Пространственно-временная дискретизация




Дата канвертавання22.04.2016
Памер124.37 Kb.
LS-DYNA - многоцелевая программа, использующая явную формулировку метода конечных элементов (explicit finite element method) - предназначена для анализа нелинейного динамического отклика трехмерных неупругих структур. Первая версия программы LS-DYNA была выпущена в 1976 г. LS-DYNA была и до сих пор является частью оборонной программы США. Программа была первой в своей области и послужила основой для всех современных пакетов высоконелинейного анализа, оставаясь на лидирующих позициях до сегодняшнего дня. На текущий момент более тысячи коммерческих корпоративных пользователей используют LS-DYNA.

Полностью распараллеленный и векторизованный высокоэффективный алгоритм решения нелинейных и быстротекущих процессов, автоматизированный процесс решения контактных задач, а также множество функций по проверке получаемого решения позволяют инженерам во всем мире успешно решать сложнейшие задачи удара, разрушения и формования. Пользователями программы являются все известные мировые автомобильные концерны, множество аэрокосмических и др. фирм оборонных отраслей и т.д.



Пространственно-временная дискретизация

Дискретизация по времени в структурном анализе производится в соответствии с явной центрально-разностной схемой. (В программу включены также неявные методы разреженных матриц, предопределенных сопряженных градиентов, Ланцоша).

Блок термического анализа допускает использование любой из 4 схем:


  1. явной схемы Эйлера (прямой ход);

  2. Кренка-Николсона;

  3. Галеркина;

  4. чисто неявной схемы (обратный ход).

1. Возможности:

Уникальный математический аппарат включает более 25 алгоритмов контактного взаимодействия, более 120 уравнений состояния, вследствие чего LS-DYNA имеет следующие возможности по моделированию физического поведения трехмерных структур



  • Нелинейная динамика

  • Тепло

  • Разрушения

  • Развитие трещин

  • Контакт

  • Квазистатика

  • Эйлерова формулировки мкэ

  • Произвольное Лагранж-Эйлерово поведение (Arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)

  • Акустика в реальном масштабе времени

  • Многодициплинарный анализ: прочность, теплофизика, акустика и др.

2. Приложения

Все приведенные аналитические инструменты позволяют моделировать широкий круг реальных задач. Вот лишь некоторые приложения возможностей LS-DYNA



  • Оценка сопротивляемости удару – пассивная безопасность (crash-test, drop-test, …): автомобили, летательные аппараты, поезда, суда

  • Анализ динамической прочности автомобильных (и др.) комплектующих: кузов, бамперы, колесные диски, рулевые колонки и т.д. при движении по неровной поверхности

  • Оценка безопасности пассажира (Occupant safety analyses): взаимодействие воздушной подушки и виртуальной модели человека (airbag - dummy interaction) с моделированием ремней безопасности, прорыва подушки безопасности и др.

  • Формование металла, стекла, пластиков: прокат, выдавливание, штамповка (fender_w.gif), волочение, сверхпластическое формование, резка, прокат профилей, литье, глубокая вытяжка, гидроформование (включая большие деформации) и многоступенчатые процессы.

  • Задачи об отрыве лопатки турбинных двигателей (Jet engine blade containment)

  • Птицестойкость

  • Взаимодействие потоков жидкости и газа с конструкцией

  • Взрывная нагрузка на изделия

  • Задачи проникания (пробивание броневой пластины, внедрение в грунт пенетраторов и т.п.)

  • Анализ ячеистых, сотовых и тонкостенных кессонных конструкций, жестяных контейнеров

  • Расчет сварных, заклепочных и болтовых соединения

  • Биомедицинские приложения, инженерный расчет изделий народного потребления

  • Моделирование землятрясений

  • Недавняя реализация программного кода на платформе персональных компьютеров существенно расширила применимость программы на небольших фирмах и повысила ее доступность.

3. Элементы

Программа использует конечно-элементную пространственную дискретизацию.

Элементы низкого порядка, используемые в LS-DYNA просты, эффективны и точны - используются специальные элементы с редуцированным числом точек интегрирования. Для оболочечных и твердотельных элементов изменения формы с нулевой энергией деформации (zero-energy modes) контролируются как вязкостью так и жесткостью (hourglass viscosity or stiffness). Все элементы практически на 100% векторизованы (оптимизированы не только под массивно-параллельную, но и под векторную архитектуру).

