ANSYS Workbench LS-DYNA自学之旅2——快速入门，刚体简化一招成
有别于书籍上的叙事顺序，也不同于资料上的长篇理论，这个系列的笔记都将采用如下写法：先实例后理论，少公式多导图，轻评论重探索。每篇尽量控制在3000字以内，尽量不出现错别字（我尽力了），循序渐进，各个击破。
无单位说明时，沿用机械制图最常用量纲kg-mm-N-s-MPa。
将工程中的某些结构简化为刚体，不但可以大大简化分析过程，而且可以保证分析的精度。LS-DYNA程序使用刚体算法主要是为了节省计算资源，减少计算用时。只要刚体简化得当，遇到很多问题您都可以像马大师一样，一招接化发搞定。
本文要点如下。
1 引例：落锤冲击
计算下图所示冲击模型，尺寸、速度、材料均见下文。
Step1 创建算例
双击Toolbox中的 DS-DYNA即可新建算例A。
Step2 材料编辑
双击A项目第2行【Engineering Date】，进入材料编辑窗口。
添加非线性材料库的铝合金Aluminum Alloy NL。
材料参数如下。
Step3 几何模型
右击第2行【Geometry】——【New DesignModeler】，进入DM窗口。
修改单位为毫米：【Units】——【Millimeter】。
点击【create】——【Primitives】——【Box】，创建地板。尺寸如下图，点击Generate创建600x600x20的地面模型。
点击【create】——【Primitives】——【Cylinder】，创建圆管。尺寸如下图，点击Generate创建圆管的壳模型。
点击【create】——【Primitives】——【Cylinder】，创建圆棍。尺寸如下图，点击Generate创建圆棍实体模型。
Step4 模型处理
模型处理包括模型行为定义、材料赋予、坐标创建、构造元素创建、接触设置、网格划分等，本例仅需材料赋予、网格划分。
（1）材料赋予
双击A项目第4~7行进入LS-DYNA-Mechanical窗口。
在结构树中点击【Model（A4）】——【Geometry】下的几何体，设置圆管壁厚2，材料为铝合金。
设置地面与圆棍为刚体，材料为默认的结构钢。
给圆棒增加100kg质量：右击结构树中模型——【Insert】——【Point Mass】，如下图设置。
（2）接触设置
为了提起接触力，我们将本例程序自动生成的体接触删除，重新创建圆棒与圆管之间的体接触，取名为BI1；以及圆管与地面之间的体接触，取名为BI1；接触类型均为摩擦，静摩擦与动摩擦系数均为0.1，以后再详解含义。
（3）网格划分
设置全局网格尺寸10mm。
插入尺寸控制，设置圆管与圆棒网格尺寸5mm，生成网格。
Step5 边界条件
边界条件设置包括约束和载荷等的设置。我们把计算设置放在Step6中。
（1）约束地板
选中【LS-DYNA（A5）】，点击标签【LSDYNA pre】，选择【Rigid Body Tools】——【Rigid Body Constraint】，选择地板，约束所有方向的自由度。
（2）圆棒的边界条件设置
设置圆棒初速度为Z-方向5m/s：右击【Initial Conditions】——【Insert】——【Velocity】，如图设置。
静力学中，必须限制几何体所有方向的自由度，而在动力学中，可以不完全限制，比如圆棒未限制X和Y方向的位移自由度，圆管也没有限制任何自由度。
（3）插入体接触追踪器，与面接触不同，LS中的体接触不能直接在后处理中提取接触力，需要在计算前插入追踪器：点击标签【LSDYNA Pre】，选择【Tracker】——【Body Contact Tracker】，对象选择圆管。
Step6 计算与设置
设置计算时间为0.01s。设置输出结果为等距100。
在结构树中右击【Initial Conditions】——【Solve】开始计算。
计算过程中监控能量情况：在结构树中点击【Solution Information】，在【Solution Output】中选择【Energy Summary】。如果沙漏能过大或出现负的接触能，应停止计算，重新检查各选项。
Step6 计算与设置
计算后可插入总变形、等效应力。将结果比例改为1：1。
接触力的查看，右击【Solution Information】——【Contact Force】，选择方管为对象，接触选择BI1，即圆棒与圆管之间的接触，方向设置为Y方向，滤波设置为600HZ（消除部分噪点）。
更进一步简化
本例还可以更进一步简化模型，由于刚体只计算接触面，而且不关心刚体的质量，可以将本例的刚体简化为壳模型，注意此时赋予壳厚度时应该向内部偏移厚度。
2 扩展：LS-DYNA中的刚体
LS-DYNA 使用刚体的主要目的是节省计算资源，减少计算用时。一个刚体只有六个自由度。无论刚体上的节点与单元数量有多少，计算出刚体质心的运动量后就能得到刚体上各点的运动情况。在分析过程中常常可以将变形量很小(“很小”的准确含义是:变形几乎对分析结果没有影响)的物体视为刚体。使用者适当地使用刚体模型可以大大节省计算用时，特别是计算规模很大的时候。
“刚体”虽然是无穷硬的物体，但在LS-DYNA中使用者必须根据物体的实际材料属性来定义刚体。这些属性主要有密度、杨氏模量、泊松比。使用者应当避免使用不符实际的杨氏模量，否则将导致不真实的接触力。在ANSYS LS-DYNA模块中给刚体设置约束时,通常只需约束刚体材料的自由度。
隐式算法中，刚体无需划分网格，或者只需要划分接触面的网格。但是在LS中，刚体也需要划分网格，刚体的网格除了用于接触中的目标面外，还用于分布模型的质量。刚体使用较粗网格划分即可，但是不能使得划分后几何体明显变形。刚体的网格不会被计算到CFL Time Step中，即不影响计算步的时间。由于刚体网格计算量很小，所以建议刚体与柔体的网格尺寸控制在同一数量级。
刚体不支持对称边界条件，在Workbench中会显示问号，无法开始计算。但是输出K文件后，可以在LS-RUN中正常计算。
刚体与柔体之间不支持拓扑共享。
【LSDYNA Pre】标签提供了丰富的刚体工具，它们在【Rigid Body Tools】中。
【Rigid Body Rotation】刚体旋转，可以设置刚体在多少时间内，沿哪个轴旋转多少度。
【Rigid Body Angular Velocity】刚体角速度，可以设置刚体在多少时间内，沿哪个轴的旋转角速度。
【Rigid Body Force】刚体力，可以设置刚体沿坐标系某个方向的力。
【Rigid Body Moment】刚体力矩，可以设置刚体沿坐标系某个方向的力矩。
【Rigid Body Constraint】刚体约束，可以设置刚体6个方向的自由度。
【Master Rigid Body】主刚体，在多体部件刚体中时，设置哪个为主刚体。
【Rigid Body Property】设置刚体属性：质量，转动惯量等，比如上文引例中可以不用质量点，而通过刚体属性将方块设置为300kg。
【Explicit Rigid Bodies】设置显式刚体：定义在LSDYNA中为刚体，而在其他计算中为柔性体。
【Merge Rigid Bodies】合并刚体：合并两个刚体。
【Rigid Body Additional Nodes】刚体附加节点，定义刚体的其他节点。
本文先到这里，下篇继续探索显式计算中非常重要的时间步问题，敬请关注。
