LS-DYNA
- LS-DYNA軟件介紹
LS-DYNA是一款比較先進的通用非線性有限元程序，能夠模擬真實世界中的復雜問題。在Linux、Windows 和Unix 操作系統(tǒng)的臺式機或集群服務器上，LS-DYNA 的分布式和共享內存式求解器可在很短時間內完成每次作業(yè)。Livermore Software Technology(LST,an Ansys company)旨在通過LS-DYNA為用戶提供無縫地解決“多物理場”、“多工序”、“多階段”、“多尺度”等問題的方法。
LS-DYNA適用于研究結構動力學問題中涉及大變形、復雜材料模型和接觸情況的物理現(xiàn)象。LS-DYNA可以在顯式分析和采用不同時間步長的隱式分析之間進行切換。不同學科如熱耦合分析、計算流體動力學（CFD）、流固耦合、光滑粒子流體動力學（SPH）、無網格伽遼金法（EFG）、顆粒法（CPM）、邊界元法（BEM）等可以與結構動力學相結合進行分析。
對很多產品設計而言，LS-DYNA 能夠在產品模型定型前確定產品性能，這對縮短產品上市時間起到關鍵作用。利用LS-DYNA 開展仿真研究能夠有效支持具有高性能的穩(wěn)健可靠產品開發(fā)。LS-DYNA 自帶的前后處理工具LS-PrePost 可用于生成輸入文件和數(shù)值結果的可視化。另外，LST,an Ansys company也為用戶提供適用于結構優(yōu)化和穩(wěn)健設計的LS-OPT 軟件包。因為具備多學科仿真分析與優(yōu)化的能力，LS-DYNA可以顯著地提高創(chuàng)新產品開發(fā)的潛能，有效降低產品開發(fā)成本。所有上述功能和軟件包作為一個整體模塊提供給用戶使用。LS-DYNA 未對一些特殊應用問題進行分塊處理，因此其許可執(zhí)照可將不同學科耦合進行仿真分析而沒有任何限制。
LS-DYNA 已在美國加利福尼亞州開發(fā)了20多年，在涉及結構非線性動力學等復雜問題中應用為廣泛的求解器。由于LS-DYNA 在其它新領域的推廣，使用量正在迅速增長。LS-DYNA 不斷創(chuàng)新發(fā)展的驅動力來自與世界上各大學的合作以及廣大客戶群的新需求。
LS-DYNA在汽車設計中的應用
復雜汽車系統(tǒng)在碰撞過程中結構變形機理必不可少的工具。LS-DYNA 可用于評估汽車性能，甚至在無任何物理樣車模型基礎上進行?？傮w上講，與物理實車試驗相比，數(shù)值仿真可以研究更多的碰撞情形或工況。更進一步的優(yōu)點為在產品開發(fā)階段中應用LS-DYNA將顯著縮短產品上市時間。
LS-DYNA 配備了針對汽車設計應用的特殊功能，例如焊點、安全氣囊模型、安全帶模型、卷縮器等。目前超過15 家的大型汽車制造商使用LS-DYNA進行碰撞模擬，LST,an Ansys company將根據(jù)實際應用的問題反饋和解決方法等進一步來完善和加強求解器。絕大部分汽車應用方面的功能是根據(jù)客戶的要求開發(fā)的。比如，三種不同的分析方法可用于安全氣囊展開過程的研究，可分別解決不同模擬精度的氣囊展開。對氣囊初始展開過程可以進行適當詳細的分析、十分詳細的分析、或者僅僅以預測無折疊氣囊的性能。因此LS-DYNA 可以用于離位乘員工況的分析、用于氣體發(fā)生器中旋轉調節(jié)阻板的設計、或用于碰撞過程中乘員與安全氣囊之間相互作用的分析。
為方便產品開發(fā)，可以使用一系列標準測試裝置的有限元模型，例如假人和壁障模型。許多常用有限元模型對LS-DYNA 用戶來說是不收取任何費用的。此外，也可以購買由第三方開發(fā)、且經過試驗標定的高質量模型。
由于失效預測對汽車碰撞模擬起非常重要的作用， 因此與零部件的成形制造過程密切相關。LS-DYNA因為在汽車碰撞分析中失效預測和失效后預測是十分關鍵的部分，所以零部件的制造過程也是一個密切相關的因素。LS-DYNA 能夠分析模擬大部分的制造過程，并可將制造過程模擬中獲得的信息無縫集成至碰撞仿真中。
除碰撞仿真外，LS-DYNA 也非常適合于汽車設計開發(fā)過程中動態(tài)和靜態(tài)加載工況的模擬。僅需微小調整，已有碰撞仿真模型可以用于其它工況下的汽車性能評估，如車頂壓潰、車門下垂分析、過載工況仿真、或用于確定后續(xù)疲勞分析的載荷輸入分布等。
