ANSYS/Workbench顯式動力學數值仿真（簡體書）

數值模擬技術是解決衝擊、爆炸等非線性問題的有力工具。本書主要介紹了ANSYS/Workbench平臺中的顯式動力學模塊及其在工程中的具體應用。全書共9章，系統介紹了Workbench平臺的計算流程和顯式動力學算法、幾何建模、材料定義、網格劃分、接觸設置、計算條件設置、後處理等，並且通過實例詳細介紹了常見的高速衝擊碰撞、爆炸、跌落、優化設計等仿真過程。書中包含從建模到計算結果分析的全部操作過程，以便讀者能夠結合應用實例，快速掌握Workbench平臺的數值建模和求解流程，加深對顯式動力學數值仿真的理解。
本書適合理工科院校本科高年級學生和研究生作為顯式動力學、有限元等課程的學習參考資料，也可為從事相關專業的工程技術人員和研究人員提供參考。

1. 涵蓋ANSYS/Workbench中的Explicit Dynamics、Autodyn和LS-DYNA三大模塊，從算法、幾何建模、材料定義到網格劃分，操作過程一目了然。
2. 顯式動力學的接觸設置、計算條件設置、後處理設置，數據翔實，圖表豐富，易學易上手。
3.以實例為導向導，包括高速衝擊碰撞、子彈侵徹、爆炸等十多個案例的建模仿真全過程講解，可快速掌握、加深理解。
4.多物理場耦合、多模塊聯合仿真、多參數優化設計等仿真難題，在書中都可找到解決方案。

顯式動力學一般用於求解包裝跌落、金屬衝壓、汽車碰撞、子彈侵徹、炸藥爆炸等物理過程和現象，這類現象往往具有高度非線性特徵，包括大變形、高應變率、非線性材料、非線性接觸和衝擊等。傳統的隱式動力學方法通常受到正在發生的變形量和接觸非線性的影響，其數值計算結果容易不收斂。
ANSYS軟件是目前使用較多的多物理場計算分析程序，能夠模擬各類複雜問題。Workbench是ANSYS軟件系統集成計算平臺，融合多個計算模塊，具有豐富的材料模型庫、簡單的幾何建模方式、高效的網格劃分方式、簡單的並行計算設置，可以進行多物理場耦合、多模塊聯合仿真、多參數優化設計等。
本書主要介紹了ANSYS/Workbench平臺中的顯式動力學數值仿真方法。基於Workbench平臺的顯式動力學模塊主要有Explicit Dynamics、Autodyn和LS-DYNA，本書重點介紹了Explicit Dynamics模塊以及該模塊與其他模塊的聯合仿真，並且對Autodyn模塊和LS-DYNA模塊進行了簡單介紹。
第1章介紹了ANSYS/Workbench軟件計算流程、界面和啟動方式，介紹並比較了Explicit Dynamics、Autodyn和LS-DYNA模塊。
第2章介紹了隱式與顯式算法、幾何建模、材料定義與加載、網格劃分。
第3章介紹了顯式動力學中的接觸設置、計算條件設置、計算設置和後處理設置。
第4章介紹了高速衝擊碰撞問題，包括高速衝擊碰撞問題的理論及數值方法，基於實例介紹了破片侵徹金屬靶板、子彈侵徹鋼筋混凝土靶板和子彈侵徹油箱的建模仿真全過程。
第5章介紹了爆炸問題，包括爆炸理論及數值計算方法，通過實例構建了典型空氣中爆炸、爆炸對結構作用的數值仿真模型。
第6章介紹了Autodyn顯式動力學計算方法，包括Autodyn簡介，並基於泰勒桿碰撞、水下爆炸及其作用2個實例介紹了計算模型的構建及仿真過程。
第7章介紹了LS-DYNA顯式動力學計算方法，包括LS-DYNA模塊簡介以及子彈侵徹靶板、LS-DYNA中的流固耦合、爆炸衝擊波對結構作用等3個實例的建模仿真全過程。
第8章介紹了Explicit Dynamics模塊和Autodyn模塊的聯合仿真，通過子彈侵徹靶板、戰鬥部爆炸碎片和金屬射流衝擊引爆帶殼裝藥3個實例展示了聯合仿真過程。
第9章介紹了Explicit Dynamics模塊與其他模塊的聯合仿真，包括靜力學模塊及隱式動力學模塊、顯式動力學優化設計和Workbench平臺插件等。
本書由卞曉兵、黃廣炎、王芳、周穎和王亮亮編著。在編寫過程中，參考了國內外相關的文獻資料，在此向所有參考文獻作者表示感謝。
由於時間比較倉促、作者水平有限，加之數值模擬技術的發展日新月異，本書難免出現疏漏之處，歡迎廣大讀者和同行專家提出批評和指正。

