基于ANSYSLS-DYNA 的聚能射流仿真

基于ANSYS/LS-DYNA的聚能射流仿真作者：楊騰來源：《科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力》2014年第12期楊騰（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原030051）摘要：采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行了前處理建模，分析了聚能射流藥型罩的材料屬性，對網(wǎng)格進(jìn)行了劃分，加載了約束和初始條件定義，并對求解參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，通過LS-DYNA輸出K文件的生成和修改，對結(jié)果進(jìn)行后處理，得出了聚能射流仿真的結(jié)果。關(guān)鍵詞：ANSYS/LS-DYNA；聚能射流；仿真中圖分類號：TJ06文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.3969/j.issn.l674-9146.2014.12.041收稿日期：2014—08—20；修回日期：2014—11—20作者簡介：楊騰（1987-），男，山西五臺人，在讀碩士，主要從事彈載電磁脈沖技術(shù)研究，E-mail：616292598@。ANSYS/LS-DYNA是功能齊全的幾何非線性、材料非線性程序。它以Lagrange算法和顯式求解為主，以結(jié)構(gòu)分析和非線性動力分析為主，是一款軍用和民用相結(jié)合的通用結(jié)構(gòu)分析非線性有限元程序。筆者主要通過它來進(jìn)行聚能射流的仿真研究。1藥型罩的初始建模1.1啟動ANSYS/LS-DYNA非線性有限元軟件計(jì)算機(jī)中安裝完成ANSYS12.1后，在所有程序中找到MechanicalAPDLProductLauncher快捷方式，雙擊后彈出ANSYS12.1主界面，在SimulationEnvironment下拉菜單中選擇ANSYS,在License下拉菜單中選擇ANSYS/LS-DYNA模塊；在右上角Add-onModules下勾選LS-DYNA（-DYN），設(shè)置自己的工作路徑和工作名，需要注意的是工作路徑和工作名不能出現(xiàn)中文路徑。設(shè)置Preference選項(xiàng)選擇MainMenu>Preference命令，在彈出的PreferencesforGUIFiltering對話框中激活StructuralLS-DYNAExplicit按鈕。定義單元類型LS-DYNA選擇的單元有，LINK160桿單元；BEAM161梁單元；PLANE162平面實(shí)體單元；SH-ELL163殼單元；SOLID164實(shí)體單元；COMBIN165彈簧阻尼單元；MASS166質(zhì)量單元；LINK167僅拉伸單元；SOLID16810節(jié)點(diǎn)四面體單元。定義材料屬性

選擇MainMenu>Preprocessor>MaterialModels命令，彈出DefineMaterialModelBehavior對話框，在對話框中繼續(xù)選擇相應(yīng)的材料模型，輸入相關(guān)參數(shù)，確定材料屬性。炸藥材料選用高速爆燃模型和JWL狀態(tài)方程，高速爆燃模型使用燃燒函數(shù)F和狀態(tài)方程的乘積來控制模擬炸藥爆炸化學(xué)能的釋放過程。在任意時刻，炸藥單元內(nèi)的壓力為P=FPeos（V，E），式中，Peos是由狀態(tài)方程給出的壓力；V是相對體積；E是能量密度。燃燒函數(shù)F為其中，De為爆速；Vcj為Chapman-Jouguet比體積；tl為該單元的起爆時間，即單元中心到起爆點(diǎn)的距離與爆速的比值。藥型罩材料選擇Johnson-Cook強(qiáng)度模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程。