Библиотека конечных элементов

Для повышения эффективности и снижения вычислительных затрат в DYNA3D преимущественно используются элементы первого порядка с одноточечной схемой интегрирования по объему. Такая схема, помимо прочего, менее чувствительна к изменению начальной геометрии элемента, что является немаловажным в процессах с большими деформациями. Недостатком одноточечной схемы интегрирования является возможность проявления нефизичных деформационных мод с нулевой энергией (Hourglass modes). Программа содержит алгоритмы автоматического контроля и ограничения Hourglass modes, которые следует активизировать при использовании одноточечной схемы.



  • прямоугольные тонкие оболочки

  • треугольные оболочечные элементы

  • мембраны

  • элементы толстой оболочки (hexahedral thick shells)

  • элементы твердого тела (первого и второго порядка)
    балки

  • 2-х узловые ферменные стержневые элементы (2-noded truss element)

  • элементы "только растяжение" (cable elements)

  • пружины и демпферы с произвольным типом физической нелинейности

  • точечные массы

  • элементы "ремень безопасности"( seatbelt elements)

  • абсолютно жесткие тела (rigid bodies)

  • моделирование сварки

  • элементы воздушной подушки (airbag element)

2D-элементы (плоское напряженное, деформированное состояние, осесимметричные, fluid и др.)

Элементы, допускающие большие повороты, формулируются в псевдо-лагранжевом вращающемся ортонормированном репере (Co-rotational Technique).

А также другие типы

4. Модели Материалов

LS-DYNA имеет 120 различных моделей металлических и неметаллических материалов.


  • упругую

  • упругопластическую

  • эластомеры (упругие полимеры)

  • модели вспененных материалов

  • линейная вязко-упругая

  • стекло

  • геологические модели

  • элементы ткани

  • кевлар (kevlar) с повреждениями

  • уравнения состояния гидродинамики

  • акустическое давление

  • композиты

  • задаваемые пользователем модели

  • специальные возможности по анализу потоков

Краткая выборка, иллюстрирующая богатство возможностей выбора модели материала в LS-DYNA:

1: Elastic, Elastic_Fluid (Изотропная упругость, Идеальная сжимаемая жидкость)

2: Orthotropic_Elastic, Anisotropic_Elastic (Анизотропная упругость)

3: Plastic_Kinematic (Теория течения с изотропным или трансляционным упрочнением с эффектом скоростного упрочнения и деформационным критерием разрушения)

4:Elastic_Plastic_Thermal (Теория течения с изотропным упрочнением и температурой)

5:Soil_and_Foam (Теория течения с квадратичной зависимостью функции текучести от давления (Krieg))

6:Visсkoelastic (Линейная вязкоупругость)

7:Blatz-Ko_Rubber (Гиперупругий материал)

9:Null (Линейная вязкая жидкость, газы (требует задания уравнения состояния))

10:Elastic_Plastic_Hydro (Нелинейная вязкая жидкость)

18:Power_Law_Plastisity (Деформационная теория со степенным упрочнением)

20:Rigid (Модель абсолютно твердого тела)

22:Composite_Damage (Модель хрупкого разрушения ортотропного композита)

25:Geological_Cap_Model (Геомеханическая двух-инвариантная модель грунта)

27:Mooney-Rivlin_Rubber (Двух-параметрическая модель резины)

28:Laminated_Glass (Модель слоистого стеклополимерного композита)

33:Barlat_Anisotropic_Plastisity (Простая 6-параметрическая модель начально анизотропного пластического материала)

35:Plastic_Green-Naghdi_Rate (Аналогична модели 3, но вместо Яуманновской производной по времени, применяется оператор Green-Naghdi)

37:Transversaly_Anisotropic_Elastic_Plastic (Модель анизотропной пластичности Хилла)

41-50:User_Defined_Materials_Models ( Модели материалов, определенных пользователем)

51:Bamman (Многопараметрическая модель пластического течения с температурной и скоростной чувствительностью)

61:Kelvin-Maxwell_Viscoelastic (Классическая модель вязкоупругости)

64:Rate_Sensitive_Powerlaw_Plastisity (Модель сверхпластического материала)

76:General_Viscoelastic (Модель вязкоупругости Максвелла с шестичленными ядрами релаксации)

