彈性力學(xué)仿真軟件：LS-DYNA：顯式動(dòng)力學(xué)分析理論

彈性力學(xué)仿真軟件：LS-DYNA：顯式動(dòng)力學(xué)分析理論1彈性力學(xué)仿真軟件：LS-DYNA：顯式動(dòng)力學(xué)分析理論1.1LS-DYNA軟件概述LS-DYNA是一款廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的高級(jí)非線性動(dòng)力學(xué)有限元分析軟件。它由LivermoreSoftwareTechnologyCorporation(LSTC)開發(fā)，特別擅長(zhǎng)處理復(fù)雜的顯式動(dòng)力學(xué)問題，如碰撞、爆炸、高速?zèng)_擊等。LS-DYNA的核心優(yōu)勢(shì)在于其強(qiáng)大的顯式求解器，能夠快速求解瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問題，同時(shí)支持多種單元類型和材料模型，以滿足不同工程需求。1.1.1顯式動(dòng)力學(xué)分析的特點(diǎn)時(shí)間步長(zhǎng)自動(dòng)控制：LS-DYNA根據(jù)網(wǎng)格尺寸和材料特性自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)，確保計(jì)算穩(wěn)定性。并行計(jì)算能力：軟件支持多核并行計(jì)算，能夠顯著縮短大型模型的分析時(shí)間。廣泛的材料模型：包括金屬、塑料、復(fù)合材料、混凝土、橡膠等，適用于各種工程材料的仿真。豐富的單元類型：如殼單元、實(shí)體單元、梁?jiǎn)卧?、接觸單元等，能夠精確模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)。后處理功能：提供詳細(xì)的輸出結(jié)果，包括應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度等，便于結(jié)果分析。1.2顯式動(dòng)力學(xué)分析的基本概念顯式動(dòng)力學(xué)分析是一種數(shù)值方法，用于求解瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問題，特別是那些涉及高速變形和短時(shí)間尺度的事件。與隱式動(dòng)力學(xué)分析不同，顯式動(dòng)力學(xué)分析不需要求解大型線性方程組，而是通過顯式時(shí)間積分直接推進(jìn)時(shí)間步長(zhǎng)，這使得它在處理非線性問題時(shí)更為高效。1.2.1時(shí)間積分方法顯式動(dòng)力學(xué)分析通常采用中心差分法進(jìn)行時(shí)間積分。這種方法基于牛頓第二定律，通過計(jì)算物體在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的加速度，進(jìn)而更新速度和位移。中心差分法的公式如下：a其中，a是加速度，v是速度，x是位移，F(xiàn)是作用力，m是質(zhì)量，Δt1.2.2材料模型在顯式動(dòng)力學(xué)分析中，材料模型是描述材料在高速變形下的行為的關(guān)鍵。LS-DYNA提供了多種材料模型，包括但不限于：Johnson-Cook模型：用于描述金屬在高溫和高速下的塑性行為。Gruneisen模型：用于模擬爆炸和沖擊波傳播。Elastic-Plastic模型：適用于一般金屬材料的塑性變形。1.2.3接觸算法接觸算法在顯式動(dòng)力學(xué)分析中至關(guān)重要，用于處理不同物體之間的接觸和碰撞。LS-DYNA支持多種接觸算法，如：Node-to-Surface接觸：節(jié)點(diǎn)與表面之間的接觸。Surface-to-Surface接觸：兩個(gè)表面之間的接觸。1.2.4示例：使用LS-DYNA進(jìn)行簡(jiǎn)單的碰撞分析假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的碰撞問題，一個(gè)質(zhì)量為1kg的物體以10m/s的速度撞擊一個(gè)固定壁。我們將使用LS-DYNA的顯式動(dòng)力學(xué)分析功能來模擬這一過程。1.2.4.1輸入文件示例*KEYWORD

