LS-DYNA在汽车零部件行业的创新应用

LS-DYNA是著名的通用显式有限元分析软件，凭借其优秀的精度、稳定性和计算效率，LS-DYNA在碰撞、冲击等非线性问题领域（如汽车碰撞）一直是行业标准解决方案。而在One Code Strategy的战略下，LS-DYNA在其传统的显式动力学算法基础上，不断加入并完善隐式、频域、流体、电磁、热、粒子法等功能和算法，使得LS-DYNA成为能够在一套代码下解决多物理场、多尺度复杂工程问题的工具，在不同行业领域都有着广泛的应用。

LS-DYNA介绍

随着全球工业的飞速发展，在高度竞争的市场中，产品的开发设计要求越来越精细，产品的成本和开发周期要求也越来越高，而仿真作为能够帮助企业显著降低成本，缩短开发周期的技术手段，在产品开发流程中的重要性日益提高。Ansys作为业界领先的工程设计和仿真软件公司，能够针对不同的产品提供全生命周期的多学科解决方案。产品家族非常庞大，包括3D设计、结构、流体、电子、半导体、软件、光学等仿真解决方案。在维度方面，Ansys不仅针对单一的产品或学科，还能够提供系统级别的解决方案。

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。

LS-DYNA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。结构的显式求解要求有较小的计算时间步长来确保稳定性，更多适用于速度较快、时间尺度较短、非线性较强的应用，例如冲击、爆炸、碰撞类等问题。LS-DYNA隐式计算则适用于进行速度较慢、时间尺度较长的问题，如静强度分析。除时域分析之外，LS-DYNA同时提供频域求解分析功能，可分析振动、长时间的疲劳分析等。

此外，LS-DYNA针对流体提供丰富的功能，包括热力学求解器，不可压缩流体ICFD求解器、可压缩流体CESE求解器（基于守恒元/解元）、任意拉格朗日/欧拉算法的ALE求解器、 Particle粒子法包括SPH光滑粒子法、模拟离散与离散颗粒的DEM算法、基于分子动理论的CPM方法（多应用于气囊模拟）、模拟爆炸的Blast方法、EM电磁求解器、近场动力学方法（无网格法）、SPG方法（无网格法）等。由于这些方法都是基于LS-DYNA一套软件之下，可以无缝将各类求解器耦合，无需额外的数据交互等操作，实现一套代码解决多物理场问题。

基于强大而全面的分析能力，LS-DYNA在不同领域都有着成熟的应用。最具代表的应用场景有：

• 汽车行业：碰撞安全分析、气囊、乘员安全分析等；
• 航空领域：鸟撞、坠撞等；
• 制造加工行业：成形、锻造、铸造分析等；
• 消费品行业：舒适度、渗漏、以及组装分析等；
• 土木工程行业：地震安全、混凝土结构、土壤结构分析等；
• 电子行业：跌落、包装设计、热分析等；
• 防护行业：爆炸响应、侵彻分析等；
• 生物科学行业：撞击伤、心脏生物力学、牙科系统分析等

LS-DYNA不仅仅是汽车碰撞安全的黄金标准解决方案，其显式算法同样适用于其他工况下的碰撞、冲击、跌落、爆炸等瞬态、大变形、高度非线性的问题分析。

此外，LS-DYNA中的隐式算法支持大部分显式算法的材料、约束、载荷以及接触，即当用户切换隐式算法分析时，无需过多设置（修改材料本构，或修改接触的算法等）。LS-DYNA隐式分析包含多种分析类型，如线性分析、模态分析、非线性分析，以及显式-隐式结合分析。LS-DYNA可无缝衔接不同求解器计算，例如首先使用LS-DYNA隐式计算方法进行螺栓的预紧力分析，随后转换为显式算法计算整体零部件的跌落。

LS-DYNA隐式算法典型应用包括但不限于，假人姿态模拟，橡胶密封模拟，顶盖抗凹的强度以及刚度分析，车门的垂悬分析，以及车身顶压分析等。更多介绍欢迎参考文章：LS-DYNA隐式分析应用

LS-DYNA频域分析功能，可支持频率响应、谐响应、随机振动、谱分析、噪声以及疲劳分析等。

LS-DYNA流体分析包括针对不可压流体（马赫数较低）的ICFD求解器，其特点是采用隐式算法，支持自动的体网格以及边界层网格（主要是四面体网格）的生成。内置常用的RANS/LES湍流模型，也可进行多孔介质模拟，如降落伞展开过程，同时模拟周围流场（隐式计算）以及伞面展开（显式计算）的流固耦合分析过程。

ICFD求解器也适用于汽车外流场风阻系数分析，对于新能源车，风阻系数的关键性是不言而喻，目前新能源汽车的最大痛点在于续航里程问题，而风阻系数越低，高速情况下电池的耗电量也越低，从而能够增加续航里程。

ICFD同样适用于自由液面晃动分析（如油箱晃动），且能够与结构-电磁-热求解器耦合。

ALE/S-ALE方法是LS-DYNA最受欢迎的功能求解器之一。纯拉格朗日算法下材料发生大变形时，网格可能会变得畸形，导致计算结果不准确，甚至出现计算终止的情况。而在欧拉算法下，网格是固定的，物质在网格之间流动，可避免网格出现畸形的情况，其缺点是需要一个很大的域来模拟整个物体运动空间，导致计算量较大。而ALE算法（任意拉格朗日欧拉算法）结合了两种算法的优势，物质在不会变形的网格中任意流动，且网格随着物质的运动而仅仅计算所需要的域面积，极大地提高了计算效率。

