基于ANSYS/LS-DYNA非线性弹簧振子仿真

弹簧振子力学模型及受力分析如上图，两轻质弹簧原长为l，刚度为k，一端固定，一端和质量为m的小球连接。小球以初速度y0'沿y向运动。分析小球在弹簧力作用下的响应。分别通过理论计算和软件仿真相互验证，证明其有效性。

建立力学模型：

通过计算得出振子周期：

详细的理论推导不做过多论述，可参考[1]。带入相关数据：

l=1m,k=1N/m,m=0.5Kg,y0'=1m/s

得到弹簧振子周期T=6.08s。

由于Ansys/ls-dyna具有强大的非线性计算能力，可以通过该法计算体弹簧振子的动力学响应。

建立有限元模型如上图，建立三个节点1，2，3，1和2节点、2和3节点建立弹簧单元，2节点处赋予质量单元。在Ansys/ls-dyna显式分析中，弹簧单元采用COMBI165，质量单元采用MASS166。弹簧振子质量通过添加实常数1施加，其密度为7.8e3kg/m3,弹性模量为3e7Pa。泊松比为0.3。弹簧材料模型采用离散弹簧单元[2]，如下图：

1和3节点全约束。2节点添加初速度，在添加初始速度之前，需要将2节点定义为一component，添加初速界面如下图所示：

仿真时间设置为20s（大概三个周期），时间步长因子设为0.1，生成k文件：

使用ansys启动界面调入K文件，点击run求解：

求解完成后，在工作目录生成d3plot文件 ，使用LS-PREPOST后处理器观察结果。打开LS-PREPOST，使用快捷键ctrl+B读入d3plot文件，界面如下：

在Ident面板中选择2节点，在history面板中选择单元按钮nodal，并在下拉菜单中选择y-displacement。

点击plot显示2节点在y方向的位移响应:

2节点位移呈周期震荡，周期大概为6.08s，和理论计算结果很接近。

给出2节点运动动画：

APDL程序：

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/COM,   
/COM,Preferences for GUI filtering have been set to display:
/COM,  Structural with LS-DYNA Explicit 
/REPLOT,RESIZE  
/PREP7  
ET,1,MASS166 
ET,2,COMBI165   
R,1,0.5,   !弹簧振子质量
MP,DENS,1,7.8e3 
MP,EX,1,3e7 
MP,NUXY,1,0.3   
TB,DISC,2,,,,   
TBDAT,1,1   
N,1,-1,0,0,,,,  
N,2,0,0,0,,,,   
N,3,1,0,0,,,,   
/REPLOT 
NPLOT

TYPE,1
REAL,1
MAT,1
E,2     !质量单元
TYPE,2
MAT,2
E,1,2
E,2,3    !弹簧单元

NSEL,S, , ,       2 
CM,F_node,NODE  !  力component
ALLSEL,ALL  
/REPLOT 
EDPART,CREATE     !创建Part
FINISH 
 
/SOL
FLST,2,2,1,ORDE,2   
FITEM,2,1   
FITEM,2,3   
D,P51X, , , , , ,ALL, , , , ,   
EDVE,VELO,F_NODE,0,1,0,0,0,0, , , , , ,    !Y向初速度
TIME,20,                    !终止时间
EDCTS,0,0.1,                !时间步长因子
EDOPT,ADD,blank,LSDYNA      !二进制输出文件LS-DYNA
EDRST,100,  
EDHTIME,1000,   
EDDUMP,1,            !输出频率控制

EDOUT,DEFORCE        !离散单元信息
EDOUT,MATSUM   
EDOUT,RCFORC     
EDOUT,DEFGEO
EDOUT,SPCFORC   
EDOUT,SWFORC         !输出文件控制
EDWRITE,LSDYNA,'COMBI165_NOLINER_SPRING','k',' '     !生成K文件

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参考文献：

[1] 基于ANSYS的非线性弹簧振子动力学仿真

[2] ANSYS14.5/LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程

来源：CAE学习