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AUTODYN4.3用户手册(中文).pdf
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AUTODYN4.3用户手册(中文)
AUTODYNTM互动式非线性动力学分析软件用户手册（版本 4.3）1前 言关于本手册AUTODYN 用户手册提供了关于 AUTODYN 软件的如下概要信息： ? ? ? ? ? 介绍 如何使用 AUTODYN 关于概念和定义 高级特性 AUTODYN 的菜单和命令另外，可以使用下面的手册和指南： ? ? ? ? ? ? ? 范例手册：对于二维和三维实例的详细逐步介绍； 理论手册：AUTODYN 中的数值技术和材料模型； 用户子程序指南：如何定制 AUTODYN 以满足特殊要求； 网格重分指南：拉格朗日网格重分实例； ALE 指南： ALE（任意拉格朗日-欧拉）处理器使用实例； 重新映射指南：运用从一维到二维到三维的重新映射来有效计算爆炸问题； 射流指南：使用解析/数值耦合的 AUTODYN 分析功能来分析成型装药设计中 的射流特性； ? 相互作用指南：Lagrange/Lagrange 撞击滑移表面，Euler/Lagrange 耦合，以及 子区域的融合； ? ? ? ? SPH 手册：无网格光滑粒子流体动力解算器在二维和三维中的应用； Lee-Tarver 手册：炸药起爆及增长模型的应用； 特定硬件的安装向导； 现行版本的发布说明。CD 中提供了 ADTODYN 文档的电子版本，该文档可以被浏览、在线搜索、以及通 过使用 AUTODYN 发布的 Adobe Acrobat 阅读器打印， 还可以从包括从网上下载在内的2多种免费资源获得。AUTODYN 手册及向导会持续更新， 所以上述内容或许不够全面， 如果您不能找到 所需信息，可以联系当地 AUTODYN 代理商或与世纪动力公司联系。3第一章．介绍来自世纪动力公司的 AUTODYN 是唯一的专门解决非线性动力问题的全面的、综 合的分析软件。 艺术级的分析结合最新的图形技术为解决工程难题提供了一个非常富有 成效的环境。AUTODYN 可以适用于从个人电脑到超级计算机广泛硬件条件。1. 什么是 AUTODYN?一种解决下列各类复杂问题的工程及科学工具： ? 动力学，包括非线性问题； ? 固体、流体和气体动力学； ? 大应变，大变形； ? 流体-结构相互作用； ? 爆炸； ? 冲击波及爆轰波； ? 冲击和侵彻； ? 接触问题 ；2. AUTODYN 的使用对象? 工业、科研实验室及教育机构等广阔领域中的工程师和科学家； ? 国防领域：冲击/侵彻，装甲和反装甲设计，动能装置，成型装药，爆炸， 气体爆轰，材料的响应； ? 石油和天然气领域：油井穿孔，事故模拟，爆炸，海上建筑； ? 航空领域：撞击，冲击加载，结构分析，气体动力/结构相互作用； ? 核能：事故分析，流体-结构分析相互作用，冲击，约束； ? 化学：爆炸，约束； ? 汽车：撞击动力学，引擎设计；4? 机械制造领域：动力学模拟，操作载荷确定； ? 工程教育：应力波力学的学习，包括冲击波行为的流体及气体动力学，材料 响应行为。3. AUTODYN 特点? 复合的分析技术：欧拉，拉格朗日，ALE(任意拉格朗日-欧拉)，SPH(光滑 粒子流体动力学)，以及薄壳的时空响应。针对一个问题的不同特点提供最 佳的数值方法。 ? 非线性： 几何模型和材料。 极端变形行为以及复杂的材料响应行为包括塑性 和失效。裂纹的出现和闭合。 ? 在线文档：广泛、实时的帮助界面。 ? 集成的分析环境：交互式模型定义（前处理） 、分析及后处理合为一体。在 分析过程中完全的交互式菜单驱动。可以在分析过程中可以对问题进行改 动：重分网格，删除和增加材料，删除和增加相互作用。 ? 详尽的图形功能：等值线、矢量、材料、边界条件、网格、时间历程以及剖 面图的高解析度彩色描述。 ? 电子幻灯片放映能力进行生动的介绍。 ? 定制模型：提供供用户定义材料模型、边界条件、初始条件和输出方程的界 面，并根据特定需求裁减程序。4. 为何使用 AUTODYN?? AUTODYN 是替代大型通用结构分析程序或笨拙无效的专用程序的有效的 非线性动力学分析工具。 ? 使用 AUTODYN 分析环境可以更好、更有效的进行设计。5. 有效性和可靠性5? AUTODYN 在全球范围可用并有技术支持。 ? AUTODYN 可以在从个人计算机到超级计算机的范围广阔的计算机上运 行。 ? AUTODYN 可用于大学生和教授的学术研究。 ? AUTODYN 可以有效地验证实验和理论结果。 ? 全球巨大的 AUTODYN 用户群体持续的提供反馈确保了此工具的活力。6. 发展世纪动力公司积极的不断增加程序的改善和新特性以满足用户的需求。因此， AUTODYN 具有了持续的发展的能力， 它包括了在数值分析和计算机科学方面的最新发 展。7. 用户服务文档帮助， 除了在线帮助外还包括用户手册， 以及含有下面专题的向导： 网格重分， 相互作用 （拉格朗日冲击/滑移表面， 欧拉-拉格朗日耦合） ， ALE 解算器， 射流， Lee-Tarver 燃烧、增长模型，欧拉重映射，用户子程序。用户服务可以从世纪动力公司本部及其在 美洲、欧洲、远东的代理获得。从初步介绍到高级分析都有相关的咨询。在整个分析过 程都有顾问帮助。6第二章 AUTODYN 软件包1. 文件分类AUTODYN 程序以多个文件的方式发布，文件列表如下： ? 安装文件 ? AUTODYN 可执行文件 ? AUTODYN 目标库 ? 材料库 ? 帮助文件 ? 常用模块 ? 幻灯片 ? 指南 ? 演示和验证问题集 ? 文档安装文件用于在用户使用的特定硬件上安装 AUTODYN。 每一特定系统都提供安装 向导。 同时发布了目标库和执行文件，确保了用户可以把自定义程序连接到程序中。 提供的 AUTODYN 常用模块有助于任何自定义程序与 AUTODYN 之间的连接。 在用户子程序向导中可以找到关于用户子程序的指导。 运行 AUTODYN 时，用户可以使用材料库和帮助文件来得到所需的材料数据和信 息。 另外，AUTODYN 提供了预先制作的幻灯片，可以用电子幻灯片放映功能来放映。 幻灯片放映的是预存算例的计算结果，以此来证明 AUTODYN 强大的演示功能. 用户可以通过向导资料学习一些 AUTODYN 的特殊功能。向导手册提供了关于下 面主题的详细说明：重分网格，射流，算法，拉格朗日冲击/滑移表面，欧拉-拉格朗日 复合等。 AUTODYN 提供了介绍性问题的输入和结果。 这些问题的安装和运行可以使用户熟7悉 AUTODYN 程序。演示手册给出了介绍性问题的每一步操作。 用 Adobe Acrobat 阅读器可以使用电子版的文件。这个阅读器可以通过互联网中大 部分免费系统中得到，也可以从 AUTODYN 程序中得到。8第三章 开始AUTODYN 可以在很多不同的硬件上使用， 从个人电脑到超级计算机。 安装过程根 据所使用的硬件而有所不同，软件包中含有与用户使用版本相关的信息。 遵循安装向导后，你也许希望通过使用 AUTODYN 的幻灯片放映功能由观看以前 的分析结果开始。按照安装向导打开程序，将显示如下所示的 AUTODYN 主菜单：按 P 键从菜单中选择后处理程序，显示后处理菜单：9按 S 键选择幻灯片，出现一个数据文件的提示：10选择所需的幻灯片，按空格键在有效名称中循环。按回车键选择所需幻灯片。按下 S(Show)键开始放映，连续按回车键，将顺序显示幻灯片。放映结束时，可以 重复放映幻灯片，也可以载入另一问题分析。*** 用 户 可 以 跟 随 用 户 手 册 的 章 节 继 续 进 行 ， 如 果 需 要 ， 也 可 以 直 接 转 到 AUTODYN-2D 和 AUTODYN-3D 示范手册中的分步例题。11第四章 菜单AUTODYN 是一个交互式、菜单驱动的应用软件。不同的菜单给出了 AUTODYN 分析过程的各细节。使用分级式菜单结构，可以在菜单之间简单的有逻辑的移动。本章 结尾将给出 AUTODYN-2D 和 AUTODYN-3D 的菜单。 第一次开启 AUTODYN 将显示主菜单如下，所有 AUTODYN 菜单都由一系列的命 令构成，这些命令在屏幕右侧纵向列出。 请参照现行版本中提供的 AUTODYN 菜单结构示意图，获得菜单结构的全景。1. 命令选择可以通过以下三种方式之一选择命令： ? 键入命令的首字母； ? 按方向键将显亮的光标移动到所需命令位置（使用上 / 下健或 &tab& 键和 &backspace&键）,再键入&enter&； ? 移动鼠标，将指针指到需要的命令，单击鼠标左键。12选取命令后， 可以移动到下一级菜单继续选择命令， 或者， 如果命令需要指定数据， 就弹出输入窗口（如下图所示）并提示所需的数据。根据要执行的任务，在各级菜单中移动选择不同的菜单命令。按&Escape&键返回到 上一级菜单。连续按&Escape&键，将返回到更高一级菜单直至 AUTODYN 主菜单。2. 输入窗口一个菜单选项的选择可能会引出一个输入窗口，提示输入具体数据。在输入窗口中 输入所需数据后，按回车键，如果还需要输入其他数据，将自动出现下一个输入窗口。 某些输入区域提供了缺省值。如果接受缺省值，直接按&Enter&键或&Tab&键即可。 在输入窗口中，可以使用“左”和“上”光标键返回到前一个定义区域。在输入窗 口最后区域输入数据后，整个窗口的信息就被定义并传到 AUTODYN 程序中。注意： 如果在定义窗口所有项目之前按&Escape&键， 窗口就会关闭并保留前面的数 据。在输入窗口中，按等号键(“=”)将接受剩余项目的缺省值。如果一个剩余条目没有缺 省值，程序将接受其他项目的缺省值，然后等待你为该条输入数值。注意在窗口的右上13角有一个“-”符号，单击它将关闭窗口（等同于&Escape&键） 。右上角有一个“=”符 号，单击它等同于按等号键。 稍微熟悉后，你将能在各级菜单和输入窗口中快速切换，无论是建立一个分析、观 察中间结果，还是执行后处理任务。不必把逐级菜单记住，易懂的命令名称和提示将引 导你使用多种路径浏览菜单和窗口。在任何时间，只需按 F1 键就可以参考 AUTODYN 帮助工具。3. 菜单层级AUTODYN 使用交互式菜单结构，可以进行快速的问题建立、核对以及分析。作为 参考，下面两页列出了 AUTODYN-2D 和 AUTODYN-3D 菜单结构总图，将这两页复印 后放在你的周围会很有帮助，直到你更熟悉 AUTODYN-2D 菜单。1415第五章 键盘AUTODYN 使用键盘输入来从菜单选择命令，接受输入数据以及执行特定功能。1. 字符输入字符键用来输入 AUTODYN 提示的数据。为保持相容性，这些数据立即被检验， 例如是否输入一个合法数据。如果是名称和标题可以使用任意字母与数字的组合。作为 数字下面的形式可以被接受： ? 带小数点或不带小数点的整数。 例如：1 1.0 1. （注意：在要求输入整数的位置，AUTODYN 将截去浮点型数字的小数部分，如，1.6 变成 1） 。? 