ANSYS Explicit Dynamics Update

ANSYS Explicit Dynamics Update

Bence Gerber   [email protected]  +1 510‐549‐5348 1/32

© 2011 ANSYS, Inc.

October 12, 2011

ANSYS Explicit Dynamics Update ‐ Outline • Introduction  • Solve Problems that were Difficult or Impossible in the Past – Structural Dynamics and Explicit Dynamics – Complex Interactions (Contact)

• Enhanced Productivity with Release 14 – – – – –

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Speed Improvements – 2D  Problems in Workbench Easier Meshing – New TET element Better Insight Into Results Automation New Physics

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Problems Addressed by Explicit Dynamics Complex reality made easy through simulation Damage to products from impact Consumer or commercial product drop Manufacturing process with large plastic deformation High speed fragment or object impact High speed collision of large objects Cracking of brittle materials in products Explosion near structures

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Nature of Explicit Dynamics Problems • Short duration localized phenomena • Transient dynamic wave propagation Gases, Liquids, Solids and their Interaction (FSI) • Nonlinear o Material behavior o Contact/Interaction • Large deformations o Large strains & strain rates • Material failure o

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What is ANSYS Explicit Dynamics Explicit Dynamics, (like Structural Dynamics) models the  response of structures: from quasi static to severe loadings

Applications in: Manufacturing, Consumer Products, Aerospace,  Defense, Heavy Equipment, Oil and Gas, Turbo‐machinery, …

ANSYS Edge: User Productivity, Ease of Use, Seamless CAD to  Solution Environment (ANSYS Workbench)

Used by small and large organization world wide,  over 800  ANSYS Explicit Dynamics customers.

Used to design products, protect products, improve processes 

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Solution Methods Compared Explicit Solution (Explicit Dynamics) • Time is an independent variable that is "explicitly" advanced  according to a stability criteria limited by the speed of shock  waves in the smallest element – Local Response • From shock waves created by impact or  other loadings • Resulting in deformation and material failure

Implicit Solution (Structural Dynamics, aka Mechanical) • Time is not an independent variable and is "implicitly" advanced  according to convergence criteria

– State variables being computed are not time dependent • Collection of equations represent the relationship of all elements in  the problem • Equations solved “implicitly” with advanced matrix solutions – Global Response • From loads applied mostly uniformly to the whole system. 6/32

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Factors Influencing Calculation Times For Implicit Solutions

For Explicit Solution

• model size (number of DOF)

• size of the critical time step

• size respectively grade of  nonlinearity • number of time steps to simulate

‐ characteristic element length ‐ sound of speed in materials  (Young’s moduli & density) • model size (number of elements) • Length of the physical time to be  simulated

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New Uses of Explicit Solver

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•

No convergence problems in highly nonlinear  problems

•

No equilibrium iteration needed

•

Material failure and erosion easy to model

•

High frequencies are naturally resolved because of  small time steps

•

Implicit‐explicit switching capability for efficiency

•

Suited to a wide range of complex nonlinear  problems

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Explicit GUI is the Same as Structural

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Extend the Range of Structural Problems • Drop test simulations  –

(short time dynamic range, high frequencies)

• Problems including complex contact situations  –

(large geometrical nonlinearities)

• Problems including sophisticated material damage and failure  –

(large nonlinearities, element erosion)

• Load limit analyses  –

(large deformations, large nonlinearities)

• Manufacturing simulations  –

(large deformations, large nonlinearities)

• High‐speed Dynamic analyses –

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(failure, fragmentation, blast wave‐structure interaction) October 12, 2011

Complex Contact Example – Crimping 

Equivalent Stress

Crimping process of seven wires.   Changing contact surfaces Self contact Severe deformation 11/32

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Effective Plastic Strain

Complex Contact – Failing Window Crank

Window Crank Mechanism

Effective Plastic Strain Equivalent Stress 12/32

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Non‐linear Material Response

Hyper‐elastic  CV Boot

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Pre‐stressed Fan “Blade0out”

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Material Failure, Complex Body Interactions

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Productivity Further Enhanced with R14 • Painless problem setup – Complex geometries easier to mesh with TET elements • New NBS TET avoids shear locking

