ANSYS/Workbench LS-DYNA爆炸冲击非线性动力学数值仿真

数值仿真技术是解决冲击、爆炸等非线性问题的有力工具，本书主要以ANSYS/Workbench平台为基础，介绍了LS-DYNA模块在非线性动力学分析中的工程应用。全书共13章，系统介绍了Workbench LS-DYNA模块的基本知识、几何建模、材料定义、Model通用前处理模块、LS-DYNA专用前处理模块、计算条件设置和后处理等，并且通过实例详细介绍了常见的非线性动力学，如冲击碰撞、爆炸、跌落、优化设计等仿真过程。书中包含从建模到计算结果分析的全部操作过程，以便读者能够结合应用实例，快速掌握LS-DYNA建模和求解流程，加深对非线性动力学数值仿真的理解。
本书可作为理工科院校本科高年级学生和研究生非线性动力学、有限元、兵器科学与技术等相关课程的参考书，也可为从事相关专业的工程技术人员和研究人员提供参考。

1. 本书主要以ANSYS/Workbench平台为基础，介绍了LS-DYNA模块在非线性动力学分析中的工程应用。
2.涵盖Workbench LS-DYNA模块基本知识、几何建模、材料定义、Model通用前处理模块、LS-DYNA专用前处理模块、计算条件设置和后处理等内容。
3. 以实例为导向，包括常见的非线性动力学，如冲击碰撞、爆炸、跌落、优化设计等仿真全过程讲解。
4.书中包含从建模到计算结果分析的全部操作过程，以便读者能够结合应用实例，快速掌握LS-DYNA建模和求解流程。

