LS-DYNA 使用指南中文版本 第 2 章 单元(2012-04-05 11:25:53) 转载▼标签： 杂谈第二章 单元 在显式动态分析中可以使用下列单元：·LINK160杆·BEAM161梁·PLANE162平面·SHELL163壳·SOLID164实体·COMBI165弹簧阻尼·MASS166质量·LINK167仅拉伸杆本章将概括介绍各种单元特性,并列出各种单元能够使用的材料类型除了 PLANE162之外,以上讲述的显式动态单元都是三维的,缺省时为缩减积分(注意：对于质量单元或杆单元缩减积分不是缺省值)缩减积分意味着单元计算过程中积分点数比精确积分所要求的积分点数少因此,实体单元和壳体单元的缺省算法采用单点积分当然,这两种单元也可以采用全积分算法详细信息参见第九章沙漏,也可参见《LS-DYNA Theoretical Manual》这些单元采用线性位移函数；不能使用二次位移函数的高阶单元因此，显式动态单元中不能使用附加形状函数，中节点或 P-单元线位移函数和单积分点的显式动态单元能很好地用于大变形和材料失效等非线性问题值得注意的是，显单元不直接和材料性能相联系例如，SOLID164 单元可支持 20多种材料模型，其中包括弹性，塑性，橡胶，泡沫模型等。
如果没有特别指出的话（参见第六章，接触表面），所有单元所需的最少材料参数为密度，泊松比，弹性模量参看第七章材料模型，可以得到显式动态分析中所用材料特性的详细资料也可参看《ANSYS Element Reference》,它对每种单元作了详细的描述，包括单元的输入输出特性2.1 实体单元和壳单元2.1.1 SOLID164SOLID164单元是一种 8节点实体单元缺省时，它应用缩减（单点）积分和粘性沙漏控制以得到较快的单元算法单点积分的优点是省时，并且适用于大变形的情况下当然，也可以用多点积分实体单元算法（KEYOPT（1）=2）；关于 SOLID164的详细描述，请参见《ANSYS Element Reference》和《LS-DYNA Theoretical Manual》中的§3.3 节如果担心沙漏现象，比如泡沫材料，可采用多点积分算法，因为它无需沙漏控制；计算结果要好一些但要多花大约 4倍的 CPU时间楔形、锥型和四面体单元是六面体单元的退化产物（例如，一些节点是重复的）这些形状在弯曲时经常很僵硬，有些情况下还有可能产生问题因此，应尽量避免使用这些退化形状的单元对于实体单元可采用下列材料模型：·各向同性弹性·正交各向异性弹性·各向异性弹性·双线性随动强化·塑性随动强化·粘弹性·Blatz-ko橡胶·双线性各向同性·幂律塑性·应变率相关塑性·复合材料破坏·混凝土破坏·地表材料·分段线性塑性·Honeycomb蜂窝材料·Mooney-Rivlin橡胶·Barlat各向异性塑性·弹塑性流体动力·闭合多孔泡沫·低密度泡沫·粘性泡沫·可压缩泡沫·应变率相关幂律塑性·Johnson-Cook塑性·空材料·Zerilli-Armstrong·Bamman·Steinberg·弹性流体2.1.2 SHELL163SHELL163单元有 12中不同的算法。
用 KEYOPT（1）来定义所选的算法和实体单元一样，积分点的个数直接影响着 CPU时间因此，对于一般的分析而言，建议使用缺省积分点个数以下将概述 SHELL163单元的不同算法：2.1.3 通用壳单元算法·Belytschko-Tsay(KEYOPT(1)=0或 2)—缺省—速度快，建议在多数分析中使用—使用单点积分—单元过度翘曲时不要使用·Belytschko-Wong-Chiang(KEYOPT(1)=10)—比 Belytschko-Tsay慢 25%—使用单点积分—对翘曲情况一把可得到正确结果·Belytschko-Leviathan(KEYOPT(1)=8)—比 Belytschko-Tsay慢 