LS-DYNA R14.0部分新功能更新

本文将主要介绍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，较以往工具有了很大地提升。

本文将主要介绍SPH、ISPH以及Multiscale多尺度方面的更新。

SPH功能更新

• ISPH新的工作流程

a) 基于Spaceclaim几何数据创建LS-DYNA ISPH输入文件

b) 基于OBJ几何文件进行后处理中的可视化

c) 使用Ensight渲染SPH自由表面流的模拟结果

• 下游结构分析

a) 能够将选定部件上流固耦合力的时程数据记录在LSDA interface文件中

b) 在后续分析中，将耦合力插值映射到结构可变形网格上，进行隐式结构分析

• 体积约束粒子

a) 在某些场景下（如齿轮箱分析），流体粒子可能会在结构的狭小缝隙中“卡住”

b) 目前的方法是直接在计算中移除这些粒子

c) 引入了创新性的位移映射算法处理这些粒子的运动

• 传热系数计算

a) 使用Dittus-Boelter修正方法计算HTC

b) 可将基于时间平均的HTC的空间分布云图作为点云数据导入

c) 结果文件可以导入Mechanical或Fluent中进行热分析

• SPH碎片化生成

a) 增加了新的SPH碎片化算法，通过MPP Redecomposition功能，当粒子激活时才会将粒子添加到输入文件中

提供完整的工作流程，可直接基于CAD数据进行ISPH车辆涉水分析，无需完整的车辆有限元网格：

• 从spaceclaim数据生成LS-DYNA ISPH输入文件(surfgen工具)
• 导入OBJ几何模型以在d3plot结果中可视化

与以往必须从有限元网格开始仿真，而可能生成车身非常不均匀的表面粒子相比，新的工作流程可以利用surfgen工具直接从CAD表面生成车身部件覆盖均匀粒子，并输出用于LS-DYNA分析的模型文件。

利用surfgen基于CAD表面直接生成所有表面粒子并建立ISPH模型。在涉水分析中，所有部件都为刚体，记录粒子与刚体之间的接触力的时程数据，映射到后续的结构有限元分析中，得到结构在涉水工况中的受力变形。

除了车辆涉水仿真之外，ISPH的功能同样被应用在齿轮箱润滑的模拟中。齿轮润滑仿真中我们会遇到一些问题。比如上图中，一些流体的粒子正在向齿轮啮合的地方运动，流体被挤入轮齿之间的间隙中，而最终两个齿轮之间的间隙会消除。这个过程中，某些粒子会被“卡住”，从而累积巨大的压力。流体粒子与周边结构的耦合压力过大时，我们认为这些粒子是“卡住”的状态，这个继续计算可能会导致数值错误。

之前的方法时直接在计算中移除这些粒子。R14版本中可以设置将这些被卡住的粒子标记为volume-constrained体积受限的状态，退出SPH计算，但我们还是会通过其边界的位移插值得到粒子的位移，直到粒子与边界之间的距离足够远时，恢复成正常的SPH粒子状态。利用这项技术能够求解狭小空间SPH问题，目前已申请专利。

• 计算结构件的热传导系数（HTC）需要计算壁面的热流结果，这就需要非常精细的边界层离散，而这一点在ISPH分析中是不现实的。
• 因此，ISPH方法中，可使用基于努塞尔数（Nusselt number）和普朗特数（Prandtl Number）的经验模型计算结构的热传导系数。计算的结果还可以导入到Ansys Mechanical或Fluent软件中进行热分析
• 可以通过*DEFINE_FUNCTION自定义热传导系数的模型

SPH碎片化生成，适用于使用面积极大的水池或需要大量粒子但系统内存不够的情况。R14版本中，我们利用MPP模型重新分区技术去处理这种问题。每次重新分区都是一个完全重启动计算的过程，会生成新的计算输入文件。我们利用碎片化生成地技术，每次模型重新分区的时候，在创建的输入文件中，仅包含需要激活的SPH粒子，而如果随着汽车移动，在车后流体粒子对我们的计算没有意义，会在输入文件中将其移除。该技术特别适合仿真极大规模的水域，并且不需要耗费过多内存，经反复试验该机制可对高达5亿粒子数量的大型模型进行求解。