88:MTS (Модель поведения материала со скоростной чувствительностью, основанная на дислокационном механизме)

103: Anisotropic_Viscoelastic (Анизотропная вязкоупругость)



4. Контакт

Решение контактных задач в LS-DYNA полностью автоматизировано. В решении используются методы constraint и penalty для удовлетворения условий контакта. Эта методика прекрасно зарекомендовала себя и на протяжении последних более чем двадцати лет LS-DYNA используется в таких сложнейших приложениях, как анализ сопротивляемости удару как целиком автомобиля (или любого транспортного средства), так и отдельных его компонентов, анализ безопасности пассажира. Возможен также расчет объединенного термо-механического контакта.

В программе осуществляется более 25 моделей контакта. Большинство из них связано с контактом деформируемого в деформируемое тело, контакт отдельных поверхностей деформируемого тела и контакт деформируемого с абсолютно жестким телом, например


  • контакт с абсолютно жесткими поверхностями

  • связанные поверхности(tied surfaces)

  • узлы, привязанные к поверхности (nodes tied to surfaces)

  • края оболочек, привязанные к поверхности оболочек (shell edges tied to shell surfaces)

  • смятие (folding)

  • интерфейс между потоками и конструкцией

  • эродирующий контакт

  • контакт край в край (edge-to-edge contact)

  • расчет результирующей силы при контакте и моделирование контакта при известной результирующей силе (resultant force contact)
    отботровка (drawbeads)

  • импорт поверхностей из CAD-систем

В программу включены специальные возможности по моделированию контакта между абсолютно жесткой поверхностью (обычно определяемой аналитически) и деформируемой конструкцией, например штамповка металла, где штамп и прессформа могут быть импортированы в форматах IGES- или VDA и далее считаются абсолютно жесткими (при этом не требуется конечно-элементное разбиение абсолютно жесткой поверхности !!!).

LS-DYNA реализует следующие возможности по моделированию трения:



  • Статическое и динамическое Кулоновское трение

  • Вязкое трение

  • Модели трения, определяемые пользователем

Задание контактирующих поверхностей предельно упрощено и пользователь может специфицировать части конструкции (или всю конструкцию целиком), вступающие в контакт, графически - выбирая с помощью мыши или просто задавая соответствующий идентификатор.

Скриншот AVI, скачать архивированный AVI (winzip)

Типы контактных алгоритмов

Одной из важнейших отличительных особенностей программного кода LS-DYNA является наличие высокоэффективных контактных алгоритмов, реализующих весь спектр контактных взаимодействий.

Программа использует три типа контактных алгоритмов:


  1. Метод кинематических связей

  2. Метод распределенных параметров

  3. Метод штрафа

Первые два контактных алгоритма требуют задания контактирующих поверхностей как Slave и Master поверхности.

Метод штрафа, наиболее общий и часто используемый алгоритм контактно-ударного взаимодействия, симметричен относительно контактирующих поверхностей.

Тип контактного взаимодействия задается в управляющей карте *CONTACT входного файла LS-DYNA3D.

Список опций управляющей карты *CONTACT, характеризующий многообразие типов контактных условий моделируемых в LS-DYNA3D представлен ниже (неполный):

AIRBAG_SINGLE_SURFACE

AUTOMATIC_GENERAL

AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE

AUTOMATIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE

AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE

AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE

CONSTRAINT_NODES_TO_SURFACE

CONSTRAINT_SURFACE_TO_SURFACE

DRAWBEAD

ERODING_NODES_TO_SURFACE

ERODING_SINGLE_SURFACE

ERODING_SURFACE_TO_SURFACE

FORCE_TRANSDUCER_CONSTRAINT

FORCE_TRANSDUCER_PENALTY

FORMING_NODES_TO_SURFACE

FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE

FORMING_SURFACE_TO_SURFACE

NODES_TO_SURFACE

ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE

RIGID_NODES_TO_RIGID_BODY

RIGID_BODY_ ONE_WAY_TO_RIGID_BODY

RIGID_BODY_ TWO_WAY_TO_RIGID_BODY

SINGLE_EDGE

SINGLE_SURFACE

SLIDING_ONLY

SLIDING_ONLY_PENALTY

SURFACE_TO_SURFACE

TIEBRAKE_NODES_TO_SURFACE

TIEBRAKE_SURFACE_TO_SURFACE

TIED_NODES_TO_SURFACE

TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE

TIED_SURFACE_TO_SURFACE

Опции Nodes_To_Surface, Surface_To_Surface, Single Surface определяют типы контакта Узел-Поверхность, Поверхность-Поверхность, Поверхность-Все поверхности с использованием штраф-алгоритма контактного взаимодействия, позволяющие моделировать условия контакта общего вида (без разрушения).