*PARAMETER

m=1.0

v=10.0

*PART

*PART,ID=1,TYPE=CONTINUUM_SOLID

*NODE

1,0.0,0.0,0.0

2,0.1,0.0,0.0

*ELEMENT_SOLID

1,1,2,1

*MATERIAL_ELASTIC

1,7800.0,210000.0,0.3

*SECTION_SOLID

ALL,1,1

*INITIAL_VELOCITY

1,1,0.0,0.0,v

*BOUNDARY

1,1,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0

*CONTACT_PAIR

1,1,2,1

*END1.2.4.2解釋*PARAMETER：定義參數(shù)，如物體的質(zhì)量和初始速度。*PART：定義零件，包括類型和ID。*NODE：定義節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。*ELEMENT_SOLID：定義固體單元，連接節(jié)點(diǎn)形成元素。*MATERIAL_ELASTIC：定義材料屬性，如密度、楊氏模量和泊松比。*SECTION_SOLID：將材料屬性應(yīng)用到所有元素。*INITIAL_VELOCITY：設(shè)置初始速度。*BOUNDARY：設(shè)置邊界條件，固定壁的位移為零。*CONTACT_PAIR：定義接觸對(duì)，確保物體與壁之間的正確接觸。1.2.4.3運(yùn)行和后處理運(yùn)行LS-DYNA分析后，可以使用后處理工具如DYNA3D或HyperView來查看結(jié)果，包括位移、速度和應(yīng)力等。通過上述示例，我們可以看到LS-DYNA在顯式動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用，以及如何通過定義材料模型、單元類型和接觸算法來模擬復(fù)雜的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問題。2安裝與配置2.1LS-DYNA的安裝步驟在開始安裝LS-DYNA之前，確保你的系統(tǒng)滿足軟件的最低硬件和軟件要求。LS-DYNA是一款高性能的有限元分析軟件，主要用于解決復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)問題。下面的步驟將指導(dǎo)你完成LS-DNA的基本安裝過程：下載安裝包：訪問LS-DYNA官方網(wǎng)站或通過授權(quán)的渠道獲取最新版本的安裝包。確認(rèn)下載的文件與你的操作系統(tǒng)兼容（Windows,Linux,macOS等）。解壓安裝包：使用解壓縮軟件（如WinRAR,7-Zip等）解壓下載的安裝包到一個(gè)指定的目錄。運(yùn)行安裝程序：根據(jù)操作系統(tǒng)的不同，找到相應(yīng)的安裝程序（如lsdyna_win64.exe或lsdyna_linux64.sh）并運(yùn)行。遵循安裝向?qū)У奶崾?，選擇安裝路徑和組件。許可配置：LS-DYNA需要一個(gè)許可文件來運(yùn)行。通常，許可文件由你的LS-DYNA供應(yīng)商提供。將許可文件（如lsdyna.lic）放置在安裝目錄下的licenses文件夾中。確保許可服務(wù)器的地址和端口在許可文件中正確配置。環(huán)境變量的設(shè)置：安裝完成后，需要設(shè)置環(huán)境變量以確保LS-DYNA能夠正確運(yùn)行。在Windows系統(tǒng)中，可以通過“系統(tǒng)屬性”>“高級(jí)”>“環(huán)境變量”來設(shè)置。在Linux系統(tǒng)中，可以通過編輯~/.bashrc或/etc/environment文件來設(shè)置。2.2環(huán)境變量的設(shè)置2.2.1Windows系統(tǒng)在Windows系統(tǒng)中，需要設(shè)置以下環(huán)境變量：LS_DYNA_DIR：指向LS-DYNA的安裝目錄。LS_DYNA_LICENSE_FILE：指向許可文件的路徑。LS_DYNA_LICENSE_SERVER：許可服務(wù)器的地址和端口。2.2.1.1示例打開“系統(tǒng)屬性”>“高級(jí)”>“環(huán)境變量”，在“用戶變量”或“系統(tǒng)變量”中添加或修改變量：變量名:LS_DYNA_DIR

變量值:C:\ProgramFiles\LS-DYNA

變量名:LS_DYNA_LICENSE_FILE

變量值:C:\ProgramFiles\LS-DYNA\licenses\lsdyna.lic

變量名:LS_DYNA_LICENSE_SERVER

變量值:192.168.1.100:270002.2.2Linux系統(tǒng)在Linux系統(tǒng)中，環(huán)境變量的設(shè)置通常在用戶的.bashrc文件中完成。2.2.2.1示例編輯~/.bashrc文件，添加以下行：#LS-DYNAenvironmentvariables

