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ANSYS/Workbench LS-DYNA爆炸冲击非线性动力学数值仿真
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1. 本书主要以ANSYS/Workbench平台为基础,介绍了LS-DYNA模块在非线...
1. 本书主要以ANSYS/Workbench平台为基础,介绍了LS-DYNA模块在非线性动力学分析中的工程应用。2.涵盖Workbench LS-DYNA模块基本知识、几何建模、材料定义、Model通用前处理模块、LS-DYNA专用前处理模块、计算条件设置和后处理等内容。3. 以实例为导向,包括常见的非线性动力学,如冲击碰撞、爆炸、跌落、优化设计等仿真全过程讲解。4.书中包含从建模到计算结果分析的全部操作过程,以便读者能够结合应用实例,快速掌握LS-DYNA建模和求解流程。
数值仿真技术是解决冲击、爆炸等非线性问题的有力工具,本书主要以ANSYS/Workbench平台为基础,介绍了LS-DYNA模块在非线性动力学分析中的工程应用。全书共13章,系统介绍了Workbench LS-DYNA模块的基本知识、几何建模、材料定义、Model通用前处理模块、LS-DYNA专用前处理模块、计算条件设置和后处理等,并且通过实例详细介绍了常见的非线性动力学,如冲击碰撞、爆炸、跌落、优化设计等仿真过程。书中包含从建模到计算结果分析的全部操作过程,以便读者能够结合应用实例,快速掌握LS-DYNA建模和求解流程,加深对非线性动力学数值仿真的理解。本书可作为理工科院校本科高年级学生和研究生非线性动力学、有限元、兵器科学与技术等相关课程的参考书,也可为从事相关专业的工程技术人员和研究人员提供参考。
第1章Workbench平台及LS-DYNA软件介绍0011.1Workbench软件简介 0011.1.1Workbench启动方式 0021.1.2Workbench平台界面 0031.1.3Workbench仿真流程 0051.1.4ANSYS/Workbench的文件管理 0061.2Workbench平台中的非线性动力学模块 0081.2.1Explicit Dynamics软件 0091.2.2Autodyn软件 0101.2.3LS-DYNA软件 0111.3LS-DYNA软件基本知识 0121.3.1功能特点 0121.3.2关键字数据格式 0121.3.3文件系统 0161.3.4常用算法介绍 0161.3.5LS-PrePost介绍 0171.4Workbench LS-DYNA介绍 018第2章Engneering Data材料模块0202.1Engineering Data材料模块简介 0202.2创建及修改材料 0212.2.1创建材料 0212.2.2加载材料库材料 0222.2.3创建材料库 0232.2.4材料模型数据导入 0252.2.5材料参数拟合 0252.3LS-DYNA中典型材料参数 0262.4Material Designer材料设计模块 027第3章Geometry几何模块0303.1Design Modeler模块 0303.1.1子弹侵彻靶板建模 0323.1.2爆炸对钢筋混凝土作用的流固耦合建模 0343.2SpaceClaim建模平台 0373.2.1弹靶模型创建 0393.2.2SpaceClaim几何清理 0393.2.3SpaceClaim构建中间面及线体模型 0413.2.4SpaceClaim/Material Designer几何设计 0413.2.5Python脚本语言创建模型 0423.3外部几何模型导入 044第4章Model模块及网格划分0464.1Geometry模型树 0474.2Material模块 0484.3Coordinate Systems模块 0484.4Connections模块 0494.4.1Contacts接触设置 0494.4.2Joints接触设置 0504.4.3Body Interactions接触设置 0514.5Mesh模块 0524.5.1LS-DYNA中网格简介 0524.5.2Mesh模块网格划分 0534.5.3几何剖分及网格划分 0584.5.4SpaceClaim网格划分 