Ls-dyna子模型技术解析

知识说明

子模型方法又称为切割边界位移法或者特定边界位移法，切割边界就是子模型从整个较粗糙的模型（不妨称之为基础模型）分割开的边界，基础模型切割边界的计算位移值即为子模型的边界条件。子模型是得到模型局部区域更加精确解的有限单元技术，它在模型的局部应力分析和网格收敛性分析中应用非常广泛，下图为子模型分析示意图。

a)基础模型       b)叠加的子模型图 1 轮毂和轮辐的子模型示意图

LS-DYNA中的子模型分析又叫部件分析，基本原理与其它软件（如ABAQUS，ANSYS）一致，既可用于静力分析也可用于动力分析，主要分析流程也一样，主要包括以下4个步骤：

1) 生成并分析基础模型；

2) 生成子模型；

3) 提供切割边界插值；

4) 分析子模型

主要关键字

LS-DYNA中与子模型应用相关的主要关键字包括：

1) *INTERFACE_COMPONENT_FILE

基础模型分析中用于指定输出子模型边界数据的文件信息，主要参数为：

FNAME，子模型数据输出文件的文件名；

FORMAT，可选参数，文件格式。=1，旧数据格式；=2新数据格式（默认）。

需要指出的是，该关键字的作用与命令行参数“Z”等效，当通过命令行指定了“Z”参数值，此关键字将被忽略。

2) *INTERFACE_COMPONENT_OPTION1_{OPTION2}

OPTION1可以是NODE或者SEGMENT，OPTION2为TITLE，基础模型分析中用于定义子模型驱动边界数据，主要参数为：

ID，驱动边界编号，会在子模型计算时引用；

Title，驱动边界名称；

SID， 驱动边界的节点集编号或者段面编号。

3) *INTERFACE_LINKING_DISCRETE_NODE_OPTION

OPTION可以是NODE或者SET，子模型分析中定义多个节点的驱动边界，适用于所有单元类型，主要参数为：

NID，指定需要驱动的子模型节点编号或者节点集编号；

IFID，指定子模型引用的驱动边界编号。

4) *INTERFACE_LINKING_EDGE

壳元子模型分析中用于指定驱动边界数据，主要参数为：

NSID，指定需要驱动的子模型节点集编号；

IFID，指定子模型引用的驱动边界编号。

5) *INTERFACE_LINKING_FILE

子模型分析中用于指定读取的驱动边界文件信息，主要参数为：

FNAME，用于子模型边界驱动文件的文件名，需要指出的是，该关键字的作用与命令行参数“L”等效，当通过命令行指定了“L”参数值，此关键字将被忽略。

6) *INTERFACE_LINKING_NODE _OPTION

OPTION可以是NODE或者SET，子模型分析中通过节点定义驱动边界，适用于所有单元类型，主要参数为：

NID，指定需要驱动的子模型节点编号或者节点集编号；

IFID，指定子模型引用的驱动边界编号；

FX，X方向的驱动边界函数编号；

FY，Y方向的驱动边界函数编号；

FZ，Z方向的驱动边界函数编号。

7) *INTERFACE_LINKING_SEGMENT

子模型分析中通过段面驱动边界，适用于壳元和体元，主要参数为：

SSID，指定需要驱动的子模型段面编号；

IFID，指定子模型引用的驱动边界编号。

8) *CONTROL_OUTPUT

该关键字参数较多，而与子模型分析相关的参数只有OPIFS，它主要用于控制驱动边界数据的写入频率，使用时只需指定数据写入的物理时间间隔。

实例展示

实例说明

利用子模型技术分析下图所示角片圆角处的动应力。角片材料为一般钢材，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7850Kg/m3，约束下侧螺栓孔，在上侧螺栓孔施加峰值大小为10N的动载荷，载荷以三角脉冲在2ms内施加完成，物理计算时间取4ms，边界驱动方式选用段面驱动。需要注意的是，这里的子模型部位不包含任何外载荷，故无需加载，但当子模型部分包含外载荷时，一定要施加相当的外载荷，否则计算结果就可能是错误的。

图 2 基础模型与子模型

将子模型计算结果替换到基础模型的相应位置，以便对比在驱动边界处位移解和应力解的连续性。下图为计算得到的合位移云图和Mises等效应力云图，从图中可以看出，在驱动边界处，位移解连续性很好，应力解也基本连续，这说明了建模的正确性。

a)位移解

b)应力解

图 3 计算结果

为进一步比较子模型内部与基础模型相同位置的计算结果，取图 4、图 5所示的位移观测点和应力观测单元，其中，子模型单元应力取对应位置相邻单元应力的平均值。图 6、图 7为观测点结果的对比情况，可以看出，观测点位移解吻合很好，而应力解出现明显偏差，由子模型计算得到的应力解略高于基础模型得到的应力解，这与通过位移解得到应力解的基本规律是一致的。另外，绝对误差大小变化规律与应力幅值大小变化一致。

图 4 位移观测点 

图 5 应力观测点

图 6位移解对比

图 7应力解对比

总结

通过实例介绍了LS-DYNA中的子模型技术（或者叫部件分析技术）的具体应用。实际使用时还需注意边界数据写入频率（动力分析）、基础模型网格疏密程度等因素对子模型解的影响。

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