exportLS_DYNA_DIR=/opt/ls-dyna

exportLS_DYNA_LICENSE_FILE=/opt/ls-dyna/licenses/lsdyna.lic

exportLS_DYNA_LICENSE_SERVER=192.168.1.100:27000保存文件后，運(yùn)行以下命令使更改生效：source~/.bashrc2.2.3驗(yàn)證安裝完成上述步驟后，可以通過運(yùn)行LS-DYNA的命令行版本來驗(yàn)證安裝是否成功。在Windows中，這通常通過命令lsprepost或lsdyna在命令提示符中實(shí)現(xiàn)；在Linux中，通過lsprepost或lsdyna在終端中實(shí)現(xiàn)。2.2.3.1示例在Windows命令提示符中輸入：C:\>lsdyna在Linux終端中輸入：$lsdyna如果安裝和配置正確，LS-DYNA將啟動(dòng)并顯示其歡迎界面和版本信息。這表明你已經(jīng)成功完成了LS-DYNA的安裝和配置過程。3彈性力學(xué)仿真軟件：LS-DYNA前處理基礎(chǔ)3.1幾何模型的創(chuàng)建在進(jìn)行任何仿真分析之前，創(chuàng)建一個(gè)準(zhǔn)確的幾何模型是至關(guān)重要的第一步。LS-DYNA提供了多種方法來導(dǎo)入和創(chuàng)建幾何模型，包括直接在軟件中構(gòu)建模型、從CAD軟件導(dǎo)入模型，以及使用中性文件格式如IGES、STEP等。3.1.1直接構(gòu)建模型LS-DYNA允許用戶直接在軟件環(huán)境中構(gòu)建簡(jiǎn)單的幾何形狀，如立方體、圓柱、球體等。這通常用于小規(guī)?；蚶硐牖哪Ｐ?。3.1.2從CAD軟件導(dǎo)入對(duì)于復(fù)雜幾何，通常從專業(yè)的CAD軟件如SolidWorks、CATIA、NX等導(dǎo)入模型。LS-DYNA支持多種CAD文件格式，確保模型的準(zhǔn)確性和完整性。3.1.3使用中性文件格式當(dāng)CAD軟件不直接支持LS-DYNA時(shí)，可以使用中性文件格式如IGES、STEP進(jìn)行模型的轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入。這些格式可以跨多個(gè)CAD系統(tǒng)使用，提高了模型的兼容性。3.2材料屬性的定義材料屬性的定義直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。LS-DYNA支持多種材料模型，包括但不限于彈性、塑性、復(fù)合材料等。3.2.1彈性材料模型對(duì)于彈性材料，需要定義彈性模量（E）和泊松比（ν）。例如，在LS-DYNA中定義一個(gè)彈性材料：*MAT_ELASTIC

1,0.3,3.0e11這里，1是材料ID，0.3是泊松比，3.0e11是彈性模量。3.2.2塑性材料模型塑性材料模型需要定義材料的屈服強(qiáng)度、硬化行為等。例如，定義一個(gè)塑性材料：*MAT_PLASTIC_KINEMATIC

1,0.3,3.0e11,3.0e9,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0這里，3.0e9是初始屈服強(qiáng)度，后續(xù)的零值代表硬化參數(shù)。3.3邊界條件與載荷的應(yīng)用邊界條件和載荷的正確應(yīng)用是確保仿真結(jié)果反映真實(shí)物理現(xiàn)象的關(guān)鍵。3.3.1邊界條件邊界條件可以是固定約束、滑動(dòng)約束、周期性邊界等。例如，固定一個(gè)節(jié)點(diǎn)：*BOUNDARY_SPC

1,1,1,1,1,1這里，1是節(jié)點(diǎn)ID，六個(gè)1分別代表在三個(gè)方向上的位移和旋轉(zhuǎn)約束。3.3.2載荷載荷可以是力、壓力、溫度載荷等。例如，應(yīng)用一個(gè)力載荷：*LOAD_CENTRIFUGAL

1,1,0.0,0.0,1.0,0.0,0.0,0.0,1000.0這里，1是材料ID，1000.0是力的大小，其余參數(shù)定義力的方向和作用點(diǎn)。3.4示例：創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的彈性立方體模型假設(shè)我們想要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的彈性立方體模型，尺寸為1mx1mx1m，材料為鋼，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。我們首先定義材料屬性：*MAT_ELASTIC

1,0.3,2.0e11然后，創(chuàng)建立方體模型：*PART_BOX

1,1,0.0,0.0,0.0,1.0,1.0,1.0這里，1是材料ID，立方體的尺寸定義為從(0.0,0.0,0.0)到(1.0,1.0,1.0)。接下來，我們固定立方體底部的節(jié)點(diǎn)：*BOUNDARY_SPC

101,1,1,1,1,1假設(shè)101是底部節(jié)點(diǎn)的ID。最后，我們對(duì)立方體頂部施加一個(gè)垂直向下的力：*LOAD_CENTRIFUGAL

1,1,0.0,0.0,-1.0,0.0,0.0,0.0,1000.0這里，我們使用了*LOAD_CENTRIFUGAL來模擬力的作用，實(shí)際上可能需要使用*LOAD_FORCE或其他更合適的載荷類型。通過以上步驟，我們創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的彈性立方體模型，并定義了材料屬性、邊界條件和載荷，為后續(xù)的顯式動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。4顯式時(shí)間積分方法顯式時(shí)間積分方法是LS-DYNA中用于解決動(dòng)力學(xué)問題的核心技術(shù)之一。這種方法基于時(shí)間步長(zhǎng)的顯式計(jì)算，無需求解大型線性方程組，因此在處理瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問題時(shí)特別高效。顯式方法的關(guān)鍵在于其穩(wěn)定性條件，即時(shí)間步長(zhǎng)必須足夠小以確保數(shù)值解的穩(wěn)定性，這通常由波速和網(wǎng)格尺寸決定。4.1原理在顯式時(shí)間積分中，狀態(tài)變量（如位移、速度和加速度）在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)上直接更新，而無需迭代求解。這種方法依賴于質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的顯式關(guān)系，其中質(zhì)量矩陣通常被假設(shè)為對(duì)角矩陣，簡(jiǎn)化了計(jì)算過程。顯式時(shí)間積分的穩(wěn)定性條件，即CFL條件（Courant-Friedrichs-Lewy條件），確保了數(shù)值解不會(huì)發(fā)散。4.2示例假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，可以使用顯式時(shí)間積分方法來求解其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。下面是一個(gè)使用Python實(shí)現(xiàn)的示例代碼：importnumpyasnp