Опции Eroding_ Nodes_To_Surface, Eroding_ Surface_To_Surface, Eroding_Single Surface – контакт общего типа с критерием разрушения (используются при расчетах в закритических областях нагружений, при анализе процессов связанных с разрушением и нарушением cплошности – удар, пробивание, резка и т.п.)

Опции Constraint_ Nodes_To_Surface, Constraint_ Surface_To_Surface предназначены для описания контакта общего вида в медленных (квазистатических) процессах при включенной опции Mass Scaling, понижающей вычислительные затраты.

При помощи опций Sliding_Only, Sliding_Only_Penalty моделируется контакт – Проскальзывание с трением, Прилипание-Отлипание.

Контактные условия типа “склеивания” (сварки) задаются опциями Tied_ Nodes_To_Surface, Tied_ Surface_To_Surface, Tiebreak_ Nodes_To_Surface, Tiebreak_ Surface_To_Surface. Вместе с критерием выключения контакта позволяют моделировать процесс возникновения и развития трещин.

Опции Single_Edge, Tied_Shell_Edge_To_Surface позволяют задавать вырожденные (краевые) контакты.

Общие типы взаимодействия абсолютно твердых тел задаются при помощи опций Rigid_Nodes_To Rigid_Body, Rigid_Body_One_Way_To Rigid_Body, Rigid_Body_Two_Way_To Rigid_Body.

6. Специализированные функции для автомобилестроения


  • Расчет ремней безопасности - включая моделирование акселерометра, натяжителя, датчиков, контактных колец (accelerometer, pretensioner, retractor, sensor, and slip ring)

  • Насос для накачки воздушеых подушек (Inflator models)

  • Модели ткани воздушной подушки (Airbag fabric constitutive models)

  • Акселерометры (Accelerometers)

  • Датчики воздушной подушки (Airbag sensors)

  • Прорыв воздушной подушки (Airbag breakout)

  • Эйлеровское раскрытие воздушных подушек (hybIII_saab.gif)

  • Контейнер воздушной подушки (Airbag folder)

  • Размещение готового манекена

  • Сверка раскрытого состояния воздушных подушек с нераскрытым положением

  • Специальные демпферы для снятия бокового удара на манекен пассажира

  • Интерфейсная модель прошитой воздушной подушки/ прижимы (Airbag stitched interface model/straps)



Скриншот MPEG | Скачать архивированный MPEG (winzip)
Скриншот AVI, скачать архивированный AVI (winzip)

7. Надежность

Традиционные конечно-элементные программы не позволяют проводить расчеты в области больших деформаций. Явная формулировка метода, используемая в LS-DYNA3D, позволяет без потери точности деформировать кэ сетки вплоть до вырождения отдельных элементов, что, наряду с автоматической регенерацией сеток, сводит участие пользователя в решении высоко нелинейных задач к минимуму.



  • адаптивные сетки

  • нормы ошибок

  • специфицируемые пользователем уровни сгущения сеток

  • вложенные циклы итерирования

  • графический вывод

8. Гибкость

Множество опций, контролирующих функций и вложенных процедур дают пользователям необычайно гибкий инструментарий для решения конкретных задач



  • ввод с использованием ключевых слов

  • прямой интерфейс к ANSYS и импорт модели в формате Nastran bulk data

  • разбиение вводного файла на несколько

  • пользовательские процедуры

  • функция remapping (полная перестройка сеток)

  • функция общего перезапуска

  • перенесение граничных условий

  • динамическое размещение данных

  • опции контроля вывода результатов в базу данных

  • программно опрашиваемые переключатели - монитор слежения за статусом процесса

  • dynamic relaxation

  • интерактивная графика в режиме реального времени

  • приложение предварительного напряжения к конструкции по результатам линейного решения из др. к.э. систем

  • двойная точность для 32-битных рабочих станций

  • оптимизация

9. Интерфейс с CAD/CAE системами

CATIA/LS-DYNA

Интерфейс CATIA/LS-DYNA (разработки CAD FEM GmbH) предназначен для полной постановки в среде CATIA задачи для дальнейшего решения средствами LS-DYNA. В настоящее время доступен только для UNIX-платформ. Представляет собой набор дополнительных специализированных инструментов и меню к конечно-элементному модулю CATIA, предназначенных для задания и последующей выдачи к.э. геометрии, свойств материалов, нагрузок, условий контакта, граничных и начальных условий и последующей передачи их в LS-DYNA.