LS-DYNA在金屬成形中的應用
在金屬成形中LS-DYNA 主要用于金屬板料的沖壓成形仿真。LS-DYNA 的增量法允許用戶模擬多工步的金屬板料沖壓工藝過程，同時具有很高的模擬精度。應用多核并行計算的方法，即便是大型部件的高精度模擬也可以在短短一個小時內完成。另外，可以通過模擬零件修邊和回彈來實現(xiàn)整個成形過程的仿真。
仿真的目的可能各不相同。但其中一個目標就是確定零件成形的可行性以及由不同成形過程獲得的終零件形狀。由仿真獲得的信息可以確定成形參數(shù)、成形工序和優(yōu)化模具形狀。因此，采用較少的成形工步就可以生產出具有高精度形狀和表面質量的零件，進而降低了每個零件的成本。
另一個目標是熱成形工藝的設計。LS-DYNA允許用戶分析金屬在冷卻過程中的金相轉變，可以分析在成形前、成形過程中以及成形后由于熱對流和熱輻射引起的加熱過程。因此可以實現(xiàn)從加熱到成形直至冷卻的整個成形過程分析，且僅利用同一個模型就能預測加熱和冷卻所需時間、壓邊力大小及零件性能。
除板料成形外，LS-DYNA 也能用于其它成形工藝的仿真，如管成形、切割、擠壓、脈沖成形、鍛造、軋制、焊接、卷邊、翻邊、電磁成形和彎曲成形等。這些方面的應用涉及到不同學科間的耦合，如網格重新劃分、無網格法、不同時間步切換、ALE、熱分析、剛體動力學等功能都可以同時使用。
LS-DYNA 及其自帶的前、后處理工具LS-PrePost 擁有許多特定的板料沖壓功能模塊。LS-DYNA 求解器也可與各種成形仿真工具相集成。這些工具由第三方公司提供，可有效地支持特定的成形應用以及技術服務的本土化。目前一步成形法正在開發(fā)，將很快集成于LS-DYNA 標準版。
LS-DYNA——為汽車零件供應商提供的一種多用途程序
LS-DYNA 對于各種汽車零部件的虛擬測試起到非常重要作用。顯式和隱式時間步長策略能夠實現(xiàn)對同一個模型進行靜態(tài)和動態(tài)測試的仿真分析。零部件的制造工藝也可以利用LS-DYNA 的金屬成形和熱分析功能進行研究模擬。因此，只需一個模型就可以研究不同問題。相比于其它應用軟件，這將降低在技術培訓和模型建立上的成本花費。
LS-DYNA 的一個成功應用案例為座椅設計。座椅制造商需要考慮座椅骨架靜動態(tài)負載工況，以及分析安全帶固定點的穩(wěn)定性。LS-DYNA 可幫助確定鎖緊機構的最大載荷或座椅導軌的失效載荷。LS-DYNA 允許用戶研究汽車碰撞中座椅對乘員的影響，同時也可以分析齒輪的沖壓工藝過程。這些用戶組通常會使用先進的優(yōu)化工具LS-OPT 來改進設計和尋找穩(wěn)健的設計方案。
其它類似的LS-DYNA 應用實例包括碰撞吸能盒、保險桿、前縱梁、儀表板、飾物、輪胎等的設計和制造。
LS-DYNA在航空和國防方面的應用
LS-DYNA 是一款比較先進的軟件，能夠模擬高速沖擊、爆破和爆炸。ALE 法和SPH 法非常適合于研究對織物、金屬板以及復合材料的高速沖擊。大量材料本構方程庫（有多種材料失效模式選項）可以滿足許多航空和國防應用方面的需求。此外，2-D 功能、自動重劃網格和重分區(qū)域技術可以允許用戶研究軸對稱問題。結合為汽車應用方面開發(fā)的功能，LS-DYNA 的多物理場模擬能力更加方便坦克和火箭的濺落負載分析和飛機緊急降落分析。這些功能也可以用于針對鳥撞時飛機渦輪機和葉片的優(yōu)化設計。
LS-DYNA跌落測試分析
LS-DYNA 可用于研究跌落沖擊條件下產品的抗撞擊性能，這個應用范圍包括消費品、工具和容器設計。例如，在包裝設計方面，LS-DYNA 可以幫助開發(fā)食品容器使其能承受在運輸和儲存情況下動態(tài)載荷。
除含有復雜失效機理的許多材料模型庫外，LS-DYNA 中各學科耦合和顯式隱式切換的靈活功能對很多應用模擬仿真非常必要。比如，容器中液體可用ALE 法或SPH 法模擬并與結構進行耦合分析。這可以準確地模擬液體在受沖擊時的物理現(xiàn)象。無網格伽遼金法（EFG）可用于裂紋研究，它可以消除裂紋擴展過程中網格對仿真結果的影響。