因此ALE算法适合材料大变形的仿真分析，包括模拟流体的大变形，如右下案例所展示的水上迫降分析。

近几年LS-DYNA将ALE方法进行了扩充，推出了S-ALE方法（结构化ALE），其特点是S-ALE网格是自动生成的结构化网格，而非拉格朗日网格或欧拉网格，这种结构化网格的算法（输入文件）更简洁，从而带来更短的计算时间，更好的鲁棒性，更少的内存占用，以及更好的并行加速计算性能。

针对速度较快的流体模拟，LS-DYNA提供可压缩流体CESE守恒元/解元算法，该算法适合求解超音速射流分析，以及速度较快的旋转机械的流固耦合分析等应用场景。CESE求解器同样可以与LS-DYNA其他求解器耦合，如化学、热、结构、随机粒子等。

LS-DYNA粒子分析方法，CPM方法模拟气囊中的气体运动，其关键字为*AIRBAG_PARTICLE，是基于分子动理论的方法（并非模拟每一个粒子的运动，而是基于统计的方法）。

基于CPM方法推出的 PARTICLE_BLAST方法（PBM方法），在高速运动的气体分析下计算结果更准确，可模拟速度更快，如爆炸中炸药和空气的粒子运动等问题。

此外，LS-DYNA中的DEM离散元方法，则适用于模拟离散颗粒组合体的变形和破坏过程。应用场景包括岩土、脆性材料加工、粉体压实、散体颗粒运输等工况。

LS-DYNA中的SPH光滑粒子流体动力学方法，是拉格朗日的无网格法，用粒子表示连续的物质，然后通过搜索粒子周边的范围来表达粒子间的关系。但由于粒子之间不存在网格关系，可以避免极度大变形时网格扭曲造成的精度破坏等问题，也能较为方便的处理不同介质的交界面。适用于求解高速碰撞等动态大变形问题以及流固耦合问题。如搅拌摩擦焊的模拟，车辆涉水模拟等。自R12.0开始LS-DYNA加入隐式不可压缩SPH方法（ISPH），从而使用较大的时间步长，缩短计算时间。

车辆涉水能力是指车辆在水中行驶时功能部件的完整性。深水行驶条件会给汽车带来许多潜在的问题。它对车辆的外部部件施加额外的力，这是在正常驾驶过程中不存在的。它可能会阻碍发动机所需的持续空气供应，甚至可能会导致发动机进水。它使传感器的可见度变的模糊，并使挡风玻璃上充满水渍或者泥渍，从而影响驾驶员的可见度。ISPH已被证明是一种可靠的仿真方法，能够预测水溅形态、水夹带、车辆湿度以及部件受力。

LS-DYNA电磁求解器，结合FEM方法（固体导体）和BEM方法（空气或绝缘体）求解Maxwell方程组，其同样可与LS-DYNA其他的求解器相耦合，常用于模拟电磁成型过程，ICFD-热-电磁耦合模拟电加热过程，EP（生物电学）-结构-ICFD耦合模拟心脏相关问题，左侧为健康心脏的电化学模型，右侧为患有心脏问题的心脏模型。

作为LS-DYNA中先进的方法之一，Peri-dynamics近场动力学方法是一种无网格法，通过计算其网格之间的连接键是否被破坏来分析，适用于脆性材料的3D模拟，目前仅支持solid固体单元。左下案例展示了近场动力学方法模拟玻璃开裂的过程。

SPG伽辽金光滑粒子方法则更适用于韧性材料的3D模拟。如图中案例展示的钻孔分析，若使用传统的有限元方法，样件在钻孔过程中可能会出现失效（单元删除）的情况，导致整体应力迅速下降，而出现实验结果和仿真结果吻合度不高的情况。而SPG方法不会删除网格，韧性材料会保留在物体之中对钻头起到支撑作用，图表可以看到实验结果与仿真结果吻合较好。

LS-DYNA相关配套软件，前后处理软件LS-PrePost，参数优化软件LS-OPT，拓扑和形状优化软件LS-TaSC。LS-PrePost支持所有LS-DYNA关键字设置以及结果文件处理，是一款优秀的几何处理工具，拥有几何清理、修复和网格划分功能，支持多种CAD文件格式。LS-OPT支持多学科、多目标的参数优化，可进行尺寸、材料等参数优化，可靠性分析，鲁棒性分析，敏感度分析，以及常用的材料参数识别。LS-OPT基于流程化的界面，与LS-DYNA之间的数据交互自然流畅，无需特别的设置即可提取LS-DYNA仿真结果，或识别前处理中的参数。LS-TaSC则是专门用来进行形貌及拓扑优化的优化工具，支持非线性动态问题，同时支持壳单元和实体单元的优化。

除各种分析工具之外，LS-DYNA同时提供丰富的有限元模型，如壁障模型，假人模型，轮胎模型等，这些模型均已经过实验对标，满足法规要求。

LS-DYNA拥有优秀的并行加速能力，可以将模型自动分配给不同的CPU进行分布式并行计算。其出色的自动平衡负载算法，以右图中AMD服务器测试案例，使用64核加速比接近1（理想值），使用256核时仍可保持近72%的加速比，计算效率大幅提高，在业内处于领先水平。

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