40%—使用单点积分—自动含有物理上的沙漏控制·Hughes-Liu(KEYOPT(1)=1,6,7,11)有 4种不同的算法，它可以将节点偏离单元的中面KEYOPT(1)=1一般型 Hughes-Liu，使用单点积分，比 Belytschko-Tsay慢 250%KEYOPT(1)=11快速 Hughes-Liu，使用单点积分，比 Belytschko-Tsay慢 150%KEYOPT(1)=6S/R Hughes-Liu，有 4个积分点，没有沙漏，比 Belytschko-Tsay慢20倍。
KEYOPT(1)=7 S/R快速 Hughes-Liu，有 4个积分点，没有沙漏，比 Belytschko-Tsay慢 8.8倍如果分析中沙漏带来麻烦的话，建议使用此算法KEYOPT(1)=12全积分 Belytschko-Tsay壳在平面内有四个积分点，无需沙漏控制通过假设的横向剪切应变可以矫正剪切锁定但是它比单点 Belytschko-Tsay慢 2.5倍，如果分析中担心沙漏的话，建议使用此方法2.1.4 薄膜单元算法·Belytschko-Tsay薄膜（KEYOPT(1)=5）—速度快，建议在大多数薄膜分析中使用—缩减（单点）积分—很好地用于关心起皱的纺织品（例如，大的平面压缩应力破坏较薄的纤维单元）·全积分 Belytschko-Tsay薄膜（KEYOPT(1)=9）—明显的比通用薄膜单元慢（KEYOPT(1)=5）—面内有四个积分点—无沙漏2.1.5 三角型薄壳单元算法·C 0 三角型薄壳（KEYOPT(1)=4）单元—基于 Mindlin-Reissner平板理论—该构型相当僵硬，因此不建议用它来整体划分网格—使用单点积分·BCIZ三角型薄壳（KEYOPT(1)=3）单元—基于 Kirchhoff平板理论—比 C 0 三角型薄壳单元慢—使用单点积分ANSYS/LS-DYNA用户手册中有关 SHELL163的描述对可用的壳单元算法作了完整的介绍。
退化的四边形单元在横向剪切时易发生锁死因此，应使用 C 0 三角型薄壳单元（基于 Belytschko和其合作者的工作），如果在同一种材料中把单元分类标记（ EDSHELL 命令的 ITRST域）设置为 1（缺省值），就可混合使用四边形和三角形单元对于壳单元可使用以下材料模型：·各向异性弹性·正交各向异性弹性·双线性随动强化·塑性随动强化·Blatz-Ko橡胶·双线性各向同性·幂律塑性·应变率相关塑性·复合材料破坏·分段线性塑性·Mooney-Rivlin橡胶·Barlat各向异性塑性·3参数 Barlat塑性·横向各向异性弹塑性·应变率相关幂律塑性·横向各向异性 FLD·Johnson-Cook塑性·Bamman注意 --当 SHELL163单元使用 Mooney-Rivlin橡胶材料模型时，LS-DYNA 编码将自动使用 Belytschko-Tsay算法的完全拉格朗日修正法来代替 KEYOPT（1）指定的算法程序选择的算法要求满足超弹材料的特殊需要图 2-1积分点所有的壳单元算法沿厚度方向都可以有任意多个积分点典型地，对于弹性材料沿厚度方向需要 2个积分点，而对于塑性材料则需要 3个或更多的积分点。
沿厚度方向的积分点个数由第二实常数来控制：R ,NEST,,R2,这里 R2为积分点的个数（NIP）壳单元使用三维平面应力本构子程序修正应力张量，使垂直于壳单元中面的正应力分量为零积分点位于壳单元的质心垂线上，见图 2-1开始时每个节点的厚度方向与单元表面都是正交的但它们随节点旋转计算弯矩和平面力需要厚度方向的积分点其应变呈线性分布，而应力分布要复杂得多，它和材料性质有关对于线弹性材料两个积分点就足够了，而非线性材料则需要更多的积分点，输出的应力属于最外层的积分点，而不是表面上的（尽管后处理的术语是指顶面和底面），因此在分析结果时需要注意，对于弹性材料，应力可以外推到表面上对于非线性材料来说，通常是选择沿厚度方向的四五个节点而忽略其不精确性（例如，忽略表面和外部积分点之间的应力差）高斯积分法最外层积分点的位置由下表给出：中面 0最外积分点两点三点四点五点0.57740.77460.86110.9062外表面 1.000注意 --在使用线弹性材料时，能够预先准确定义这些积分准则，但是通常在ANSYA/LS-DYNA中无法做到，由于模拟大多涉及非线性行为另外，对于全积分单元来说，其输出应力是同一层内 2×2积分点的应力平均值。