非线性动力学一般用于求解产品跌落、金属冲压、结构碰撞、子弹侵彻、炸药爆炸等物理过程和现象。非线性特征包括大变形、高应变率、非线性材料、非线性接触和冲击等。由于非线性变形过程不可逆，往往试验成本非常高，通过数值仿真技术模拟非线性过程是当前技术领域最为常见的方法，可以定量与定性地研究非线性过程中的问题，极大节约研究成本。
ANSYS软件是通用多物理场计算分析程序，能够模拟各类复杂问题。Workbench是ANSYS软件系统集成计算平台，融合多个计算模块，Workbench平台具有丰富的材料模型库、简单的几何建模方式、高效的网格划分方式、简单的并行计算设置，可以进行多物理场耦合、多模块联合仿真、多参数优化设计等操作。LS-DYNA软件是目前最为通用的非线性动力学分析软件之一，目前集成在ANSYS/Workbench平台中。Workbench平台中的LS-DYNA主要以图形界面添加计算条件，自动生成对应关键字，可以在平台内直接求解，也可以单独生成关键字提交求解器求解。求解过程简单易懂，默认参数能够满足绝大多数非线性动力学分析场景。
本书以ANSYS/Workbench 2022平台介绍LS-DYNA模块，重点介绍了Workbench平台几何模型、材料模型、网格模型等通用前处理，以及初始条件、边界条件、计算设置和计算结果等Workbench LS-DYNA专用前处理和后处理等。最后结合工程实际算例，对常见的冲击碰撞和爆炸等高度非线性问题进行了分析。各章内容如下：
第1章介绍了ANSYS/Workbench软件计算流程、界面和启动方式，介绍并比较了Explicit Dynamics、Autodyn和LS-DYNA模块，同时介绍了LS-DYNA模块的基本知识。
第2章介绍了Engineering Data材料模块，包括创建和修改材料、LS-DYNA中的典型材料参数和Material Designer材料设计模块。
第3章介绍了Geometry几何模块，包括Design Modeler模块、SpaceClaim模块和外部几何模型导入流程。
第4章介绍了Model中的通用模块和网格划分，包括Geometry模型树、Material模块、Coordinate Systems模块和Connections模块，以及其他通用前处理，重点介绍了Workbench平台中的网格划分方法。
第5章介绍了Model中LS-DYNA专用模型树，包括初始条件、计算设置、菜单栏及选项控制、计算结果、后处理、LS-RUN计算提交软件和Workbench平台中的插件系统。
第6章介绍了泰勒杆碰撞，包括2D模型、3D模型、对称模型、ALE方法、欧拉方法、SPH方法、失效单元转SPH方法、热力耦合方法等。
第7章介绍了冲击碰撞非线性问题的计算方法，包括子弹侵彻靶板、气囊结构缓冲和玻璃管的跌落三个案例。
第8章介绍了爆炸非线性问题的计算方法，包括空气中爆炸、爆炸驱动破片和基于Conwep模型爆炸加载三个案例。
第9章介绍了重启动，通过小球坠网并反弹、串联战斗部对靶板的作用两个实例介绍了Workbench LS-DYNA平台中的重启动方法。
第10章介绍了隐式非线性问题求解，通过圆管压缩和板折弯断裂两个实例简要介绍了Workbench LS-DYNA平台中的隐式分析方法。
第11章介绍了Workbench-PrePost联合模型构建，Workbench作为前处理，LS-PrePost修改关键字提交计算。通过空气爆炸一维模型、空气爆炸二维模型、子弹侵彻沙土DEM模型和金属射流成型几个实例介绍了Workbench-PrePost联合模型构建方法。
第12章介绍了Workbench平台中的模块联合仿真，包括LS-DYNA与ACP模块联合构建小球冲击复合材料靶板以及LS-DYNA与静力学模块联合构建子弹冲击钢管两个实例。
第13章介绍了优化设计计算方法，通过网格对计算结果的影响分析和子弹侵彻优化设计两个实例介绍了Workbench平台中的优化分析。
仿真是一个追求100%的过程，如果说，得到精确结果是水平达到90%以上，跑通仿真流程则是达到60%，大多数的初学者往往卡在60%以下，基本的仿真流程未跑通，就无法获得可靠的结果。通常初学者在学习LS-DYNA软件时，往往受困于LS-DYNA软件建模和K文件关键字的格式问题，无法跑通仿真流程，相应的参考资料主要还是以K文件命令输入为主，对于初学者来说，上手难度较大。本书主要采用图形界面进行讲解，将初学者快速提高到60%的水平，跑通计算流程，如果想要深入学习LS-DYNA软件，还需结合关键字手册进行认真学习，理解每个关键字设置的意义。
本书由卞晓兵、黄广炎、兰旭柯、祁少博和王荣惠编著。在编写过程中，参考了国内外相关的文献资料，在此向所有引用的文献作者表示感谢，同时对北京理工大学博士生周颖、杨磊在文字校对方面的工作表示感谢。
由于时间比较仓促、编著者水平有限，加之数值模拟技术发展快速，本书难免出现疏漏之处，欢迎广大读者和同行专家批评指正（[email protected])。

编著者
2022年5月于延园

第1章Workbench平台及LS-DYNA软件介绍001
1.1Workbench软件简介 001
1.1.1Workbench启动方式 002
1.1.2Workbench平台界面 003
1.1.3Workbench仿真流程 005
1.1.4ANSYS/Workbench的文件管理 006
1.2Workbench平台中的非线性动力学模块 008
1.2.1Explicit Dynamics软件 009
1.2.2Autodyn软件 010
1.2.3LS-DYNA软件 011
1.3LS-DYNA软件基本知识 012
1.3.1功能特点 012
1.3.2关键字数据格式 012
1.3.3文件系统 016
1.3.4常用算法介绍 016
1.3.5LS-PrePost介绍 017
1.4Workbench LS-DYNA介绍 018

第2章Engneering Data材料模块020
2.1Engineering Data材料模块简介 020
2.2创建及修改材料 021
2.2.1创建材料 021
2.2.2加载材料库材料 022
2.2.3创建材料库 023
2.2.4材料模型数据导入 025
2.2.5材料参数拟合 025
2.3LS-DYNA中典型材料参数 026
2.4Material Designer材料设计模块 027