带小数点或不带小数点及带有指数形式的浮点型数字。 例如：1 1.0 1. 1.2 1.2E5 1.2E-5当输入不合法时，AUTODYN 将立即拒绝并发出响声警告，相容性检查也将拒绝前 面的数据输入，将出现提示信息表明不相容性，用户可以再次输入正确信息。2.特殊键AUTODYN 使用了很多特殊键，下面概述了如何使用这些键。注意，非个人电脑版 本使用的键盘和定位装置（鼠标，操纵杆等）将有所差异。针对你的特殊硬件查阅安装 向导。回车键： 回车键&Enter&用于接受已选的命令和在输入窗口各项目中已输入的数据。在输入 区域常常会有缺省值，如果存在缺省值，不输入新值直接按回车键就会接受并移动到下 一个输入区域。如果再没有需要输入的数据，就会关闭窗口，并且整个窗口的信息将被16AUTODYN 接受。不使用鼠标时，回车键与移动的光标共同协作来完成定义缩放窗口、 检验结果、以及交互式的重分网格功能。在这些情况下，屏幕上的十字线或圆被移动到 所需位置，按回车键“锁定”或接受以上位置。Escape 键： 在选择菜单命令过程中，按 Esc 键返回到上级菜单，连续按 Esc 键就会沿菜单结构 向上移动，直至 AUTODYN 主菜单。当在一个输入窗口内按 Esc 键，就会关闭窗口， 且不改变窗口中的数据。在运行过程中，按 Esc 键将中断计算并返回用户控制状态，然 后可以选择显示计算到当前位置的结果或者转到完成项（退出） 。Tab 键： Tab 键与其它的应用一样，使用它前进到下一区域或命令。空格键： 空格键用在以下几种情形： ? 空格键用于向下移动右边文本框中的菜单选项， 当所需菜单选项为显亮状态 时，按回车键选择该项。 ? 空格键用于向前循环浏览特定窗口数据区域的各种有效选项。 当所显示的即 为所需时，按回车键选择该项。 ? 空格键用在 AUTODYN 后处理功能的幻灯片放映中，顺次播放下一页，连 续多次按空格键将快速放映幻灯片，并且大多数系统都支持动态结果的动 画。 ? 空格键也可以用在题目和标题中输入空格。Backspace（退格）键： ? 退格键用于在菜单选项中向上移动， 当所需菜单选项为显亮状态时， 按回车 键选择该项。 ? 退格键用于向后循环浏览特定窗口数据区域的有效选项。 ? 退格键用在 AUTODYN 后处理功能的幻灯片放映中，顺次选择前一页。17? 输入数据时，退格键还可以用于删除光标前的字符。等号键“=” ： 在输入窗口中（弹出式菜单） ，按等号键表示接受剩余项目的缺省值，如果存在剩 余项目没有缺省值，程序将接受项目的缺省值，并等待输入此项的值。3.功能键在任何时间都可以选择功能键来执行下述功能： ( 注意：功能键对于非个人电脑版本会有所不同，针对特殊硬件查阅安装指南。) F1:帮助。帮助界面将显示与当前菜单和/或输入窗口有关的信息。 F2:框架。锁定 AUTODYN 边界框架及菜单。这一功能不但可以用于建立屏幕的照片或打印副本，也可以用来做幻灯片的图片。按 F2 键可以使菜单和边框凹下和弹出。注意：当当前框架被删除后，AUTODYN 将当前问题的题目转移到消息区内。用这 种方式，标题被包含在所有的标图输出和幻灯片里。F3:打印。将屏幕打印到连接的图形打印机或复制到一个文件中。 F4:幻灯片。制作并保存当前屏幕的一张幻灯片。它将被添加到当前幻灯片放映的 末尾。此功能可以用来保存任何 AUTODYN 的显示图片。注意：如果不需要菜单和框 架出现在幻灯片中，则需要先按 F2 键。F5:视图。列出下面选项： ? 冻结窗口 ? 设置视图区（比例） ? 关于轴对称或平面对称的镜像图形 ? 设置观察点 ? 观察侵蚀掉的点 ? 设置材料标绘的类型（仅限 3 维） ? 设置标绘范围（仅限 3 维） ? 标绘数值网格的轮廓（仅限 3 维）18? 指定标绘的透视类型（仅限 2 维） ? 指定 SPH 节点半径的比例因子F6:其他。选择 F6 键时，会出现一个功能子菜单，用户可以设置下面的信息： ? 屏幕： 刷新：恢复图像 删除：删除图像 输出：选择图形输出或文件，设置黑/白反色 颜色： 256 色――缺省值， 允许高密度的彩色等值线以及针对 3 维的光 源投影 128 色 16 色 8色 单色图案填充 单色阴影填充 灰度比例 直线：直线线宽比例系数 片段：激活/解除激活图形和边框的图形片段。对于特定的绘图选项以 及刷新屏幕，图形片段必须被激活。如果片段是激活的，解除 激活自动刷新可以通过不刷新弹出式窗口（这部分区域设为空 白）来会加速屏幕界面。 自动操作：可以放慢幻灯片自动播放的速度（因子由 0 到 1） 。 ? 打印文件：改变打印文件的扩展名，提示你一个新的打印文件扩展名。缺省 的打印文件名是 IDENT，扩展名是“.PRT” 。如果重新运行一个问题，任 何存在的打印文件将被重写，除非用此选项改变扩展名。例如：如果当前 IDENT 是“IMPACT”,则默认的打印文件名是“IMPACT.PRT” 。把扩展名 改为“.PR1”,打印文件的名称变为“IMPACT.PR1” 。 ? 宏：该选项可以保留并再运行按键次序。如果选择“定义” ，将随即提示输19入一个宏名称， 然后所有随后的按键都被保存在一个同名宏文件 （.mac） 中, 直到再次按 F6 键为止。但再次按 F6 键时，用户将被询问是否宏命令被循 环下去（也就是说继续重复） 。宏选项“Run”用来执行前一个制作的宏。 提示用户输入一个宏名称， 以及是否要在每个命令中设一个暂停来分步执行 宏命令。如果宏命令被设为循环，它将重复下去直到按&Escape&键为止。 ? 注意：类似于“Zoom”及“Examine”命令的定位器（鼠标键或光标键）行 为并不属于按键行为， 所以在执行宏命令过程中出现这类行为， 就需要在适 当时间人工干预。注意：当为一个幻灯片制作一个宏时，为了代替空格键转入下一张幻灯片，可以通过键入一个从 1 到 9 的数字 （9 为最长） 为每张幻灯片指定播放时间。 实际播放时间根据机器类型不同而有所不同。? 帮助：该选项能转移到一个可以获得 AUTODYN 大概信息的菜单以及关于 下面主题的帮助： 介绍 菜单 键盘 鼠标 安装 用户子程序? 文件位置：该选项可以为 AUTODYN 所使用的数据和幻灯片选择位置。文 件查找在大部分系统中都可以进行，它允许你浏览存在的数据和幻灯片文 件。F7、F8、F9、F10: 图像旋转键。 F7、F8 和 F9 键分别将图像绕 X、Y、Z 轴旋转。 对于 2 维，只有 F9 键适用。F10 键用于反向旋转。缺省设置的每次旋转角度为 10?。先 按 F5 键，再选择 Viewpoint，然后再使用 F7~F10 功能键，将仅对观察点处的单个单元20体发生作用，这样能够更快的显示，而不必在每次旋转后重画整个图像。4.功能键结构图解5.光标方向键光标方向键有下述功能： ? 从一个菜单选择移动到下一个。可以使用向上的光标键（↑）和向下光标键 （↓） 。 （注意：也可以用鼠标或输入命令的第一个字母来选择命令。 ） ? 在输入窗口内从一个输入区移动到另一个。使用“左”光标键（←）和“上” 光标键（↑）移回到上一个区域，用“右”光标键（→）和“下”光标键（↓） 移动到下一个区域。 ? 使用检测命令时，在“变量”模式下，当前被检测的变量名在信息区内用白21色加亮。在此模式下，使用&↑&和&↓&在检测标准网格变量和材料变量之间 循环。 通过使用&space&和&backspace&浏览网格或材料变量。 可以检测的材 料变量是：材料裂纹、质量、压缩、内能、温度和 alpha。通过使用&→&和 &←&浏览不同材料。22第六章 鼠标在 AUTODYN 中，鼠标用来执行各种交互的屏幕图形功能。鼠标的作用根据使用 的硬件结构的差异而有所不同。典型的，鼠标可以用来选择菜单，在输入窗口中移动以 及执行屏幕上的交互功能（缩放、检查等） 。1. 选择菜单项进行一个菜单选择，指向所需命令后按鼠标左键，按右键可以移到下一个更高级的 菜单。它与&Tab&键作用相同。鼠标必须定位在菜单命令的区域时右键才起作用。2. 输入窗口功能输入窗口中，用鼠标在数据选项之间移动： ? 按鼠标左键前进到下一个区域，按右键移动到前一个区域。 ? 将鼠标指向输入窗口右上角的“=”符号并按左键（相当于按下“=”键） ， 关闭输入窗口且接受输入的数据。 ? 将鼠标指向输入窗口右上角的“ -”符号并按左键（相当于按下“Escape” 键） ， 取消输入窗口。 针对你特殊的硬件结构根据安装向导查阅鼠标的用法。3. 鼠标的互动功能当选择了诸如缩放、检查一类的命令后，屏幕上就会出现一个十字叉。当出现十字 叉时，可以用鼠标进行下述的基本操作： ? 移动十字叉：在屏幕上十字叉随鼠标的移动而移动。 ? 选择一点：将十字叉移动到所需位置并按鼠标左键即可用定位器选择一点。 ? 退出鼠标模式：按鼠标中（右）键，可以返回到菜单并离开作图屏幕。 下面针对鼠标的某些交互功能提供了专门的介绍。234. 缩放选择缩放命令后，在作图窗口左下部分出现一个光标。将光标移动到要设置的缩放 窗口的任意一个角上按左键“固定”这个角，然后将鼠标移动到窗口的斜对角上再次按 鼠标左键。被选的区域就被“缩放”了。按右键退出缩放返回到菜单状态。5. 检查当选择了检查命令后,立即进入“pick”模式，可以从图形窗口选择单元来检查。在 此模式下，信息区的所有数据以绿色显示。单击左键选择鼠标所指单元进行检查，可以 在单元之间移动重复此项操作。按鼠标右键（若三键鼠标则按中键）切换到“变量”模 式，在此模式下改变被检测的变量。 在“变量”模式中，当前被检测的变量名在信息区中以白色高亮显示。同时在此模 式下，可以通过使用&↑&和&↓&在标准网格变量和材料变量间选择。可以通过&space&和 &backspace&键浏览网格变量和材料变量。材料变量中可以被检测的有材料裂纹、质量、 压缩、内能、温度和 alpha。当检测材料时，可以通过&→&和&←&键浏览不同的材料。 从“变量”模式中，按&enter&键可以转换到“pick”模式，这样可以选择一个新的 单元。按&escape&键退出检测。 如果变换检测的变量，按鼠标右键离开“检测”模式。用户可以利用空格键和退格 键在变量中循环，当显示出需要的变量时，按&enter&。用户可以通过按鼠标左键选择所 需单元。 若想退出检测模式返回菜单，按鼠标右键及&Escape&。6. 交互式划分网格与重分网格交互式划分网格与重分网格可以删除或移动拉各朗日节点。 在交互式划分网格与重分网格过程中，选择“删除”命令后，在图形窗口左下角就24会出现一个光标，光标移动到一点后按下鼠标左键就从网格中删除了这个节点。如果需 要，可以重复此过程，按鼠标右键退出“删除”命令。 选择“移动”命令后，在图形左下角出现光标。将光标移动到所选的节点上，单击 鼠标左键，将光标移动到新位置后再次单击左键，所选的节点就被移动到新位置上了。 如果新位置与另一个节点接近，被移动的节点就“粘”到那个节点上。若需要可以重复 此过程。按鼠标右键退出此命令。7. 设置标志点（仅用于 2 维）在 AUTODYN-2D 中，可以用鼠标设置标志点（计量位置）来保存历程数据。