Introduction

一些有限元仿真模型实例。

前处理一般使用hypermesh；Ls-Dyna部分使用Ls-Prepost。

分析类型

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静力学分析 - 线性、非线性
动力学分析
模态分析 - 线性
	正则模态分析
	谐响应分析
	模态瞬态分析
线性屈曲分析
热传导分析
热力耦合分析
多体动力学分析
	刚体动力学分析
	刚柔耦合分析
显示动力学分析
	成型分析
	切削分析
优化分析

一般应用

• ABAQUS Standard - 非线性静力分析
  1. mod_close_static.inp - 车门过开静力非线性分析
• Nastran - 线性分析静力分析
  1. hub_static.bdf - 轮毂静力、扭转刚度分析
  2. inertia_relief.bdf - 惯性释放法强度分析
  3. xxx.bdf - 模态分析
  4. xxx.bdf - 频率响应分析
• LS-Dyna - 显示动力非线性分析
  1. impilcit_structure_stiffness.k - 隐式求解
  2. sph_water.k - sph粒子法流固耦合
  3. ALE
• Optistruct - 结构优化；模态、频响分析（Nastran）
• Adams - 多体动力分析 - 刚体、柔性体

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Contents

• ABAQUS
• Nastran
• LS-Dyna
• Optistruct
• Adams

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Application

Abaqus

Standard:

• 能够广泛领域的线性和非线性问题，包括静态分析、动态分析，以复杂的非线性耦合物理场分析等。

• 是一个通用模块，它采用隐式求解方法。在每个求解增量步中，隐式地求解方程组。

Explicit:

• 适用于求解非线性动力学问题和准静态问题，特别是用于模拟短暂、瞬时的动态事件，如冲击和爆炸问题。此外，它对处理接触条件变化的高度非线性问题也非常有效（例如模拟成形问题）。
• 可以进行显示动态分析。在时间域中以很小的时间增量步向前推出结果，而无需在每个增量步求解耦合的方程系统或者生成总体刚度矩阵。

单元类型：

• 壳单元：S3, S4(拉伸刚度完全积分；剪切刚度缩减积分), S4R(缩减积分) -- S ：小应变单元
• 体单元：C3D4, C3D6, C3D8
• 缩减积分单元可能存在沙漏，最好设置添加沙漏控制；完全积分单元可能存在剪切自锁（收敛变慢），abaqus内部修正消除了S4单元剪切自锁，无需设置。一般使用S4单元。
• 1D:
  • BEAM: B31
  • COUP_KIN - WASHER
  • KINCOUP - 连接MASS点
  • MASS
  • SPRING2 - 弹簧
  • RB2 - 一个主节点N从节点
  • RB3 - 一个从节点跟随一群主节点运动，根据权重。用于配重质量点

材料：

• 弹性材料
  • Density
    • Density - 1e-09
  • Elastic
    • Type - ISOTROPIC
      • E - 210000
      • NU - 0.3
• 弹塑性材料
  • Density
    • Density - 1e-09
  • Elastic
    • Type - ISOTROPIC
      • E - 210000
      • NU - 0.3
  • Plastic - Hardening
    • Type - ISOTROPIC
    • PLASTICDATA

属性：

• *MASS
• BEAM SECTION - beam属性通过hyperbeam建立
  • No auto prefix for names
  • SectionType - CIRC
  • Section Axis
• SHELL SECTION
  • No auto prefix for names
  • Thickness
• SOLID SECTION
  • No auto prefix for names

连接：

• 焊点：acm单元；diameter=6mm

• 粘胶：ADHESIVE单元

• 螺栓：RB2

接触：

• *SURFACE
• *CONTACT PAIR
• *SURFACE INTERACTION - 属性里

加载：

• SPC - *BOUNDARY - INITIAL_CONDITION
• LOAD - *CLOAD - HISTORY
• LOAD STEP - *STEP
  • 接触不勾选默认全部生效
  • Loadcol - 勾选非INITIAL加载
  • Outputblock - 输出
  • Procedure - Static
    • Dataline

输出：

• *OUTPUT
  • HISTORY
  • PRESELECT

后处理：

• odb文件
• S-Stress components(s) - Mises - Advanced 应力→S, Mises真实应力
• PEEQ-Equivalent plastic strain - Scalar value - Advanced 应变→等效塑性应变PEEQ（>0则表明屈服）
• 以下参考：
  • →LE真实应变
  • →EE弹性应变
  • →NE名义应变
  • 隐式分析无法准确模拟塑性变形过大破坏过程，需要用显示分析

Tips：

• abaqus不支持 "."，否则报错，命名时要避免
• 接触面必须连续

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Nastran

SOL 101 静力学分析

SOL 103 正则模态分析

SOL 105 屈曲分析（惯性释放）

SOL 111 模态频率响应分析

SOL 112 模态瞬态频率响应分析

SOL400/600 非线性分析

SOL 101
TIME   6000.0
…
执行控制Executive Control（求解类型、时间容许、系统诊断）
CEND

情况控制Case Control（输出要求、选择模型数据集项目）

BEGIN BULK
数据模型Bulk Data（结构模型定义，求解条件参数）

ENDDATA

单元类型：

• 壳单元：

  • CQUAD4, Quadrilateral Plate Element Connection
  • CTRIA3, Four-Sided Solid Element Connection

• 体单元：

  • CTETRA, Four-Sided Solid Element Connection
  • CHEXA, Six-Sided Solid Element Connection

• 1D:

  • CBAR - 简化BEAM，不具有变截面
  • CBEAM - BEAM
  • CGAP - Gap Element Connection， 间隙单元, 需要属性PGAP定义刚度KA -1000
  • CBUSH - Generalized Spring-and-Damper Connection, 线性非线性弹簧或阻尼, 需要定义属性PBUSH, K1-K3
    • PBUSH - Generalized Spring-and-Damper Property
  • RBE2 - WASHER, 允许RBE2间互相连接
  • CONM2 - Concentrated Mass Element Connection, Rigid Body Form - MASS点

材料：

• 弹性材料 - MAT1

属性：

• PSHELL
• PSOLID
• PBAR - Simple Beam Property
• PBARL - Simple Beam Cross-Section Property 简单beam用PBARL
• PBEAM - Beam Property
• PBEAML - Beam Cross-Section Property

连接：

• 焊点：acm单元；diameter=6mm

• 粘胶：ADHESIVE单元

• 螺栓：RB2单元

惯性释放：

惯性释放就是用结构的惯性力来平衡外力。尽管结构没有约束，分析时仍假设其处于一种“静态”的平衡状态。(不只适用于外力平衡情况，还能够计算具有惯性（外力不平衡）的结构的应力分布。)

有载荷无约束结构，要按一般的线性静力求解方法必须人为虚构约束，消除结构刚体位移。虚构约束的最佳位置是实际受力时结构中没有变形的区域。

• Parameters
  • INREL - "-2" - 软件自动定义

加载：

• LOAD - 静荷载组合(叠加)

  • GRAV - Acceleration or Gravity Load
  • FORCE - Static Force
  • *RFORCE - Rotational Force, METHOD=2
  • FORCE1 - 跟随力，类似火箭尾推，方向随网格变形变动
  • MOMENT - Static Moment

• SUBCASE - Load Steps 工况分隔 - Case Control Commands

  • OUTPUT
  • DISPLACEMENT
  • STRESS
  • ANALYSIS - Analysis type - Linear Static;Normal Modes

控制：

• Executive Control
  • SOL 101 - 求解类型
  • TIME 6000.0 - 最大运行时间
• Parameters - 静力分析
  • POST - "-1" - 输出设置
• Parameters - 惯性释放
  • AUTOSPC - Yes
  • INREL - "-2" - 惯性释放分析自动约束，消除刚体位移
  • K6ROT - 100 - 刚度惩罚系数
  • POST - "-1" - 输出设置

后处理：

• op2文件
• Stress - Advanced
• Displacement

疲劳分析 - 应变-寿命法(E-N)：

E-N曲线：强度系数[Sf]、强度指数[b]、延性指数[c]、延性系数[Ef]、循环应变硬化Exp [n]、循环强度系数[K’]和反向截止[Nc]

疲劳结果：寿命、损伤、E-N法最大/最小应变、安全系数等

疲劳分析 - 应力-寿命法(S-N)：

保守方法：最大应力不超过屈服强度的50%。

精确方法：S-N曲线

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LS-Dyna

Explicit:

LS-Dyna以Lagrange算法为主，兼有ALE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；是通用的结构分析非线性有限元程序。

Implicit:

通过如下关键字激活：

*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL 显、隐式分析切换

*CONTROL_IMPLICIT_AUTO 自动调整隐式分析时间步

*CONTROL_IMPLICIT_SOLUTION 隐式求解控制卡片

SPH:

SPH粒子法模拟流体，计算代价很大

关键字：

*CONTROL_SPH

*EOS_MURNAGHAN water

*EOS_GRUNEISEN bird

*MAT_NULL

*SECTION_SPH

*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE

MPP:

Linux：Open MPI, Platform MPI(PBS)

Windows：Microsoft MPI

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Optistruct

Structure:

Topology:

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Adams

载荷提取：

多刚体：

柔性体：

注：

1. Nastran主程序必须以管理员权限运行。
2. 疲劳分析 ncode - Nastran；fe-safe - Abaqus。

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Theory

隐式求解 - 求解刚度矩阵

显示求解 - 中心差分算法

金属材料

材料的失效

形式：磨损、腐蚀、断裂三种

类型：韧性断裂（明显宏观塑性变形）、脆性断裂

疲劳：高周疲劳σ＜σs，Nf>10^5；低周疲劳（有塑性变形）σ≥σs，Nf=10^2~10^5

材料失效准则

第一强度理论 - 最大主应力理论 - 最大应力

第二强度理论 - 最大伸长线应变理论 - 延伸率

第三强度理论 - 最大切应力理论 - Tresca强度τmax

第四强度理论 - 形状改变比能理论 - von mises强度

频率和模态

为什么要计算固有频率和模态

1. 评估结构的动力学特性。如安装在结构上的旋转设备，为避免其过大的振动，必须看转动部件的频率是否接近结构的任何一阶固有频率。
2. 评估载荷的可能放大因子。
3. 使用固有频率和正交模态，可以指导后续动态分析（如瞬态分析、响应谱分析、瞬态分析中时间步长Δt的选取等)
4. 使用固有频率和正交模态，在结构瞬态分析时，可以用模态扩张法
5. 指导实验分析，如加速度传感器的布置位置。
6. 评估设计

频率响应分析

1. 计算震荡激励的响应
2. 激励在频域中显式定义，在每频率点作用力已知
3. 计算的响应通常包括节点位移、单元力和应力
4. 计算的响应为复数、由大小、相位定义
5. 频率响应分析分为直接法、模态法。