LS-DYNA 提供在顯式和隱式之間的任意時間步切換的方案來有效確定模型穩(wěn)態(tài)變形。進一步地，LS-DYNA 允許部件由剛體切換為可變形體，反之亦然。這一功能經常用于確定在下落過程中（主要沖擊發(fā)生之前）各零部件之間的相對位置。
LS-DYNA 用于容器研究
在某些行業(yè)，一直存在對社區(qū)和環(huán)境造成嚴重損害事故的風險。作為一種工具，LS-DYNA 可以模擬一個系統(tǒng)是如何失效等信息來減少上述風險。設計更改可以減少甚至消除所考慮負載下的風險。一個典型案例是用來運輸核燃料元件的容器。在運輸過程中對于任何可預見的意外情況發(fā)生時確保容器仍然保持封閉和嚴密密封狀態(tài)是至關重要的。LS-DYNA 常用于運輸容器、容器內部和容器封閉外殼周圍的能量吸收緩沖區(qū)的設計。
另一個例子是對物體的高速沖擊，比如渦輪葉片從渦輪機脫離后的高速沖擊不應該損壞水庫堤壩。LS-DYNA 允許用戶評估渦輪葉片撞擊渦輪機殼體所造成的損害。因為這些模擬需要準確地預測材料失效后的階段，所以前期需要做大量的材料試驗。但就可能受到嚴重損壞的高風險而言，這種努力也是值得的。
LS-DYNA在制造業(yè)中的應用
在日用品制造業(yè)中，生產以及包裝步驟的可靠性和速度在產品成本控制時起到了至關重要的作用。制造工藝通常涉及到非線性過程，并需要使用不同的物理參數(shù)。LS-DYNA 非線性分析功能和耦合不同數(shù)值方案的能力使其成為較好的工具用于為制造工藝的布局提供解決方案。例如，可以利用LS-DYNA 模擬容器在充填、裝卸、封閉、包裝和堆疊過程中的變形?？梢苑治鼋涍^一系列的開啟和關閉后卡扣的使用性能，以及考慮制造公差、裝卸和運輸過程對其產生的影響。其它應用包括織物折疊、團狀或顆粒狀物品包裝。
由于一些產品的開發(fā)時間較短而無法進行完全驗證，仿真僅僅用于了解主要相關聯(lián)的物理參數(shù)及其對工藝過程的影響。優(yōu)化后的制造工藝過程可以在較短的時間內生產出更多具有高品質和高可靠性的零件。這樣一來，即使每個零件節(jié)約很小的成本，但加起來也是一個可觀的數(shù)目。
LS-DYNA 在研究領域的應用
LS-DYNA 一直不斷地加入新技術。例如，無網格伽遼金法（EFG）和光滑粒子流體動力學法（SPH）等新方法已經在LS-DYNA 中實現(xiàn)。對于許多研究應用來說，通過耦合不同的方法來研究多物理場問題是很重要的。例如，歐拉法和拉格朗日法在一個仿真分析里面可以交互使用。
LS-DYNA 也可以進行熱分析、計算流體動力學分析（CFD）或邊界元法（BEM）分析。為方便新材料本構模型的開發(fā)，也提供材料子程序的接口。好的MPP 并行技術可以使研究人員分析非常詳細的模型，而只需較低的硬件成本。LS-DYNA已廣泛應用于各種研究領域，典型案例包括在生物醫(yī)學領域方面的應用。與鞭打、骨折、心臟瓣膜工作模式、腳踝等相關的問題可以用LS-DYNA 進行研究。LST,an Ansys company也一直致力于提供LS-DYNA 教育版。
主要應用領域
擁有強功能的LS-DYNA 可以應用于許多不同的領域。常用應用領域包括：
? 汽車、火車和輪船的耐撞性模擬
? 飛機緊急降落
? 乘員安全分析
? 行人保護分析
? 汽車零部件制造
- 車身
- 座椅
- 車頂
- 車門
- 發(fā)動機罩
- 保險桿
- 碰撞吸能盒
- 縱梁
- 方向盤
- 轉向機柱
- 儀表板
- 墊料
? 金屬成形
- 軋制
- 擠壓
- 鍛造
- 鑄造
- 旋壓
- 超塑性成形
- 板料沖壓
- 滾軋
- 深拉深
- 液壓成形
- 多級成形
- 回彈
- 卷邊
? 金屬切削
? 玻璃成形
? 生物醫(yī)學應用
? 穩(wěn)定性/失效分析
? 跌落測試
- 消費品
- 核容器
? 地震工程
? 鳥撞
? 發(fā)動機葉片容器分析
? 穿甲
? 塑料、模具及吹塑成型
? 爆破載荷
? 電焊、鉚接和螺栓結構
? 船運集裝箱
? 罐頭和容器設計
分析能力
不同的應用領域會使用以下一個或組合的特征功能：