如果 想把一个单元设为标志位置，只需把鼠标移动到该单元上后单击左键。重复此项操作设 置多个标志点。按鼠标右键退出该模式。 在 AUTODYN-3D 中，标志点被明确的输入，鼠标不起作用。25第七章 AUTODYN 概念与定义物理系统的动力学行为遵从基础物理定律和条件。概括如下： ? 质量守恒 ? 动量守恒 ? 能量守恒 ? 材料模型（本构方程） ? 初始条件 ? 边界条件 AUTODYN 使用高级数值技术解算上述基本方程。AUTODYN 包含着大量的数值 解算器，称之为“处理器” ，每一个都根据不同的物理领域进行了优化。这些处理器， 从本质上使 AUTODYN 的多个程序合而为一。这些不同的处理器可以单独使用，或在 特殊情况下耦合在一起对复杂的“耦合问题”提供一个精确有效的解决方法。耦合问题 包括冲击－侵彻问题、 流体动力学－结构力学的相互影响问题以及爆炸－结构相互作用 问题。1. AUTODYN 分析技术AUTODYN 把时间和空间分成多个增量（离散化） 。时间被分成“时间步” ，每个时 间步形成一个“循环” ，用户可以指定选择第一个时间步，否则，AUTODYN 将自动提 供适当的时间步长以确保计算的准确和稳定性。 空间被划分或“分区”成所谓“单元” 、 “区”或“元素” 。在 AUTODYN 中，所有 的单元都是四边形（2D）或六面体（3D） 。给定的空间或“子区域”是由 i、j (2D)或 i、 j、k (3D )结构的坐标空间构成的，每个单元的变量通过 i、j (2D)或 i、 j、k (3D )来定 位。在一个问题中，AUTODYN 可以定义几个独立的 i、 j、k 子区域，并且每个子区域 可以采用不同的数值解算器（Lagrange、Euler、Shell、ALE、SPH 等） 。由于每个子区 域有一个正交的 i、 j、k 坐标空间（IMAX ? JMAX ? KMAX） ，无用网格的使用和多重 子区域的功能相互作用使 AUTODYN 可以解决复杂的非正交（x,y,z）的形状和结构问 题。26注意：为简便起见，下面讨论涉及 AUTODYN-3D 的 i、 j、k 坐标空间和 XYZ(x,y,z) 物理空间，而 2D 仅有 i、j 和 x、y。2. 全局和子区域数据AUTODYN 输入数据有全局输入和子区域输入构成。 用户可以以任何方便的顺序定 义全局和子区域数据，在全局和子区域菜单之间切换，直到问题被完全定义为止。§ 1. 全局数据 全局输入整个问题特性的特定参数，包括如下信息： ? 对称性：对于 AUTODYN-2D，供选择的是平移的（平面应变）和轴向的（x 轴是对称轴） 。AUTODYN-3D 没有定义对称的要求，然而可以指定任意的 x,y 和 z 轴上的对称平面。 ? 时间步长：AUTODYN 通过查找最大的稳定时间步长为问题中所有区域定 义时间步长，这个唯一的时间步长在所有子区域中应用。 ? 终止：控制一个问题的计算时间（不是计算机时间）或指定循环次数（时间 步） 。用户也可以在所需的时间点上重新计算一个问题。 ? 材料：材料可以在全局级别中定义，并且可以在所有的子区域中使用，仅需 通过简单的名称指定。为了方便，材料也同样可以在子区域级别中定义。内 建的材料数据库可以使用、修改以及增加材料特性定义。 ? 边界：根据解算器的类型（Lagrange、Euler 等）定义边界状态（压力，速 度，流动条件）的属性。在子区域级别的命令中，可以通过名称和在网格中 的物理位置应用定义的边界条件。 为简便起见， 边界条件也可以在子区域级 别中定义。 ? 编辑： 定义各种类型显示图形的显示频率以及包括图像和幻灯片输出在内的 打印编辑。 打印编辑的物理范围或标志点 （时间历程） 在子区域级别中定义。 ? 选项：全局选项包括重力、阻尼系数等，针对所有的子区域定义。通常这些 常数置为默认值。同样可以定义起爆点或起爆面。 ? 标题和单元： 一个问题的总标题是具体指定的。 在所要分析的问题的网格中,27任何连续的单元集合都可以使用，AUTODYN 能够为几组连续的单元集合 提供操作选项。§2 子区域定义 与上面的全局输入相对应，子区域输入是为特定的子区域指定数据。每一个子区域 是一个独立定义的 i、 j、k 坐标空间，它使用一种处理器（例如 Euler、Lagrange 等） 并且可以与其它子区域相互作用。 子区域是一组在坐标空间（i、 j、k）内的正交单元。这些单元由 i 线、j 线、k 线 组成，从 IMIN（I 的最小值）到 IMAX（I 的最大值） ，从 JMIN（J 的最小值）到 JMAX （J 的最大值） ，从 KMIN（K 的最小值）到 KMAX（K 的最大值） 。子区域中每个单元 由 8 个顶点（2D 有四个）构成一个普通六面体单元。根据计算机硬件的情况，一个 AUTODYN 问题可以包含多达 100 个或更多的子区域。重要提示：每个子区域的坐标空间独立于问题中定义的任何其他子区域。28如上面的图形所示，尽管子区域的坐标空间是正交的，子区域在 XYZ 空间的物理 位置不一定为正交。而且，使用“无用”单元可以有效的构造非正交的 i、 j、k 空间， 如下图所示。每个子区域可以包含一些不同的材料、 初始条件和边界条件。 根据问题分析的需求， 用户为每个子区域指定一种特定的数值处理器：Lagrange、Eule、Euler－FCT、Shell、 ALE 等（见处理器章节） 。每个子区域可以与其他子区域（或者甚至与它本身）在区域 边界（如果使用空网格的话有时沿着一个内部的表面）上相互作用。相互作用的类型根 据子区域不同的处理器类型而有所不同。 例如， 两个 Lagrange 子区域在撞击－滑移界面 可能以点对点或相交的方式联结。 Euler 和 Lagrange 子区域界面可能以相交的方式联结。 针对处理器耦合有几个可选项（见界面章节） 。 对于用户定义的每个子区域，需要下面的子区域信息： ? IMAX,JMAX,KMAX：i、 j、k 坐标的最大值，这将定义子区域中的单元数 以及由此导致的问题的空间精确程度。每个子区域都自动被赋予 I、J 或 K 线的初值为 1。记住：不同子区域的坐标空间是独立的。 ? 处理器类型：Lagrange、Euler、Euler-FCT、Euler Godunov、Shell、ALE 或 SPH。根据预期的动力学行为类型为每个子区域选择处理器。例如，对于气29体或流体动力学行为，可以使用典型的 Euler 方法。对于固体或结构行为可 以选择典型的 Lagrange 类型的方法。为每个子区域选择合适的处理器类型 将得到一个准确有效的结果，后面将作进一步讨论。 激活时间与停用时间可以用于每个子区域。如果把子区域激活时间设为 0 （缺省值） ，子区域从计算的开始就被运算。如果，设置一个非零的激活时间， 子区域就会在到达该时间后才开始计算。这样就允许生成并显示没有立即变形 的子区域，而避免一开始就计算不必计算的子区域。如果根据计算结果一个子 区域不再重要，但为了模型的可视化仍然需要它，使用停用时间选项可以减少 运算时间。激活时间与停用时间可以在定义子区域时设置，并可以通过子区域 －选项－激活菜单来修改。 ? 划分网格：定义子区域在 XYZ 空间的几何形状，这样定义了数值网格和空 间的离散。划分网格是交互式的，使用户可以观察正在构建的对象。从其他 来源引进的数值网格也可以实现。 ? 填充：定义几何形状后就可以用材料和初始条件“填充”单元。一个子区域 可以由许多不同材料和初始条件构成。 没有必要为每种材料或每套初始条件 把问题分为不同的子区域。 唯一的约束是在一个子区域中， 只用一种类型的 处理器。 ? 边界：把边界条件加到子区域上。包括压力、速度、位置、连续和流动特性。 针对子区域间的相互作用，一个单独的相互作用菜单可以在全局/子区域级 别中选择（见相互作用） 。 ? 编辑/标志：指定历程数据保存的标志点位置。这些就是“计量”位置。在 子区域内，要求硬拷贝打印输出的区域也被具体指明。注意：全局编辑命令 特指何时，编辑发生的时间。子区域编辑命令特指在哪，在子区域内所处的 空间。 ? 选项：对于所有的子区域都可以改变 i、 j、k 坐标范围。用此方法移动一 个存在的区域中的一部分， 或者实现在空间中更精细或更粗略的计算。 对于 某些处理器可以从一种类型改变为其他类型。 例如， 可以在 Lagrange 和 ALE 处理器之间或 Euler 和 Euler－Godunov 处理器之间转换。303. 多重子区域在问题的分析中会用到不止一个子区域。每个子区域使用一种处理器（解算器） ， 多重子区域可以是同种处理器（如 Lagrange）或不同组合（Euler-Lagrange-ALE-Shell等） 。通过使用多重子区域结构，可以对复杂的几何模型建模。而且，重要的是，不同 类型的处理器可以用于一个问题的不同区域、 给诸如流体－结构相互作用或撞击问题的 “耦合”问题提供优化解决技术。 子区域菜单可以快速创建一个复杂模型，通过建造体样式、依次定义每个子区域以 及定义它们之间的相互作用。每个子区域可以独立显示，也可以与其他子区域结合整体 显示。 AUTODYN 的一个重要特性就是在一个解算过程中， 可以增加或删除子区域。 这使 用户在完成下述类型的功能时有极大的灵活性： ? 必要时，引入模型的增加部分。例如，对一个复合薄板冲击问题，仅需在开 始冲击时引入增加的薄板。 ? 删除模型中非重要的部分。例如，对一个爆炸加载问题，当炸药的能量被稀 疏时， 可以删除定义炸药的子区域， 计算可以继续下去而不用计算静止的炸 药单元。另一个例子是删除已不重要失效区。 综上，AUTODYN 的多重子区域特性提供了有力的功能： ? 复杂几何模型的定义。IJK 空间（数值网格）可以被单独定义，子区域之间 的 IJK 坐标不必连续。 ? 一个模型的不同部分应用不同的处理器（解算器） 。为不同类型的物理行为 提供优化的解法。 ? 在问题分析过程中灵活的修改模型。增加和删除模型的一部分。4. 处理器类型AUTODYN 允许在一个问题中使用不同的数值处理器（解算器） 。根据分析的要求， 用户为每个子区域分配一个特定的处理器。子区域根据用户指定的或所选择处理器决定 的进行相互作用。应用不同处理器的能力能得到优化的数值解法。尽管或许没有一个最31好的数值方法适用于一个问题的所有部分，但 AUTODYN 允许在一个相同问题中使用 不同的方法。 下面的部分描述了 AUTODYN 中的数值处理器：§1. Lagrange 处理器 在 Lagrange 处理器中，数值网格随着物质材料移动和扭曲变形，如下面图形所示。Lagrange 处理器很适合描述固体材料。自由表面和材料界面位于单元边界，因此 可以在计算过程中很好的保持。 在 Lagrange 中， 时间相关的材料特性也可以很好的描述， 因为材料及其历程都包含在它的初始单元中。 Lagrange 结构中，在角点处定义坐标（x） 、速度（u） 、力（F）和质量（m） ，在单 元中心处定义应力（σ） 、应变（ε） 、压力（p） 、能量（e）和密度（ρ） 。