0604.5.5ICEM网格划分 0614.5.6外部网格划分软件导入 0624.6Model中其他设置 0644.6.1Construction Geometry构造几何设置 0654.6.2Symmetry对称性设置 0654.6.3CFL Time Step时间步长设置 065第5章Model中的LS-DYNA模型树0675.1Initial Conditions初始条件 0685.2Analysis Settings计算设置 0685.2.1Step Controls设置 0695.2.2CPU and Memory Management设置 0705.2.3Solver Controls设置 0705.2.4Damping Controls和Hourglass Controls设置 0725.2.5ALE Controls设置 0745.2.6Joint Controls和Composite Controls设置 0745.2.7Output Controls和Time History Output Controls设置 0755.3菜单栏及选项控制 0755.4Solution计算结果 0775.4.1计算提交 0775.4.2计算信息查看 0775.5后处理设置 0795.5.1菜单栏显示设置 0795.5.2计算结果文件查看 0795.5.3结果变量查看 0805.5.4自定义结果 0825.6LS-Run软件 0835.7Workbench平台插件系统 0855.7.1Keyword Manager关键字插件 0855.7.2LST_PrePost插件 0865.7.3Ensight后处理插件 088第6章泰勒杆碰撞0906.1计算模型描述 0906.2泰勒杆碰撞2D拉格朗日方法 0916.2.1材料、几何处理 0916.2.2Model中前处理 0956.2.3计算结果及后处理 0976.3泰勒杆碰撞3D拉格朗日方法 0986.3.1材料、几何处理 0986.3.2Model中前处理 0996.3.3计算结果及后处理 1006.4泰勒杆碰撞3D拉格朗日1/4对称模型方法 1026.4.1材料、几何处理 1026.4.2Model中前处理 1026.4.3计算结果及后处理 1036.5泰勒杆碰撞ALE方法 1046.5.1材料、几何处理 1046.5.2Model中前处理 1046.5.3计算结果及后处理 1056.6泰勒杆碰撞欧拉方法 1056.6.1材料、几何处理 1056.6.2Model中前处理 1076.6.3计算结果及后处理 1086.7泰勒杆碰撞SPH方法 1096.7.1材料、几何处理 1096.7.2Model中前处理 1096.7.3计算结果及后处理 1116.8泰勒杆碰撞拉格朗日失效单元转SPH方法 1126.8.1材料、几何处理 1126.8.2Model中前处理 1126.8.3计算结果及后处理 1146.9泰勒杆碰撞热力耦合方法 1146.9.1材料、几何处理 1146.9.2Model中前处理 1146.9.3计算结果及后处理 114第7章冲击碰撞非线性问题计算1167.1子弹侵彻靶板 1167.1.1材料、几何处理 1167.1.2Model中前处理 1187.1.3计算结果及后处理 1207.1.4绑定接触法计算 1237.1.5整体模型法计算 1257.2圆管对气囊的冲击作用 1287.2.1材料、几何处理 1287.2.2Model中前处理 1297.2.3计算结果及后处理 1307.3玻璃管跌落 1327.3.1材料、几何处理 1327.3.2Model中前处理 1337.3.3计算结果及后处理 135第8章爆炸非线性问题计算1378.1WB LS-DYNA中的爆炸计算方法 1378.1.1S-ALE算法介绍 1388.1.2S-ALE模型构建 1408.1.3Workbench中的S-ALE算法 1418.1.4Workbench中的流固耦合接触设置 1428.2空气中爆炸 1438.2.1材料、几何处理 1438.2.2Model中前处理 1458.2.3计算及后处理 1478.2.4空气中爆炸S-ALE方法 1508.3爆炸驱动破片 1558.3.1材料、几何处理 1558.3.2Model中前处理 1568.3.3计算及后处理 1588.4基于Conwep模型爆炸 