第八章 刚性体

用刚性体定义有限元模型中的刚性部分可以大大减少显式分析的计算时间。这是由于定义一个刚性体后，刚性体内所有节点的自由度都耦合到刚性体的质心上。因此，不论定义了多少节点，刚性体仅有六个自由度。缺省设置时，每个刚性体的质量、质心和惯性都由刚性体体积和单元的密度计算得到。作用在刚性体上的力和力矩由每个时间步的节点力和力矩合成，然后计算刚性体的运动，位移就会转换到节点上。

ANSYS/LS－DYNA中，将分析中保持刚性特性的刚性体定义为一种材料模型。用E DMP 命令定义该种类型的刚性体，对于定义材料模型的详细信息，参看第７章，Material Models。

另外，可以用 EDCRB 命令把两个刚体结合在一起，它们的作用如同一个刚性体。但与刚性体的定义不同的是，它主要依据材料号，根据PARTＩD定义的刚体约束和一个约束方程号。因此，为了在两个物体间施加刚体约束，必须执行命令 EDCRB , ADD, NEQN, PARTS， NEQN 为约束方程参考编号， PARTM 是主刚体part号， PARTS 是从刚体part号。必须注意不能用同一个 NEQN 值执行多个 EDCRB 命令，仅使用最后一个NEQN值。当使用 EDCRB 命令时，第二个刚性体将被第一个刚性体吸收，因而此后对第二个刚性体的任何操作将无效．

8.1 定义惯性特性

缺省时，程序将计算每个刚体的惯性特性。但是，用户可能会发现给刚性体设定重力、质量、初始速度（在整体或局部坐标系）的特定中心和特定惯性张量是很有用的，而不是依赖于求解过程中由有限元模型计算得到的值。可以用 EDIPART 来定义刚性体的任意特征，命令格式如下：

其中：PART－定义惯性的part ID

Option －要执行的选项

Cvect －包括部件质心坐标系的矢量

TM －平移质量

IRCS －惯性张量参考坐标系的标志

Ivect －包括惯性张量分量的矢量

Vvect －包括刚体初始速度的矢量

CID －局部坐标系 ID

如果采用ANSYS/LS DYMA GUI路径，可以采用下列路径Main Menu>Preprocessor>LS-DYNA Options>Inertia Options>Define Inertia。输入上述所有参数，包括所需的矩阵参数。对于批处理输入，在执行 EDIPART 命令前需定义数组（ _{http://z.book118.com/xueshu/xueshu02/LS-DYNA%E4%BD%BF%E7%94%A8%E6%8C%87%E5%8D%97%E4%B8%AD%E6%96%87%E7%89%88%E6%9C%AC.files/image282.gif第8章 刚性体" TITLE="LS-DYNA使用指南中文版本 第8章 刚性体" />}DIM ）并输入数据参数。下例说明了怎样定义部件２的惯性特性，此为一个刚性体。

！定义参数输入

tm=0.6300E-03 平移质量

ircs=0 坐标系标志

cid=0 坐标系ＩＤ

！

/prep7

！

!生成包含部件号为2的含有多个部件的刚体模型

edmp,rigid 定义刚性体

edpart,create 生成part列表

！定义所需矩阵

＊dim,coord2,,3

＊dim,velo2,,6

＊dim,inert2,,6

！

！给矩阵赋值

coord2(1)=0.2450E+01,0.5000E+00,0.5000E+00

velo2(1)=0,10.0E-7,0

inert2(1)=0.3150E-03,0,0,0.2851E-03,0,0.2851E-03

!

EDIPART,2,ADD,coord2,tm,ircs,inert2,velo2,cid

!

8.2 加载

正如第４章Loading描述的那样，可用 EDLOAD 命令对刚性体施加位移和速度载荷。注意，位移和速度是施加在PART号上而并不是在节点Component上。一个典型的命令如下：

EDLOAD , ADD, RBUX，，2, PAR1, PAR ２

该命令就是对刚体PART2定义UX位移，PART号定义在 EDLOAD 命令的Cname项内（注意，对于其它类型的加载，该项为Component名。而对刚性体而言，该项为PART号而非Component名）。该PART号必须与 EDMP 命令定义的刚性体相对应。

8.3 变形体和刚性体部件间的转换

在一些动力学应用中，如果模型中大部分单元都是可变形的，那么，持续时间较长的刚体运动的计算量就会极为庞大。摩托车轮子就是这样一个例子，轮子翻滚持续较长时间相对于后来的撞击会占用更多的CPU。为了提高这种应用的计算效率，ANSYS/LS-DYNA提供了这样一种转换性能，它把某些材料从变形状态换至刚性状态，然后转到变形状态，通过刚体运动过程中转换变形体为刚性体，可以节省大量的CPU时间。

变形体/刚性体转换本质上和重启动操作联系在一起，用户需要停止分析，定义部件转换，然后再重新启动分析。虽然在开始分析时不用部件转换，但必须在新分析中设定一个标志。使LS－DYNA了解模型中所有材料在计算中都有可能变为刚体。在开始分析时执行 EDRD 或 EDRI 命令设定这一标志。

注 ――用 EDMP ,RIGID定义的刚体永远都是刚体，不能转换成变形体．

要转换变形体为刚性体部件，执行下列命令

EDRD , D２Ｒ, PART, MRB

这里， PART 是部件号， MRB 为为主刚体，转换部件要融合在其中。（在GUI中，执行Main Menu>Solution>Rigid-Deformable>Switch）如果不想此部件和另一个刚体融合，仅留MRB为空白即可。

一旦使用上述命令把变形体转换为刚体后，可以接着执行

EDRD ,R2D，PART可以再转换回来

在新分析中，如果没有变形体转换成刚体，但转换在重启动中可以定义，执行 EDRD ,D2R。（在ＧＵＩ中，采用Main Menu>Solution>Rigid-Deformable>Switch）然后选择“Initialize＂）

转换变形体为刚体时，可以用 EDRI 命令定义刚体的惯性特性．（Main Menu> Solution>Rigid-Deformable>Inertia Properties）。如果不定义惯性特性，它们将由程序计算．

在变形体转换为刚体后，变形体上定义的一些约束变为无效．为了避免计算的不稳定，需用 EDRC 命令（Main Menu>Solution>Rigid-Deformable>Controls）来改变这些约束的状态，详细信息请参看 ＥＤＲＣ 命令的描述。

为了使刚体转换能正常工作，单元算法的选择是很关键的。在现行LS-DYNA中，Hughes-Liu壳和梁单元不能用于部件转换。因为其应用的是应变和应力更新算法。不能使用的单元算法有：SHELL163的KEYOPT(1)=1,6,7,11,ＢEAM161的KEYOPT(1)=０和１。

对于SOLID164单元要特别注意的是：当刚体转换为变形体时，单元应力为零以去除虚拟特性。

８ . ４节点刚体

与用 EDMP 命令定义的典型刚体不同，节点刚体和部件号无关。用 EDCNSTR ,ADD,NRB,COMP1定义节点刚体。这里COMP1是节点组元。节点刚体主要用于模拟刚性（焊接）接点，在该点不同的柔性组元（有不同的MAT IDS）作为一个刚体一起运动，因为节点刚体和部件号无关，所以本章前面讨论的刚体的其他选项（如 EDLOAD 命令施加载荷）不能用于节点刚体。关于使用刚体的详细信息，请参看4.2.1 Constraints和 EDCNSTR 命令。