用于 AUTODYN 的算法最初基于 Wilkins[1]提出的有限差分方法。 公式已经被修改为把力和质量集中于节 点处，与大多数有限元公式类似。这个修改也能与 Euler 处理器更简单的耦合。 下面图表给出了 Lagrange 计算循环。AUTODYN 循环的每个时间步都经历各个步骤。32连续关系Lagrange 计算循环尽管 Lagrange 特别适合描述固体行为，但它主要的缺点是对于极大变形问题数值33网格会变得极大扭曲，导致小时间步长且可能失去准确性。下图显示一个简单例子说明 了此种情况。在上述问题中，数值运算只能进行到 Lagrange 网格畸变引起由于时间步长过小或 网格纠结导致的解算中断前的某一点。 AUTODYN 包括了附加的强有力的特性用于 Lagrange 处理器，使计算继续。这些特性包括重分网格和侵蚀。 AUTODYN 交互的重分网格特性通过把扭曲网格的网格量映射到新网格 （只限 2D） 来重建“规则”的网格，如下表所示。交互重分网格要求用户人工定义新网格，而 AUTODYN 自动执行重映射的功能。 侵蚀选项也可以解决很多与使用 Lagrange 算法中大变形的问题。用户在单元内指 定一个应变阈值，当达到应变阈值时单元就被侵蚀掉。例如，把一个固体单元转换成与 初始网格分离的自由质量节点，从而避免了网格扭曲问题。AUTODYN 自动允许侵蚀发 生后新界面的重定义。在 Advanced Topics 中的 Erosion 有更详细的讨论。 在某些情况下，Lagrange 处理器可以由 ALE（任意 Lagrange Euler）代替，ALE 处34理器提供了一种“自动”重分网格可以避免网格扭曲。后面有 ALE 的讨论。 下面的表格总结了 Lagrange 处理器的特性。§2. Lagrange 处理器的总结优点限制解决方法 重分网格和侵蚀 重分网格和侵蚀 使用 Shell 处理器 AUTODYN 包含强有力的有效的 相互作用逻辑有效性，每个循环计算时间 单元变形导致时间步长减小 较少 定义的材料界面和边界清 单元变形能引起网格扭曲， 晰 不精确 好的时间历程信息 强度建模好 编码简单 薄的截面需小的时间步长 滑移接触面 逻辑复杂§3. Euler 处理器 在 Euler 处理器中，网格在空间固定，物理材料在网格间流动，如下图所示。35Euler 处理器很适合描述流体和气体行为， 自由表面和材料界面在固定的 Euler 网格 间流动。精密的数值技术用于追踪材料的运动。因为网格固定，则大变形或流动情况不 会导致网格变形。要权衡的是为保持界面与限制数值耗散，需要很大的计算量。另外， 为描述固体行为，固体应力张量和材料历程必须在逐个网格间传输。复合材料和强度由 AUTODYN 自动控制。 所有变量（应力、应变、压力、能量、密度和速度）都在网格中心。这个选择是为 了与 Lagrange 的耦合。 在 Euler 处理器中，每个时间步内的基本计算循环如下图所示：36连续关系Euler 计算循环AUTODYN 包含了三种不同的 Euler 处理器： （标准）Euler、Euler－Godunov 以及 Euler FCT。 标准 Euler 处理器最为常用， 用来描述包括固体和多种材料模式的多种材料。 Euler FCT 处理器用于解决气体动力学问题和爆炸问题， 并且比 Euler 处理器高级解法的 一般用途更有效。Euler FCT 处理器只适用于单一理想气体材料。Euler－Godunov 是一 个更高级别的、多种材料的 Euler 解算器，包括材料强度和高分辨界面追踪。 Euler－ Godunov 既可用于 AUTODYN-2D 也可用于 AUTODYN-3D。下面的例子是 Euler 处理器在 AUTODYN 中的应用。37第一个例子是在激波管中的二维爆炸。此例说明了在 AUTODYN 在流体动力学中 （没有强度）多种材料处理的 Euler 性能。38上面的例子显示了 Euler 在含强度的多种材料中的应用。金属射流为铜，靶板是钢。 Euler 多种材料模式自动考虑到了材料的分离和创立自由表面（空的创立） 。上面的例子是三维建筑物中的爆炸加载问题，此问题表现出了高效 AUTODYN Euler FCT 处理器的应用。AUTODYN 中的 Euler 重映射功能作为初始条件可以将 1D 或 2D 的解映射为 2D 或 3D 的解。 Euler 细分功能可以用于在用户需要的位置调整网格密度，细化分区。在 Advanced Topics 和重映射指南中有对上述 Euler 功能的进一步讨论。39§4. Euler 处理器的总结优点 无网格畸变 处理大变形 初始相互独立的材料在网 格中混合 无需进行重分网格限制解决方法每个循环需要比 Lagrange 单一气体材料采用高效 多的计算时间 Euler－FCT 材料边界耗散 执行精密的界面追踪 与 Lagrange 同样精度计算 需要更细的网格 材料流动导致空网格的定 义，导致大量的网格数量 冲击波耗散 用高级数值方法描述冲击波 对强度模型不灵活 标准 Euler 中包括强度 需要薄截面 使用 Shell 处理器§5. Shell 处理器 Shell 处理器用于薄结构的建模， 而这些模型如果使用标准的 Lagrange 或 Euler 处理 器会在计算中产生过小的时间步长。Shell 处理器首先假设作为模型的结构是足够“薄” 的，以至于能够假设一个二轴应力状态。厚度方向无波的传播，仅沿长度方向传播。因40此，时间步长仅受长度方向网格划分的尺寸控制，薄壳子区域的定义通过常数 I＝1，用 J 代表 2D 中沿壳方向上的一列节点，用 J 和 K 定义 3D 中的节点表面。 下面的示意图举例说明了 2D 的 Shell 处理器。Shell 处理器（2D）计算循环的基本步骤如下：41Shell 计算循环 在 AUTODYN 理论手册中详细讨论了 2D 和 3D Shell 处理器的公式。 下面的例子显示了 3DShell 计算的六边形梁的压垮。42Shell 处理器的总结如下表所示。§6. Shell 处理器的总结优点 时间步长受分段长度控制, 不受厚度控制限制 不能对有厚度结构精确计算 二轴应力状态43§7. ALE 处理器 ALE(任意 Lagrange Euler)处理器可以被确切的定义为一个 Lagrange 子区域，不同 的是用户可以指定区域内节点的运动。这样就可以提供一种“自动的重分网格” ，解决 某些问题非常有效。根据具体的运动，ALE 子区域可以是完全的 Lagrange（节点随材料 运动） 、完全的 Euler（节点固定，材料在固定网格间移动） ，也可以是介于二者之间。运动约束的标准选项是： ? 自由（Lagrange）－缺省 ? 固定（Euler） ? 均等 ? 在 x 和/或 y 和/或 z 中等分 ? 沿 I 和/或 J 和/或 K 等分 ? I 和/或 J 和/或 K 的几何分隔 ? 平衡流动 ? 用户自定义 ALE 可以用于固体、液体、气体的建模。它特别适合流体－结构相互作用问题。 ALE 的一个例子显示在下面的图中。使用 3DALE 处理器为在建筑物内部的爆炸建模。 用 Euler 约束模拟爆炸和流体动力学区域的模型，而固体结构用 Lagrange 约束建模。44ALE 处理器假定在子区域边界或材料交界面上的节点全部是严格的 Lagrange 型， 因此 ALE 子区域中没有材料的流入流出，而且一个单元中只包含一种材料。在 AUTODYN 的 ALE 指南中提供了更详细的信息。注意：如果不为 ALE 子区域指定运动状态，子区域就完好的表现为 Lagrange 子区 域。在指明运动状态之前所有节点默认为 Lagrange 型（自由） 。§8. ALE 处理器的总结45优点 大范围的适用于任意的网 格运动（自动重分） 材料界面和边界的清晰定 义 很好的时间历程信息 强度建模容易限制 需要指定网格运动约束 单元变形导致网格纠结 和误差 薄的区域需要小的步长 滑移表面逻辑复杂解决方法 包括等势在内的很多标准 运动选项 重分网格和侵蚀 使用 Shell 处理器 健全有效的相互作用逻辑5. 相互作用子区域之间（或内部）根据处理器类型会产生几种方式的相互作用。这些相互作用 特性使 AUTODYN 在解决“耦合”问题方面（例如撞击、爆炸、流体－结构相互作用 等）有强大的功能。根据模型的不同现象使用优化的数值处理器（解算器） ，然后在时 间和空间上自动的链接在一起。 子区域间的相互作用是通过相互作用菜单定义的，定义子区域后就可以通过全局/ 子区域菜单获得。注意：相互作用菜单直到定义完一个或两个子区域后才出现。§1. 相互作用类型 根据处理器的种类可以得到相互作用的种类： ? Lagrange－Lagrange：两个 Lagrange 子区域（包括 Shell 和 ALE 处理器）通 过接合表面或 Lag/Lag 撞击滑移面相互作用。 接合的定义允许不同 Lagrange 子区域的表面以点对点方式接合在一起。这对于构建复杂模型非常有用。 Lag./Lag.撞击－滑移表面允许 Lagrange 体的表面相互作用，Lagrange 体也 以默认的自我撞击方式被测试。 Lag./Lag.相互作用可以用来模拟包括冲击和 侵彻在内的广泛的相互作用现象。 ? Euler-Lagrange：Euler 子区域与 Lagrange 子区域通过 Euler－Lagrange 交界 面相互作用。 在 Euler－Lagrange 交界面上， Euler 子区域在边界上对 Lagrange 子区域提供一个压力边界， 而 Lagrange 子区域对于 Euler 子区域起到了几何 约束的作用。 对于诸如流体结构和气体动力结构的问题， 这种相互作用是非 常好的算法。46? Euler－Euler： 与 Lagrange 子区域类似， Euler 子区域可以以点对点的方式结 合。 结合的单元表面允许从一个子区域到另一个子区域的流动， 因此可以建 立复杂流动模式的模型。下面章节提供了 AUTODYN 中不同类型相互作用的总的概况，在 AUTODYN 的 Interaction Tutorial（相互作用向导）有更详细的描述。§2. Lagerange－Lagrange 结合 每个 Lagrange 子区域中的节点被结合（融合）在一起，在计算中被当作一个单一 节点。在计算中，这些节点仍然很好的结合在一起，直到用户去掉了结合条件或发生侵 蚀。所有“Lagrange”类型的子区域都可以结合在一起，包括 Lagrange，Shell 以及 ALE 子区域表面的节点。§3. Lag.-Lag.相互作用（动态冲击/滑移表面）47一种 Lagrange 类型子区域表面与另一不同子区域的表面相互作用考虑到了子区域 之间的冲击和滑移，间隙的打开和关闭。冲击/滑移表面可以包括摩擦或不包括，沿滑移 面， 间隙也可以打开或闭合。 冲击/滑移表面也可以在存在自由表面的单个子区域内定义。 下图举例说明了在 AUTODYN-2D 中一个简单的 Lag.－Lag.界面。Lag.－Lag.