动态分析软件：LS-DYNA_（16）.LS-DYNA在爆炸与冲击分析中的应用

LS-DYNA在爆炸与冲击分析中的应用

引言

爆炸与冲击分析是动态分析软件LS-DYNA中的一个重要应用领域。这些分析通常用于军事、航空航天、汽车安全和土木工程等多个行业，以评估结构在极端动态载荷下的响应。本节将详细介绍如何使用LS-DYNA进行爆炸与冲击分析，包括模型的建立、加载条件的设置、材料模型的选择以及结果的后处理。

模型建立

几何模型

在LS-DYNA中，几何模型的建立是仿真的第一步。可以使用多种几何建模工具，如LS-PrePost、HyperMesh等，来创建复杂的几何模型。几何模型的准确性直接影响到仿真结果的可靠性。

例子：创建一个简单的立方体模型

# 使用Python脚本创建一个简单的立方体模型

# 假设使用LS-PrePost进行建模



import lsdyna



# 创建一个立方体

def create_cube(part_id, material_id, size, position):

    """

    创建一个立方体模型

    :param part_id: 零件ID

    :param material_id: 材料ID

    :param size: 立方体的边长

    :param position: 立方体的位置 (x, y, z)

    """

    lsdyna.create_part(part_id, "SOLID", material_id)

    lsdyna.add_solid(part_id, size, position)



# 设置参数

part_id = 1

material_id = 1

size = 1.0

position = (0.0, 0.0, 0.0)



# 调用函数创建立方体

create_cube(part_id, material_id, size, position)

网格划分

网格划分是将几何模型离散化为有限元的过程。对于爆炸与冲击分析，网格的细化程度尤为重要，特别是在高应力集中区域。

例子：对立方体模型进行网格划分

# 使用Python脚本对立方体模型进行网格划分

# 假设使用LS-PrePost进行建模



def mesh_cube(part_id, element_size):

    """

    对立方体模型进行网格划分

    :param part_id: 零件ID

    :param element_size: 元素大小

    """

    lsdyna.set_mesh_size(part_id, element_size)

    lsdyna.mesh_part(part_id)



# 设置参数

part_id = 1

element_size = 0.1



# 调用函数进行网格划分

mesh_cube(part_id, element_size)

加载条件

爆炸载荷

爆炸载荷是爆炸分析中最为关键的加载条件。LS-DYNA提供了多种方法来施加爆炸载荷，包括压力载荷、冲击波载荷和物质点爆炸等。

例子：施加压力载荷

# 使用Python脚本施加压力载荷

# 假设使用LS-PrePost进行建模



def apply_pressure_load(part_id, load_id, pressure_value, duration, time_steps):

    """

    施加压力载荷

    :param part_id: 零件ID

    :param load_id: 载荷ID

    :param pressure_value: 压力值

    :param duration: 载荷持续时间

    :param time_steps: 时间步数

    """

    lsdyna.create_load(load_id, "PRESSURE", part_id)

    lsdyna.set_load_value(load_id, pressure_value)

    lsdyna.set_load_duration(load_id, duration)

    lsdyna.set_load_time_steps(load_id, time_steps)



# 设置参数

part_id = 1

load_id = 1

pressure_value = 100000000.0  # 压力值为100 MPa

duration = 0.01  # 载荷持续时间为0.01秒

time_steps = 100  # 时间步数为100



# 调用函数施加压力载荷

apply_pressure_load(part_id, load_id, pressure_value, duration, time_steps)

冲击载荷

冲击载荷通常用于模拟物体之间的高速碰撞。LS-DYNA提供了多种方法来施加冲击载荷，包括速度载荷、加速度载荷和动量载荷等。

例子：施加速度载荷

# 使用Python脚本施加速度载荷

# 假设使用LS-PrePost进行建模



def apply_velocity_load(part_id, load_id, velocity_value, direction):

    """

    施加速度载荷

    :param part_id: 零件ID

    :param load_id: 载荷ID

    :param velocity_value: 速度值

    :param direction: 速度方向 (x, y, z)

    """

    lsdyna.create_load(load_id, "VELOCITY", part_id)

    lsdyna.set_load_value(load_id, velocity_value)

    lsdyna.set_load_direction(load_id, direction)



# 设置参数

part_id = 1

load_id = 2

velocity_value = 100.0  # 速度值为100 m/s

direction = (0.0, 0.0, -1.0)  # 速度方向为-z轴



# 调用函数施加速度载荷

apply_velocity_load(part_id, load_id, velocity_value, direction)

材料模型

材料模型的选择是爆炸与冲击分析中非常重要的一步。LS-DYNA提供了丰富的材料模型库，包括线性弹性材料、塑性材料、流体材料等。

线性弹性材料

线性弹性材料模型适用于线性响应的材料，如金属在低应变率下的行为。

例子：定义线性弹性材料

# 使用Python脚本定义线性弹性材料

# 假设使用LS-PrePost进行建模



def define_linear_elastic_material(material_id, density, youngs_modulus, poisson_ratio):