• Fast solutions using 2‐D • Insight into part interactions – Reaction force trackers implemented 

• Generalized Shell – Discrete element, variable thickness shells – Import Polyflow and other forming simulation results

• Direct Access to results for convenient analysis and processing • Composites – Layered composites (shells)

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Painless problem setup New Tetrahedral Element Nodal Based Strain (NBS) formulation • Overcomes both volume and shear locking • Particularly valuable in low velocity applications involving  complex geometry (consumer drops like mobile phones, nuclear  equipment drops) – Low deformations and bending dominates problems – Isotropic elasticity, plasticity including failure – Testing has shown that an Hourglass coefficient (Puso factor) of 0.1  should be used

• No longer Beta in Release 14

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NBS TET Accuracy – Beam Bending

Case 

Average End  % Deflection  ANP Tet  ‐0.178 ‐21.1% NBS Tet  ‐0.146 0.7% MAPDL  ‐0.147 0.0% 18/32

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NBS TET Example – Self Piercing Rivet

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NBS TET Example – Drop Test, Tablet PC

Stress Contours Front View

Stress Contours Rear View, Cover Invisible 20/32

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Fast solutions using 2‐D 2D Plain Strain and Axisymmetric solid analyses  supported for Explicit Dynamics • 2D pre‐ and post‐processing exposed • Plain Strain • Axisymmetric axis of symmetry now in y‐direction to be  consistent with other ANSYS analysis types

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Fast solutions using 2‐D – Bullet Example

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Insight into part interactions Direct and quick results of  reaction forces • Allows capture of high  frequency content in  response • Scoped to Boundary Condition •

– Fixed, Displacement, Velocity,  Remote Displacement Scoped to Geometry Selection – Reaction Forces, Contact Forces,  Euler/Lagrange Coupling forces

• Results can be filtered 23/32

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Example – Boundary Reaction Tracker

Force reaction at each of 4 supports of  component subject to impact loading 24/32

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Example – FSI Force Tracker

External force time history due to fluid jet impinging on  deformable surface (filtered at 10,000Hz)

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Generalized Shell – Discrete Thickness Import Shell Thickness from External Data Example – Import from ANSYS Polyflow

• Polyflow is a Finite Element based CFD  tool used for simulating the processing of  materials such as polymers, glass, metals  and concrete

• Processes modeled include extrusion,  blow molding, thermoforming, fibre  drawing

• Polyflow results (of predicted thickness)  can now be exported to Mechanical and  Explicit Dynamics

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Blow Molding with Polyflow • Initial polymer J shape (above) • Final thickness (below)

Discrete Thickness Example Import from Polyflow Complete Virtual Prototyping and Testing capability in  ANSYS Workbench for packaging manufacturing: • Simulate blow molding or thermal forming process to get final  thickness distribution

• Perform stress and deformation analysis with the variable  thickness map (top load, crush, drop etc.)

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Discrete Thickness Shell Example Complete Virtual Prototyping in ANSYS Workbench • Simulate blow molding or thermal forming process to get final  thickness distribution with POLYFLOW 

• Perform drop test of product filled with water

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Direct Access to Results Design Assessment • Introduced in Workbench to enable customized post‐processing  of Mechanical systems

• Programmable/scriptable means to access results • Explicit Dynamics can now be an upstream system for Design  Assessment

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Design Assessment – Display Fragments

Equivalent plastic strain Fragment Volume

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Composites Data Integration with ACP ACP: Built upon a documented Workbench SDK, EVEN  has developed addins to introduce ACP as a  component system inside Workbench Typical Workbench system: file management and  standard actions like Update, Duplicate Consume materials from Engineering Data

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ACP Workflow Example Insertion into  schematic flow

Explicit *  (Autodyn)

Implicit  (MAPDL)

Parameter Support

Allows for inclusion as part of  Design Exploration

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Composite Example CFRP Baseball bat with spiral CRFP reinforcement

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Summary ANSYS Explicit Dynamics  • Extends the power of Structural Dynamics for   Problems that were Difficult or Impossible in the Past • Release 14 Provides Further Productivity  Enhancements – Speed Improvements  – Easier Problem Setup – Better Insight Into Simulated Results – Improved Automated Use – Convenient Composite Modeling

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