#系統(tǒng)參數(shù)

mass=1.0#質(zhì)量

stiffness=10.0#彈簧剛度

damping=0.1#阻尼系數(shù)

initial_displacement=1.0#初始位移

initial_velocity=0.0#初始速度

time_step=0.01#時(shí)間步長(zhǎng)

total_time=1.0#總時(shí)間

#初始化狀態(tài)向量

displacement=initial_displacement

velocity=initial_velocity

#顯式時(shí)間積分

fortimeinnp.arange(0,total_time,time_step):

#計(jì)算加速度

acceleration=(-stiffness*displacement-damping*velocity)/mass

#更新速度

velocity+=acceleration*time_step

#更新位移

displacement+=velocity*time_step

#打印當(dāng)前狀態(tài)

print(f"Time:{time:.2f},Displacement:{displacement:.2f},Velocity:{velocity:.2f}")4.2.1解釋此代碼模擬了一個(gè)彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)在時(shí)間上的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。系統(tǒng)由一個(gè)質(zhì)量、一個(gè)彈簧和一個(gè)阻尼器組成，初始條件為非零位移和零速度。通過顯式時(shí)間積分，我們計(jì)算了每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)上的加速度，然后更新了速度和位移。這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到總時(shí)間。5有限元方法在LS-DYNA中的應(yīng)用LS-DYNA使用有限元方法（FEM）來模擬結(jié)構(gòu)的變形和破壞。FEM將復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解為許多小的、簡(jiǎn)單的單元，每個(gè)單元的力學(xué)行為可以通過解析解來描述。這些單元的組合提供了整個(gè)結(jié)構(gòu)的近似解。在LS-DYNA中，F(xiàn)EM特別適用于處理非線性材料行為、大變形和接觸問題。5.1原理有限元方法基于將連續(xù)體離散化為有限數(shù)量的單元，每個(gè)單元由節(jié)點(diǎn)連接。在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，LS-DYNA計(jì)算單元上的應(yīng)力和應(yīng)變，然后更新節(jié)點(diǎn)的位移。這種方法允許軟件處理復(fù)雜的幾何形狀和材料屬性，同時(shí)保持計(jì)算效率。5.2示例在LS-DYNA中，定義一個(gè)簡(jiǎn)單的梁?jiǎn)卧梢允褂靡韵螺斎胛募袷剑?KEYWORD

*PART

1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0

*NODE

1,0.0,0.0,0.0

2,1.0,0.0,0.0

*ELEMENT_BEAM

1,1,2,1

*MATERIAL_ELASTIC

1,200000.0,0.3

*END5.2.1解釋這個(gè)輸入文件定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的梁?jiǎn)卧蓛蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)組成。*PART關(guān)鍵字定義了零件的屬性，*NODE關(guān)鍵字定義了節(jié)點(diǎn)的位置，而*ELEMENT_BEAM關(guān)鍵字定義了梁?jiǎn)卧倪B接。*MATERIAL_ELASTIC關(guān)鍵字指定了材料的彈性屬性，包括楊氏模量和泊松比。LS-DYNA將使用這些信息來計(jì)算梁?jiǎn)卧谑芰η闆r下的響應(yīng)。6接觸算法與碰撞檢測(cè)LS-DYNA中的接觸算法用于處理不同物體之間的相互作用，包括碰撞、摩擦和粘附。這些算法確保了在接觸面上的力和位移的連續(xù)性，從而提供了更準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模擬。6.1原理接觸算法基于檢測(cè)和解決物體之間的重疊。當(dāng)檢測(cè)到重疊時(shí)，LS-DYNA會(huì)計(jì)算接觸力，并將其應(yīng)用于相應(yīng)的物體上，以更新其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。接觸算法可以處理各種接觸類型，包括剛體接觸、柔性體接觸和自接觸。6.2示例在LS-DYNA中，定義兩個(gè)物體之間的接觸可以使用以下輸入文件格式：*KEYWORD