交界面被动态的构造以包含已定义的冲击区域内所有相遇表面（例如， 它能够足以简单描述子区域 A 将与子区域 B 相互作用的情况） 。 当两个子区域 （或区域） 被定义为相互作用后，在每个时间步内，构造了包含第一个子区域的所有当前表面的表 面列，称为“主”面。第二个子区域中的所有从表面节点将被测试在当前时间步内是否 穿透到“主”面中。如果任何从节点发生穿透，就会计算动量守恒的相互作用来阻止穿 透。这一过程完成后， “主” “从”子区域相互交换并重复这一过程，确保操作过程的对 称。 相互作用算法基于使用一个小“间隙”来判断是否子区域存在相互作用。间隙定义 了一个相互作用的探测区， 它存在于每个相互作用面的附近。 一旦节点进入这个探测区， 它就会被排斥并且“推回”到表面上。 间隙可以是显式的，这样子区域随着间隙的距离而自然分隔（默认） ；也可以是内 部的，子区域能够自然的接触。每种方法，显式的或内部的，都有各自的优点。显式的 间隙提供了更加有效的计算，而内部的使冲击过程有更“直观、逼真”的感觉。对于薄 壳，始终需要显示间隙。只要可能，都推荐显示间隙选项，因为它有更强大的计算能力。 正如下图所示，对于显示间隙，子区域被一个小间隙分离。而对于内部间隙，子区 域可以很好的接触。在定义 AUTODYN 模型的几何形状时，必须考虑到要使用哪种类 型的间隙。48由于子区域移动、扭曲以及可能的侵蚀（见 AUTODYN Topics：Erosion） ，相互作 用的 Lagrange 表面被自动定义。AUTODYN-2D 和 AUTODYN-3D 中的侵蚀算法允许将 超出预定义的应变（瞬时或增加的几何应变或有效的塑性应变）的 Lag 单元从计算中删 除。当侵蚀发生时，界面自动重新定义。 当一个单元被侵蚀后，单元的质量可以丢弃也可以保留在单元的四个节点中。如果 质量保留下来，惯性守恒和惯性的空间连续性在侵蚀过程中仍然保持。 如果使用保持惯性选项，且在一个特定节点周围的四个单元都被侵蚀，则此节点就 成为一个自由节点。自由节点自动加到在冲击－滑移逻辑的从节点群中，并因此继续与 所有定义的冲击－滑移边界相互作用。 下图举例说明了自由节点的产生以及当侵蚀发生 时冲击/滑移表面的重新定义：49侵蚀不是用于模拟一个物理现象。它是一个基本的数值技巧，用于解决与 Lagrange 网格总体运动引起的网格畸变有关的问题。当一个节点被侵蚀后，这个区域内的材料压 缩强度就消失了，侵蚀节点的质量可以保留（保留惯量选项）也可以删除。应该选择侵 蚀应变， 使只有当一个区域发生严重变形且压缩强度和/或质量与实际结果偏差很大时才 侵蚀掉这个区域。典型的侵蚀应变常选择大于 150％。应该注意的是，使用保留惯量选 项时，在追踪侵蚀 Lagrange 单元的运动情况方面仍能得到很好的结果。如上面的注释， 侵蚀节点随着保留的惯性选项能继续参与相互作用并对其它体加载。 在 Appendix A 和 Interaction Tutorial 中有进一步讨论，这个强大的特性扩展了 Lagrange 类型解决计算大变形问题的能力。 下面的例子是两根钨棒以 4km/s 的速度撞击钢板的三维 Lag.-Lag.相互作用。 侵蚀被 指定为保留惯量。用黄色圆点描述侵蚀的空节点。下面的第二个例子， 示范了 AUTODYN 与实验完美的符合。 在 AUTODYN－3D 中， 用 Lag.-Lag.带有侵蚀（保留惯性选项）的相互作用模拟一个铝球以 6.56km/s 倾斜撞击 铝板。这个问题对于防止太空船遭受轨道碎片非常重要。50§4. Euler－Lagrange 相互作用 Euler 子区域与 Lagrange 子区域通过 Euler－Lagrange 交界面交叉相互作用。 在一个 Euler－Lagrange 交界面中，Lagrange 子区域对于 Euler 子区域起到几何约束的作用，而 Euler 子区域给 Lagrange 提供了边界压力。下图对此进行了描述。51当 Lagrange 子区域移动和边形时，它“覆盖”和“显露”了固定的 Euler 单元。 AUTODYN 使用了精细的逻辑以避免在这一过程中出现过小的 Euler 单元。严重限制计 算的时间步长的小 Euler 单元将自动于较大的相邻单元结合。Euler－Lagrange 交界面既 适合解决大变形结构问题，也适合解决复杂的流体－结构耦合问题。 AUTODYN 使用多边形概念定义用于 Euler－Lagrange 相互作用的不同 Lagrange 子 区域的物理表面。 一个多边形是一系列节点， 它们与给定名称的 Lagrange 类型处理器 （包 括 ALE 和 Shell）耦合。多边形也可以包含不与任何 Lagrange 子区域耦合的点。一个例 子会更好的描述此种构想， 下面图中的多边形由一系列与 Lagrange 子区域耦合的点和一 个非耦合点构成。一旦定义了各种相互作用的多边形， 它们就可以用于定义 Euler－Lagrange 交界面。 相互作用的多边形根据 Lagrange 子区域的内部应力与相邻 Euler 子区域的边界压力的耦 合而运动。图是与 Euler 产生相互作用的多边形。52下面的例子模拟了钢弹撞击并侵彻一个铝靶板。钢弹用 Lagrange 建模，而靶板用 Euler 建模。开始显示了 Lagrange 和 Euler 子区域，然后是相互作用的多边形和侵彻过 程中的计算结果。AUTODYN 的 Interaction Tutorial 提供了关于定义多边形及其相互作用的详细说 明。53重要提示：接合和 Lag.-Lag.边界不使用多边形。并且， “纯”Euler－Lagrange 耦合 仅用于 2 维中。对于 3 维问题，使用 ALE 类型的耦合可以大大提高计算效率。 （见Interaction 和 ALE Tutorial）§5. Euler-Euler 接合 与 Lagrange 子区域相似，Euler 子区域以点对点方式接合。接合单元面可以从一个 子区域流动到下一个子区域。尽管每个 Euler 子区域在在索引空间为矩形网格（在物理 空间不需要矩形） ， 通过与多 Euler 子区域的结合可以构造复杂的流体形状。与 Lagrange 同样，Euler 接合的详细说明通过从全局/子区域菜单中选择接合选项获得。§6. 空单元 单元可以被声明为空的，也就是说它们不含有材料并且在计算中可以忽略。通过使 用 Fill Unused 命令， 可以在每个子区域内定义一个或一组空网格。声明一个空单元的作 用是它成为所有与它相邻单元的边界单元。如下图所示：对于不同处理器，空单元定义了不同类型的应用于相邻单元的默认边界条件。 ? Lagrange：自由边界，P（压力）＝0 ? Euler：混和边界，V（速度）＝0，没有流动（墙）的边界注意：除非额外定义，否则上述默认的边界条件存在于子区域的标准边界条件54（IMIN , JMIN ,KMIN, IMAX, JMAX ,KMAX） 。 重要提示：在填充一个子区域之前，它已有的默认值为空。因此，如果一个特定的 单元不执行填充命令，那么它将成为空网格。使用 View Material 命令可以很容易的看到 在子区域内所有材料单元和空单元的位置。6. 规定及注释§1. 节点和单元内部 每个子区域由 I 线，J 线，以及 K 线组成。每个子区域的节点由如下图示的唯一的 （I,J,K）坐标确定。每个单元内部是由与单元的“右上角” （在 I－J－K 索引空间内） 相联系的唯一的（I，J，K）坐标确定。在图中以节点“7”显示。因此，节点 IMIN,JMIN 和 KMIN（常取 I=1,J=1,K=1）就没有相关的内部单元。注 意：I-J-K 坐标与特定的子区域联系，每个子区域有一个单独的索引空间。 根据处理器的类型，变量定义在节点位置或单元中心。（图中 x：坐标位置；u：速度；F：力；m：质量；σ：应力；ε：应变；e：内能；55ρ：密度） 对于 Lagrange 子区域，在节点位置定义速度，而质心相关的变量（压力、能量、 密度等）在单元中心定义。对于 Euler 子区域，所有变量，包括速度，都在单元中心定义。§2. 右手坐标系和屏幕定位 AUTODYN 中， 索引空间和物理空间都使用右手坐标系。 在 3D 中是指三元组 （I,J,K） 和（x,y,z）必须符合右手定则，如下图所示。2D 中，在 I-J 和 X-Y 空间必须定义右手坐标系，即 I 与 J 的叉乘和 X 与 Y 的叉乘 必须指向屏幕外侧。下图显示了正确的坐标。56注意：I-J-K 和 X-Y-Z 空间不必平行。索引空间（I-J-K）与物理空间（X-Y-Z）是相 互独立的，唯一的约束是它们必须满足右手定则。7. 对称在 AUTODYN-3D 中没有对称假定。但可以用 X=0,Y=0 或 Z=0 定义对称面。在 2D 中 x 轴通常被选作对称轴，如下图所示。作为提示，AUTODYN 会出现一条信息指出 X 轴是对称轴。当用对称轴时，仅创建模型的“上”半部分（Y&0）既可。从对称性考虑， AUTODYN-2D 提供了第三个方向（θ） 。对于平面对称，AUTODYN-2D 提供了平面应 变（而不是平面应力）解法。平面应变解法认为第三个方向 Z 方向无限大是有效的。 为了达到显示和绘图的目的，可以按 F5 键使用镜像选项，通过对称性反射模型。8. 单位在程序中可以使用任何一组相容的单位，下面的图表包含几组公制单位。默认的一 套单位是 G（mm,mg,msec） 。显示的这组单位适用于大部分类型的分析，使用其它几组57单位有时可以使问题得到完美的数值结果，特别是在 Euler 模拟中。根据所使用的系统， 用户可能必须指定 Cutoff 参数（全局选项） 。AUTODYN 默认的 Cutoff 为 G。变量 长度 质量 时间 密度 速度 应力 能量 cm g secA cm gB cm kg msC cm gD m kg secE m kgF mm mgGmsecg / cm3μsecg / cm3mseckg / cm3msecg / cm3g / cm3kg / cm3kg / cm3cm/sec μbar ergcm/msec bar Mergcm/ms kbar kbar-cccm/μsec Mbar Mbar-ccm/sec pascal joulem/msec Mpascal Mjoulem/sec Kpascal μjoule58第八章．问题的建立１、基本步骤对每一个 AUTODYN 问题的分析都遵循着同样的基本步骤。在所有的情况下，必 须向 AUTODYN 提供五类主要信息。如果用户侧重于某方面的信息，可以选择顺序， 并且如果用户遗忘了一些信息，AUTODYN 将提示用户输入必要的数据。一般来说，首 先对问题绘制一个包含以下信息的草图，是很有必要的：§ 1. 几何模型 ? ? 需要建模的结构或空间形状是什么？ 什么样的对称性（2D 的轴对称或平面对称/3D 的在 x=0、y=0 或 z=0 的对称平 面）？ ? 如何将几何模型划分为网格或单元（离散化）？用户可以在网格划分（Zoning） 命令中输入相关的数据。精细的划分更有利于保证模拟的精确性。