SimXpert碰撞分析

CAE大拿

SimXpert作为MSC推出的新款前后处理器，包含多个工作区。其中MD Explicit，显式非线性工作区，是支持SOL700的通用显式非线性分析前后处理器，也可用作Dytran的后处理器。

MSC Nastran的显式非线性分析模块 SOL 700，完全集成了Dytran的流固耦合分析功能和LS-DYNA的结构分析功能，可进行各种高度瞬态非线性事件的仿真分析。该模块采用显式积分法并能模拟各种材料非线性、几何非线性和碰撞接触非线性，特别适合于分析包含大变形、高度非线性和复杂的动态边界条件的短暂的动力学过程。软件中同时提供拉格朗日求解器与欧拉求解器，因而既能模拟结构又能模拟流体。拉格朗日网格与欧拉网格之间可以进行耦合，从而可以分析流体与结构之间的相互作用,形成精确独特的流固耦合求解技术。软件具有丰富的材料模型并且提供各种接触的定义模式，能够模拟从金属、非金属（包括土壤、塑料、橡胶，泡沫等）到复合材料, 从线弹性、屈服、状态方程、破坏、剥离到爆炸燃烧等各种行为模式，和模拟各种复杂边界条件。对于超大变形问题，SOL 700提供了独特的无网格SPH（Smooth Particle Hydrodynamics ）技术，保证计算的收敛和精度。同时，SOL 700还支持链式分析功能，可以进行显式－显式、显式－隐式、隐式－显式－隐式的链式分析，用于多步跌落分析、回弹分析和预应力－回弹分析。

SOL 700模块支持160多种材料模型，具有50多种接触类型，接触类型齐全。并具有极好的并行计算能力，包括分布式并行算法（DMP）和共享内存式并行（SMP）。DMP不仅可用于结构分析，而且可用于流固耦合分析，支持含多材料欧拉域的FSI分析。目前，SOL700已经支持LSTC 真人大小50%的三代假人模型。SOL700广泛应用在以下领域。

• 结构的适撞性分析，如汽车、飞机、火车、轮船等运输工具的碰撞分析、船体搁浅、鸟体撞击飞机结构、航空发动机包容性分析等；
  

• 安全防护分析，如安全头盔设计、安全气袋膨胀分析以及汽车-安全气囊-人体三者结合在汽车碰撞过程中的响应，飞行器安全性分析（飞行器坠毁、带气囊着陆等）；
  

• 跌落试验，如各种物体（武器弹药、化工产品、仪器设备、电器如遥控器、手机、电视机等）的跌落过程仿真；
  

• 金属弹塑性大变形成形，如钣金冲压成形、全三维锻造成形等；
  

• 爆炸与冲击，如水下爆炸、地下爆炸、容器中爆炸对结构的影响及破坏、爆炸成形、爆炸分离、爆炸容器的设计优化分析、爆炸对建筑物等设施结构的破坏分析、聚能炸药的能量聚焦设计分析、战斗部结构的设计分析；
  

• 水下/空中弹体发射过程，火炮助推器模拟，动态仿真高速、超高速穿甲，如飞弹打击或穿透靶体(单个或复合靶体)及侵彻过程等问题；
  

• 流体动力分析，如液体、气体的流动分析、液体晃动分析，水上迫降；
  

• 轮胎在积水路面排水性和动平衡分析
  

• 高速列车运行系统动力学分析。高速列车穿隧道的冲击波响应，高速列车运行中引起的空气脉动力对声屏障结构的作用，车辆过桥的动态响应等及其它瞬态高速过程仿真。
  

案例演示
本文以下所述操作，都是在显式非线性工作区内进行。

本文选用一个钢球与一块柔性板发生碰撞的案例，演示如何使用SimXpert显式非线性工作区进行完整碰撞分析，内容包括前处理、分析、后处理。

2.1 案例说明
案例模型示意如下，平板为弹塑性材料并固定，钢球以一定230m/s向下撞击平板。

案例模型

模型的材料与初始条件数据

2.2 前处理设置
几何与单元属性的创建与结构工作区做分析相一致，这里不再赘述。由于SOL700不支持刚性体，所以在接触时只能将球和板都做成柔性体。对于球，我们要设置刚性材料（MATD020）从而实现刚性体的效果。设置界面如下：

为球创建刚性材料
对于板，我们选用分段线性塑性材料（MATD024， Piecewise linear plasticity）。设置方法如下：

为板创建弹塑性材料
板的固支边界条件设置同结构工作区，但球的初始速度，要单独作为边界条件设置。设置方法如下：

球的初始速度设置
输出请求在“Output Requests”里添加，用户自行处理，这里不再赘述。至此，整个分析任务创建完成。

2.3 分析参数设置
分析参数的设置，请参考显式非线性分析等参数设置。由于涉及内容较多，本文篇幅有限，不再详述。本例中除了总时间和增量步要求用户输入之外，其它可选用默认值。设置总时间和增量步是在“Load Case Control”，界面如下：

分析参数设置
对于显式非线性分析，增量步的选取对计算精度有较大影响。通常可以参考声波通过单元的时间设置增量步，即

其中C为此材料内的声速，L是最小单元边长。

2.4 BDF文件
BDF文件片断如下，


2.5结果后处理
SimXpert结果后处理截图如下：

0.00047978秒时，位移图与von Mises应力云图

0.0007秒时，位移图与von Mises应力云图

结论
本文向用户介绍了如何使用SimXpert与MSC.Nastran SOL 700做显式非线性分析。希望读者能够尝试使用SimXpert显式非线性工作区求解实际问题。