📚 课程目录第3章 LS-DYNA关键字文件结构

3. LS-DYNA关键字文件结构

LS-DYNA 的输入文件通常称为 K 文件（Keyword File），它是一个纯文本文件，求解器按“关键字块”逐段读取。理解 K 文件结构，本质上就是理解 LS-DYNA 如何把几何、网格、属性、材料、边界和求解控制组织成一套可被程序解析的数据体系。K 文件不是简单的命令堆叠，而是有明确层级和引用关系的结构化数据：节点定义空间位置，单元引用节点形成网格，PART 把单元、SECTION 和 MATERIAL 绑定在一起，控制卡片则决定求解器如何运行。

K 文件的基本组成

一个典型的 K 文件由若干关键字块组成，每个块以 *KEYWORD 开头，后跟若干数据行，直到下一个关键字出现为止。常见的关键字块包括：

*KEYWORD：控制卡片，如 *CONTROL_TERMINATION、*CONTROL_TIMESTEP、*DATABASE_BINARY_D3PLOT。
*NODE：定义节点坐标。
*ELEMENT_SHELL、*ELEMENT_SOLID、*ELEMENT_BEAM：定义单元及其节点连接。
*PART：定义部件，引用 SECTION 和 MATERIAL。
*SECTION_SHELL、*SECTION_SOLID：定义单元截面属性。
*MAT_*：定义材料本构，如 *MAT_PLASTIC_KINEMATIC、*MAT_JOHNSON_COOK。
*EOS_*：定义状态方程，常与材料卡片配合使用。
*BOUNDARY_*、*LOAD_*、*INITIAL_*：边界、载荷和初始条件。

关键字块之间通过 ID 建立引用关系。例如，*ELEMENT_SHELL 中的节点 ID 必须能在 *NODE 中找到；*PART 中的 SECTION ID 和 MAT ID 必须分别对应已定义的 SECTION 和 MATERIAL。这种“定义—引用”机制是 K 文件组织的核心。

关键原则：K 文件中所有被引用的 ID 必须唯一且已定义。节点、单元、PART、SECTION、MAT 各自有独立的 ID 空间，但同一类对象内部不能重复。

节点与单元定义

节点是网格的最小几何单位，用 *NODE 定义。每行格式通常为：节点 ID、x 坐标、y 坐标、z 坐标。例如：

*NODE
       101    0.000000    0.000000    0.000000
       102   10.000000    0.000000    0.000000
       103   10.000000   10.000000    0.000000
       104    0.000000   10.000000    0.000000

单元通过节点 ID 连接形成网格。以壳单元为例，*ELEMENT_SHELL 每行包含单元 ID、PART ID、节点 1 至节点 4。例如：

*ELEMENT_SHELL
         1         1       101       102       103       104

这里单元 1 属于 PART 1，由节点 101、102、103、104 构成一个四边形壳单元。实体单元 *ELEMENT_SOLID 则通常需要 8 个节点。单元定义必须保证节点顺序符合右手法则，否则法向和厚度方向会出错，直接影响接触和应力输出。

PART 与 SECTION

PART 是 LS-DYNA 中非常关键的“装配单元”。它把单元集合、截面属性和材料属性绑定在一起。一个 PART 对应一组单元，并引用一个 SECTION 和一个 MATERIAL。典型 *PART 卡片如下：

*PART
         1         1         1         0         0         0
shell_part

其中第一行各字段依次为：PART ID、SECTION ID、MAT ID、EOS ID、Hourglass ID、初始速度 ID。第二行是 PART 名称。SECTION 定义单元的几何属性，例如壳单元的厚度、积分点数量；实体单元则定义单元算法和积分方式。以 *SECTION_SHELL 为例：

*SECTION_SHELL
         1         2         1.000000         5         0.0
0.000000  0.000000  0.000000  0.000000

这里 SECTION ID 为 1，壳厚度为 1.0 mm，沿厚度方向 5 个积分点。厚度和积分点数量会直接影响弯曲刚度和计算成本，是碰撞分析中需要重点确认的参数。

材料与状态方程

材料卡片定义本构关系，状态方程定义压力—体积—能量关系。对于金属碰撞分析，常用 *MAT_PLASTIC_KINEMATIC 或 *MAT_JOHNSON_COOK。以 Johnson-Cook 模型为例，材料卡片通常包含密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、硬化参数和失效应变等。状态方程 *EOS_GRUNEISEN 则描述冲击波下的压力响应，常用于高应变率、大变形问题。

材料与状态方程通过 PART 中的 MAT ID 和 EOS ID 关联。如果材料卡片中已经包含状态方程参数，则 EOS ID 可以留空；如果使用独立状态方程，则必须在 PART 中正确引用。材料参数的单位必须与模型单位制一致，例如 mm、ms、kg、GPa 或 m、s、kg、Pa，混用单位是常见错误来源。

控制卡片的组织方式

控制卡片决定求解器行为，通常放在 K 文件前部或单独文件中。常见控制卡片包括：

*CONTROL_TERMINATION：设置终止时间，例如 0.05 s。
*CONTROL_TIMESTEP：设置时间步长缩放因子和最小时间步。
*CONTROL_ENERGY：控制能量耗散和沙漏能统计。
*DATABASE_BINARY_D3PLOT：设置结果输出间隔。
*DATABASE_ASCII_*：输出节点、单元、接触等 ASCII 数据。

控制卡片通常按“求解控制—输出控制—接触控制—初始条件”的顺序组织，便于检查和维护。对于大型碰撞模型，建议把控制卡片集中放在文件开头，材料、PART、SECTION 放在中间，节点和单元放在后面，这样既符合 LS-DYNA 的读取习惯，也方便人工排查引用错误。

K 文件组织建议与常见错误

在实际建模中，建议按以下顺序组织 K 文件：控制卡片 → 材料与状态方程 → SECTION → PART → 节点 → 单元 → 边界与载荷。这样做的原因是 LS-DYNA 在读取时并不要求严格顺序，但按“先定义后引用”的顺序排列，可以显著降低人工排查难度。常见错误包括：PART 引用了不存在的 SECTION ID、单元引用了未定义的节点 ID、材料单位与模型单位不一致、壳单元厚度方向定义错误、状态方程与材料模型不匹配等。

排障提示：如果求解器报 “undefined node” 或 “undefined part”，优先检查对应 ID 是否在 K 文件中真正定义，以及是否存在重复 ID 覆盖。对于大型模型，建议用文本编辑器的“查找”功能逐个核对引用关系。

掌握 K 文件结构后，读者应能独立阅读一个 LS-DYNA 输入文件，判断其节点、单元、PART、SECTION、材料和状态方程是否完整，控制卡片是否合理。这是后续进行碰撞冲击建模、调试和结果分析的基础。