LS-DYNA时间步长

LS-DYNA时间步长

时间步长是除了单元平衡方程之外,显示动力学计算的最基础最重要理论公式

在显式方法中,时间步长通常非常小以保持数值稳定性,在LS-DYNA显式分析中最小时间步长由最小单元尺寸决定,因此在计算前要检查所有单元的尺寸,时间步长计算公式如下:

其中 △t 是时间步长, α 是时间步长缩放因子,L 是单元特征长度,c 是材料声速。

*CONTROL_TIMESTEP关键字用于控制求解时间步长,上述公式中的 α(时间步长缩放因子)就是对应关键字*CONTROL_TIMESTEP下的【TSSFAC】。在DYNA官方帮助文档中对 α 的解释为:计算稳定性的考虑,TSSFAC通常设置为0.90(默认值)或者更小。为了减少求解时间,我们希望使用更大的稳定的时间步长,但大于0.90的值通常会导致不稳定。【其他通常为0.67、0.6等】。

L 是单元的特征长度,查阅DYNA帮助文档可知,各种单元特征长度的计算方法如下:

【梁单元】

【壳单元】

【六面体单元】

【四面体单元】

c 为材料声速,查阅DYNA帮助文档可知,各种单元材料声速的计算方法

【梁单元】

【壳单元】

【体单元】

其中 E 为弹性模量,ρ 为密度,v 为泊松比。

通过以上公式,计算最小单元的时间步长:

假设某一个模型的最小单元尺寸是1mm(壳单元),密度为1,弹性模量为1,泊松比为0.3,时间步长缩放因子为0.9【TSSFAC=0.9】,那么该算例在LS-DYNA显示动力学分析中的时间步长为:(根号0.91乘以0.9等于0.8585452812752510842373594274209)

通过上述算例,可知当某一模型完成网格建模、材料赋予后,模型的时间步长则是一个确定值(模型中最小网格尺寸单元的时间步长为模型的时间步长),然而在复杂模型中不可避免的会有小部分网格尺寸远小于模型目标网格尺寸,导致时间步长偏小,计算效率慢。

为了适当的增大时间步长,而不影响计算精度,从以下公式可知,可以适当增大 c (材料声速)使时间步长增大,材料声速与弹性模量 E 、泊松比 v 、密度 ρ 有关,改变弹性模量、泊松比会影响计算的应力应变结果,这是仿真不被允许的,因此,只能适当增大密度使时间步长增大。

当前行业惯例常说DNYA求解质量增量小于系统总质量的5%,对于一些刚入行的新人,在进行简单模型分析(如单轴拉伸样条仿真)仍特意调整质量增量5%,是不合理的,在此对质量增量进行说明

1.最理想求解,除去刚体、治具等非系统部件,系统质量增量为0%

2.次理想求解,除去刚体、治具等非系统部件,系统中每个零部件的质量增量小于5%

3.次次理想求解,除去刚体、治具等非系统部件,系统质量增量小于5%,关键零部件质量质量小于5%

4.次次次理想求解,刚体+治具+系统质量增量小于5%,此时容易造成计算不稳定,计算结果异常等问题(错误做法,不可取)

来源——《TrueGrid 和 LS-DYNA动力学数值计算详解,作者辛春亮》

——一文读懂DYNA时间步长理论,深度解析质量缩放原理-技术邻 作者 李散元

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