2.1.6 PLANE162PLANE162单元是一个二维，4 节点的实体单元,它既可以用作平面（X-Y 平面）单元，也可以用作轴对称单元（Y 轴对称）KEYOPT（3）用来指定单元的平面应力、轴对称和平面应变选项对于轴对称单元可以利用 KEYOPT（2）指定面积或体积加权选项PLANE162典型情况下为四节点单元当然也可以用三节点三角形选项，但是由于它太僵硬，所以不推荐使用它这个单元没有实常数重要的是要注意到含有 PLANE162单元的模型必须仅包含这种单元ANSYS/LS-DYNA 中不允许有二维和三维单元混合使用的有限元模型这种单元可用的材料模型与 KEYOPT（3）的设置有关对 KEYOPT（3）=0，1，2（平面应力、平面应变或轴对称），用户可以选择下列材料模型：·各向同性弹性·正交各向异性弹性·Blatz-ko橡胶·Mooney-Rivlin橡胶·粘弹性·双线性各向同性·双线性随动强化·塑性随动强化·幂率塑性·应变率相关幂率塑性·应变率相关塑性·分段线性塑性·复合材料破坏·Johnson-Cook塑性·Bamman对平面应力选项（KEYOPT（3）=0），可以选择下列材料：·3参数 Barlat塑性·Barlat各向异性塑性·横向正交各向异性弹塑性·横向正交异性 FLD对轴对称和平面应变选项（KEYOPT（3）=1 或 2），可以选用下列材料：·正交各向异性弹性·弹塑性流体动力·闭合多孔泡沫·低密度泡沫·可压缩泡沫·Honeycomb蜂窝材料·空材料·Zerilli-Armstrong·Steinberg·弹性流体2.2 梁单元和杆单元2.2.1 BEAM161BEAM161有两种基本算法：Hughes-Liu 和 Belytschko-Schwer。
因为 BEAM161不产生任何应变，所以它最适合于刚体旋转必须用三个节点来定义单元；在每个端点处有一节点，同时需要有一定向节点对于这两种算法来说，可用 KEYOPT（4）和 KEYOPT（5）来定义几种横截面通常，对于 2×2高斯积分点，BEAM161 具有高效和耐用性可用KEYOPT（2）来定义不同积分算法Hughes-Liu梁单元（缺省值）是一个传统积分单元，它可以采用梁单元中间跨度的一组积分点来模拟矩形和圆形横截面另外，用户也可以定义一个横截面积分规则来模拟任意的横截面梁单元沿其长度方向能有效地产生一个不变力矩，因此，与实体单元和壳体单元一样，网格必须合理划分以保证精度由于积分点的位置，只在单元中心才可检验屈服，因此，由于必须在夹持单元的中心处产生全塑性力矩而不是单元外边根部，悬臂梁模型将在一个稍高的力作用下产生屈服Belytschko-Schwer.梁单元（KEYOPT（1）=2，4，5）是一个显式算法，可以产生一个沿长度方向呈线性分布的力矩这种单元有“正确”的弹性应力并且在其末端可检验屈服例如：当一个悬臂梁在端部静态加载时，可用一个单元来精确地表达弹性和塑性状态如同 Hughes-Liu梁单元，质量堆积到节点上，因此，在动态问题中必须要细分网格，因为此时正确的质量分布是很重要的。
对于梁单元，可使用下列材料模型：（对于某些算法有些限制）·各向同性弹性·双线性随动强化·塑性随动强化·粘弹性·幂率塑性·分段线性塑性2.2.2 LINK160LINK160。