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本文翻译自官方文档,原文链接:
https://www.dynasupport.com/howtos/general
一、有效塑性应变 (Effective plastic strain)
有效塑性应变是一个单调增加的标量值,是变形率张量中的塑性部分(Dp)ij的函数,以张量形式表示如下:
epspl=integral over time of (depspl)=integral[sqrt(2/3(Dp)ij*(Dp)ij)]*dt
当材料处于屈服状态,也就是说应力状态位于屈服面上时,有效塑性应变就会不断增加。
相反,LS-DYNA中输出的应变张量值(*DATABASE_EXTENT_BINARY中的STRFLG参数为1时输出)并不一定是单调增加的,因为它反应的是模型整体在当前状态下的变形状态,包括d性和塑性两部分。点击Fcomp >Strain可以显示应变张量的云图。
有效应变与有效塑性应变是不同的,它的张量表示是( p. 461 of LS-DYNA Theory Manual 2006):
sqrt(2/3(eps)ij*(eps)ij)
LS-DYNA中还可以显示其他种类的应变,都是通过节点位移计算而来,例如:
FCOMP >Infin
FCOMP >Green
FCOMP >Almansi
二、环境变量(Environment variables)
**仅适用于UNIX系统**
940.1版本的LS-DYNA中引入了如下环境变量:
LSTC_FILE :用来定义许可证文件
默认文件目录为:/usr/local/lstc/LSTC_FILE,可以使用setenv LSTC_FILE (license file name) 命令来指定文件名。
LSTC_SECURE :用来定义许可证文件的格式
目前支持三种文件格式:old,new和eta。若不设置这一环境变量,程序将全部检查这三种格式。也可以通过如下命令指定检查格式:
setenv LSTC_SECURE old
setenv LSTC_SECURE new
setenv LSTC_SECURE eta
LSTC_DEFGEO :以Chrsyler's格式输出ASCII文件DEFGEO
不设置这一变量时程序将输出标准LS-DYNA格式;要输出Chrsyler's格式则应使用如下命令:
setenv LSTC_DEFGEO chrysler
LSTC_OUTPUT :定义输出文件的格式
除了LS-DYNA标准格式,程序还支持其他的一些格式,但这一命令一般只有一些有特殊需求的用户使用,例如:
setenv LSTC_OUTPUT ge
LSTC_FORMAT :定义d3plot 和 d3thdt 文件的格式
这一命令可以让用户指定输出的二进制文件格式为ANSYS格式或ANSYS+LS-DYNA格式,默认情况下输出标准LS-DYNA格式。输出ANSYS格式:
setenv LSTC_FORMAT ansys
输出ANSYS+LS-DYNA格式:
setenv LSTC_FORMAT taurus+ansys
此外,用户也可以使用关键字*DATABASE_FORMAT来进行相关设置。
LSTC_BINARY :定义d3plot 和 d3thdt文件的大小为32位IEEE
用户可以使用这一命令来减小由64位设备输出的文件大小,不设置的话则默认与设备的字节长度一致。调用命令如下:
setenv LSTC_BINARY 32ieee
此外,用户也可以使用关键字*CONTROL_OUTPUT来进行相关设置。
LSTC_MEMORY :控制内存扩展
用户可以使用命令行MEMORY来设置默认内存大小,此变量有两个选项。auto选项适用于自适应运行方式,这种情况下程序会自动进行内存扩展,只用于金属成型仿真,不能用于压溃类仿真;heap选项是转为CARY(克雷)计算机设计的,可以使程序在初始化之后将克雷计算机的内存降低到最小值。
setenv LSTC_MEMORY auto
setenv LSTC_MEMORY heap
三、状态方程(Equation of state)
在某些情况下,需要使用状态方程来精确模拟材料的变形行为。状态方程可以通过计算材料所受压力与密度(有时还有能量和温度)之间的关系来确定材料的变形行为。需要使用状态方程的情形主要有应变率非常高、材料所受压力远高于屈服应力以及冲击波的传播等。实际上,这些情况一般都是同时出现的。
对于非气态材料来说,*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 和 *EOS_GRUNEISEN是最常用的两种状态方程。Gruneisen的参数对于包括金属在内的许多材料都是适用的。