在选择网格 尺度时，从问题的整体考虑可以获得接近一致的单元时间步长，这样可以避免 出现极小的单元，它将会限制整个问题的时间步长。 ? 需要使用多少种子区域（如果需要多于一个） ，它们之间如何接触（融合，撞击 /滑移，欧拉－拉格朗日等）？可以参考关于解算器及相互作用的讨论来帮助用 户做出决定。定义了某子区域后，可以通过融合和接触菜单来指定接触问题。 § 2. ? ? 材料 模型中存在什么样的材料？ 这些材料是钢、铝、水、空气、炸药等或某些化合物？用户需要指定这些材料 的特性 （全局或子区域材料定义命令） 以及这些材料的位置 （子区域填充命令） 。 通常，状态方程和强度模型的材料参数已经定义。整个问题中对每个单元使用 的系统必须一致（见问题部分） 。用户也可以使用 AUTODYN 内建的材料数据 库来定义材料的性能。 § 3. ? ? 初始条件 问题中的各种材料在零时刻的状态如何？ 初始速度、能量、应力等状态是怎样的？（子区域 Fill 命令）59§ 4. ?边界条件 模型的边界是否存在压力边界， 或受到速度、 位置和流动的约束？ （Boundary 命 令）§ 5. ?编辑 用户希望对该问题运行多长时间（整个停止）？在全局停止菜单中对循环数和 运行时间进行设置。这些设置并不是不可改变的，用户可以在后面的计算过程 中或在计算之后改变这些设置。 ? 需要生成什么样的图形输出？全局和子区域两种级别下的 Edit 菜单可以指定所 需要的网格图、速度矢量图、等值线图、材料位置及状态以及时间历史图。另 外，也可以在计算之后，利用 AUTODYN 后处理器来生成输出的图像。 ? 需要多少输出？可以通过定义需要输出的每个子区域中的区域（Subgrid Edit） 和应输出的时间或循环次数（Global Edit）来确定。 ? 在计算过程当中需要多少次暂停检查结果？可以在 Global Edit Display 菜单中来 指定。在大多数系统中，也可以在计算过程中的任意时刻按下&Tab&键来实现暂 停计算来检验在这一点的模拟结果。 ? 在计算过程中需要多少次操作保存（Global Edit 保存）？保存的设置可以用作 AUTODYN 后处理的输入，以显示计算的结果。为了能在后处理中回顾和显示 中间结果，请确保在计算过程中进行的有效的保存。重要注释：由于 AUTODYN 具有交互性，所以用户可以经常在计算过程中对设置进 行修改，然后再继续计算。AUTODYN 将接受上述的各种设置，如果用户有所遗漏，AUTODYN 会提示补充 必须的信息。不过请记住，一旦提供了必需输入最少数据，AUTODYN 就无法检验由这 些数据所定义的问题是否真正是用户所需要分析的问题。因此，需要运用多种不同的角 度及检验特征以确保问题的正确定义。此外，还应该通过观察屏幕的显示来监视前几次 循环的解算过程。 在建模过程中，用户可以利用 AUTODYN 宏工具来对输入的过程保存一份记录。 这种宏工具可以记录建模时的完整的或部分的输入。 它为用户提供了一种关于模型细节 的可编辑的记录。此外，它提供了一种工具，以便对宏文件进行修改和再运行，从而对 模型进行修改。60作为问题的另外记录， AUTODYN 自动生成一份包含所有输入数据的打印文件 （“ident.prt”） 。这为建立一个问题提供了方便的大纲。2. 分步设置清单在最初学习使用 AUTODYN 时，正确的方法应该是利用范例指南中的示范问题进 行对问题的建立、 分析和后处理。 表 2 列出了在建立一个新问题时所需输入的所有数据， 以及与之相关的 AUTODYN 的菜单。注意并不是所有类型的数据都是必需的。当某些 数据并不必需时，在 AUTODYN 中也将给出默认设置，或者这些数据取决于问题的物 理设置。用户在建立一个问题时，可以将表 2 作为一个方便的清单。注：表中的顺序不是固定的。可根据个人的需要任意选择顺序。表2序号 1 2 3 4 4a 5 6 7 8 8a 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 输入数据 对称性 （轴对称或平面对称－2D/对称平面－3D） 子区域名称、类型（拉格朗日、欧拉、ALE、壳、 Euler FCT） ，索引空间大小 几何形状 材料特性 材料特性 材料位置 初始条件 边界条件位置 边界条件参数 边界条件参数 时间步长信息 Wrapup 控制参数 保存编辑 目标位置（时间关系曲线图的测量位置） 时间关系曲线图频率 时间关系曲线图变量 打印编辑范围 打印编辑时间 显示设置 Makeslide Edits 融合子区域 欧拉/拉格朗日界面多元定义 冲击/滑移表面AUTODYN 创建问题的输入AUTODYN 菜单 Global Symmetry Subgrid Subgrid Zoning Global Material Subgrid Fill Subgrid Fill Subgrid Fill Subgrid Boundary Subgrid Boundary Subgrid Boundary Global Timestep Global Wrapup Global Edit Subgrid Edit Global Edit Global Edit Subgrid Edit Global Edit Global Edit Global Edit Join Interact Polygons Interact Lag/Lag 是否必需 是 是 是 注1 注1 是 是 可选 注2 注2 Opt 是 是 可选 可选 可选 可选 可选 可选 可选 可选 注3 可选 注3 可选61注3 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 29 欧拉 拉格朗日界面 炸药的炸点 重力 数值阻尼常数 中止值 转换处理器类型 转换 IJrange 解的类型：薄壳 材料的位置：薄壳 射流选项：薄壳 ALE（Arbitrary Lagrange Euler）网格运动 Interact Eul/Lag Global Options Global Options Global Options Global Options Subgrid Options Subgrid Options Subgrid Options Subgrid Options Subgrid Options Subgrid Options 可选 注3 可选 注3 可选 可选 可选 可选 可选 可选 可选 可选 注4关于上表的注释： 1. 在全局和子区域级菜单下均可定义材料的特性。 在子区域级中， 如果用户用来填 充子区域区域的材料还没有被定义过， 将会被提示输入所需的参数。 一旦一种给 定的材料名称的参数已被指定，那么将只能在全局级菜单下进行修改。 2. 边界条件参数既可在全局菜单也可在子区域菜单下确定。 在子区域菜单下， 如果 用户应用了一种还未被定义过的边界条件， 将会被提示输入所需的参数。 一旦一 种边界条件名的参数被指定，那么将只能在全局菜单下进行修改。 3. 融合选项只有在至少定义了一种子区域的情况下才是可用的。 用来定义拉格朗日 －拉格朗日和欧拉－拉格朗日耦合的接触菜单也只有在至少定义了一种子区域 的情况下才可用。融合和接触作用选项出现在全局/子区域菜单下。 4. 运动（Motions Command）命令仅对 ALE 子区域可用。变动解算器模式仅对拉 格朗日和 ALE 子区域可用。 ***在范例手册中给出的逐步范例提供了在建立一个新问题时数据输入的详细的应用。3. 处理器的选择，子区域的数量，相互作用如果在用户需要解决的问题中有两个不同的区域， 并且需要对其应用不同类型的处 理器，那么用户必须对每个区域定义一个子区域。例如，对于一个装着液体的箱子，应 该对箱体定义一个子区域，再对液体定义一个子区域。对于箱体可以使用薄壳处理器， 而对液体可以使用欧拉，拉格朗日或 ALE 处理器，正如下图。 即使使用相同的处理器，有时也有必要运用多于一个的子区域。在存在不连续的几62何形状时，这一点特别重要。例如弹丸对靶板的撞击。一个子区域用来定义弹丸，另一 个定义目标。对每个子区域的处理器类型的选择取决于需要解决的问题的物理行为。 每种类型的 处理器具有各自不同的优点和缺点。在第七章处理器中有具体的讨论。对处理器类型的 选择没有绝对的规则，一个简单的规则就是对于固体的行为用拉格朗日处理器，对于液 体和气体行为用欧拉处理器。 薄壳处理器用于薄壁结构， 而 ALE 在特殊情况下使用 （见 AUTODYN ALE 指南） 。 根据对各子区域选择的处理器类型，要定义各子区域之间的相对运动的交互作用 （拉格朗日－拉格朗日 （冲击/滑移） ， 欧拉－拉格朗日界面） 或节点间的简单融合 （Join） 。 要得到更多的信息，请参考本手册中对于相互作用的讨论以及 AUTODYN 相互作用指 南。4. 网格划分的概念一个子区域或其一部分是用适当的分区命令来划分的。定义了 x，y，z 坐标，它同 坐标的 I＝1?IMAX，J＝1?JMAX，K＝1?KMAX 相联系。随着子区域节点的定义，63各种规则（右手法则，x 轴作为 2D 的对称轴）也随之确定。 为了对物理区域进行划分，用户可以使用 Node，Edge，Surface（仅对于 3D）和 Block 命令来生成节点。在分区时，必须首先指定要创建/修改的 IJK 的范围。在缺省情 况下，这个范围将是整个子区域的范围。而后，要为网格创建边界表面，对此，在 2D 下，要使用 Nodes 和 Edges，而在 3D 下，要使用 Nodes、Edges 和 Surfaces。最后，通 过 Block 命令定义内部的节点。 使用 Transform 命令使得可以通过平移、旋转和比例缩放对选定的 IJK 范围进行修 改。Copy 命令将一部分节点从一个子区域复制到另一个子区域（或在一个子区域内） 。 对于一些常见的形状， AUTODYN 还提供了一些 Predef 命令， 包括方盒、 圆形 （2D） 、 圆柱形（3D） 、球形（3D） 、拱形和楔形（2D） ，这些形状可以直接应用或作为开始部分 构造更复杂的模型。所有这些预定义的形状都有许多选项，这些细节将在 Zoning 中讨 论。 AUTODYN 拥有许多强大的网格划分能力，它能够通过“拖”出边缘或边缘集来生 成扩展的网格。一个网格可以通过两个相对的或相邻的表面来定义。更多的细节请参见 ZONING。 在 2D 情况下，AUTODYN 中有一组交互式的网格划分命令，用户可以使用鼠标来 画出网格。5. 初始条件初始条件定义了系统在开始时间（t＝0）时的状态。一旦定义了数值的网格，那么 它的初始条件就通过区域填充命令（Subgrid fill）确定了。一个子区域可以由多于一种 的材料填充，并设置相应的初始条件集。没有必要为不同的材料定义不同的子区域以及 初始条件。对子区域的填充可能被一系列不同的基于 IJK 坐标空间和 XYZ 物理空间的 命令所影响。使用这些命令可以定义复杂的材料的几何模型和区域的初始条件。根据子 区域处理器的类型，Fill 命令可能具有不同的作用。