SimXpert中碰撞分析 1 概述 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。 l 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; l 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); l 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; l 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; l 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; l 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; l 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; l 轮胎在积水路面排水性和动平衡分析 l 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。 2 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 表1:模型的材料与初始条件数据
| | | 密度 | 112626 kg/m3 | 7850 kg/m3 | 弹性模量 | 211 GPa | 211 GPa | 屈服应力 | 400 MPa |
| 泊松比 | 0.3 | 0.3 | 最大塑性应变 | 50% |
| 初始速度 | | 230 m/s指向板 | 几何尺寸 | 板厚 0.005 m 长宽 0.3m * 0.3m | 半径 0.043 m |
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 3 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。 4 参考信息 适用版本:SimXpert 2012及以后版本
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