顯式動力學
關注創(chuàng)建者：Martin007 創(chuàng)建時間：2018-09-07
顯式動力學的視頻教程
顯式動力學的實例教程
在工程領域的結構分析中，動力學分析是一項關鍵任務，用于模擬結構在外部加載下的動態(tài)響應。顯式動力學和隱式動力學是兩種常用的數(shù)值模擬方法，各自在特定情境下發(fā)揮著重要作用。在本文中，我們將深入探討這兩種動力學分析方法的概念以及它們分別適用的問題。
顯式動力學：
顯式動力學特別適用于模擬高速動態(tài)加載、爆炸、碰撞等事件中的結構行為。其特點在于每個時間步內，結構中的每個單元的運動方程都顯式地求解，無需進行迭代。這使得顯式動力學相對于其他動態(tài)分析方法更加高效，尤其在需要快速計算結果的情況下。
顯式動力學適用于具有較小變形和短時間范圍內的動態(tài)行為的問題。典型的應用場景包括碰撞模擬、爆炸效應研究以及其他短時間內發(fā)生的動力學事件。然而，它在處理較大變形和較長時間范圍的問題上可能表現(xiàn)不如隱式動力學。
隱式動力學：
相對而言，隱式動力學更適用于較大變形、非線性和長時間范圍內的動力學問題。在隱式動力學中，每個時間步內需要通過迭代方法來找到使得方程達到平衡的解。雖然這使得計算速度相對較慢，但隱式動力學更為穩(wěn)定，能夠處理更為復雜的結構響應。
隱式動力學常用于模擬結構在地震、風載等較長時間范圍內的動態(tài)響應。其迭代方法通常采用數(shù)值方法如Newton-Raphson迭代，以求解非線性方程組。這使得隱式動力學成為處理大規(guī)模、高度非線性問題的理想選擇。
如何選擇：
當求解涉及輕度非線性的動態(tài)有限元分析（FEA）問題以及可以使用大時間步長時，使用隱式動力學。這包括：
靜態(tài)平衡。
緩慢、線性和輕度非線性過程。
較大的時間增量。
展開 總結：顯式動力學和隱式動力學對于都可以應用于求解彎管成型加工問題，當然也可以用于其他的金屬成型問題分析。注意到顯式動力學分析具有較高的計算效率，且計算結果與隱式算法接近，計算精度完全可以滿足工程需要，并且顯式動力學不存在收斂問題，在求解復雜接觸，大變形等問題上具有天然的優(yōu)勢，因此筆者推薦采用顯式動力學求解材料加工問題。但也應該注意到，在某些簡單問題上，隱式算法其實式更加穩(wěn)健的，求解精度更高的，需要大家根據(jù)經(jīng)驗進行判斷。如果需要材料在加工過程中需要分析折疊，褶皺，開裂等問題，顯式動力學算法應當為唯一選擇。
如需指導，請站內私信。下面付費可下載案例文件。
展開 顯式時間積分中使用的時間步較小，因此一個時間步到另一個時間步的這些變化，能夠近似為線性變化。同時，其還使求解器能夠計算在發(fā)生塑性或材料失效時，使非線性系統(tǒng)保持平衡所需的內部力。
集中質量近似
在求解動力學問題時，顯式時間積分法的另一個關鍵方面是，它能夠將每個單元的節(jié)點質量表示為集中質量。這樣，就會生成一個僅包含單個對角線的質量矩陣，因此計算模型慣性值所需的矩陣求逆將非常簡單。
準靜態(tài)結構分析
在某些動態(tài)結構分析中，如果系統(tǒng)中的慣性效應小到足以被忽略的程度，系統(tǒng)在整個過程中實際上始終處于平衡狀態(tài)。金屬成形就是上述情況的一個良好示例——其之所以是動態(tài)問題，原因在于材料屬性（尤其是塑性）與時間相關，但金屬的慣性不會影響其塑性變形。
什么是隱式動力學？
在討論顯式動力學時，很難不提及隱式動力學。顧名思義，隱式動力學是一種使用隱式時間積分法的FEA仿真方法。與顯式動力學一樣，隱式動力學仍然利用多個時間步來求解運動隨時間變化的完整方程。
隱式積分法的方程，涉及當前時間步和下一個時間步的值。對于隱式仿真軟件工具，求解器使用后向歐拉法（Backward Euler Method）推導方程，以求得下一個時間步的值，該方程與當前步長（k）和下一個時間步有關：
隱式方法和顯式方法之間的區(qū)別