第3章Geometry几何模块030
3.1Design Modeler模块 030
3.1.1子弹侵彻靶板建模 032
3.1.2爆炸对钢筋混凝土作用的流固耦合建模 034
3.2SpaceClaim建模平台 037
3.2.1弹靶模型创建 039
3.2.2SpaceClaim几何清理 039
3.2.3SpaceClaim构建中间面及线体模型 041
3.2.4SpaceClaim/Material Designer几何设计 041
3.2.5Python脚本语言创建模型 042
3.3外部几何模型导入 044

第4章Model模块及网格划分046
4.1Geometry模型树 047
4.2Material模块 048
4.3Coordinate Systems模块 048
4.4Connections模块 049
4.4.1Contacts接触设置 049
4.4.2Joints接触设置 050
4.4.3Body Interactions接触设置 051
4.5Mesh模块 052
4.5.1LS-DYNA中网格简介 052
4.5.2Mesh模块网格划分 053
4.5.3几何剖分及网格划分 058
4.5.4SpaceClaim网格划分 060
4.5.5ICEM网格划分 061
4.5.6外部网格划分软件导入 062
4.6Model中其他设置 064
4.6.1Construction Geometry构造几何设置 065
4.6.2Symmetry对称性设置 065
4.6.3CFL Time Step时间步长设置 065

第5章Model中的LS-DYNA模型树067
5.1Initial Conditions初始条件 068
5.2Analysis Settings计算设置 068
5.2.1Step Controls设置 069
5.2.2CPU and Memory Management设置 070
5.2.3Solver Controls设置 070
5.2.4Damping Controls和Hourglass Controls设置 072
5.2.5ALE Controls设置 074
5.2.6Joint Controls和Composite Controls设置 074
5.2.7Output Controls和Time History Output Controls设置 075
5.3菜单栏及选项控制 075
5.4Solution计算结果 077
5.4.1计算提交 077
5.4.2计算信息查看 077
5.5后处理设置 079
5.5.1菜单栏显示设置 079
5.5.2计算结果文件查看 079
5.5.3结果变量查看 080
5.5.4自定义结果 082
5.6LS-Run软件 0835.7Workbench平台插件系统 085
5.7.1Keyword Manager关键字插件 085
5.7.2LST_PrePost插件 086
5.7.3Ensight后处理插件 088

第6章泰勒杆碰撞090
6.1计算模型描述 090
6.2泰勒杆碰撞2D拉格朗日方法 091
6.2.1材料、几何处理 091
6.2.2Model中前处理 095
6.2.3计算结果及后处理 097
6.3泰勒杆碰撞3D拉格朗日方法 098
6.3.1材料、几何处理 098
6.3.2Model中前处理 099
6.3.3计算结果及后处理 100
6.4泰勒杆碰撞3D拉格朗日1/4对称模型方法 102
6.4.1材料、几何处理 102
6.4.2Model中前处理 102
6.4.3计算结果及后处理 103
6.5泰勒杆碰撞ALE方法 104
6.5.1材料、几何处理 104
6.5.2Model中前处理 104
6.5.3计算结果及后处理 105
6.6泰勒杆碰撞欧拉方法 105
6.6.1材料、几何处理 105
6.6.2Model中前处理 107
6.6.3计算结果及后处理 108
6.7泰勒杆碰撞SPH方法 109
6.7.1材料、几何处理 109
6.7.2Model中前处理 109
6.7.3计算结果及后处理 111
6.8泰勒杆碰撞拉格朗日失效单元转SPH方法 112
6.8.1材料、几何处理 112
6.8.2Model中前处理 112
6.8.3计算结果及后处理 114
6.9泰勒杆碰撞热力耦合方法 114
6.9.1材料、几何处理 114
6.9.2Model中前处理 114
6.9.3计算结果及后处理 114

第7章冲击碰撞非线性问题计算116
7.1子弹侵彻靶板 116
7.1.1材料、几何处理 116
7.1.2Model中前处理 118
7.1.3计算结果及后处理 120
7.1.4绑定接触法计算 123
7.1.5整体模型法计算 125
7.2圆管对气囊的冲击作用 128
7.2.1材料、几何处理 128
7.2.2Model中前处理 129
7.2.3计算结果及后处理 130
7.3玻璃管跌落 132
7.3.1材料、几何处理 132
7.3.2Model中前处理 133
7.3.3计算结果及后处理 135

