LS-DYNA R14.0版本新功能详解（进阶篇）

​   本系列将主要介绍LS-DYNA R14.0即2023R1部分新功能。主要涵盖多物理场，MPP，声学特性以及冲压等领域的新功能更新介绍。

对于目前Intel MPI, platform MPI和 Open MPI，详细介绍了LS-DYNA OneMPI的策略，CPM安全气囊仿真的新功能，与热求解器耦合，引入节点接触力去评估对气囊泄气性的影响。对于SPH齿轮箱和涉水仿真方面，实现了大量新功能。针对EM solver电磁求解器，拓展了与结构耦合的功能，在生物医学领域有着广泛的应用。ICFD求解器新增了Block Low-Rank分解求解器，与DEM耦合的新功能，尤其针对实体单元。CESE增加针对混合多相求解器和两相求解器的多相FSI功能。NVH方面添加了很多新的声学功能，例如新的关键字*FREQUENCY_DOMAIN_ACOUSTIC_DIRECTIVITY，还有随机振动SSD ERP和d3max等等。Ansys Forming出色的仿真功能，较Dynaform有了很大地提升。

本文将主要介绍MPP/MPI以及CPM安全气囊方面的更新。

背景介绍

   LS-DYNA 2023R1&LS-DYNA Solver R14.0新功能更新
 

LS-DYNA R14.0版本已于2023年1月发布，包含大量新功能更新，具体可分为两部分，第一部分主要描述多物理场、MPP、声学以及Ansys Forming等的更新，第二部分涵盖单元技术，材料本构和其他关键内容等。

HPC更新

   LS-DYNA OneMPI方法-1
 

目前LS-DYNA每次更新的时候，都会发布很多不同的执行程序，以对应不同的操作系统平台以及并行计算使用的MPI平台。其计算内核都是相同的，只是使用的动态链接库不同。由于发布到ftp的LS-DYNA版本非常多，很多时候用户不知道应该选择哪个版本程序。LS-DYNA从R14版本开始使用ONE MPI的策略，希望能够减少LS-DYNA程序的数量。同时，我们知道很多用户正在使用Platform MPI，因为相对来说更稳定。但是Platform MPI基于相对较老的MPI 2.0标准，而且IBM在2020年已经停止了对Platform MPI的技术支持。因此我们希望可以帮助用户从Platform MPI平滑切换至其它的MPI平台，以使用最新的技术。

   LS-DYNA OneMPI方法-2
 

对于R14版本，依旧会提供不同MPI的LS-DYNA执行程序，但实际上，在Intel MPI版本程序中，已经包含了（Intel MPI，Open MPI以及Platfrom MPI）三种功能，用户仅需要设置“LSTC_MPI”的环境变量，指定对应的MPI 即可。同时通过control_lstc_reduce关键字，保证使用不同MPI得到相同的结果。通过One MPI的策略还能缩短LS-DYNA新版本的测试时间（无需再测试三个binary程序），LS-DYNA目标是和Ansys许多其它的产品一样，提供有限数量的执行程序，更加方便用户的使用体验。

   CPM安全气囊功能更新
 

CPM安全气囊功能更新

对于气囊仿真，大部分的增强和改进是如何更精确的模拟气囊泄气孔和织物的泄气特性。

R14.0中增强了阻塞评估以获得更加一致的结果，并新增不同的阻塞选项实现安全气囊正确的泄气，以及描述泄气孔气压的POPP。当安全气囊的压力达到一定值后，泄气孔随之打开。此类选项改善了操作要求，目前可以使用上级和下级部件或腔体压力实现更加一致的控制，且CPM求解器与热求解器完全耦合，因此用户可以使用CPM-热求解器研究安全气囊热点，例如注入气体时织带材料中的发热区域以及可能融化的区域。具体有：

• 气囊织物阻塞评估

1. 对于每个气囊，单独计算接触力阈值（不包括transducer）
2. 设置单独的泄气阻塞阈值

• IBLOCK=21: 安全气囊外部泄气孔控制

1. 基于泄气孔节点接触力计算接触压力（contact pressure）
2. 当气囊压力大于泄气孔接触压力时，泄气孔不被阻塞

• BLOCKV: 排除气囊自身接触力

1. 排除*CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE的节点接触力（SOFT=2)
2. 排除接触力传感器的节点接触力

