度
• 而且，只有带旋转自由度的 单元才可以用该特性。如果 该特性在模型中不存在，它 将变灰。
• 指定一个角速度会显著增加 CPU时间…
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
第 5 步: 完成 Target标签的信息 : • 接下来，通过Target标签创建刚性目标面。你可以选择物体的最低点或物体的
结论
...隐式—显式比较
估计 ANSYS/LS-DYNA 计算时间:
with TCPU k Nelem t c lmin
= 总共占用的CPU 秒 = 系统因子 = 单元数 = 模拟时间 = 波速 = 最小的单元边长
取决于材料的性质，单元类型，接触类型等
e.g., 0.000033 CPU-秒/单元
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
第2步: 进入 DTM 并且初始化模型 : • 一旦模型被定义，则可以进入跌落试验模块:
ANSYS Main Menu > Drop Test > Set Up
• 在进入DTM之前要注意 保存你所做的模型，以 防止你进行另一个跌落
试验分析时丢失数据。
跌落试验模块 (DTM)
... ANSYS/LS-DYNA 跌落试验模块
• 作为一个附加的产品，DTM的运行需要一个单独的授权，但是环境变量 ANSYS60_PRODUCT仍然保持不变。例如，如果你拥有 ANSYS/Multiphysics/LS-DYNA，那么输入：
ansys60 –p ANE3FLDS –dtm –g
• 如果你需要利用DTM中的选项来改变设置的话，利用原始的数据，按前面所说 的方法进行即可。
• 在你选择了Solve选项 后，DTM将把头文件写 入到结果文件中，生成 名为.K的输入文件，并 把它提交给LS-DYNA 求解器。
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
第7步: 结果的后处理: • 在求解完成之后，DTM将激活跌落试验菜单中的后处理选项。你既可以运用那
• 此时，Drop Test 菜单将激 活Solve命令，如下图所示 。
跌落试验模块 (DTM)
... 典型的DTM过程
• 在点击Solve选项之前，你最好能再次保存一下你的数据库。事实上，你可以 用ftp把你的数据传到另外一台机器上，并在它上面运行。你也可以在不影响你 的DTM的情况下，对数据进行微小的改动。例如，你可以增加终止时间，添加 质量缩放比例等。
• 参数 “-dtm”将通知程序去寻找一个DTM的许可授权，并在找到后启动该模 块。DTM 在ANSYS 6.0的 CD上，它将和ANSYS/LS-DYNA程序一起自动安 装，因此你所需要的只是能够使它运行的附加授权。
• 在此，只讨论典型的DTM操作程序，有关的详细细节，请参考ANSYS/LSDYNA User’s Guide第16章的内容，这可以通过在线帮助得到。