    """

    定义线性弹性材料

    :param material_id: 材料ID

    :param density: 密度

    :param youngs_modulus: 杨氏模量

    :param poisson_ratio: 泊松比

    """

    lsdyna.create_material(material_id, "ELASTIC")

    lsdyna.set_material_density(material_id, density)

    lsdyna.set_material_youngs_modulus(material_id, youngs_modulus)

    lsdyna.set_material_poisson_ratio(material_id, poisson_ratio)



# 设置参数

material_id = 1

density = 7800.0  # 密度为7800 kg/m^3

youngs_modulus = 210000000000.0  # 杨氏模量为210 GPa

poisson_ratio = 0.3  # 泊松比为0.3



# 调用函数定义线性弹性材料

define_linear_elastic_material(material_id, density, youngs_modulus, poisson_ratio)

塑性材料

塑性材料模型适用于材料在高应变率下的非线性响应，如金属在高速冲击下的行为。

例子：定义塑性材料

# 使用Python脚本定义塑性材料

# 假设使用LS-PrePost进行建模



def define_plastic_material(material_id, density, youngs_modulus, poisson_ratio, yield_stress, hardening_modulus):

    """

    定义塑性材料

    :param material_id: 材料ID

    :param density: 密度

    :param youngs_modulus: 杨氏模量

    :param poisson_ratio: 泊松比

    :param yield_stress: 屈服应力

    :param hardening_modulus: 硬化模量

    """

    lsdyna.create_material(material_id, "PLASTIC")

    lsdyna.set_material_density(material_id, density)

    lsdyna.set_material_youngs_modulus(material_id, youngs_modulus)

    lsdyna.set_material_poisson_ratio(material_id, poisson_ratio)

    lsdyna.set_material_yield_stress(material_id, yield_stress)

    lsdyna.set_material_hardening_modulus(material_id, hardening_modulus)



# 设置参数

material_id = 2

density = 7800.0  # 密度为7800 kg/m^3

youngs_modulus = 210000000000.0  # 杨氏模量为210 GPa

poisson_ratio = 0.3  # 泊松比为0.3

yield_stress = 250000000.0  # 屈服应力为250 MPa

hardening_modulus = 1000000000.0  # 硬化模量为1000 MPa



# 调用函数定义塑性材料

define_plastic_material(material_id, density, youngs_modulus, poisson_ratio, yield_stress, hardening_modulus)

边界条件

边界条件的设置对于模拟结构的动态响应至关重要。常见的边界条件包括固定边界、滑动边界和周期边界等。

固定边界

固定边界条件用于模拟结构的固定部分，不允许任何位移。

例子：设置固定边界

# 使用Python脚本设置固定边界

# 假设使用LS-PrePost进行建模



def set_fixed_boundary(part_id, boundary_id, nodes):

    """

    设置固定边界

    :param part_id: 零件ID

    :param boundary_id: 边界ID

    :param nodes: 固定节点列表

    """

    lsdyna.create_boundary(boundary_id, "FIXED", part_id)

    lsdyna.set_boundary_nodes(boundary_id, nodes)



# 设置参数

part_id = 1

boundary_id = 1

nodes = [1, 2, 3, 4]  # 假设固定节点为1, 2, 3, 4



# 调用函数设置固定边界

set_fixed_boundary(part_id, boundary_id, nodes)

滑动边界

滑动边界条件用于模拟结构的滑动部分，允许在特定方向上的位移。

例子：设置滑动边界

# 使用Python脚本设置滑动边界

# 假设使用LS-PrePost进行建模



def set_sliding_boundary(part_id, boundary_id, nodes, direction):

    """

    设置滑动边界

    :param part_id: 零件ID

    :param boundary_id: 边界ID

    :param nodes: 滑动节点列表

    :param direction: 滑动方向 (x, y, z)

    """

    lsdyna.create_boundary(boundary_id, "SLIDING", part_id)

    lsdyna.set_boundary_nodes(boundary_id, nodes)

    lsdyna.set_boundary_direction(boundary_id, direction)



# 设置参数

part_id = 1

boundary_id = 2

nodes = [5, 6, 7, 8]  # 假设滑动节点为5, 6, 7, 8

direction = (0.0, 1.0, 0.0)  # 滑动方向为y轴



# 调用函数设置滑动边界

set_sliding_boundary(part_id, boundary_id, nodes, direction)

结果后处理

结果后处理是仿真完成后对数据进行分析和可视化的步骤。LS-DYNA提供了多种后处理工具，如LS-PrePost、DynaVis等，可以进行应力、位移、速度等结果的分析。

应力分析

应力分析用于评估结构在爆炸与冲击载荷下的应力分布情况。

例子：进行应力分析

# 使用Python脚本进行应力分析

# 假设使用LS-PrePost进行后处理



def analyze_stress(part_id, output_file):

