LS-DYNA概览及其在汽车零部件仿真中的应用

一 ANSYS LS-DYNA——显式有限元技术的鼻祖和领导者
LS-DYNA简介及在汽车零部件行业中的应用的图1

△ Dr. John O. Hallquist

Dr. John O. Hallquist是有限元计算业界最受人尊敬的专家之一。

1974年，Dr. John O. Hallquist进入Lawrence Livermore 国家实验室，承担DYNA的研发工作，开创了显式有限元方法。

1988年，Dr. John O. Hallquist创立了Livermore SoftwareTechnology Corporation(LSTC公司)，并推出了DYNA的商业化版本LS-DYNA®。基于Dr. John O. Hallquist对以DYNA和之后的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。

2019年9月，ANSYS宣布进入收购LSTC公司（Livermore Software TechnologyCorporation）的最终协议阶段。收购以后，仿真用户可以看到产品功能的大幅扩展，毋庸置疑，工程师们将获益匪浅，主要集中在线性与非线性仿真技术的整合。

一个用于多物理模拟的代码

LS-DYNA简介及在汽车零部件行业中的应用的图2

LS-DYNA以显式算法为核心，加入了隐式、频域、流体、电磁、粒子法等求解功能，成为了一套代码解决多种不同物理领域分析问题的产品，在多个领域有着丰富的应用场景。

应用领域

汽车
航空航天
国防
制造业
消费品
土木工程
电子产品
生物科学

Explicit

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△ 碰撞仿真分析

ANSYSLS-DYNA是汽车碰撞安全的黄金标准解决方案，适用于碰撞、冲击、跌落、爆炸类等瞬态、大变形、高度非线性应用。

Implicit

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△ 悬垂分析

ANSYSLS-DYNA支持大部分显式算法的材料、约束、载荷及接触，支持多种分析类型：线性分析、模态分析、非线性分析、显式-隐式结合分析。

Frequency Domain Analysis

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△ A cluster server under PSD acceleration

频率响应
谐响应分析
随机振动
谱分析
噪声
疲劳分析

ICFDfor Incompressible Fluid

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△ 风阻系数分析

隐式的不可压缩流体求解器
自动的体网格及边界层网格生成
RANS/LES湍流模型
多孔介质模拟
与结构、电磁以及热求解器耦合

ALE/S-ALE

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△ 侵彻分析

适用于材料大变形的仿真分析
常用的流固耦合模拟方法
S-ALE（结构化ALE） - 自动生成结构化网格，更加简洁的算法 - 更短的计算时间和更好的鲁棒性 - 更少的内存占用 - 更好的并行计算加速性能

CESE

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可压缩流体求解器（Based onconservation element/solution element）
与LS-DYNA其它求解器耦合

Particles

Particles
PARTICLE_BLAST - 模拟爆炸中炸药和空气的粒子运动

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Particle

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△ 搅拌摩擦焊模拟

DEM (离散元) - 适用于模拟离散颗粒组合体的变形及破坏过程 - 应用范围包括岩土、脆性材料加工、粉体压实、散体颗粒运输等
SPH(光滑粒子流体动力学) - 一种拉格朗日的无网格法 - 由于质点之间不存在网格关系，因此它可避免极度大变形时网格扭曲而造成的精度 - 破坏等问题，也能较为方便的处理不同介质的交界面 - 适合于求解高速碰撞等动态大变形问题以及流固耦合问题
EM
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
与LS-DYNA其它求解器耦合
Advanced CAE

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△ 玻璃开裂模拟

Peri-dynamics（近场动力学）
- 适用于脆性材料的3D模拟
SPG（伽辽金光滑粒子）
- 适用于韧性材料的3D模拟
工具软件
LS-PrePost - 专为LS-DYNA开发的前后处理软件 - 支持所有的LS-DYNA关键字设置和结果文件处理 - 优秀的几何处理工具（几何清理、修复、网格划分），支持多种CAD文件格式
LS-OPT - 支持多学科、多目标的优化工具 - 尺寸、材料等参数优化 - 可靠性分析、鲁棒性分析、敏感度分析 - 材料参数识别
LS-TASC - 支持非线性动态问题的形貌及拓扑优化工具 - 支持壳单元和实体单元优化
模型

