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：杨腾来源：《科技创新与生产力》2014年第12期杨腾（中北大学机电工程学院，山西太原030051）摘要：采用ANSYS/LS-DYNA进行了前处理建模，分析了聚能射流药型罩的材料属性，对网格进行了划分，加载了约束和初始条件定义，并对求解参数进行了设置，通过LS-DYNA输出K文件的生成和修改，对结果进行后处理，得出了聚能射流仿真的结果。关键词：ANSYS/LS-DYNA；聚能射流；仿真中图分类号：TJ06文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.l674-9146.2014.12.041收稿日期：2014—08—20；修回日期：2014—11—20作者简介：杨腾（1987-），男，山西五台人，在读硕士，主要从事弹载电磁脉冲技术研究，E-mail：616292598@。ANSYS/LS-DYNA是功能齐全的几何非线性、材料非线性程序。它以Lagrange算法和显式求解为主，以结构分析和非线性动力分析为主，是一款军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。笔者主要通过它来进行聚能射流的仿真研究。1药型罩的初始建模1.1启动ANSYS/LS-DYNA非线性有限元软件计算机中安装完成ANSYS12.1后，在所有程序中找到MechanicalAPDLProductLauncher快捷方式，双击后弹出ANSYS12.1主界面，在SimulationEnvironment下拉菜单中选择ANSYS,在License下拉菜单中选择ANSYS/LS-DYNA模块；在右上角Add-onModules下勾选LS-DYNA（-DYN），设置自己的工作路径和工作名，需要注意的是工作路径和工作名不能出现中文路径。设置Preference选项选择MainMenu>Preference命令，在弹出的PreferencesforGUIFiltering对话框中激活StructuralLS-DYNAExplicit按钮。定义单元类型LS-DYNA选择的单元有，LINK160杆单元；BEAM161梁单元；PLANE162平面实体单元；SH-ELL163壳单元；SOLID164实体单元；COMBIN165弹簧阻尼单元；MASS166质量单元；LINK167仅拉伸单元；SOLID16810节点四面体单元。定义材料属性

选择MainMenu>Preprocessor>MaterialModels命令，弹出DefineMaterialModelBehavior对话框，在对话框中继续选择相应的材料模型，输入相关参数，确定材料属性。炸药材料选用高速爆燃模型和JWL状态方程，高速爆燃模型使用燃烧函数F和状态方程的乘积来控制模拟炸药爆炸化学能的释放过程。在任意时刻，炸药单元内的压力为P=FPeos（V，E），式中，Peos是由状态方程给出的压力；V是相对体积；E是能量密度。燃烧函数F为其中，De为爆速；Vcj为Chapman-Jouguet比体积；tl为该单元的起爆时间，即单元中心到起爆点的距离与爆速的比值。药型罩材料选择Johnson-Cook强度模型和GRUNEISEN状态方程。Johnson-Cook模型中将材料的屈服强度表示为等效应变、等效应变率和温度的函数式中，A，B，C，n，m为材料常数；r为等效塑性应变;为等效塑性应变率；T*=(T-TO)/(Tm-TO)无量纲温度,TO为室温，Tm为材料熔点。定义损伤变量D=EAr/rf.当D=1时材料出现断裂。rf为等效断裂塑性应变，与材料的应力三轴度、应变率和温度相关，Johnson和Cook提出的剪切损伤演化模型中将rf描述为其中，D1D5为材料常数；。*为应力三轴度。构建有限元模型ANSYS/LS-DYNA实体模型包括关键点、线、面、体。实体模型图元从低阶到高阶建立的过程为关键点(Keypoint)一线(Line)—面(Area)—体(Volume)。首先创建关键点，然后由关键点连成线，再由线生成面，形成射孔弹、空气域以及靶体的平面模型，最后通过布尔扫掠生成药筒的四分之一体模型。网格划分基本网格划分有两种主要类型，自由网格和映射网格。自由网格无单元形状限制，并且网格无固定的模式，因此易于生成而不需将复杂形状的体分割为规则形状的体，但同时会使单元数量变多，常用于复杂形状的面和体网格划分。映射网格通常会包含较少的单元数量，单元排列整齐，计算精度也高，但对单元的形状有限制，一般仅适用于规则的面和体，如矩形和方块。定义PART具有唯一的TYPE号、REAL号、MAT组合的一组单元定义为一个PART，PART是一种单元集,这些单元具有相同的材料、单元属性和单元类型。从根本上讲，PART的定义是通过材料、单元属性和单元类型的标志号来区别的，采用相同的材料模型，但材料模型标志号可以不同。