Johnson-Cook模型中將材料的屈服強(qiáng)度表示為等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率和溫度的函數(shù)式中，A，B，C，n，m為材料常數(shù)；r為等效塑性應(yīng)變;為等效塑性應(yīng)變率；T*=(T-TO)/(Tm-TO)無量綱溫度,TO為室溫，Tm為材料熔點(diǎn)。定義損傷變量D=EAr/rf.當(dāng)D=1時材料出現(xiàn)斷裂。rf為等效斷裂塑性應(yīng)變，與材料的應(yīng)力三軸度、應(yīng)變率和溫度相關(guān)，Johnson和Cook提出的剪切損傷演化模型中將rf描述為其中，D1D5為材料常數(shù)；。*為應(yīng)力三軸度。構(gòu)建有限元模型ANSYS/LS-DYNA實(shí)體模型包括關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體。實(shí)體模型圖元從低階到高階建立的過程為關(guān)鍵點(diǎn)(Keypoint)一線(Line)—面(Area)—體(Volume)。首先創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，然后由關(guān)鍵點(diǎn)連成線，再由線生成面，形成射孔彈、空氣域以及靶體的平面模型，最后通過布爾掃掠生成藥筒的四分之一體模型。網(wǎng)格劃分基本網(wǎng)格劃分有兩種主要類型，自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格。自由網(wǎng)格無單元形狀限制，并且網(wǎng)格無固定的模式，因此易于生成而不需將復(fù)雜形狀的體分割為規(guī)則形狀的體，但同時會使單元數(shù)量變多，常用于復(fù)雜形狀的面和體網(wǎng)格劃分。映射網(wǎng)格通常會包含較少的單元數(shù)量，單元排列整齊，計(jì)算精度也高，但對單元的形狀有限制，一般僅適用于規(guī)則的面和體，如矩形和方塊。定義PART具有唯一的TYPE號、REAL號、MAT組合的一組單元定義為一個PART，PART是一種單元集,這些單元具有相同的材料、單元屬性和單元類型。從根本上講，PART的定義是通過材料、單元屬性和單元類型的標(biāo)志號來區(qū)別的，采用相同的材料模型，但材料模型標(biāo)志號可以不同。在ANSYS/LS-DYNA中，必須合理地定義PART，許多命令與PART號直接有關(guān)，如接觸界面定義、加載、阻尼、約束和邊界條件等。針對PART的操作主要通過PartDataWrittenforLS-DYNA對話框完成。定義接觸為了充分描述結(jié)構(gòu)在大變形接觸和動力撞擊中復(fù)雜幾何物體之間的相互作用，在ANSYN/LS-DYNA中有18種接觸類型可供選擇。在ANSYS/LS-DYNA程序中主要有3種基本接觸類型，單面接觸，節(jié)點(diǎn)—表面接觸，表面—表面接觸。加載、約束和初始條件定義施加方式可以參照以下操作，MainMenu>Select>entities，彈出Selectentities對話框，在兩個下拉菜單中分別選擇Areas和ByNum/Pick選項(xiàng)，點(diǎn)擊0K按鈕，選擇需要施加對稱面約束的面。點(diǎn)擊MainMenu>Plot>Areas，界面只顯示出剛剛選擇的面，繼續(xù)選擇MainMenu>Select>entities，再次彈出Selectentities對話框，在兩個下拉菜單中分別選擇Nodes和Attachedto選項(xiàng)并點(diǎn)選Areas，all和FromFull按鈕，完成后點(diǎn)擊OK按鈕。繼續(xù)點(diǎn)擊MainMenu>Solution>Constraints>OnNodes>PickAll，彈出ApplyU，ROTonNodes對話框.使用同樣的方式，對其余面定義無反射約束，全部完成后，前處理完成。2求解和過程控制求解參數(shù)設(shè)置當(dāng)模型建好之后（即完成單元、實(shí)常數(shù)、材料性質(zhì)定義及實(shí)體建模、有限元網(wǎng)格剖分），再定義接觸面，給定約束、載荷和初始條件，在開始求解之前，還要設(shè)置一些過程控制。