*PART

1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0

2,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0

*NODE

1,0.0,0.0,0.0

2,1.0,0.0,0.0

3,0.0,1.0,0.0

4,1.0,1.0,0.0

*ELEMENT_SOLID

1,1,2,3,4

*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE

1,2,1,1,1,1,0.3,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0

*END6.2.1解釋這個(gè)輸入文件定義了兩個(gè)物體，每個(gè)物體由四個(gè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)四面體單元組成。*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE關(guān)鍵字用于定義物體之間的接觸，其中第一個(gè)參數(shù)是接觸物體的ID，第二個(gè)參數(shù)是被接觸物體的ID。接觸算法將檢測(cè)這兩個(gè)物體之間的碰撞，并根據(jù)定義的摩擦系數(shù)（0.3）來計(jì)算接觸力。以上示例和解釋展示了LS-DYNA中顯式時(shí)間積分方法、有限元方法和接觸算法的基本應(yīng)用。通過這些技術(shù)，LS-DYNA能夠提供高度精確和詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果。7LS-DYNA輸入文件詳解7.1關(guān)鍵字的使用在LS-DYNA中，關(guān)鍵字是定義模型屬性、材料、邊界條件、載荷等的核心元素。每個(gè)關(guān)鍵字都有特定的格式和參數(shù)，用于控制軟件的計(jì)算行為。關(guān)鍵字通常以*開頭，后跟關(guān)鍵字名稱，參數(shù)則在關(guān)鍵字后列出。7.1.1示例：定義材料屬性*MAT_ELASTIC

1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,

#后處理與結(jié)果分析

##結(jié)果文件的讀取

在進(jìn)行彈性力學(xué)仿真后，LS-DYNA生成的結(jié)果文件是分析和理解模擬過程的關(guān)鍵。這些文件通常包括二進(jìn)制的`.d3plot`文件，以及文本格式的`.dat`文件，它們包含了仿真過程中的各種數(shù)據(jù)，如位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。

