在ANSYS Workbench中,Explicit Dynamics(基于AUTODYN求解器)分析主要依赖于显式时间积分法来处理复杂的动力学问题。1、显式时间积分法
显式动力学分析使用显式的中心差分法来进行时间积分。基本思想是在已知前一时刻的速度、位移和加速度的基础上,通过动力学方程计算下一时刻的状态。避免了大规模矩阵求解,从而大大提升了计算效率。详细的公式说明见隐式与显式动力学。2、质量矩阵的处理
显式方法中,质量矩阵常常被对角化处理(质量正交化),这样在矩阵计算过程中只需要进行标量乘法运算,大幅减少了计算量,加速度计算变得高效简单,从而提高了计算效率。3、稳定性与时间步长
显式方法的稳定性很大程度上受到时间步长(Δt)的限制。为了保证计算的数值稳定性,时间步长必须足够小,满足Courant-Friedrichs-Lewy (CFL)条件,其中,Lmin是单元的最小特征尺寸;c是波速(取决于材料的弹性模量E和密度ρ)。最常用的波速公式(纵波波速)为,
4、非线性行为
显式动力学能够处理几何非线性、材料非线性(适用于不同的材料类型以及其非线性行为)以及接触非线性等绝大数非线性问题。特别的,显式分析能够稳定而快速地处理接触、分离和摩擦等动态非线性现象,因为它不需要迭代求解接触力等问题。5、质量缩放
为了减小计算成本,显式动力学允许使用质量缩放技术。在不改变物理过程的前提下,通过适当地增加某些单元的质量来增大时间步长,从而提高计算效率。6、动力学三大守恒定理
动力学三大守恒定理在动态分析中确保了模型的物理真实性和计算的稳定性。1)动量守恒定理
孤立系统的总动量在没有外力作用时是守恒的。在显式动力学中,系统的动量变化与施加的外力有关。动量可以通过以下公式表示,其中M是质量,v是速度,Fext是外部施加的力,Fint是内部力(如材料的应力)。
2)角动量守恒
对于不受外力矩作用的系统,角动量是守恒的。在显式动力学中,这意味着如果系统不受外部扭矩影响,其总角动量将保持不变。在处理旋转体或涉及扭转的动态分析时尤其重要。
系统的总能量在没有外部能量输入或输出的情况下是守恒的。在显式动力学中,涉及的能量包括动能(与物体运动有关的能量)、内能(与材料的内部状态如温度、应变等相关的能量)、势能(由于其位置或状态而具有的能量,如重力势能、弹性势能)、耗散能(由于摩擦、塑性变形、粘滞阻尼等因素造成的能量损失)以及外力做功(外部施加的力对系统所做的功)。
如Explicit Dynamics分析流程所述案例,包括动能、内能、沙漏能以及接触能。
如Explicit Dynamics分析流程所述案例,可以直接查看能量守恒曲线。从曲线可以看出总能量整体是守恒的,尽管有些许误差。