1608.4.1计算模型描述 1608.4.2材料、几何处理 1628.4.3Model中前处理 1648.4.4计算结果及后处理 165第9章重启动及重启动模块1679.1重启动介绍 1679.1.1简单重启动 1689.1.2小型重启动 1689.1.3完全重启动 1699.2小球坠网并反弹对靶板的作用 1699.2.1材料、几何处理 1709.2.2Model中前处理 1719.2.3次重启动 1749.2.4第二次重启动 1759.3串联战斗部对靶板的作用 1789.3.1材料、几何处理 1799.3.2Model中前处理 1819.3.3计算结果及后处理 1829.3.4次重启动(炸药删除) 1839.3.5第二次重启动(EFP侵彻靶板) 1849.3.6第三次重启动(删除EFP) 1869.3.7第四次重启动(子弹侵彻靶板) 187第10章隐式非线性问题求解19010.1隐式问题 19010.2圆管的压缩 19110.2.1材料、几何处理 19110.2.2Model中前处理 19210.2.3计算结果及后处理 19310.3板折弯断裂 19510.3.1材料、几何处理 19510.3.2Model中前处理 19610.3.3计算结果及后处理 197第11章Workbench-PrePost联合模型构建19911.1空气爆炸(一维计算) 19911.1.1材料、几何处理 19911.1.2Model中前处理 20011.1.3LS-PrePost处理 20211.1.4计算结果及后处理 20311.2空气爆炸(二维计算) 20411.2.1材料、几何处理 20411.2.2Model中前处理 20511.2.3LS-PrePost处理 21111.2.4计算结果及后处理 21111.3子弹侵彻沙土DEM模型 21211.3.1材料、几何处理 21211.3.2Model中前处理 21311.3.3LS-PrePost处理 21411.3.4计算结果及后处理 21611.4金属射流成型 21711.4.1材料、几何处理 21711.4.2Model中前处理 21811.4.3LS-PrePost中处理 21911.4.4计算结果及后处理 228第12章Workbench平台中的模块联合仿真22912.1模块联合仿真介绍 22912.2小球冲击复合材料靶板(ACP LS-DYNA) 23012.2.1材料、几何处理 23012.2.2Model中前处理 23112.2.3ACP模块中复合材料设计 23112.2.4ACP模块与LS-DYNA模块联合仿真 23412.3子弹冲击钢管(LS-DYNA Static Structural) 23512.3.1材料、几何处理 23512.3.2Model中前处理 23612.3.3LS-DYNA计算结果 23612.3.4LS-DYNA计算结果导出 23612.3.5Static Structural静力学计算 237第13章优化设计计算24013.1优化设计模块简介 24013.1.1参数定义 24013.1.2Design Exploration特征 24113.1.3响应面设置 24113.2网格对计算结果的影响分析 24413.2.1材料、几何设置 24413.2.2Model中设置 24513.2.3计算结果及后处理 24513.2.4优化分析计算 24513.3子弹侵彻优化设计 24913.3.1材料、几何处理 24913.3.2Model中前处理 24913.3.3优化分析计算 25113.3.4等质量子弹侵彻参数优化 254参考文献 257
非线性动力学一般用于求解产品跌落、金属冲压、结构碰撞、子弹侵彻、炸药爆炸等物理过程和现象。非线性特征包括大变形、高应变率、非线性材料、非线性接触和冲击等。由于非线性变形过程不可逆,往往试验成本非常高,通过数值仿真技术模拟非线性过程是当前技术领域为常见的方法,可以定量与定性地研究非线性过程中的问题,极大节约研究成本。ANSYS软件是通用多物理场计算分析程序,能够模拟各类复杂问题。Workbench是ANSYS软件系统集成计算平台,融合多个计算模块,Workbench平台具有丰富的材料模型库、简单的几何建模方式、高效的网格划分方式、简单的并行计算设置,可以进行多物理场耦合、多模块联合仿真、多参数优化设计等操作。