第8章爆炸非线性问题计算137
8.1WB LS-DYNA中的爆炸计算方法 137
8.1.1S-ALE算法介绍 138
8.1.2S-ALE模型构建 140
8.1.3Workbench中的S-ALE算法 141
8.1.4Workbench中的流固耦合接触设置 142
8.2空气中爆炸 143
8.2.1材料、几何处理 143
8.2.2Model中前处理 145
8.2.3计算及后处理 147
8.2.4空气中爆炸S-ALE方法 150
8.3爆炸驱动破片 155
8.3.1材料、几何处理 155
8.3.2Model中前处理 156
8.3.3计算及后处理 158
8.4基于Conwep模型爆炸 160
8.4.1计算模型描述 160
8.4.2材料、几何处理 162
8.4.3Model中前处理 164
8.4.4计算结果及后处理 165

第9章重启动及重启动模块167
9.1重启动介绍 167
9.1.1简单重启动 168
9.1.2小型重启动 168
9.1.3完全重启动 169
9.2小球坠网并反弹对靶板的作用 169
9.2.1材料、几何处理 170
9.2.2Model中前处理 171
9.2.3第一次重启动 174
9.2.4第二次重启动 175
9.3串联战斗部对靶板的作用 178
9.3.1材料、几何处理 179
9.3.2Model中前处理 181
9.3.3计算结果及后处理 182
9.3.4第一次重启动（炸药删除） 183
9.3.5第二次重启动（EFP侵彻靶板） 184
9.3.6第三次重启动（删除EFP） 186
9.3.7第四次重启动（子弹侵彻靶板） 187

第10章隐式非线性问题求解190
10.1隐式问题 190
10.2圆管的压缩 191
10.2.1材料、几何处理 191
10.2.2Model中前处理 192
10.2.3计算结果及后处理 193
10.3板折弯断裂 195
10.3.1材料、几何处理 195
10.3.2Model中前处理 196
10.3.3计算结果及后处理 197

第11章Workbench-PrePost联合模型构建199
11.1空气爆炸（一维计算） 199
11.1.1材料、几何处理 199
11.1.2Model中前处理 200
11.1.3LS-PrePost处理 202
11.1.4计算结果及后处理 203
11.2空气爆炸（二维计算） 204
11.2.1材料、几何处理 204
11.2.2Model中前处理 205
11.2.3LS-PrePost处理 211
11.2.4计算结果及后处理 211
11.3子弹侵彻沙土DEM模型 212
11.3.1材料、几何处理 212
11.3.2Model中前处理 213
11.3.3LS-PrePost处理 214
11.3.4计算结果及后处理 216
11.4金属射流成型 217
11.4.1材料、几何处理 217
11.4.2Model中前处理 218
11.4.3LS-PrePost中处理 219
11.4.4计算结果及后处理 228

第12章Workbench平台中的模块联合仿真229
12.1模块联合仿真介绍 229
12.2小球冲击复合材料靶板（ACP+LS-DYNA） 230
12.2.1材料、几何处理 230
12.2.2Model中前处理 231
12.2.3ACP模块中复合材料设计 231
12.2.4ACP模块与LS-DYNA模块联合仿真 234
12.3子弹冲击钢管（LS-DYNA+Static Structural） 235
12.3.1材料、几何处理 235
12.3.2Model中前处理 236
12.3.3LS-DYNA计算结果 236
12.3.4LS-DYNA计算结果导出 236
12.3.5Static Structural静力学计算 237

第13章优化设计计算240
13.1优化设计模块简介 240
13.1.1参数定义 240
13.1.2Design Exploration特征 241
13.1.3响应面设置 241
13.2网格对计算结果的影响分析 244
13.2.1材料、几何设置 244
13.2.2Model中设置 245
13.2.3计算结果及后处理 245
13.2.4优化分析计算 245
13.3子弹侵彻优化设计 249
13.3.1材料、几何处理 249
13.3.2Model中前处理 249
13.3.3优化分析计算 251
13.3.4等质量子弹侵彻参数优化 254

参考文献 257