在結構分析中，工程師使用這兩種積分方法進行動態(tài)和準靜態(tài)仿真。如上所述，兩者的主要區(qū)別在于，當在顯式方法中進行PDE積分運算時，解完全由得到的方程來確定；在隱式方法中，未知值是隱含的，因此算法必須使用線性代數(shù)來找到解。
展開 “ 用兩個剛體顯式動力學案例，入門Abaqus/Explicit”
最近科研項目遇到一點小小的挫折，涉及接觸的算例怎么修改邊界條件都難以收斂。我猜想如果換用顯式動力學可能可以讓問題更快實現(xiàn)收斂。之前雖然玩過一兩次，但一直沒有很認真的正式學習顯式動力學。今天這篇文章，就用USim鄧怡超工程師幾年前分享的兩個inp文件，學習一下Abaqus/Explicit顯式動力學分析。
既然用了別人的模型，那就在開頭顯著位置寫一下致謝吧。感謝USim，在我還在猶豫沒想好是在仿真領域一條道走到黑還是畢業(yè)轉行當碼農(nóng)的時刻，是USim鄧工分享的一波Abaqus算例動畫讓我燃起了對有限元仿真的極大熱情（emmm這么說來也不知是福是禍，但我確實發(fā)自內心的喜歡力學和有限元仿真）。鄧怡超在他公眾號菜單里免費分享的很多inp文件也是我學習的樣本。
如何將隨機性引入Abaqus仿真？網(wǎng)球隨機發(fā)射模擬
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顯式動力學
先翻譯一些不那么有趣的東西。如果想直接看丟YingBi（這居然是敏感詞，完全無法理解）的小伙伴可以往下滑~（P.S.還是按慣例翻譯自幫助文檔。寫到這里發(fā)現(xiàn)我的彩云小譯半年會員居然已經(jīng)到期了，果斷再續(xù)一年~）
什么是顯式動力學分析？它和隱式分析的區(qū)別在何處？
使用直接積分法的隱式動力學在Abaqus中是由Abaqus/Standard求解器提供的，而Abaqus/Explicit關于時間部分使用了中心差分算子。在隱式動力學分析中，必須對積分算子矩陣求逆，對每個時間增量步都需要求解一組非線性的平衡方程。而在顯式動力學中，節(jié)點的位移和速度是根據(jù)時間增量步開始時刻已知的量計算出來的，不需要組裝成整體質量陣和剛度陣并求逆。
展開 因為顯式動力學有許多建模步驟是獨特的，即使是有多年隱式分析經(jīng)驗的資深分析師也可能不那么明顯。雖然這些步驟中的許多對于成功的分析至關重要，但如果你忘記了它們，大多數(shù)前處理器不會自動提供警告或錯誤。在這篇文章中，我將提供建立穩(wěn)健、快速且準確的顯式動力學模型的十大最佳實踐步驟的第1部分，顯式動力學分析的最佳實踐步驟：
1.創(chuàng)建或導入幾何模型
a. 簡化幾何模型：去除在模型關鍵區(qū)域中對獲得準確解不必要的幾何形狀和特征。
2.選擇合適的單元類型
a. 主要使用減縮積分、低階單元類型。全積分可以用來提高精度并消除沙漏現(xiàn)象，但這些單元通常被避免使用，因為它們容易受到剪切鎖定的影響，并且會增加求解時間。一些顯式動力學代碼允許使用高階單元，但它們的求解時間可能會更長，主要是因為由此產(chǎn)生的時間步長會小很多。
b. 避免由退化的六面體創(chuàng)建的四面體單元。這些單元類型非常不準確。大多數(shù)顯式動力學代碼都有更準確的四面體單元類型，例如在LS-Dyna中ELFORM=10或13。泰勒桿沖擊模型的四面體網(wǎng)格和全六面體網(wǎng)格的比較如圖1所示。
圖1 泰勒桿沖擊模型的四面體網(wǎng)格和全六面體網(wǎng)格的比較
c. 選擇既快速又準確的殼單元類型。在許多情況下，前處理器默認選擇的殼單元類型不是很準確，特別是對于扭曲的殼和將經(jīng)歷扭轉變形的殼。例如在LS-Dyna中，在這些情況下，Belytschko-Wong-Chiang 和 Belytschko-Leviathan 類型比默認的Belytschko-Tsay類型更準確。
3.分配材料模型和屬性
a. 在不關心該物體中的應力/應變的地方，使用剛性材料來指定剛體。剛體可以顯著減少運行時間。
b. 使用一致的單位。一些前處理器不允許你更改單位系統(tǒng)。
c.