###讀取`.d3plot`文件

LS-DYNA的`.d3plot`文件是一種二進(jìn)制格式，直接讀取需要特定的工具或庫。例如，使用Python的`d3plot`庫可以讀取這些文件：

```python

#導(dǎo)入必要的庫

importd3plot

#讀取d3plot文件

d3=d3plot.D3plot('example.d3plot')

#獲取時(shí)間步信息

time_steps=d3.time_steps

#獲取特定時(shí)間步的位移數(shù)據(jù)

displacements=d3.get_displacements(time_step=10)

#打印位移數(shù)據(jù)

print(displacements)7.1.2讀取.dat文件.dat文件是文本格式，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的文本處理工具或Python的pandas庫來讀取和處理：#導(dǎo)入pandas庫

importpandasaspd

#讀取dat文件

data=pd.read_csv('example.dat',sep='\s+',skiprows=1)

#查看數(shù)據(jù)的前幾行

print(data.head())7.2可視化工具的使用可視化是理解仿真結(jié)果的重要手段。LS-DYNA的結(jié)果可以通過多種可視化工具進(jìn)行展示，如ParaView、Abaqus/CAE或Python的matplotlib和mayavi庫。7.2.1使用matplotlib進(jìn)行二維可視化matplotlib是Python中廣泛使用的二維繪圖庫，可以用來展示仿真結(jié)果中的時(shí)間序列數(shù)據(jù)：#導(dǎo)入matplotlib庫

importmatplotlib.pyplotasplt

#假設(shè)我們有從dat文件讀取的位移數(shù)據(jù)

displacement_data=data['displacement']

#創(chuàng)建時(shí)間序列圖

plt.plot(time_steps,displacement_data)

plt.xlabel('時(shí)間(s)')

plt.ylabel('位移(m)')

plt.title('位移隨時(shí)間變化')

plt.show()7.2.2使用mayavi進(jìn)行三維可視化對(duì)于三維數(shù)據(jù)，如從.d3plot文件讀取的網(wǎng)格和位移，mayavi提供了強(qiáng)大的可視化功能：#導(dǎo)入mayavi庫

frommayaviimportmlab

#假設(shè)我們有從d3plot文件讀取的網(wǎng)格和位移數(shù)據(jù)

mesh=d3.get_mesh(time_step=10)

displacements=d3.get_displacements(time_step=10)

#創(chuàng)建三維可視化

mlab.triangular_mesh(mesh[:,0],mesh[:,1],mesh[:,2],

displacements,colormap='coolwarm')

mlab.colorbar(title='位移',orientation='vertical')

mlab.show()7.3數(shù)據(jù)分析與解釋數(shù)據(jù)分析是后處理的重要組成部分，它幫助我們理解仿真結(jié)果的物理意義。7.3.1位移分析位移數(shù)據(jù)可以用來分析結(jié)構(gòu)的變形情況。例如，計(jì)算最大位移：#計(jì)算最大位移

max_displacement=max(displacement_data)

print(f'最大位移為:{max_displacement}m')7.3.2應(yīng)力應(yīng)變分析應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)可以用來評(píng)估材料的性能。例如，計(jì)算平均應(yīng)力：#假設(shè)我們有從dat文件讀取的應(yīng)力數(shù)據(jù)

stress_data=data['stress']

#計(jì)算平均應(yīng)力

average_stress=stress_data.mean()

print(f'平均應(yīng)力為:{average_stress}Pa')7.3.3結(jié)果解釋解釋仿真結(jié)果時(shí)，需要將數(shù)據(jù)與理論模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。例如，檢查仿真結(jié)果是否符合預(yù)期的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：#假設(shè)我們有理論的應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)

theoretical_stress_strain=pd.read_csv('theoretical_stress_strain.dat',sep='\s+')

#比較仿真結(jié)果與理論曲線

plt.plot(theoretical_stress_strain['strain'],theoretical_stress_strain['stress'],label='理論曲線')

plt.scatter(data['strain'],data['stress'],label='仿真結(jié)果',color='red')

plt.xlabel('應(yīng)變')

plt.ylabel('應(yīng)力')

plt.legend()

plt.show()通過上述步驟，我們可以有效地讀取、可視化和分析LS-DYNA的仿真結(jié)果，從而深入理解彈性力學(xué)問題的解決方案。8高級(jí)應(yīng)用8.1多物理場(chǎng)耦合分析多物理場(chǎng)耦合分析在LS-DYNA中是一個(gè)強(qiáng)大的功能，它允許用戶模擬不同物理現(xiàn)象之間的相互作用，如結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與流體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)與電磁學(xué)等。這種分析對(duì)于理解復(fù)雜系統(tǒng)的行為至關(guān)重要，特別是在航空航天、汽車和能源行業(yè)。8.1.1原理多物理場(chǎng)耦合分析基于物理定律的耦合，例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)與流體相互作用時(shí)，流體動(dòng)力學(xué)方程和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程必須同時(shí)求解，以準(zhǔn)確反映流體對(duì)結(jié)構(gòu)的影響以及結(jié)構(gòu)對(duì)流體的反作用。LS-DYNA通過使用先進(jìn)的算法和并行計(jì)算技術(shù)，能夠高效地處理這些耦合問題。8.1.2內(nèi)容在LS-DYNA中，多物理場(chǎng)耦合分析通常涉及以下步驟：定義物理場(chǎng)：首先，需要定義每個(gè)物理場(chǎng)的屬性，如材料屬性、邊界條件和初始條件。設(shè)置耦合條件：然后，設(shè)置物理場(chǎng)之間的耦合條件，例如，流體壓力如何作用于結(jié)構(gòu)表面，或者結(jié)構(gòu)變形如何影響流體流動(dòng)。求解和迭代：LS-DYNA會(huì)自動(dòng)求解每個(gè)物理場(chǎng)的方程，并在必要時(shí)進(jìn)行迭代，直到達(dá)到收斂。后處理和結(jié)果分析：最后，通過后處理工具分析耦合分析的結(jié)果，以理解物理現(xiàn)象之間的相互作用。8.1.3示例假設(shè)我們正在分析一個(gè)水下爆炸對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)的影響。這里，我們使用LS-DYNA的流固耦合功能。#LS-DYNA輸入文件示例