LS-DYNA软件是目前为通用的非线性动力学分析软件之一,目前集成在ANSYS/Workbench平台中。Workbench平台中的LS-DYNA主要以图形界面添加计算条件,自动生成对应关键字,可以在平台内直接求解,也可以单独生成关键字提交求解器求解。求解过程简单易懂,默认参数能够满足绝大多数非线性动力学分析场景。本书以ANSYS/Workbench 2022平台介绍LS-DYNA模块,重点介绍了Workbench平台几何模型、材料模型、网格模型等通用前处理,以及初始条件、边界条件、计算设置和计算结果等Workbench LS-DYNA专用前处理和后处理等。后结合工程实际算例,对常见的冲击碰撞和爆炸等高度非线性问题进行了分析。各章内容如下:第1章介绍了ANSYS/Workbench软件计算流程、界面和启动方式,介绍并比较了Explicit Dynamics、Autodyn和LS-DYNA模块,同时介绍了LS-DYNA模块的基本知识。第2章介绍了Engineering Data材料模块,包括创建和修改材料、LS-DYNA中的典型材料参数和Material Designer材料设计模块。第3章介绍了Geometry几何模块,包括Design Modeler模块、SpaceClaim模块和外部几何模型导入流程。第4章介绍了Model中的通用模块和网格划分,包括Geometry模型树、Material模块、Coordinate Systems模块和Connections模块,以及其他通用前处理,重点介绍了Workbench平台中的网格划分方法。第5章介绍了Model中LS-DYNA专用模型树,包括初始条件、计算设置、菜单栏及选项控制、计算结果、后处理、LS-RUN计算提交软件和Workbench平台中的插件系统。第6章介绍了泰勒杆碰撞,包括2D模型、3D模型、对称模型、ALE方法、欧拉方法、SPH方法、失效单元转SPH方法、热力耦合方法等。第7章介绍了冲击碰撞非线性问题的计算方法,包括子弹侵彻靶板、气囊结构缓冲和玻璃管的跌落三个案例。第8章介绍了爆炸非线性问题的计算方法,包括空气中爆炸、爆炸驱动破片和基于Conwep模型爆炸加载三个案例。第9章介绍了重启动,通过小球坠网并反弹、串联战斗部对靶板的作用两个实例介绍了Workbench LS-DYNA平台中的重启动方法。第10章介绍了隐式非线性问题求解,通过圆管压缩和板折弯断裂两个实例简要介绍了Workbench LS-DYNA平台中的隐式分析方法。第11章介绍了Workbench-PrePost联合模型构建,Workbench作为前处理,LS-PrePost修改关键字提交计算。通过空气爆炸一维模型、空气爆炸二维模型、子弹侵彻沙土DEM模型和金属射流成型几个实例介绍了Workbench-PrePost联合模型构建方法。第12章介绍了Workbench平台中的模块联合仿真,包括LS-DYNA与ACP模块联合构建小球冲击复合材料靶板以及LS-DYNA与静力学模块联合构建子弹冲击钢管两个实例。第13章介绍了优化设计计算方法,通过网格对计算结果的影响分析和子弹侵彻优化设计两个实例介绍了Workbench平台中的优化分析。仿真是一个追求100%的过程,如果说,得到精确结果是水平达到90%以上,跑通仿真流程则是达到60%,大多数的初学者往往卡在60%以下,基本的仿真流程未跑通,就无法获得可靠的结果。通常初学者在学习LS-DYNA软件时,往往受困于LS-DYNA软件建模和K文件关键字的格式问题,无法跑通仿真流程,相应的参考资料主要还是以K文件命令输入为主,对于初学者来说,上手难度较大。本书主要采用图形界面进行讲解,将初学者快速提高到60%的水平,跑通计算流程,如果想要深入学习LS-DYNA软件,还需结合关键字手册进行认真学习,理解每个关键字设置的意义。本书由卞晓兵、黄广炎、兰旭柯、祁少博和王荣惠编著。在编写过程中,参考了国内外相关的文献资料,在此向所有引用的文献作者表示感谢,同时对北京理工大学博士生周颖、杨磊在文字校对方面的工作表示感谢。由于时间比较仓促、编著者水平有限,加之数值模拟技术发展快速,本书难免出现疏漏之处,欢迎广大读者和同行专家批评指正(bian_xiao_bing@163.com)。编著者2022年5月于延园
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