編著者
2022年3月於延園

第1章ANSYS/Workbench軟件基礎001
1.1ANSYS/Workbench簡介 001
1.2Workbench平臺界面 002
1.2.1Mainmenu bar主菜單欄 003
1.2.2Basic bar基本工具欄 003
1.2.3Toolbox工具箱 003
1.2.4Project Schematic項目簡圖 004
1.2.5Message及Progress信息 004
1.3ANSYS Workbench的文件管理 005
1.4Workbench中顯式動力學模塊 006
1.4.1Explicit Dynamics模塊 007
1.4.2Autodyn模塊 008
1.4.3LS-DYNA模塊 009
1.4.4三種模塊比較 010
本章小結 012

第2章顯式動力學軟件介紹013
2.1隱式與顯式算法 014
2.1.1隱式算法 014
2.1.2顯式算法 015
2.1.3動力學網格算法介紹 016
2.1.4隱式與顯式分析比較 017
2.2幾何建模 019
2.2.1DesignModeler建模平臺 019
2.2.2DesignModeler建模實例 021
2.2.3SpaceClaim建模平臺 024
2.2.4SpaceClaim建模及幾何清理實例 026
2.2.5外部幾何模型導入 029
2.3材料定義與加載 030
2.3.1Engineering Data模塊簡介 030
2.3.2顯式動力學材料基礎 035
2.3.3顯式動力學材料模型 037
2.4顯式動力學網格劃分 047
2.4.1Mesh模塊網格劃分 048
2.4.2幾何分割後進行網格劃分 054
2.4.3SpaceClaim網格劃分 056
2.4.4ICEM網格劃分 058
2.4.5外部網格劃分軟件導入 059
本章小結 061

第3章Explicit Dynamics模塊設置062
3.1顯式動力學中接觸設置 062
3.1.1Contacts接觸設置 063
3.1.2Joints接觸設置 063
3.1.3Body Interactions接觸設置 064
3.2顯式動力學計算條件設置 068
3.2.1Initial Conditions初始條件設置 068
3.2.2Loads和Supports邊界條件設置 068
3.2.3Analysis Settings分析設置 069
3.3計算設置 081
3.3.1並行計算設置 081
3.3.2計算信息查看 082
3.4後處理設置 083
3.4.1計算結果文件查看 083
3.4.2結果變量查看 084
3.4.3自定義結果 085
本章小結 088