*KEYWORD

*CONTROL_COUPLING

*DEFINE_COUPLING

*DEFINE_COUPLING_SURFACE,TYPE=FLUID,ID=1

*DEFINE_COUPLING_SURFACE,TYPE=SOLID,ID=2

*DEFINE_COUPLING_SURFACE_INTERACTION,TYPE=FLUID_STRUCTURE,SURF1=1,SURF2=2

*DEFINE_COUPLING_SURFACE_INTERACTION,TYPE=STRUCTURE_FLUID,SURF1=2,SURF2=1

*DEFINE_COUPLING_SURFACE_INTERACTION,TYPE=STRUCTURE_STRUCTURE,SURF1=2,SURF2=2

*DEFINE_COUPLING_SURFACE_INTERACTION,TYPE=FLUID_FLUID,SURF1=1,SURF2=1

*DEFINE_COUPLING_SURFACE_INTERACTION,TYPE=FLUID_STRUCTURE,SURF1=1,SURF2=2,COUPLING=1

*DEFINE_COUPLING_SURFACE_INTERACTION,TYPE=STRUCTURE_FLUID,SURF1=2,SURF2=1,COUPLING=1

*DEFINE_COUPLING_SURFACE_INTERACTION,TYPE=STRUCTURE_STRUCTURE,SURF1=2,SURF2=2,COUPLING=2

*DEFINE_COUPLING_SURFACE_INTERACTION,TYPE=FLUID_FLUID,SURF1=1,SURF2=1,COUPLING=2

*DEFINE_COUPLING_SURFACE_INTERACTION,TYPE=FLUID_STRUCTURE,SURF1=1,SURF2=2,COUPLING=3

*DEFINE_COUPLING_SURFACE_INTERACTION,TYPE=STRUCTURE_FLUID,SURF1=2,SURF2=1,COUPLING=3

*DEFINE_COUPLING_SURFACE_INTERACTION,TYPE=STRUCTURE_STRUCTURE,SURF1=2,SURF2=2,COUPLING=4

*DEFINE_COUPLING_SURFACE_INTERACTION,TYPE=FLUID_FLUID,SURF1=1,SURF2=1,COUPLING=4

*END在這個(gè)例子中，我們定義了流體和固體表面，并設(shè)置了它們之間的耦合條件。通過調(diào)整耦合類型和參數(shù)，可以模擬水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)的影響。8.2非線性動(dòng)力學(xué)問題的處理非線性動(dòng)力學(xué)問題在工程分析中普遍存在，特別是在涉及大變形、材料非線性、接觸和碰撞等情況下。LS-DYNA提供了多種方法來處理這些非線性問題，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。8.2.1原理非線性動(dòng)力學(xué)問題的處理基于非線性方程的求解。LS-DYNA使用隱式和顯式求解器，以及先進(jìn)的接觸算法，來處理材料的非線性行為、大變形和復(fù)雜的接觸條件。8.2.2內(nèi)容處理非線性動(dòng)力學(xué)問題時(shí)，LS-DYNA的用戶需要：選擇合適的求解器：根據(jù)問題的性質(zhì)選擇隱式或顯式求解器。定義材料模型：使用非線性材料模型，如Johnson-Cook模型，來描述材料在極端條件下的行為。設(shè)置接觸條件：定義接觸對(duì)，以模擬不同部件之間的相互作用?？刂魄蠼膺^程：設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)、迭代次數(shù)和收斂準(zhǔn)則，以確保求解過程的穩(wěn)定性和效率。8.2.3示例考慮一個(gè)金屬板在高速?zèng)_擊下的變形問題。這里，我們使用Johnson-Cook材料模型來描述金屬的非線性行為。#LS-DYNA輸入文件示例

*KEYWORD

*MATERIAL_JOHNSON_COOK,ID=1

*DEFINE_CURVE,ID=1

1.0,2.0,3.0,4.0,5.0

*DEFINE_CURVE,ID=2

0.1,0.2,0.3,0.4,0.5

*DEFINE_CURVE,ID=3

0.01,0.02,0.03,0.04,0.05

*DEFINE_CURVE,ID=4

0.001,0.002,0.003,0.004,0.005

*DEFINE_CURVE,ID=5

0.0001,0.0002,0.0003,0.0004,0.0005

*DEFINE_CURVE,ID=6

0.00001,0.00002,0.00003,0.00004,0.00005

*DEFINE_CURVE,ID=7

0.000001,0.000002,0.000003,0.000004,0.000005

*DEFINE_CURVE,ID=8

0.0000001,0.0000002,0.0000003,0.0000004,0.0000005

*DEFINE_CURVE,ID=9

0.00000001,0.00000002,0.00000003,0.00000004,0.00000005

*DEFINE_CURVE,ID=10

0.000000001,0.000000002,0.000000003,0.000000004,0.000000005

*DEFINE_CURVE,ID=11

0.0000000001,0.0000000002,0.0000000003,0.0000000004,0.0000000005

*DEFINE_CURVE,ID=12

0.00000000001,0.00000000002,0.00000000003,0.00000000004,0.00000000005

*DEFINE_CURVE,ID=13

0.000000000001,0.000000000002,0.000000000003,0.000000000004,0.000000000005

*DEFINE_CURVE,ID=14

0.0000000000001,0.0000000000002,0.0000000000003,0.0000000000004,0.0000000000005

*DEFINE_CURVE,ID=15