Multiscale多尺度

• 基于机器学习的复合材料多尺度分析

   a) 数据驱动的多尺度材料模型

   b) 主要关键字*MAT_DMN_COMPOSITE_FRC

   c) 独特的特点：多尺度、各向异性、非线性

• 多尺度材料建模RVE分析

   a) RVE分析中的图像RVE，*RVE_ANALYSIS_FEM

   b) RVE分析中的部分周期边界条件

• 装配分析中的双重尺度联合仿真

   a) *INCLUDE_MULTISCALE关键字中新的耦合接口可自动生成实体模型

   b) 使用标准提交命令行进行双重尺度模型计算

   c) 界面耦合增强

   d) 提高数值稳定性

• SPG

   a) 热-结构耦合分析支持MPP并行

   b) 基于粘结的损伤模型(IDAM= 11,13)

   c) 粒子间阻尼

• ISPG

   a) MPP大规模回流焊模拟(大于1000个焊球)。

   b) ISPG节点均匀分布的粒子移位技术

   c) 平滑的流固耦合技术

• 近场动力学

   a) 支持设置初始应变和位移场

   b) 3D r-adaptivity

   c) 单向网格重划分

LS-DYNA R14.0版本首次发布基于机器学习的复合材料多尺度分析，包含短纤维增强复合材料多尺度分析的数据驱动材料模型

• 多尺度：基于多样的微观结构的预测复合材料的宏观力学特性
• 各项异性：考虑增强纤维方向、体积占比和雅可比的影响
• 非线性：模拟拉压不对称的弹塑性材料熟悉感

短纤维增强复合材料通常由注塑成型技术来加工制造。材料在各个方向的微结构分布是非均匀的，每个位置纤维的方向、纤维的体积百分比都不一样，这也导致了宏观力学性能上材料的力学性能十分复杂，是非线性、各向异性、且各点都不一样，非均匀的分布。针对复杂的复合材料表现，很难从传统的宏观尺度上进行简单的描述。

LS-DYNA中可以使用真实的材料微结构建立三维或二维的有限元模型，即代表体积单元RVE模型，使用RVE模型计算宏观的材料变形。

如果使用RVE模型进行多尺度分析，有限元计算过程中，每个时间步上宏观的单元，会产生宏观的应变增量，将该应变增量作为输入变量施加到RVE模型上，随后进行RVE有限元计算，得到宏观的均匀化应力，返还给宏观有限元模型。下一个时间步继续进行数据的传递，在两个尺度上可以进行同步的多尺度耦合计算。这个多尺度计算方法，可以实现非常精确的针对复合材料结构的模拟，完全避免了使用任何宏观意义上的材料本构模型，取而代之使用十分精确的RVE有限元模型。但缺点是，计算量非常大。

假设某个复合材料在宏观上需要2000多个壳单元，每个有限元则需要4个积分点，每个积分点需要对应一个独立的RVE模型，该RVE模型在三维的有限元模型中可能需要非常多的实体单元，例如36万个有限元单元，耦合之后每个积分点都要对应一个RVE单元，计算总共的自由度接近34亿，即使用16个处理器并行计算粗略估算下来也要花费约36天，计算量太大，不适合应用于工业界的大型工程结构上。

DMN模型，通过RVE有限元计算来生成大量的数据进行训练。本质上，训练过程就是使用神经网络算法构建参数模型，建立材料微结构内部、各部分组成成分以及各组分的材料力学性质与RVE宏观力学性能的关系。对LS-DYNA用户来说，训练过程已由研发人员在研发阶段完成，我们在求解器中内置训练好的模型参数，用户可在LS-DYNA中直接使用。

图中右下案例将DMN预测和基于有限元的RVE模型预测对比，可以看到，两者预测的应力应变数值吻合非常好。从计算时间来看，有限元模型使用8个CPU并行计算需1100秒，而DMN模型使用1个CPU 仅需3秒即得出结果。

注塑短纤维增强复合材料的无缝仿真工作流程

• Modex3D – 注塑成型仿真，得到部件的微观结构分布
• LS-PrePost – 将微观结构的数据映射到LS-DYNA模型中（Solid to Solid, Solid to shell）
• LS-DYNA – 基于DMN材料模型进行结构的变形分析
• 经过与Honda，Moldex3D和JSOL合作实验验证

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