AUTODYN 理论手册

### AUTODYN理论手册知识点概览 #### 一、引言 《AUTODYN理论手册》作为官方发布的理论指南，提供了详细的AUTODYN软件使用说明和技术背景。AUTODYN是一款由Century Dynamics公司开发并由ANSYS公司推广和支持的非线性动力学显式求解器。该软件广泛应用于军事、航空航天、汽车工业等多个领域，特别是对于冲击动力学、爆炸模拟等极端条件下的物理现象有非常精确的模拟能力。 #### 二、理论概述 ##### 1. Lagrange处理器 Lagrange处理器采用拉格朗日方法来追踪网格和材料的运动，适用于处理那些变形较大但整体运动不显著的情况。在Lagrange处理器中，网格与材料一起移动，因此能够很好地保持材料的形状和结构。该处理器通常用于模拟材料的内部变形过程。 ##### 2. Euler处理器 Euler处理器则基于欧拉方法进行计算，网格固定不动而流体或气体通过网格流动。这种方式特别适合于处理高速流动问题，如冲击波传播、气体爆炸等现象。Euler处理器能够高效地处理大范围的空间变化，但对于复杂的界面问题处理较为困难。 ##### 3. ALE处理器 ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)处理器结合了Lagrange和Euler两种方法的优点，能够在同一计算域内同时使用拉格朗日和欧拉网格。这种混合方法可以有效地解决在复杂几何和边界条件下物体的动态响应问题。 ##### 4. 结构处理器 结构处理器主要用于处理固体结构的静态和动态分析问题，如结构的应力应变分析、振动分析等。它可以与其他处理器耦合使用，实现更加复杂的多物理场问题的模拟。 ##### 5. 处理器耦合 AUTODYN支持不同类型的处理器之间的耦合，这使得用户可以在一个模拟过程中同时处理多种不同的物理现象。例如，可以通过耦合Lagrange处理器和Euler处理器来模拟固体和流体之间的相互作用。 ##### 6. 材料模型 AUTODYN支持多种材料模型，包括但不限于弹性模型、塑性模型、热力学模型等。这些模型可以根据实际需求选择使用，以更准确地模拟不同材料在不同条件下的行为。 #### 三、2D Lagrange处理器详解 ##### 1. 导入 本章节重点介绍了2D Lagrange处理器的基本概念和使用方法。 ##### 2. 控制方程 控制方程是2D Lagrange处理器的核心部分，它包括质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程等。这些方程用于描述材料在空间和时间上的演化过程。 - **质量守恒方程**: \[ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho V) = 0 \] 其中，\(\rho\) 表示密度，\(V\) 表示速度矢量。 - **动量守恒方程**: \[ \rho \frac{\partial V_i}{\partial t} + \rho (V \cdot \nabla) V_i = -\frac{\partial \sigma_{ij}}{\partial x_j} + f_i \] 其中，\(\sigma_{ij}\) 表示应力张量，\(f_i\) 表示体积力。 - **能量守恒方程**: \[ \rho \frac{\partial e}{\partial t} + \rho (V \cdot \nabla) e = -\nabla \cdot (V \sigma) + Q \] 其中，\(e\) 表示单位体积内能，\(Q\) 表示热源项。 ##### 3. Lagrange子网格 Lagrange子网格是指在计算域内划分的小区域，每个子网格包含一定的节点和单元。通过调整子网格的大小和形状，可以提高计算精度并优化计算资源的利用。 ##### 4. 区域体积和应变速率 - **区域体积**: 在Lagrange处理器中，区域体积随网格的形变而变化，这直接影响到质量守恒方程中的密度计算。 - **应变速率**: 应变速率是描述材料形变速率的重要参数，它对材料模型的选择和计算结果的准确性有重要影响。 ##### 5. 压强和应力 压强和应力是材料响应的关键指标，它们反映了材料在受到外部作用时的内部力学状态。 - **应力增量**: 应力增量用于更新应力张量，以反映材料在受到外部作用时的应力变化情况。 - **应力旋转修正**: 在计算应力张量时，需要考虑网格旋转的影响，应力旋转修正确保了应力张量的正确性。 ##### 6. 节点力 节点力包括内部力和外部力两大部分，它们共同决定了材料的运动状态。 - **内部力**: 内部力主要由材料的应力张量决定，反映了材料内部的相互作用力。 - **外部力**: 外部力包括重力、压力等外界施加的作用力，这些力会改变材料的运动状态。 - **伪粘性力**: 伪粘性力是一种用于控制计算稳定性的人工力，它有助于减少数值振荡。 - **小时玻璃阻尼**: 小时玻璃阻尼是一种用于抑制网格失稳现象的方法，通过对某些特定模式的阻尼来提高计算稳定性。 - **抗缠绕力**: 抗缠绕力用于防止网格节点发生不合理的交叉和缠绕现象，有助于保持计算的准确性和稳定性。 ##### 7. 节点加速度、速度和位移 节点加速度、速度和位移是描述材料动态响应的关键参数，它们反映了材料在受力后的位置和运动状态的变化。 - **静态阻尼**: 静态阻尼（动态松弛）是一种用于改善计算收敛性的方法，通过引入阻尼来帮助系统达到稳定状态。 ##### 8. 边界条件 边界条件是定义计算域边界处的行为，常见的边界条件包括速度约束、压力边界和传递边界等。 - **速度约束**: 速度约束用于指定边界处的速度值，如固定边界、滑动边界等。 - **压力边界**: 压力边界用于指定边界处的压力值，适用于模拟外力作用下材料的响应。 - **传递边界**: 传递边界允许材料穿过边界自由流动，适用于模拟开放系统的动态行为。 通过以上对《AUTODYN理论手册》的总结和分析，我们可以看出AUTODYN是一款功能强大且应用广泛的非线性动力学仿真软件。其丰富的理论基础和灵活的处理方式使其成为研究极端条件下材料动态行为的有力工具。