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1.【2024年一等獎】趙星明 | 中國第一汽車集團有限公司，球形障礙物與電動汽車電池組之間的沖擊載荷：對當前比較熱門的新能源車刮底進行了完善的研究，采用顯式動力學分析方法建立了整車系統(tǒng)動力學模型，并通過與試驗的對比分析驗證了模型的有效性。
這篇文章對我們的啟發(fā)在于：晶體塑性并不只能用于單晶拉伸、RVE 或微觀變形分析，也可以嵌入顯式動力學框架，用于研究真實工程結構中的局部變形、吸能和織構演化。對于高溫合金、鋁合金薄壁件、微尺度構件等問題，如果材料存在明顯織構或晶粒尺度效應，將晶體塑性與結構有限元耦合，能夠提供比傳統(tǒng)本構更豐富的物理信息。
隨著非化石能源開發(fā)與儲能技術的跨越式發(fā)展，新能源汽車及高密度數(shù)據(jù)中心對儲能設備的能量密度提出了極高的要求。在充放電循環(huán)中，動力電池內部高能量密度的上升往往伴隨巨量熱流的產(chǎn)生。若無法及時耗散熱量，局部熱點的積聚不僅會加速電池老化，在極端工況下更易引發(fā)熱失控（Thermal Runaway），導致電池起火乃至爆炸的災難性后果。因此，構建高效、安全的熱管理系統(tǒng)是突破產(chǎn)業(yè)瓶頸的核心任務。
傳統(tǒng)的空氣冷卻與間接式液冷存在接觸熱阻大
分析步采用顯式動力學，時間周期默認 0.01 s，場輸出包含應力 S、應變 E、位移 U、損傷變量 SDEG 和 DMICRT、狀態(tài)變量 SDV 及 STATUS，歷史輸出請求接觸面法向力 CFN3，便于后處理中快讀提取力?時間/位移曲線。
單核性能影響數(shù)據(jù)處理效率
四、V&V 軟件工具鏈
V&V 不是單一軟件能完成的任務，而是橫跨求解、量化、對比、管理的完整工具鏈：
① CAE 求解器層
結構：Abaqus、ANSYS Mechanical、Nastran、LS-DYNA
流體/熱：ANSYS Fluent、CFX、Star-CCM+
多物理場：COMSOL Multiphysics
顯式動力學
LS-DYNA作為業(yè)界領先的顯式動力學仿真平臺，其集成的電磁（EM）求解器與結構、熱、流體等多物理場耦合能力，為電氣設備的精細化設計提供了可靠解決方案。本次將介紹交流接觸器的電流過零時刻的保持力分析，變壓器、開關柜、電器柜相關的電弧、甲烷、氫氣爆炸，爆炸驅動的開關動作等應用仿真。
時間：5月22日，16:00-17:00
合作伙伴：億道電子
地點： 線上
費用： 免費
點擊了解詳情
5月26日 | Ansys LS-DYNA 安全帶應用遠程培訓
簡介：Ansys LS-DYNA 作為一款顯式動力學分析軟件，在汽車安全帶領域有廣泛的應用。由于其仿真的高精度和豐富的材料庫使其成為安全帶系統(tǒng)開發(fā)的核心工具，很好地模擬安全帶的力學性能。
作為 Ansys 顯式動力學解決方案的核心產(chǎn)品，LS-DYNA 長期服務于全球領先企業(yè)與科研機構，在工程仿真領域擁有深厚的應用基礎和廣泛影響力。隨著產(chǎn)品開發(fā)不斷邁向更真實工況和更復雜系統(tǒng)，LS-DYNA 持續(xù)賦能汽車與零部件、航空、新能源、電子制造、高端裝備等行業(yè)，在沖擊，安全與可靠性等關鍵問題中發(fā)揮著重要作用。
多物理場求解、結構優(yōu)化、結果可視化等一站式工具，核心模塊涵蓋：
· HyperMesh：全球公認的行業(yè)標桿級前后處理器，幾何處理與網(wǎng)格劃分能力無人能及；
· OptiStruct：頂尖結構優(yōu)化求解器，拓撲、形貌、尺寸優(yōu)化技術引領行業(yè)，輕量化設計核心引擎；
· MotionView/MotionSolve：專業(yè)多體動力學仿真工具，精準模擬機構運動與載荷傳遞；
· Radioss：高端顯式動力學求解器
通過Ansys Mechanical穩(wěn)健的非線性計算能力，結合在顯式動力學領域具有廣泛行業(yè)認可度的LS-DYNA求解器，助力工程師實現(xiàn)從核心元器件到整機系統(tǒng)的高效仿真分析與設計驗證。