? 非線性動力學
? 耦合的剛體動力學
? 準靜態(tài)模擬
? 模態(tài)分析
? 線性和非線性靜力學
? 特征值分析
? 熱分析
? 流體分析
? 歐拉分析功能
? 任意拉格朗日歐拉法（ALE）
? 流固耦合
? 水下沖擊分析（USA）
? 失效分析；裂紋擴展
? 聲學
? 多物理場耦合；結構-熱耦合分析
? 自適應網格重劃分
? 重新分區(qū)
? 光滑粒子流體動力學（SPH）
? 無網格方法（EFG）
? 擴展有限元X-FEM
? CSE 求解器
? 2-D 和3-D 問題求解
? Nastran 讀入
? 任意的剛體和可變形體之間切換
? 任意的顯式和隱式之間切換
? 動態(tài)松弛
材料模型庫
LS-DYNA 提供了超過130 多種金屬和非金屬材料模型，且許多模型擁有失效準則。常用的材料模型包括：
? 金屬；塑性材料
? 粘彈性材料；粘彈塑性材料
? 玻璃
? 泡沫材料
? 織物
? 彈性體和橡膠
? 蜂窩
? 復合材料
? 混凝土和泥土
? 炸藥
? 粘性流體
? 生物醫(yī)學用材料模型
? 用戶自定義材料
豐富的單元庫
LS-DYNA 擁有大量的單元庫，包括縮減積分單元和全積分單元。LS-DYNA 的低階單元具有準確性、有效性和穩(wěn)健性。對于縮減積分的殼單元和實體單元，零能模式可以通過粘度或剛度方式的沙漏形式來控制。單元主要包括：
? 各種不同的實體單元
? 8節(jié)點厚殼單元
? 各種不同的3 節(jié)點和4 節(jié)點殼單元
? 梁單元
? 焊點
? 離散的零長度梁
? 桿和纜索單元
? 節(jié)點質量單元
? 集中慣性單元
? 任意拉格朗日歐拉單元
? 歐拉單元
? 無網格伽遼金
? SPH 單元
? 2-D 分析單元
? 用戶自定義單元
接觸算法
約束法和罰函數(shù)法在過去20 多年的大量仿真分析中應用得很好。LS-DYNA 有超過25種不同的接觸類型，可用于熱-機械耦合接觸。這些接觸類型主要解決變形體與變形體的接觸、變形體間的單面接觸、以及變形體與剛體或者剛體與剛體間的接觸。接觸面定義的范圍概括如下：
? 單面接觸
? 剛性墻接觸
? 邊-邊接觸
? 梁-梁接觸
? 侵蝕接觸
? 與 CAD 表面接觸
? 粘合表面
? 2-D 接觸
? 殼單元邊與殼表面粘合接觸
? 合力接觸
? 流固耦合面
? 彈球接觸 （SOFT=2）
? 摩擦方式：
- 庫倫靜摩擦和動摩擦
- 粘性摩擦
- 壓力摩擦
- 用戶自定義摩擦
剛體動力學功能
LS-DYNA 同樣包含多體動力學方面的功能。一些功能如下所示：
? 剛體
? 剛體向變形體的切換
? 變形體向剛體的切換
? 接頭
- 球形接頭
- 轉動關節(jié)
- 柱形關節(jié)
- 平移副
- 鎖定接頭
- 電機接頭
- 滑輪和螺旋接頭
- 萬向節(jié)
- 彎曲/扭轉關節(jié)
? 接觸
- 剛體與變性體的接觸
- 剛體與剛體接觸
? 幾種離散單元（顆粒狀）
軟件平臺
LS-DYNA 可以被移植到所有常用的HPC 平臺，包括大規(guī)模并行版本（MPP——信息傳遞程序設計）、共享內存的版本（SMP——對稱內存處理）和混合版本（CPU 內用SMP， CPU 間用MPP）以及對應的單精度和雙精度版本。
專業(yè)化的金屬成形功能
LS-DYNA開發(fā)了專門模擬金屬成形的功能用于獲取準確模擬結果。
? IGES/VDA 接觸
? 硬質模具
? 2-D 網格重劃和重映射
? 隱式回彈
? 修邊
? 自適應網格細化
? 網格粗化
? 拉延筋
? 復雜的滑動算法
? 各向異性塑性材料（Hill, Barlat）
專業(yè)化的汽車模擬功能
LS-DYNA提供了針對汽車應用方面的特殊功能，主要包括：
? 安全帶
? 滑環(huán)
? 預緊器
? 卷縮器
? 傳感器
? 加速度計
? 安全氣囊參考幾何
? 氣體發(fā)生器模型
? 安全氣囊均壓仿真模擬
? 顆粒法的離位模擬
? ALE 方法的離位模擬
? 與 Madymo 耦合
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