LS-DYNA软件及其应用

LS-DYNA是—款先进的通用有限元程序，是显式动力学软件的鼻祖和理论先导，能够模拟真实世界中的复杂问题。LS-DYNA广泛应用于汽车、航空航天、电子、船舶、土木工程、制造和生物工程等行业。在Linux、Windows和Unix操作系统的台式机或集群服务器上，LS-DYNA的分布式和共享内存式求解器，可在很短时间内完成每次作业。秉承“一个程序，一个模型，一个许可”的开发理念，通过LS-DYNA软件为用户提供无缝解决“多物理场”、“多工序”、“多阶段”、“多尺度”等工程问题的解决方案。

LS-DYNA程序（目前最新版本R13.0版）是功能齐全的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性和接触非线性程序。以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体、电磁、流体-结构等多物理场耦合功能。

背景介绍

LS-DYNA程序系列，最初是1976年在美国Lawrence Livermore National Lab.由J.O. Hallquist博士主持开发完成的，后经1979、1981、1982、1986、1987、1988年版的功能扩充和改进，成为国际著名的非线性动力分析软件，在结构设计、弹道设计、材料研制等方面得到了广泛的应用。John O. Hallquist博士是有限元计算业界最受人尊敬的专家之一，1974年于Michigan Technological University获得博士学位，1987年Hallquist博士创立了LSTC公司，并推出了DYNA的商业化版本LS-DYNA。基于他对以DYNA和之后LS-DYNA为代表的显式有限元方法的杰出贡献，他在2007年当选为美国国家工程院院士。

秉承“One Code One Model, Multi-physics Multi-solutions”的理念，LSTC公司成功地将隐式计算，及许多其它功能不断引入LS-DYNA软件，目前LS-DYNA已在汽车碰撞，制造，模具成形，3C产品，国防航空，生物工程，土木等众多领域得到了广泛应用。LS-DYNA软件不断创新发展的驱动力来自于世界顶尖大学的合作以及广大客户群的新需求。

2019年，Ansys宣布全资收购LSTC公司，LS-DYNA成为Ansys产品线之一。

软件功能

近年来，LS-DYNA在隐式计算、S-ALE流固耦合计算、DEM离散元、NVH分析、SPH粒子法、EFG无网格法、ICFD不可压缩流体及流固耦合计算、CESE高速可压缩流体计算、Peri-Dynamic算法等领域均有快速的进步与发展。

单元库

LS-DYNA拥有大量的单元库，包括缩减积分单元和全积分单元。LS-DYNA的低阶单元具有准确性、有效性和稳健性。单元主要包括：

材料库

LS-DYNA提供了多种金属和非金属材料模型，且许多模型拥有失效准则。常用的材料模型包括：

接触类型

约束法和罚函数法在过去20多年广泛应用于仿真分析中。LS-DYNA有不同的接触类型，主要解决变形体与变形体的接触、变形体间的单面接触、变形体与刚体或者刚体与刚体间的接触。接触面定义的范围概括如下：

刚体动力学功能

LS-DYNA同样包含多体动力学方面的功能。一些功能如下所示：

隐式分析

LS-DYNA为工程应用提供了一系列综合的分析工具。隐式和显式算法可以使用相同的单元和材料进行建模，因此可以使用一个模型进行静力和动力学分析。分析过程中隐式和显式的无缝切换提升了仿真的应用水平。具备隐式线性和非线性算法可以解决静力问题和动力学问题。可以在时域或频域范围内进行动力学分析。此外，LS-DYNA提供强有力的工具进行频率成分分析，进行模型有效性验证，可以单独使用隐式或显式的瞬态模拟考虑预应力的影响。模态分析的结果可以在设计研究中用来建立简化的线性化模型，也可以被其他的频域分析使用。隐式分析可以用在各类领域，包括但不限于：

振动、声学和疲劳解决方案

LS-DYNA频域分析(FDA)模块用于工程仿真和分析中进行频域模拟。为客户关注的行业，提供振动、噪音和结构耐久性的解决方案，例如车辆的NVH（噪音，振动和平顺度）以及金属结构和部件的耐久性。这种分析对于车辆和其他结构的舒适性，安全性和完整性至关重要。

Structured Arbitrary Lagrangian Eulerian(S-ALE)

SALE求解器与LS-DYNA多物理场求解器紧密耦合在—起，可以与传统的FEM结构、SPG、离散元进行耦合。因此，SALE求解器作为一种计算工具可以用来解决不同领域中比较难的问题。

理论方面，S-ALE求解器与ALE完全相同，但S-ALE在实现上是独立于ALE而全新开发的。网格的简单与单一性也使得程序变得简洁与易维护，简洁的程序又反过来提高了运行的效率。

高级有限元、无网格&粒子法

长期以来，固体材料大变形和破坏行为的分析一直是业界的难点，在加工制造，冲击和穿透等实际应用中尤为明显。传统方法的应用局限和工业界的普遍需求之间的差距极大推动了过去数十年各种新型数值方法的创新和发展。LS-DYNA研发团队一直致力于将最新的研究成果应用于工程实践，目前开发了基于多种先进有限元和无网格法的求解模块，主要包含光滑粒子伽辽金法(SPG)，键型近场动力学法(Bond-based Peridynamics)以及扩展有限元法(XFEM)等。

结构分析和冲击侵彻

电磁EM Solver

LS-DYNA的电磁求解器(EM)将有限元法(FEM)和边界元法(BEM)以某种方式结合起来，在电磁场的求解过程中，对导体采用有限元方法(FEM)，而对周围的空气及绝缘体采用边界元方法( BEM)。EM为用户提供稳定的，可扩展的，精确的电磁过程模拟。电器求解器与结构，热和流体之间的强耦合使LS-DYNA在多物理场模拟中拥有优秀的表现。