    """

    进行应力分析

    :param part_id: 零件ID

    :param output_file: 输出文件路径

    """

    lsdyna.load_result(output_file)

    lsdyna.select_part(part_id)

    lsdyna.plot_stress("VON_MISES")



# 设置参数

part_id = 1

output_file = "output.k"



# 调用函数进行应力分析

analyze_stress(part_id, output_file)

位移分析

位移分析用于评估结构在爆炸与冲击载荷下的位移分布情况。

例子：进行位移分析

# 使用Python脚本进行位移分析

# 假设使用LS-PrePost进行后处理



def analyze_displacement(part_id, output_file):

    """

    进行位移分析

    :param part_id: 零件ID

    :param output_file: 输出文件路径

    """

    lsdyna.load_result(output_file)

    lsdyna.select_part(part_id)

    lsdyna.plot_displacement("TOTAL")



# 设置参数

part_id = 1

output_file = "output.k"



# 调用函数进行位移分析

analyze_displacement(part_id, output_file)

高级应用

自定义材料模型

在某些情况下，标准材料模型可能无法完全满足特定需求。LS-DYNA允许用户自定义材料模型，以更精确地模拟材料的动态行为。

例子：自定义材料模型

# 使用Python脚本自定义材料模型

# 假设使用LS-PrePost进行建模



def define_custom_material(material_id, density, properties):

    """

    自定义材料模型

    :param material_id: 材料ID

    :param density: 密度

    :param properties: 材料属性字典

    """

    lsdyna.create_material(material_id, "CUSTOM")

    lsdyna.set_material_density(material_id, density)

    for key, value in properties.items():

        lsdyna.set_material_property(material_id, key, value)



# 设置参数

material_id = 3

density = 2700.0  # 密度为2700 kg/m^3

properties = {

    "Youngs_Modulus": 70000000000.0,  # 杨氏模量为70 GPa

    "Poisson_Ratio": 0.33,  # 泊松比为0.33

    "Yield_Stress": 300000000.0,  # 屈服应力为300 MPa

    "Hardening_Modulus": 1500000000.0  # 硬化模量为1500 MPa

}



# 调用函数定义自定义材料

define_custom_material(material_id, density, properties)

多物理场耦合分析

在一些复杂的爆炸与冲击分析中，可能需要考虑多物理场的耦合效应，如流固耦合、热固耦合等。LS-DYNA支持多物理场耦合分析，可以模拟复杂的动态行为。

例子：进行流固耦合分析

# 使用Python脚本进行流固耦合分析

# 假设使用LS-PrePost进行建模



def setup_fluid_structure_coupling(fluid_part_id, solid_part_id, coupling_id):

    """

    设置流固耦合

    :param fluid_part_id: 流体零件ID

    :param solid_part_id: 固体零件ID

    :param coupling_id: 耦合ID

    """

    lsdyna.create_coupling(coupling_id, "FLUID_STRUCTURE")

    lsdyna.add_fluid_part(coupling_id, fluid_part_id)

    lsdyna.add_solid_part(coupling_id, solid_part_id)



# 设置参数

fluid_part_id = 1

solid_part_id = 2

coupling_id = 1



# 调用函数设置流固耦合

setup_fluid_structure_coupling(fluid_part_id, solid_part_id, coupling_id)

动态接触分析

动态接触分析用于模拟多个结构之间的接触行为。LS-DYNA提供了多种接触算法，如表面-表面接触、自接触等。

例子：设置表面-表面接触

# 使用Python脚本设置表面-表面接触

# 假设使用LS-PrePost进行建模



def setup_surface_surface_contact(contact_id, part1_id, part2_id, friction_coefficient):

    """

    设置表面-表面接触

    :param contact_id: 接触ID

    :param part1_id: 第一个零件ID

    :param part2_id: 第二个零件ID

    :param friction_coefficient: 摩擦系数

    """

    lsdyna.create_contact(contact_id, "SURFACE_TO_SURFACE")

    lsdyna.add_contact_part(contact_id, part1_id)

    lsdyna.add_contact_part(contact_id, part2_id)

    lsdyna.set_contact_friction(contact_id, friction_coefficient)



# 设置参数

contact_id = 1

part1_id = 1

part2_id = 2

friction_coefficient = 0.2  # 摩擦系数为0.2



# 调用函数设置表面-表面接触

setup_surface_surface_contact(contact_id, part1_id, part2_id, friction_coefficient)

结论

通过本节的学习，您应该已经掌握了如何使用LS-DYNA进行爆炸与冲击分析的基本步骤。从模型的建立、加载条件的设置、材料模型的选择到结果的后处理，每个环节都至关重要。希望这些示例能够帮助您更好地理解和应用LS-DYNA在实际工程中的强大功能。如果您有任何疑问或需要进一步的帮助，请随时联系我们的技术支持团队。