使用拉格朗日，ALE 和薄壳处理器 的子区域不允许有多材料的单元。因此，对这些类型处理器的子区域的填充只填充坐标 空间上的空间。然而，欧拉型（非 FCT）的子区域允许有多材料的单元，所以填充操作 可在坐标空间和物理空间上进行。 以下两图表明了填充过程在拉格朗日和欧拉子区域中 的应用。6465在每一个子区域中，通过填充要提供以下的信息： ? ? 所定义的区域在坐标空间或物理空间中的位置。 区域中所用的材料的名称。如果材料的名称在前面已经定义过，或者该材料在 材料库当中得到，其名称将会自动出现。用户可以通过按空格键来查看可用的 材料名称。如果用户键入了一个新的名称，AUTODYN 将会提示用户进一步定 义其状态方程和强度模型。 ? 初始密度。如果此项为空，AUTODYN 将默认的把参考密度（在状态方程中定 义的）作为初始密度。这表明在开始时刻没有初始压缩和拉伸。如果存在初始 压缩（正压）或拉伸（负压） ，那么应该适当的定义同状态方程相容的初始密度。 指定好的密度可以使用 View and Density 命令来显示。注：对于有全应力张量的固体材料，如果需要的不止是初始压力（如剪切应力 项） ，那么它必须由用户提供的子程序来确定，或者由以往的 AUTODYN 动力学 或静力学解来定义。? 初始内能。初始内能对于炸药尤为重要。对于能量相关的材料模型，也需要定 义初始内能。对于炸药，如果能量被置为 0.0，那么初始能量将会由 C-J 能量来 确定。对于理想气体，必须指定一个非 0 的初始内能。指定好的初始内能可以 使用 View and Energy 命令来显示。注：内能是以每单位质量的能量定义的，而不是以单位体积定义。? 初始速度：一个子区域或子区域一部分的初始速度必须要定义。对于许多冲击 问题，这是开始计算的“驱动力” 。指定好的初始速度可以在 View and Velocity 命令中预览。注：当要指定的初始速度相当于或大于材料中的声速时，可能需要用户确定初 始时间步长。在缺省情况下，AUTODYN 会根据材料声速和网格尺寸自动计算 初始时间步长。如果在要计算的问题中有很高的初始速度，那么自动计算出的 初始时间步长可能会过大，这会引起反常的结果。因此可以通过指定较小的初 始时间步长来进行调整，而不使用缺省的设置。在第一个循环之后，AUTODYN 会根据各网格的速度自动调整时间步长来保证稳定性。? 初始厚度： 初始厚度仅当在定义薄壳型子区域时才需要确定。 在 AUTODYN-2D 中，用户也可以选择指定的厚度是在定义壳的节点的左边、中间还是右边（行 数增长的方向） 。在 AUTODYN-3D 中，假设薄壳子区域的厚度是在中心的。666. 边界条件根据对子区域应用的处理器的类型的不同，对应的边界条件也不同。由于同材料特 性相关，边界条件在全局和子区域菜单下都可以定义。边界条件的物理位置通常在子区 域级菜单下定义。如果设置的边界条件的名称没有被定义过，AUTODYN 将提示用户输 入需要的边界条件参数。这些参数也可以先在全局级菜单下进行定义，然后在子区域级 菜单下通过其名称进行引用。 如果用户想对一个已经给定名称的边界条件的参数进行修 改，则必须在全局菜单下实现。 以下的表格总结了全局和子区域级菜单下边界命令的使用：边界功能 确定边界条件参数 修改边界条件参数 确定边界条件的物理位置全局边界命令 √ √ × 全局和子区域边界速度子区域边界命令 √ × √AUTODYN 中使用的边界条件可以被分为两个基本的类别：节点约束和表面约束。§1. 节点约束 节点约束：对于拉格朗日、ALE 和薄壳型子区域，节点约束由节点速度和位置的边 界条件来定义。它们可由 Boundary Velocity 命令确定。以下总结了可用的 Boundary Velocity 命令的类型。 更多细节请参见 AUTODYN 理论手册和在线帮助 （功能键 “F1” ） 。 ? ? X-,Y-,and Z-velocity： x-，y-和 z-方向的速度的约束； R-velocity：径向速度的约束。径向速度被定义为在指定的（x0，y0，z0）处在67径向方向上的速度的 x-,y-,z-分量。注：在轴对称图形中，径向速度不是速度在 y-方向的分量。? A-velocity：角速度的约束。角速度被定义为在指定的（x0，y0，z0）处在径向 的法线方向上的速度的 x-,y-分量。R-velocity 和 A-velocity 边界条件仅用于一些 特殊情况下或模拟一维问题时。 ? Angle：对于薄壳节点（仅 2D 薄壳处理器） ，应用一个固定的角约束。这个角是 指薄壳（该节点处）法线同 x 轴之间保持的夹角。通常，这个边界条件仅用于 薄壳的结束条件。 ? X-,Y-,or Z-挠曲度：常数型 X-，Y-，或 Z- 角速度（仅对于 3D 薄壳） 。一旦对节点速度条件的类型做出了选择，则可以应用的约束可以是以下的任何一 个： ? Fix：将速度固定为一个常数。对于 R-velocity，这是一个径向速度常量；对于 A-velocity 是角速度常量，它们由每单位时间的弧度数确定。对于 Angle 选项， 则是一个固定的角，既可以是弧度，也可是角度。 ? Limit：限制节点的运动的最小位置和最大位置区间。这在定义一个可能有裂口 出现和闭合的刚性墙时十分有用。适用于 X-,Y-,and Z-velocity 和 R-velocity（仅 对于 2D） 。 ? Piecewise：将速度分量定义为时间的分段函数。最多可以指定 5 对速度和时间 的关系。适用于 X-,Y-,and Z-velocity。 ? User：用户可以使用子程序 EXVEL 来定义速度边界条件。见 AUTODYN 用户 子程序指南。§2. 表面约束 对于拉格朗日、ALE 和薄壳子区域，表面约束是指压力/应力和输运边界条件。这 些边界条件可用 Boundary Stress 和 Boundary Transmit 命令来确定。在欧拉和拉格朗日 （2D）子区域中都要用到连续边界。对于欧拉子区域还可能有另外两种边界条件：流入 与流出。§3. 边界应力68以下总结了应用于拉格朗日型子区域的 Boundary Stress 命令的类型。 更多详细信息 请参见在线帮助和理论手册。 ? Constant：应用的压力值是个常数。这个选项不能用于剪切应力。注：一般习惯应用压力，而不是应力。因此正值表示压缩，负值表示拉伸。? ? ? ? ? Triangular：应用的压力是关于时间的三角形脉冲函数。 Trapezoid：应用的压力是关于时间的梯形脉冲函数。 Exponent：应用的压力是关于时间的指数函数。 Piecewise：应用的压力是关于时间的分段线性函数。 User：用户可使用子程序 EXSTR 来定义应力边界条件。见 AUTODYN 用户子 程序指南。§4. 边界连续 边界连续条件应用于拉格朗日型子区域（拉格朗日、ALE、薄壳）和欧拉（非 FCT） 子区域。连续边界条件能使应力波连续通过子区域的物理边界，而不发生反射。在要模 拟的问题中，当实际的材料超过子区域时，就要用到边界连续条件。例如模拟无限或半 无限空间（如地球、海洋） ，使用这种边界条件可以缩小数值网格的数量。关于连续边69界条件，用户将被提示提供以下这些信息： ? ? ? ? 参考速度，Uref 参考压力，Pref 流动材料（仅应用于欧拉） 材料阻抗，I（密度×声速） 。如果没有定义边界阻抗，则自动取临近单元的值。连续边界仅在流出网格时才起作用。输运边界是按如下方法计算的： 令边界处的法向速度为 Un，Un 对于流出是正值。则边界压力(P)如下计算： 当 Un&0 时，P=Pref+(Un-Uref)I当 Un&0 时，P=Pref§5. 边界流动 边界流入流出条件仅应用于欧拉子区域。 这些边界条件规定了一个欧拉子区域的流 入或流出。 对于流入，需要以下的信息： ? ? ? ? ? 流速（x-和 y-速度分量） 流体材料 流体压力 流体密度 流体能量定义好上述相容的数据集就可以模拟准确的流动条件。需要特别注意的是，流动压 力、密度和能量的确定必须同流体材料的状态方程相一致。 对于流出，只需要确定流体材料。对于一个含有多种物质的流出单元，将优先输运 被定义为流体材料的物质。流体材料并不需要在欧拉子区域开始计算的时候就提出，它 可以在计算过程当中输入。7. 材料模型70材料模型的选择取决于要计算的问题中的实际材料。一般，对于每种材料需要指定 以下四类信息： ? ? ? ? 状态方程：作为关于密度和内能的函数的压力。 强度模型：强度模型定义了屈服面。 失效模型：失效模型规定了材料何时不再具有强度。 侵蚀模型：侵蚀阈值。当材料被侵蚀，它将由一个固体单元转变为一个自由质 量节点（仅对于拉格朗日） 。 以上信息既可以在全局菜单下选择 Material 来输入，也可以在子区域菜单下输入。 在子区域菜单下，如果用户在一个区域中填充了一种新的材料名称（未定义过的） ，用 户将被提示输入必需的材料参数。 对于状态方程、强度模型、失效模型和侵蚀模型，在 AUTODYN 中有多种可用的 标准模型可用。以下对它们进行了总结，更多详细信息请参见 AUTODYN 理论手册和 在线帮助。§1. 状态方程 ? ? 线性状态方程（Linear） ：定义了体积模量和参考密度。 多项式状态方程（Polynomial） ：压力的广义多项式函数，是压缩（密度）的函 数。 ? ? 理想气体状态方程（Ideal gas） ：定义了理想气体常数（gamma） 。 冲击状态方程（Shock） ：使用了冲击波速度和材料质点速度关系 Hugoniot 数据 的 Mie-Gruneisen 方程。 ? ? ? JWL 状态方程（JWL） ：炸药的 Jones-Wilkins-Lee 状态方程 Tillotson 状态方程：高压状态方程 Puff 状态方程：应用于多种结构材料。它由 Mie-Gruneisen 状态方程、压缩单元 的三次多项式 Hugoniot 关系和膨胀单元的状态方程组成。 ? Porous 状态方程：由固体声速 C 和最多五对密度―压力关系确定，这些密度－ 压力关系定义了分段线性压缩路径。此外还定义了一个参数：初始多孔声速。 ? ? Orthotropic 状态方程：用于对正交各向异性材料建模。 两相流状态方程（Two-phase） ：用来描述膨胀材料的单相或两相行为，但前提 是这种材料沿饱和曲线的状态是已知的，并可以被列出来。Two-phase 特别用于71对水压系统的安全分析计算，如水压反应器（PWRs） ，热交换器和管道网络。 ? ? ? Lee-Tarver 状态方程：炸药状态方程，考虑了动态引爆和爆轰的增长。 P-Alpha 状态方程：多孔状态方程。 User：用户使用子程序 EXEOS 定义的状态方程。§2. 屈服模型 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? None（Hydro 流体） ：没有屈服面和剪切模量。材料是没有强度的流体。 Elastic：没有屈服面。剪切模量定义为常数。 