第4章高速衝擊碰撞問題089
4.1高速衝擊碰撞問題理論及數值方法 089
4.1.1高速衝擊碰撞問題中的應力波理論 089
4.1.2高速衝擊碰撞過程中數值方法 091
4.2破片侵徹金屬靶板 098
4.2.1計算模型及理論分析 098
4.2.2破片侵徹靶板（2D拉格朗日） 100
4.2.3破片侵徹靶板（2D歐拉） 107
4.2.4破片侵徹靶板（3D拉格朗日） 109
4.2.5破片侵徹靶板（3D對稱模型） 111
4.2.6破片侵徹靶板（3D-SPH） 114
4.3子彈侵徹鋼筋混凝土靶板 116
4.3.1計算模型及理論分析 116
4.3.2子彈侵徹鋼筋混凝土（Lagrangian-beam） 117
4.3.3子彈侵徹鋼筋混凝土（SPH-Lagrangian-beam） 121
4.3.4子彈侵徹鋼筋混凝土（外部模型導入修改） 122
4.4子彈侵徹油箱 124
4.4.1計算模型及理論分析 124
4.4.2子彈侵徹油箱（2D流固耦合） 125
4.4.3子彈侵徹油箱（3D流固耦合） 128
本章小結 131

第5章爆炸問題132
5.1爆炸模型理論分析 132
5.2爆炸數值計算 134
5.2.1炸藥狀態方程 134
5.2.2人工黏性 138
5.2.3爆炸計算材料 138
5.2.4爆炸計算幾何模型構建 138
5.2.5爆炸計算算法 139
5.3典型空氣中爆炸 141
5.3.1模型分析 142
5.3.2爆炸計算模型（2D歐拉方法） 142
5.3.3爆炸計算模型（3D歐拉方法） 147
5.4爆炸對結構作用 149
5.4.1爆炸衝擊波對混凝土結構作用 149
5.4.2爆炸驅動以及對靶板作用 155
本章小結 160

第6章Autodyn顯式動力學計算161
6.1Autodyn簡介 161
6.1.1Autodyn界面 161
6.1.2常見Autodyn計算終止問題 164
6.2泰勒桿碰撞 164
6.2.1計算模型描述 164
6.2.2Autodyn計算模型構建 165
6.2.3計算結果及後處理 169
6.3水下爆炸及其作用 171
6.3.1計算模型描述 171
6.3.21D計算模型構建 172
6.3.33D計算模型構建 175
本章小結 176

第7章LS-DYNA顯式動力學計算177
7.1Workbench LS-DYNA簡介 177
7.2子彈侵徹靶板計算 181
7.2.1計算模型描述 181
7.2.2Workbench LS-DYNA模型構建 182
7.2.3計算結果及後處理 184
7.3LS-DYNA中的流固耦合問題 184
7.3.1流固耦合模型設置 184
7.3.2Workbench平臺中的S-ALE 187
7.3.3爆炸衝擊波對結構作用 189
7.4爆炸衝擊波對蜂窩結構作用（Conwep模型） 196
7.4.1計算模型描述 196
7.4.2Workbench LS-DYNA模型構建 197
7.4.3計算結果及後處理 200
本章小結 201

第8章Explicit Dynamics與Autodyn聯合仿真202
8.1仿真流程簡介 202
8.2子彈侵徹復合材料靶板 203
8.2.1計算模型描述及分析 203
8.2.2Workbench模型構建 204
8.2.3Autodyn計算及後處理 206
8.3戰鬥部爆炸碎片（SPH模型） 208
8.3.1計算模型及理論分析 208
8.3.2Workbench模型構建 210
8.3.3Autodyn計算及後處理 211
8.4金屬射流衝擊引爆帶殼裝藥 213
8.4.1計算模型及理論分析 213
8.4.2Workbench中的前處理 215
8.4.3Autodyn計算及後處理 217
本章小結 219

第9章Explicit Dynamics與其他模塊的聯合應用220
9.1靜力學及隱式動力學模塊 220
9.1.1預應力條件下侵徹作用 220
9.1.2瞬態動力學及顯式動力學分析 222
9.2顯式動力學優化設計 226
9.2.1優化設計模塊簡介 226
9.2.2彈丸侵徹的優化分析 227
9.3Workbench顯式動力學插件 232
9.3.1Drop Test跌落模塊 232
9.3.2EnSight軟件後處理 235
9.3.3Keyword Manager關鍵字管理 236
本章小結 237

參考文獻238