Всеми версиями LS-DYNA поддерживается прямой импорт форматов:

- VDA Format


- IGES

Другие геометрические форматы могут быть обработаны при помощи множества коммерческих сеточных генераторов и других к.э. систем, имеющих интерфейс к LS-DYNA

Прямой полный интерфейс с системой LS-DYNA имеют системы:

- Ansys


- Eta/DYNAFORM, eta/VPG

Имеют интерфейс к LS-DYNA:

- Ansys, Inc. Ansys/PrePost
- ETA FEMB
- EASi Crash
- Envision
- FEMAP
- HYPERMESH
- I-DEAS
- MADYMO3D
- MSC PATRAN
- NASTRAN
- ViewTech GLview (postprocessing only)
- CEI ENSIGHT (postprocessing only)
- JVISION (Japanese)

И др.


10. Проверка качества

Результаты анализа проведенного на LS-DYNA полностью совпадают с данными натурных испытаний. Перед выпуском каждой версии программа подвергается всестороннему тестированию - решается более 1000 пробных задач от простейших тестов до полноразмерного моделирования натурных экспериментов (60 000 элементов и более).



11. Эффективность и параллелизация

Программный код LS-DYNA для персональных компьютеров полностью соответствует по возможностям версиям для суперкомпьютеров.

Запросы машинных ресурсов зависят от размера решаемой задачи. Для решения задачи размером более чем в 100,000 элементов требуется оперативная память вмещающая не менее 15.000.000 машинных слов (или около 64 Мб) и 100 Mb дискового пространства.

Программный код полностью параллелизован и векторизован. Поддерживается параллелизация для систем с распределенной памятью – кластеров, собранных из нескольких машин (в т.ч. персональных компьютеров), объединенных в сеть.

Версии LS-DYNA на суперкомпьютерах полностью используют все ресурсы и преимущества параллельной и векторной архитектуры.

12. Компьютерные платформы
LS-DYNA имеет версии для:

персональных компьютеров (Windows - PCs),


всех типов рабочих станций на платформе Unix,
мейнфреймов,
векторных,
и параллельных архитектур SMP и MPP.

Минимальные требования:
Processor: Intel Pentium, Pentium Pro и выше или Intel совместимые
RAM: 32 Mb
Disk space: 200Mb для инсталляции вместе с help + рабочее пространство
Operating System: Windows 95, NTv.4.0
Monitor: 1024x768, 256 colors

Для написания пользовательских процедур на языке FORTRAN требуется использовать компилятор Compaq (Digital) Visual FORTRAN v.6.0 (http://www.digital.com/fortran/dvf)



Линки:

http://home.t-online.de/home/klaus.weimar/ (сравнительные данные по скорости счета для разных задач и платформ)

Специализированный раздел сайта Hewlett Packard - LSTC


http://www.hp-partners.com/lstc_public/ либо http://www.hp.com/go/lstc

http://www.wpi.edu/Academics/Depts/CEE/Roadsafe/bench.html (сравнительные данные по скорости счета для разных задач и платформ)

http://www.ncac.gwu.edu (сервер Национального Центра Краш-Анализа (автомобилей) National Crash Analysis Center при George Washington University)

http://www.viewtech.no (компании View Technology выпускающий постпроцессор GLView для LS-DYNA)

http://www.nchc.gov.tw/RESEARCH/Solid/dyna3d/ (сервер подразделения механики сплошных сред гос. НИИ на Тайване)

http://www.solid.ikp.liu.se (Факультет механики сплошных сред при Institute of Technology, Linkoping University)

http://www.ase.uc.edu/~atabiei/center.html (сервер научно-исследовательского центра по приложениям LS-DYNA при University of Cincinatti


База данных защищена авторским правом ©shkola.of.by 2016
звярнуцца да адміністрацыі

    Галоўная старонка