在物体受力时,总应力是偏应力和压力的总和,平均应力(sig1 + sig2 + sig3)/3等于压力。对于不考虑状态方程的本构模型,程序会直接计算主应力,主应力的压力分量只与体积应变有关。例如,对于d性材料来说,p = K * mu,其中K为体积模量,mu = rho/rho0 - 1。
对于考虑状态方程的模型来说,材料本身的本构模型会计算总应力的偏应力分量,而状态方程则会计算压力分量。
注意,状态方程只适用于连续介质单元(*ELEMENT_SHELL with shell type 13, 14, or 15 or *ELEMENT_SOLID),并且材料模型为需要EOS的*MAT_。
如果你在使用需要EOS的本构模型,可以利用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL来实现简单的体积行为(bulk behavior),此时需要设置C1为体积模量,其他参数均为0。只有在应变率处于中等水平的情况下才建议使用这一办法,汽车碰撞模型中的应变率即为中等水平。
Zukas (1990, John Wiley and Sons)出版的High Velocity Impact Dynamics是一本有关材料高应变率变形行为的不错的参考书。
可以在这一文献中查找大约50种材料模型的EOS参数:"Equation of State and Strength Properites of Selected Materials", Danial J. Steinberg, Lawrence Livermore National Laboratory, 1991 (Change 1 issued 1996), UCRL-MA-106439.
至于*EOS_TABULATED_COMPACTION 和 *EOS_TABULATED这两种类型的关键字,用户手册中讲的不太具体,以下是几点注意事项:
1.eVi这一项(曲线的横坐标)表示的是ln(relative volume),在压缩时是负值;
2.eVi = ln(relative volume) 这个值应该是降序排列的,也就是首先是拉伸对应的正值,最后是压缩对应的负值。
3.压缩时压力为正。当gamma=0时,Ci等于加载曲线中的压力值,所以应该和eVi的符号相反。
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一、应变率(Strain rate)
应变率效应不仅与加载速率有关,还与试件的尺寸、形状有关。在单轴拉伸试验中,假如试件发生均匀变形,也就是没有颈缩等局部化现象,那么应变率在试件中的分布是均匀的,此时有:
长度的变化为deltaL = r * time
工程应变为deltaL/L = r * time/L
工程应变率为strain per time = r/L
真实应变为ln(1+ engineering strain) = ln(1+ r*time/L)
真实应变率随时间的导数为d(true strain)/dt = [ln(1+r*time2/L) - ln(1+r*time1/L)]/(time2-time1)
其中,L为试件长度;r为加载速率。
当然,事实上试件中的应变率并不是均匀分布的,所以我们需要在分析中给定一个应变率的变化范围。为了估算应变率,我们可以针对有代表性的单元进行高精度的预分析,并输出应变率(set STRFLG=1 in *DATABASE_EXTENT_BINARY)。还可以使用*DATABASE_BINARY_D3THDT 和 *DATABASE_HISTORY_SHELL这两个关键字来辅助完成这一目标。(建议使用*DATABASE_EXTENT_BINARY中的N3THDT=1来使D3THDT文件的大小降为最低)
绘制应变率曲线的两种方法
1.使用*DATABASE_EXTENT_BINARY中的STRFLG=1直接将应变信息输出到文件中。针对关键单元,我们可以以非常高的精度来输出D3THDT 或 ELOUT文件,其中选择单元是利用*DATABAE_HISTORY_...关键字来完成。将关键字 *DATABASE_EXTENT_BINARY中的N3THDT=1设为1可以最小化输出文件的大小。计算完成后,在LS-Prepost中读取D3THDT文件,并绘制应变的时程曲线。点击曲线窗口上的Oper按钮,并选择differentiate按钮,最后点击apply即可。这一过程会需要你在壳单元厚度方向上选取位置(lower, middle, upper)。
