快速入门LS-DYNA:基本概念

本科毕业论文要用 LS-DYNA 进行有限元仿真,有一些基本概念发现很多资料、书籍都没说清楚,结合自己的理解浅谈一下。

LS-PrePost和LS-DYNA

有限元分析的基本工作流程总体分为三步:前处理、数值计算、后处理。

LS-DYNA 这个程序就是做第二步的数值计算工作,它读取 .k 文件,并生成一系列计算结果文件。所以要完成一次有限元分析,实际上学的并不是 LS-DYNA 这个程序如何使用,更多的还是在学如何进行前处理和后处理。关于 LS-DYNA,其实学的是其进行有限元分析的理论,而不是程序使用的方法。

我得强调这一点,因为我刚开始查资料的时候,搜索关键词都是 “LS-DYNA 如何如何…”。但实际上我的疑问都是关于前处理方面的,以 LS-DYNA 为关键词导致我什么资料都没搜出来。

在数值计算之前,需要建立有限元模型,这属于第一步的前处理的工作。

进行前处理工作的软件有很多,比如 Ansys、LS-PrePost 等。其中 LS-PrePost 是最合适的,因为它是专门为 LS-DYNA 设计的前处理软件(LS-PrePost 也有后处理功能,所以它叫“Pre + Post”)。

虽然 LS-DYNA 是收费的商用有限元软件,但是 LS-PrePost 却是免费的,最好使用最新版。

有限元分析的前处理

在有限元分析中,前处理的工作量可能是最大的。我本科毕业论文研究的是碰撞问题,那么这种碰撞问题的前处理工作通常包括:绘制几何模型、建立有限元模型、选择材料参数、设置接触条件和计算终止条件等。

LS-PrePost 有几何模型的绘制功能,但是我觉得不太好用,我更习惯用 AutoCAD 和 Solidworks 绘制几何模型。LS-PrePost 支持导入 .IGES、.ST(E)P、.STL 格式的几何模型文件,所以在绘制几何模型上可以选用别的软件进行,再通过这些文件将几何模型导入到 LS-PrePost 继续前处理的工作。

LS-PrePost 导入几何模型之后,就可以进行其他的工作,比如简化模型、网格划分等等。

对于网格划分,也可以使用更强大的 HyperMesh,这需要多花一点时间去学习。我做毕业论文的时候只剩下两个月不到了,就没时间学这玩意。

理解.k文件和LS-DYNA的基本关键词

前处理工作的最终结果是得到一个(或若干个) .k(.key) 文件,k 指的是 keyword,因为 LS-DYNA 的有限元模型是由一个个关键词描述的。.k 文件是纯文本文件,可以用文本编辑器查看、修改。

.k 文件里是不包含几何模型的,所以如果觉得网格划分不满意,那么只能重新导入原来的几何模型文件(比如 .IGES 文件),重新进行网格划分工作。

要理解 LS-DYNA 中关于 *Part*Element_{option}Section_{option} 等关键词的区别和联系,需要先了解 .k 文件是如何描述有限元模型的:.k文件的本质就是个关系型数据库

*Part 关键词

描述一个实体,该实体有相同的材料(由 *MAT_{} 系列关键词设置)、相同的单元类型(Shell、Solid等)和单元属性(由 *Section_{} 系列关键词设置),组成该实体的各个单元使用 *Element_{} 系列关键词描述。

*Part 就是个关系表,将多个 Element 组装成一个 Part,同时赋予材料属性(MAT)、单元类型和单元属性(Section)

*Node 关键词

描述空间直角坐标系(LS-DYNA 只有三维直角坐标系)中的各个节点。

*Element_{Option} 关键词

一个 Elment 描述一个单元的类型和组成该单元的各个节点。Part 和 Element 属于一对多关系,一个 Part 可以由多个 Element 来描述,组合成形状复杂的实体。

对于 Element_Shell,每个单元需要 4 个节点来描述(四个节点中可能有两个点是相同的,表明这是一个三角形单元)。对于 Element_Solid,每个单元需要 8 个节点描述。

*Section_{Option} 关键词

一个Section用于对某种单元类型设置相应的属性,比如 Shell 类型单元可以设置厚度属性。同一种单元类型可以创建多个Section,也就是说可以创建多个 Section_Shell 然后分别设置不同的厚度。

*Segment 关键词

一个单元某个方向上的面。对于 Solid 类型单元,可能是六面体,因此该单元有 6 个 Segment。若干单元在某个方向上的Segment 可以组成一个集合,用 *SET_Segment 关键词描述。

总结

突然发现本文的标题具有误导性,这篇文章并不能带你入门,但是它的内容又刚好是入门者需要的。
我学习 LS-DYNA 的资料主要是《LS-DYNA3D理论基础与实例分析》、《LS-DYNA动力学分析指南》和 dynasupport.com 网站的资料。这两本书对这些常见关键词的描述真的太模糊了,光靠直觉根本理解不了。后来我才发现其实 .k 文件的本质就是个关系型数据库,用关系表、实体表的角度去看这些关键词,豁然开朗,就很清晰通透。于是我写了这篇博文,或许刚好就能帮到你。

作者

uint128.com

发布于

2022-05-20

更新于

2022-05-20

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