在ANSYS/LS-DYNA中，必须合理地定义PART，许多命令与PART号直接有关，如接触界面定义、加载、阻尼、约束和边界条件等。针对PART的操作主要通过PartDataWrittenforLS-DYNA对话框完成。定义接触为了充分描述结构在大变形接触和动力撞击中复杂几何物体之间的相互作用，在ANSYN/LS-DYNA中有18种接触类型可供选择。在ANSYS/LS-DYNA程序中主要有3种基本接触类型，单面接触，节点—表面接触，表面—表面接触。加载、约束和初始条件定义施加方式可以参照以下操作，MainMenu>Select>entities，弹出Selectentities对话框，在两个下拉菜单中分别选择Areas和ByNum/Pick选项，点击0K按钮，选择需要施加对称面约束的面。点击MainMenu>Plot>Areas，界面只显示出刚刚选择的面，继续选择MainMenu>Select>entities，再次弹出Selectentities对话框，在两个下拉菜单中分别选择Nodes和Attachedto选项并点选Areas，all和FromFull按钮，完成后点击OK按钮。继续点击MainMenu>Solution>Constraints>OnNodes>PickAll，弹出ApplyU，ROTonNodes对话框.使用同样的方式，对其余面定义无反射约束，全部完成后，前处理完成。2求解和过程控制求解参数设置当模型建好之后（即完成单元、实常数、材料性质定义及实体建模、有限元网格剖分），再定义接触面，给定约束、载荷和初始条件，在开始求解之前，还要设置一些过程控制。求解过程控制主要有，一是基本的求解控制（计算终止时间、文件输出时间间隔等）；二是输出文件控制（二进制输入文件和格式化输出文件）；三是质量缩放；四是子循环；五是设定分析选项（CPU控制、沙漏控制、体积黏性控制、ALE算法控制、能量控制等）。需要注意的是ALE算法的选择，LS-DYNA显示动力学软件提供Lagrange，Euler，ALE三种算法，各算法都有自己针对的解决问题对象。LS-DYNA输出K文件的生成和修改当建模、定义接触、加载、求解设置各步完成后，执行SOLVE命令就可以开始进行求解，对应的菜单操作为MainMenu>Solution>Solve。ANSYS/LS-DYNA程序将运行以下几步，一是将几何特性写入结果文件Jobname.RST,Jobname.HIS中；二是利用全部已有信息写出LS-DYNA程序的输入文件Jobname.K；三是控制权由ANSYS程序转移给LS-DYNA程序。LS-DYNA970求解器运行的结果写入到结果文件Jobname.RST、Jobname.HIS中。如果在执行SOLVE命令之前给定命令“EDOPT,ADD,BOTH”，则将同时写出用于LS-DYNA后处理程序的结果文件（d3plot和d3thdt）。生成K文件的操作为MainMenu>Solution>WriteJobname.k，弹出InputfilestobeWrittenforLS-DYNA对话框。在Writeresultfor…下拉菜单下选择LS-DYNA，在WriteInputfilesfor…对话框中输入要生成的K文件名称。求解结束后处理求解结束后得到的各种数据文件含义（见表1）。s1农卿红虑胆警社咼测丈件文町苹成Jbbnaroidti谨別文f绘1R庠丈件Jbbnjme.闿旳数拯丈件Jsbnjms.A9CI［文ft输出哎林Jbbnjnrfi.A9CI戊卄JbbnjY邑屿CI復件鞭人敷规艾件D3dump二徙创戈杆淳形数脚丈件D3«Mt时罔所程文件ANSYS后处理。用户可以通过ANSYS的两种后处理器P0ST1和P0ST26来观看ANSYS/LS-DYNA的计算结果。POST1用来查看整个模型在特定时间点的结果(包括动画结果)；POST26用以查看模型中特定Component在一段时间内大量时间点的结果。在显示动态分析中，所查看的均为动画结果和时间历程结果。LS-PREPOST后处理。在ANSYS的安装目录下，选择ANSYS\Bin\intel路径，双击Lsprepost.exe可执行文件，弹出LS-PREPOST软件界面。LS-PREPOST提供功能强大，操作简便，使用方便，常用的操作有，一是旋转模型，Ctrl或Shift+鼠标左键；二是缩放模型，Ctrl或Shift+鼠标右键；三是平移模型，Ctrl或Shift+鼠标中键。单击主菜单区域的任何一个按钮，会在主菜单区域下面的动态区域弹出相应的功能操作界面，从而进行操作。仿真过程见图2、图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紀悴解札丘上压力曲鏡3结束语文章通过ANSYS/LS-DYNA对聚能射流的作用过程进行了仿真，得到了靶体表面某单元上的有效塑性应变曲线和靶体某单元上压力曲线，较为