Ls-dyna显式有限元的时间步及质量缩放概念源于赵海鸥《LS-DYNA动力
分析
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指南》及Dyna手册,张剑整理QQ:68115431一.时间步𝑚𝑢+c𝑢+𝑘𝑢=𝑝𝑡如上图所示,先考虑简单的单自由度弹簧阻尼系统,根据达朗贝尔动力学原理可得:•𝑢为位移•𝑢为速度•𝑢为加速度•𝑃𝑡为t时刻的外力(1)对公式(1),若为线性方程,可用解析法求解这个常微分方程,若为非线性问题,比如K为位移u的函数,则公式(1)改写为:𝑚𝑢+c𝑢+𝑘𝑢𝑢=𝑝𝑡(2)此时用解析法一般很难求解,所以应用数值解法来求解,常用的有有限差分法和有限元法。上述公式具有普遍意义,对于有限元法而言,上述运动方程的矩阵形式为:𝑀𝑈+C𝑈+𝐾𝑈=𝑃𝑡(3)•𝑈为节点位移列阵•𝑈为节点速度列阵•𝑈节点加速度列阵•𝑃𝑡为t时刻的外力向量列阵•M为质量矩阵•C为阻尼矩阵•K为刚度矩阵求解该运动方程目前有两种方法用的较多,一种是阵型叠加法,一种是逐步积分法,对于复杂问题,一般采用逐步积分法,大体分为增量法,迭代法和混合法。隐式的求解方法一般采用增量迭代法,需要转置刚度矩阵,通过一些列线性逼近(Newto-Raphson)来获得解,对于存在内部接触这样的高度非线性动力学问题,往往无法保证收敛。Ls-Dyna采用显式中心差分法来进行时间积分,在已知0,⋯⋯,𝑡𝑛时间步解的情况下,求解𝑡𝑛+1时间步的解,运动方程为:𝑀𝑈𝑡𝑛=P𝑡𝑛−𝐹𝑖𝑛𝑡𝑡𝑛−H𝑡𝑛−C𝑈𝑡𝑛(4)•𝑃𝑡为t时刻的外力向量列阵•𝐹𝑖𝑛𝑡为内力矢量,为
单元
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内力和接触力之和•H𝑡𝑛为沙漏阻力把质量矩阵移到方程的右边,求得𝑡𝑛时刻的加速度为:𝑈𝑡𝑛=𝑀−1P𝑡𝑛−𝐹𝑖𝑛𝑡𝑡𝑛−H𝑡𝑛−C𝑈𝑡𝑛(5)𝑡𝑛+1时刻的速度和位移由下面公式求得;𝑈𝑡(𝑛+1)/2=𝑈𝑡(𝑛−1)/2+𝑈𝑡𝑛∆𝑡𝑛(6)其中∆𝑡(𝑛+1)/2=∆𝑡𝑛+∆𝑡𝑛+12U𝑡𝑛+1=U𝑡𝑛+𝑈𝑡(𝑛+1)/2∆𝑡(𝑛+1)/2(7)这样可以求得在𝑡𝑛+1时刻的位移,更新𝑡𝑛时刻的系统几何构型,得到𝑡𝑛+1时刻的系统新的集合构型。由于采用集中质量矩阵M,运动方程的求解是非耦合的,不需要组集成总体刚度矩阵,单采用中心单点积分,因此大大节省存储空间和求解机时。显式中心差分法是有条件稳定的,只有当∆𝑡≤∆𝑡𝑐𝑟𝑖𝑡=2𝜔𝑚𝑎𝑥(8)求解才是稳定的,所以显式有限元算法采用很小的时间步来进行计算,一般只对瞬态问题有效。𝜔𝑚𝑎𝑥为有限元网格的最大自然角频率针对冲压这个具体问题,时间步用以下方法计算。冲压坯料一般采用壳单元进行计算,针对壳单元,其时间步的
计算公式
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为:∆𝑡=𝐿𝑠𝑐𝑐=𝐸𝜌1−𝑣2(9)(10)其中,𝐿𝑠为单元特征长度,𝑐为声音在该材料中的传播速度,公式如下:由以上两公式可知,时间步的大小与单元最小特征长度成正比,与密度开根号成正比。其中𝐸为杨氏模量,𝑣为泊松比以下内容为本文档精华,只向参加Dynaform培训的朋友开放。