2.Fcomp >SRate可以显示出通过节点位移计算而来的应变率云图。History >Scalar则可以绘制应变率的时程曲线。此时的应变率为中面处的应变率,要获得其他位置处的应变率只能使用方法1。
以上两种方法的精度都取决于计算程序的输出精度,单位是每时间单位。
绘制局部壳单元系统(local shell element system:)应变率的方法
与上文类似,略。
质量缩放是通过向结构增加虚拟的质量来加大显式计算时间步长的技术。
在任何情况的动力学分析中,为了提高时间步长而向结构增加虚拟质量都会对计算结果产生影响,但是有时这种影响是微乎其微的,从而质量缩放也就是可以接受的了。对于仅在不重要区域对一定数量单元的质量进行增加的模型以及速度非常低且动能与内能峰值相比非常小的准静态模型中,质量缩放一般是可以接受的。模拟完成后,我们还需额外运行不施加质量缩放(或很小的质量缩放)的模型计算,来判断质量缩放的实际影响。
用户可以通过设置某一部件的材料密度来手动实现质量缩放,这个方式和自动质量缩放是相互独立的(DT2MS in *CONTROL_TIMESTEP)。
当DT2MS是负值时,质量缩放只施加在时间步长小于|DT2MS|的那些单元之上,使其时间步长等于|DT2MS|。DT2MS和TSSFAC这两个参数有无数种组合,但是其乘积为时间步长,这个值是不变的。但是对于每一种组合而言,其增加的质量是不同的。因此|DT2MS|越大(即TSSFAC越小),增加的质量越大。而在无质量缩放模型中,TSSFAC越小,模型越稳定。如果分析模型运行过程中出现稳定性问题,那么可以将TSSFAC从默认的0.9降到0.8,0.7等。在降低TSSFAC时,可以同时按比例增加|DT2MS|,这样他们的乘积所表示的时间步长就可以保持不变。(注:本段原文描述比较混乱)
要想知道质量缩放过程中的具体信息,可以查看GLSTAT和MATSUM文件,从这两个文件中可以输出整体模型或单个部件所增加的质量随时间的变化规律。如果想要显示包括壳单元在内的各个部件中增加质量的云图,可以在*DATABASE_EXTENT_BINARY中设置STSSZ=3;然后就可以在LS-POST通过Fcomp >Misc >time step size按钮来查看每个单元增加的质量(这里time step size就是表示单元所增加的质量)。
*CONTROL_TIMESTEP中设置DT2MS为正值或负值的区别
负值:
质量缩放只施加在时间步长小于TSSF*abs(DT2MS)的那些单元之上。
正值:
通过增加或减小单元质量来保证每一个单元的时间步长是一致的。
*CONTROL_TIMESTEP中MS1ST=1时,程序只会在初始化计算时对单元增加一次质量;MS1ST=0时,程序会在任何必要时候对单元增加质量。
还可以通过ENDMAS这一参数来指定一个停止计算的质量增加阈值(只限自动质量缩放)。
可变形焊点梁的质量缩放
关键字*MAT_SPOTWELD中的质量缩放控制参数DT只对焊点起作用。当*CONTROL_TIMESTEP中的质量缩放参数DT2MS为0,且时间步长由可变形焊点控制时,DT可以用来在程序初始化时将焊点的惯性增加,使其时间步长增加到DT这个值。此时d3hsp文件会记录焊点梁增加的质量。MATSUM文件中的动能KE和转矩不会考虑焊点增加的质量;而GLSTAT中的总动能则会考虑增加的质量。
当模型中的焊点进行了质量缩放,需要注意:
1.当DT2MS为负值,且DT=0时,尽管d3hsp文件中Deformable Spotwelds这一项下的percentage mass increase是错误的,但是下面这些数据是正确的:d3hsp文件中的added spotweld mass;程序进行了第一个时间步计算后的d3hsp文件中的added mass 和 percentage increase以及glstat 和 matsum文件中的added mass。
2.不要使用负的DT2MS和DT=0来控制焊点的质量缩放。
3.在使用质量缩放后,初始时间步不会考虑增加的焊点质量,但是每一个循环的时间步长会增加10%,直到时间步长增加到指定的值(考虑增加了的质量)。
可选质量缩放
LS-DYNA V971 R3版本后增加了可选质量缩放,可以通过*CONTROL_TIMESTEP中的IMSCL参数来激活。当IMSCL为0时,质量缩放施加到所有部件;当IMSCL为负值时,质量缩放施加到指定部件( abs(IMSCL) 表示部件集合ID( part set list))。建议使用这种可选质量缩放,因为质量缩放是很耗费计算资源的。
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