求解過程控制主要有，一是基本的求解控制（計(jì)算終止時間、文件輸出時間間隔等）；二是輸出文件控制（二進(jìn)制輸入文件和格式化輸出文件）；三是質(zhì)量縮放；四是子循環(huán)；五是設(shè)定分析選項(xiàng)（CPU控制、沙漏控制、體積黏性控制、ALE算法控制、能量控制等）。需要注意的是ALE算法的選擇，LS-DYNA顯示動力學(xué)軟件提供Lagrange，Euler，ALE三種算法，各算法都有自己針對的解決問題對象。LS-DYNA輸出K文件的生成和修改當(dāng)建模、定義接觸、加載、求解設(shè)置各步完成后，執(zhí)行SOLVE命令就可以開始進(jìn)行求解，對應(yīng)的菜單操作為MainMenu>Solution>Solve。ANSYS/LS-DYNA程序?qū)⑦\(yùn)行以下幾步，一是將幾何特性寫入結(jié)果文件Jobname.RST,Jobname.HIS中；二是利用全部已有信息寫出LS-DYNA程序的輸入文件Jobname.K；三是控制權(quán)由ANSYS程序轉(zhuǎn)移給LS-DYNA程序。LS-DYNA970求解器運(yùn)行的結(jié)果寫入到結(jié)果文件Jobname.RST、Jobname.HIS中。如果在執(zhí)行SOLVE命令之前給定命令“EDOPT,ADD,BOTH”，則將同時寫出用于LS-DYNA后處理程序的結(jié)果文件（d3plot和d3thdt）。生成K文件的操作為MainMenu>Solution>WriteJobname.k，彈出InputfilestobeWrittenforLS-DYNA對話框。在Writeresultfor…下拉菜單下選擇LS-DYNA，在WriteInputfilesfor…對話框中輸入要生成的K文件名稱。求解結(jié)束后處理求解結(jié)束后得到的各種數(shù)據(jù)文件含義（見表1）。s1農(nóng)卿紅慮膽警社咼測丈件文町蘋成Jbbnaroidti謹(jǐn)別文f繪1R庠丈件Jbbnjme.闿旳數(shù)拯丈件Jsbnjms.A9CI［文ft輸出哎林Jbbnjnrfi.A9CI戊卄JbbnjY邑嶼CI復(fù)件鞭人敷規(guī)艾件D3dump二徙創(chuàng)戈桿淳形數(shù)腳丈件D3?Mt時罔所程文件ANSYS后處理。用戶可以通過ANSYS的兩種后處理器P0ST1和P0ST26來觀看ANSYS/LS-DYNA的計(jì)算結(jié)果。POST1用來查看整個模型在特定時間點(diǎn)的結(jié)果(包括動畫結(jié)果)；POST26用以查看模型中特定Component在一段時間內(nèi)大量時間點(diǎn)的結(jié)果。在顯示動態(tài)分析中，所查看的均為動畫結(jié)果和時間歷程結(jié)果。LS-PREPOST后處理。在ANSYS的安裝目錄下，選擇ANSYS\Bin\intel路徑，雙擊Lsprepost.exe可執(zhí)行文件，彈出LS-PREPOST軟件界面。LS-PREPOST提供功能強(qiáng)大，操作簡便，使用方便，常用的操作有，一是旋轉(zhuǎn)模型，Ctrl或Shift+鼠標(biāo)左鍵；二是縮放模型，Ctrl或Shift+鼠標(biāo)右鍵；三是平移模型，Ctrl或Shift+鼠標(biāo)中鍵。單擊主菜單區(qū)域的任何一個按鈕，會在主菜單區(qū)域下面的動態(tài)區(qū)域彈出相應(yīng)的功能操作界面，從而進(jìn)行操作。仿真過程見圖2、圖3。o.oeE-do*O.Q2JCO.OOTO.OTE0.1CKC.1.Z50.150(J2o.oeE-do*O.Q2JCO.OOTO.OTE0.1CKC.1.Z50.150(J2理他E面M中元上的不■敦更t+曲找|Hi建O.IC口一口工Q.OK0.07S3.100□.1^5-D.H50Vm-aHFS3紀(jì)悴解札丘上壓力曲鏡3結(jié)束語文章通過ANSYS/LS-DYNA對聚能射流的作用過程進(jìn)行了仿真，得到了靶體表面某單元上的有效塑性應(yīng)變曲線和靶體某單元上壓力曲線，較為