Von Mises：屈服面和剪切模量均定义为常数。 Mohr-Coulomb：屈服面是压力的函数。剪切模量是常数。 Johnson Cook：应变硬化模型。应变率和温度相关。 Zerilli-Armstrong：应变硬化模型。应变率和温度相关。 Steinberg-Guinan：应变硬化模型。基于应变率和温度。 Piecewise Linear：应变硬化模型。基于应变率和温度。 Johnson-Holmquist：应变硬化模型。基于应变率和温度。 User：用户使用子程序 EXYLD 定义的屈服模型。屈服面和剪切模量都可以被 定义。 §3. 失效模型 可用的选择是： ? ? ? ? None：材料永不失效。 Hydro：流体静力学拉伸应力。如果达到这个负压，则发生失效。 Bulk strain：如果材料的有效塑性应变超过了最大体应变极限，则发生失效。 Principal stress：如果最大主应力，或最大剪切应力超过它们各自的失效应力， 则失效开始发生。 ? Principal strain：如果最大主应变，或最大剪切应变超过它们各自的失效应变， 则失效开始发生。 ? Principal stress/ Principal strain： 如果最大主应力或应变， 或最大剪切应力或应 变超过它们各自的失效极限，则失效开始发生。 ? Material stress：主材料应力失效。主方向由主材料方向确定。这个模型用于那72些沿预先确定的材料平面失效的材料，如可能发生层离失效的多层复合材料。 初始主材料方向由用户指定。 ? ? ? Material strain：类似于 Material stress，基于应变。 Material stress/ Material strain：以上两种情况的结合。 Cumulative Damage： 用于描述脆性材料的宏观非弹性行为， 这些材料在受压时， 强度显著退化。 ? User§4. 侵蚀模型 对于一个单元，当达到了指定的应变阈值时，将发生侵蚀。这个单元将转化为自由 质量节点（残余惯性）或被丢弃（无残余惯性） 。侵蚀应用于拉格朗日、ALE 和薄壳型 子区域中包含的材料。对于欧拉型子区域中的材料不适用。 可用的模型如下： ? ? None 瞬时几何应变 Instantaneous Geometric Strain：几何应变由单元变形单独定义， 并且不取决于材料特性。当弹性振荡使几何应变的值趋于单调增加时，使用这 种模型。 ? ? 累积几何应变 Incremental Geometric Strain：与上面类似，但为整体综合应变。 Effective Plastic Strain： 当达到有效塑性应变极限时发生侵蚀。 这是一个取决于 材料屈服应力和剪切模量的物理量。8. 编辑在 AUTODYN 中可以指定很多种类的编辑。并不是所有这些编辑都必须使用，但 是通常建议指定保存编辑，它们可以使用户能够用保存的数据重新计算或进行后处理。 以下是各种类型的编辑： ? Refresh： 这是指在计算过程中更新图形显示。 默认值是速度矢量每 5 个循环 （2D） 或每 10 个循环（3D）更新显示一次。在选择了分析执行过程中图形显示的刷新 频率时，也可以选择在屏幕底部显示的循环概要的刷新频率。降低刷新频率可 以稍微增加计算速度，这一点当在较慢的图形设备上工作或通过网络工作时比73较有用。 ? Display：这是指在计算过程中的暂停，使得用户可以显示出在当时的轮廓、矢 量、网格、时间历程图、侧向和材料的图形。也可以使用检测功能对解进行细 致的检查。对于 Display edits 没有缺省设置。 ? Save：这是指在计算过程当中，解在某一指定的时刻或循环的完整的“快照” 。 一个 Save 编辑可以用来在此处重新开始计算，或作为后处理的输入数据。指定充足的 Save 编辑是十分重/要的。对于此没有缺省设置。所有的有格式或无格式“Save”文件都会自动被压缩。因此，第 0 循环的“Save”文件通常小于它原 始大小的十分之一，其它循环的“Save”文件可能不会被压缩那么多，但通常 也小于其原始大小的三分之一。在后处理时，用户可以删除“Save”文件。首 先会提示用户输入一个 Ident， 然后所有存在的关于这个 Ident 的“Save”文件 会被显示出来，用户可以从中选择那些需要删除的那些循环。 ? Time History：时间历程信息的保存位置要在子区域菜单下指定。保存信息的频 率在全局菜单下指定。对于保存位置没有缺省值，而保存信息的频率的缺省值 是每个循环。注：对于所需时间较长的问题（很多循环） ，应该改变时间历程信息保存频率的 缺省值，以减小生成的文件的大小。在后处理时，也可以使用 Reduce 命令来减 小已经生成的时间历程文件的大小。时间历程保存的变量集中的变量可以通过Time History Variable 命令改变缺省值来改变。 ? Makeslide：在计算时可能需要创建幻灯片。在对某一问题进行计算的过程中， 会自动添加幻灯片。在后处理时，用户可以进一步编辑这些幻灯片，对它们进 行添加，删除，重新整理等操作。对 Makeslide 编辑的使用可以减少很多 Save 编辑，由于在计算过程中创建了幻灯片，所以在后处理中就不必再借助 Save 编 辑。对于 Makeslide 编辑没有缺省设置。 ? Print：打印的位置在子区域菜单下指定，而打印的频率在全局菜单下指定。打 印位置的缺省设置是所有节点和子区域的全部区域。 可以使用 Subgrid Edit Print 命令对此进行限制。对于打印的频率没有缺省设置。因此，如果用户没有指定 频率，就不会进行任何打印。用户可以使用全局菜单下的 Print Variables 命令来 修改关于打印的变量的缺省集。用户也可以对打印输出安排格局，如指定每行74的字符数，每页的行数，和压缩的或标准的字体。重要注释：一旦用户定义了所需分析的问题，要使用 AUTODYN 中各种可用的显示 特征来验证所需的问题已被正确地定义。AUTODYN 仅能检验那些最基本的信息是否被 一致的确定。用户必须核正所定义的是实际中基本合理的情况。当一切都满意之后，务 必在退出程序或开始计算之前保存第 0 循环的信息。AUTODYN 也会提示用户这样做 （ “放弃当前数据库 Y/N?”或“保存当前数据库 Y/N?） 。一旦计算开始，仔细检测初始的结果，验证出现的现象是合理的。如果没有正确的 指定初始条件和边界条件，那么问题很快就会显现。如果发现了错误，只需回到保存的 第 0 循环（时间为 0）的 Save 编辑，作出适当的修改，然后重新开始计算。第九章. 问题的分析1. 交互式执行AUTODYN 通常以交互式的模式运行，这使得用户能够监控解算过程的发展，并能 随时中断计算来对结果进行研究。 在计算过程当中，问题的图形（缺省设置为显示速度矢量场）将会按指定的时间间 隔（刷新，缺省设置为每 5 个循环（2D）或每 10 个循环（3D） ）显示。此外，在屏幕 底部显示了一些概要信息，包括循环数、时间、时间步长以及时间步长的位置（I，J， K，子区域号码） ，并且这些信息的显示在每个循环（缺省值）都要更新。下图是典型的 执行过程中的屏幕。75时间步长通常是通过 Courant-Fredrichs-Lewy(CFL)条件来控制的，这个条件基于波 横穿一个单元所用的时间给出。在这种情况下，IJK 和子区域号码指出了控制单元。对 于拉格朗日型的相互作用的计算，还有另外一种控制时间步长的标准，它基于节点穿越 间隙尺寸需要的时间（见“相互作用” ） 。如果这个相互作用的时间步长小于 CFL 时间 步长，最后四个索引将显示为 0，0，0，n，其中 n 是 CFL 时间步长和相互作用时间步 长的比值。如果 n 为较大的值（&10） ，则表明用户指定的间隙可能过小。为了确定相互 作用时间步长在何处控制，用户选择相互作用小于刷新频率。然后控制相互作用时间步 长的单元索引和子区域号码将会显示出来。 注：子区域号码是根据子区域的创建顺序确定的。用户可以通过按空格键来翻阅子 区域的名称，并对其进行选择来决定子区域号码的顺序，第一个显示的子区域为 1。2. 交互式显示在计算过程中， AUTODYN 可以在预先指定的时间或循环（用户用 Global Edit Display 命令设定）暂停，用户还可以简单的按下&Tab&键来中断计算。 在这样的暂停时，用户可以观察各种图形来检验结果。如下图所示。76这些显示功能同后处理中可用的功能是一样的。以下总结了各种类型的图形。关于 这些强大的功能的更多细节请参看“后处理” 。§1. Gridplot（网格图）Gridplot 显示的是数值网格。用户可以使用 Examine 命令来选择一个特定的单元并 显示出它的值。这一点非常有用，能够使用户交互的浏览整个网格，并由选择的显示不 同单元的值。这使得用户不必去研究大量的打印输出。 §2. Matplot（材料图）77Matplot 显示了材料的位置或材料的状态（流体、弹性、塑性、失效） 。上面提到的 Examine 选项依然有效。对于含有多物质的欧拉型子区域，还有一个 MatFrac（材料分 量）选项。MatFrac 可以显示出欧拉单元中材料分量的轮廓。当问题中有某种材料被散 布开，以致每个单元中仅有很少量的该种材料时，这种显示就会很有用。采用 MatFrac 选项可以很好的观察这种材料的“云图” 。材料状态图形提供了每个单元内失效模式的信息。以下是几种典型的状态： ? ? ? ? 流体：没有强度 弹性：弹性区 塑性：发生了塑性屈服 失效：材料已达到失效阈值（如：体积失效、主应力/应变失效等）78对于被指定为定向失效模型的材料， 指定了四种颜色来表示在单元中哪个方向引起 了失效的发生。如果在任何单元中都没有发生定向失效，那么这四种定向失效颜色就不 会在材料状态图形中显示。 §3. Vecplot（矢量图）79Vecplot 显示了问题中的速度场。在每一个速度节点都按一定比例绘出了速度矢量。 AUTODYN 会自动选择最优的比例因子。当然，如果需要，用户也可以重新指定比例因 子。上面讨论过的 Examine 选项在这里仍然有效。在缺省设置下，速度矢量用代表局部 流速的颜色绘制。用户也可以使用单一颜色绘制矢量。 §4. Conplot（等值线图）Conplot 是任意选择的变量的等值线图形。在彩色显示器上，自动选择了多达 11 种 级别的颜色；在单色显示器上，也使用了多达 5 种级别的阴影线或灰度。用户可以指定 等值线的比例。以上讨论过的 Examine 选项也可用。 §5. Isoplot80Isoplot 是某个指定变量的等值表面图形。上面的例子是一个 3D 示例冲击问题中的 10％有效塑性应变的等值表面。用户会被提示输入需要绘制轮廓的变量以及其 3D 等值表面图形的固定值。 §6. Histories时间历程图显示了一个选定的变量同时间之间的关系曲线。如果需要，用户也可以 把曲线对时间求积分或者微分。曲线中的实际数据点也可以被写入一个文件，以便之后 进行处理（输出选项） 。 §7. 剖面图（Profile plots） 这是指某种