0.00000000000001,0.00000000000002,0.00000000000003,0.00000000000004,0.00000000000005

*DEFINE_CURVE,ID=16

0.000000000000001,0.000000000000002,0.000000000000003,0.000000000000004,0.000000000000005

*DEFINE_CURVE,ID=17

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*DEFINE_CURVE,ID=18

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*DEFINE_CURVE,ID=19

0.000000000000000001,0.000000000000000002,0.000000000000000003,0.000000000000000004,0.000000000000000005

*DEFINE_CURVE,ID=20

0.0000000000000000001,0.0000000000000000002,0.0000000000000000003,0.0000000000000000004,0.0000000000000000005

*END在這個(gè)例子中，我們定義了Johnson-Cook材料模型所需的多個(gè)曲線，這些曲線描述了材料的強(qiáng)度、塑性、溫度和應(yīng)變率依賴性。8.3并行計(jì)算與優(yōu)化并行計(jì)算是提高LS-DYNA仿真效率的關(guān)鍵技術(shù)，特別是在處理大規(guī)模模型和復(fù)雜問題時(shí)。通過利用多核處理器和分布式計(jì)算資源，可以顯著減少計(jì)算時(shí)間。8.3.1原理并行計(jì)算基于將計(jì)算任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)，這些子任務(wù)可以同時(shí)在不同的處理器上執(zhí)行。LS-DYNA使用消息傳遞接口(MPI)和共享內(nèi)存并行技術(shù)，如OpenMP，來實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。8.3.2內(nèi)容并行計(jì)算在LS-DYNA中的應(yīng)用包括：模型劃分：將模型劃分為多個(gè)部分，每個(gè)部分可以在不同的處理器上計(jì)算。數(shù)據(jù)分布：確保數(shù)據(jù)在處理器之間均勻分布，以避免計(jì)算瓶頸。并行算法：使用并行算法，如并行求解器和并行接觸檢測(cè)，來加速計(jì)算過程。優(yōu)化設(shè)置：調(diào)整并行設(shè)置，如處理器數(shù)量和通信策略，以優(yōu)化計(jì)算效率。8.3.3示例假設(shè)我們正在分析一個(gè)大型汽車碰撞模型，為了減少計(jì)算時(shí)間，我們使用并行計(jì)算。#LS-DYNA輸入文件示例

*KEYWORD

*CONTROL_MPI,NPROC=8

*CONTROL_PARALLEL,NPROC=8

*CONTROL_TIMESTEP,DTMAX=1e-6

*CONTROL_TIMESTEP,DTMIN=1e-9

*CONTROL_TIMESTEP,DTINIT=1e-7

*CONTROL_TIMESTEP,DTGROWTH=1.2

*CONTROL_TIMESTEP,DTDECAY=0.8

*CONTROL_TIMESTEP,DTMAXGROWTH=10

*CONTROL_TIMESTEP,DTMAXDECAY=5

*CONTROL_TIMESTEP,DTMAXCHANGE=1e-3

*CONTROL_TIMESTEP,DTMINCHANGE=1e-6

*CONTROL_TIMESTEP,DTMAXCHANGEFAC=0.1

*CONTROL_TIMESTEP,DTMINCHANGEFAC=0.01

*CONTROL_TIMESTEP,DTMAXCHANGEFAC2=0.05

*CONTROL_TIMESTEP,DTMINCHANGEFAC2=0.005

*CONTROL_TIMESTEP,DTMAXCHANGEFAC3=0.02

*CONTROL_TIMESTEP,DTMINCHANGEFAC3=0.002

*CONTROL_TIMESTEP,DTMAXCHANGEFAC4=0.01

*CONTROL_TIMESTEP,DTMINCHANGEFAC4=0.001

*CONTROL_TIMESTEP,DTMAXCHANGEFAC5=0.005

*CONTROL_TIMESTEP,DTMINCHANGEFAC5=0.0005

*CONTROL_TIMESTEP,DTMAXCHANGEFAC6=0.002

*CONTROL_TIMESTEP,DTMINCHANGEFAC6=0.0002

*CONTROL_TIMESTEP,DTMAXCHANGEFAC7=0.001

*CONTROL_TIMESTEP,DTMINCHANGEFAC7=0.0001

*CONTROL_TIMESTEP,DTMAXCHANGEFAC8=0.0005

*CONTROL_TIMESTEP,DTMINCHANGEFAC8=0.00005

*END在這個(gè)例子中，我們?cè)O(shè)置了MPI并行計(jì)算的參數(shù)，包括處理器數(shù)量和時(shí)間步長(zhǎng)控制，以優(yōu)化計(jì)算效率。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以找到最佳的并行計(jì)算配置，以適應(yīng)特定的硬件和模型大小。9案例研究9.1汽車碰撞仿真9.1.1原理與內(nèi)容汽車碰撞仿真利用LS-DYNA軟件的顯式動(dòng)力學(xué)分析功能，模擬車輛在不同碰撞條件下的響應(yīng)。此過程涉及多個(gè)物理現(xiàn)象的建模，包括但不限于材料非線性、接觸非線性、大變形和高速率效應(yīng)。LS-DYNA通過求解動(dòng)力學(xué)方程，預(yù)測(cè)碰撞過程中結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力分布、能量吸收等關(guān)鍵性能指標(biāo)，為汽車設(shè)計(jì)提供優(yōu)化依據(jù)。9.1.2示例假設(shè)我們正在模擬一輛汽車的正面碰撞，使用LS-DYNA進(jìn)行分析。以下是一個(gè)簡(jiǎn)化的輸入文件示例，展示了如何定義車輛模型、材料屬性、邊界條件和碰撞條件。```lsdynaKEYWORDPARTCOMPONENT_SHELL,ID=1,MAT=1,THICK=1.0NODE1,0.0,0.0,0.02,1.0,0.0,0.03,1.0,1.0,0.04,0.0,1.0,0.0ELEMENT_SHELL1,1,2,3,4MATERIAL_ELASTIC,ID=1,DENSITY=7.85e-9,ELASTIC_MODULUS=2.1e11,POISSON_RATIO=0.3BOUNDARY_SPC,ID=11,1,1,1INITIAL_VELOCITY,ID=10.0,0.0,-50.0*LOAD_DYNAMIC,TYPE=1,ID=11,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,