• 用于外部/内部泄气孔的POPP选项

1. 比较上下游的PART/ambient压力
2. 比较上下游的CHMABER/ambient压力

• CPM-热耦合

1. 计算CPM粒子与气囊之间的传热

   织物阻塞评估/泄气孔和孔隙率
 

气囊在接触人体或是其它部件时，接触部分的气体泄露会受到阻碍。LS-DYNA会首先计算节点的接触力。如果节点受到了接触力，说明这个局部正在于其它部件进行接触，就可能会阻碍了气囊中的气体从织物中泄露。通过接触力的阈值进行判断是否需要计算织物的泄气。在旧版本的算法中，首先会统计模型中所有接触的节点接触力，计算一个F total，用Ftotal除以模型中节点的数量再乘以一个系数，得到接触力的阈值，只要气囊上节点的接触力大于这个阈值，就认为此节点位置气囊的织物的泄气被阻挡了。这样的算法会有一些问题：

1.如果在模型中增加一个接触，这个接触可能和气囊一点关系都没有，但它无疑会改变模型中的接触力数值，也就改变了接触力的阈值，计算出来的气囊泄气的特性就会发生变化；

2.把标定好的气囊零部件模型放在整车模型中去，因为模型中的接触不同，可能会导致计算出来的气囊特性有差异；

3.如果模型中增加力传感器关键字，力传感器会计算接触力的数值，但不会真的施加接触力，而在旧版本的算法中，在计算接触力阈值时候，也会将力传感器的接触力算进去。这样本不该影响计算结果的接触力传感器设置，也可能对气囊的相应产生影响；

R14版本更新了接触力阈值的计算方法。对于某个气囊，比如第i个，仅计算该气囊上节点受到的接触力之和，然后除该气囊上的节点数，乘以系数得到阈值。这样对于每个气囊来说都会单独计算其阈值。

整车模型中可能有多个气囊，在新版本中不会因为增加接触关系导致气囊的泄气特性发生变化，从而得到与零部件模型更加一致和稳定的结果。

   泄气孔阻塞-IBLOCK=21
 

对于泄气孔的阻塞特性，增加了一个新的选项。同样的，阻塞的判断是基于泄气孔上的节点接触力来判断的。求解器在计算的时候，会把气囊划分为三角形的segment组成的区域。比如泄气孔上一个三角形的segment 由C1,C2,C3三个点组成。此前算法是，C1,C2,C3中，只要某个点的节点接触力超过了阈值，这个面段的1/3就被认为是阻塞的。而新版本中增加了选项（BLOCK=21），会基于节点力计算面段上的平均接触压力，如果接触压力小于气囊在此处的压力，就不会发生阻塞，将持续发生泄气。

   泄气孔阻塞评估-BLOCKV
 

关于外部泄气孔的泄气特性，在*CONTROL_CPM关键字中增加了一个选项BLOCKV。开启该选项后，在计算阻塞时，不会计算*AIRBAG_SINGLE_SURFACE带来的节点接触力。如图中右上角展示的模型中有两个接触，一个*AIRBAG_SINGLE_SURFACE，计算气囊自身的接触；一个surface to surface接触，计算气囊和外部的接触。如前文所述，在判断泄气孔是否被阻塞时，通常是通过节点接触力来评价的，但气囊自身的内部接触，不会对外部泄气孔产生影响。所以在计算外部泄气孔的泄气时，应该排除气囊自身接触的影响。新的BLOCKV选项已能够实现该目标。

图中展示的折线为气囊的泄气曲线，使用默认选项时，为最底下的曲线D，该情况下泄气被阻塞最多。而使用新的选项，为中间的曲线，会有更多的泄气发生。而如果将所有的接触设置在一个*AIRBAG_SINGLE_SURFACE中，再配合新的BLOCKV选项，不会计算其节点接触力，泄气孔不会被阻塞，泄气量也是最多的。

通过以上对于织物和泄气孔阻塞算法的改进，LS-DYNA给能够更加合理的计算外部泄气孔的泄气特性。

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