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△ Calibrated Human Dummy & BarriersModels

校准人体假人和障碍物模型
轮胎模型的验证矩阵
世界SID第50位的验证矩阵
加速性能

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△ 计算效率大幅提高

LS-DYNA拥有优秀的并行加速性能

- 分布式并行计算

- 模型自动分块

- 自动平衡负载

- 计算效率大幅提高

二汽车零部件行业典型应用

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安全气囊

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△ Courtesy of Jaguar

不同折叠方式的影响
泄气孔大小、形状和位置的影响
气囊展开时对周围零件的冲击
非正常坐姿下（Out of Position）的气囊模拟
LS-DYNA提供多种安全气囊模拟方法 - Control Volume（CV法） • *AIRBAG • 求解热力学平衡方程 • 假定压力均匀分布 • 压力施加在气囊织物单元的法向上 - CV法优势 • 计算成本低，稳定性好 • 气囊参数定义简单 - CV法劣势 • 气囊展开的过程不准确 - Arbitrary Lagrangian Eulerian（ALE法） • *AIRBAG_ALE • 气体使用ALE单元 • 气囊织物周边结构Lagrangian单元 • FSI - ALE法优势 • 真实的流固耦合模拟 • 准确的模拟气囊展开过程 - Corpuscular Particle Method（CPM法） • *AIRBA_PARTICE • 基于分子动理论（Kinect molecular） • 使用相对较少的粒子模拟大量的分子 • 通过粒子与织物相碰撞计算压力 - CPM法优势 • 相对准确的模拟气囊展开过程 • 计算速度相对快、稳定性好 • 可以简便的从*AIRBAG_HYBRID模型转换 - CPM法劣势 • 不能精确的模拟实际的流场 - CPM性能优化 • 计算过程中对粒子自动重新分区 • 更效率的周边搜索算法 • 处理器之间的数据交互性能提升 • 最新版本相对于R7版本处理粒子与粒子，粒子与织物之间的计算，有了约3倍的速度提升 • 总体约30%的速度提升 • 对比三个基准气囊模型 • 15%~65%的计算速度提升 - 气囊折叠 - 侧气帘折叠 - 参数标定
安全带
Belt fitting in LS-PrePost
安全带滑台试验仿真
座椅
行李箱撞击
安全带固定点强度分析
ISOFIX强度分析
鞭打
HPM 模拟
儿童提篮&座椅
转向系统
模态分析
刚性弯曲力加载
刚性扭转力加载
胸碰
头碰
轮胎
基于ALE的轮胎滑水特性仿真

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电池

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基于不同仿真尺度的电池模型 - Solid elements：内部/外部短路，电池单元 • 电池单元分层结构分别使用Solid单元建模 • 力学、热和电磁求解器使用相同的网格单元 - Composite Tshells：内部/外部短路，电池单元/模组 • 力学求解使用Composite Tshell网格单元 • 电磁和热求解使用隐含的Solid网格单元 • 相对更快的求解速度（更少的单元数量，更大的时间步长） - Macro model：内部/外部短路，电池包/模组 • 厚度方向上使用一个或是几个单元 • 在节点处储存电势信息 - Meshless model：外部短路，电池包/模组 • 整个电池为一个等效电路模型
分布式等效电路模型以上电池模型的均基于Randles等效电路模型 - 求解速度相对较快 - 可模拟电池单元的电、热效应 - 模型参数获取简单 - 可模拟外部短路和内部短路
多时间尺度的处理方法 - 冲击过程的模拟使用正常冲击模拟的时间步长（如ms） - 短路后的电热模拟可使用较长的时间步长（s）
与ICFD求解器相耦合 - 电池热管理仿真Batmac+thermal+ICFD - 水中外部短路Meshless+ICFD
锂离子电池电化学模型 - 新增*BATTERY系列关键字，可用于建立电池单元详细的一维电化学模型 - 可以与力学和热求解器相耦合，更加真实的模拟锂离子电池在受到外部热载荷或者撞击力时的热失控现象 - 仅支持双精度求解
内饰
GB 11552-2009 - 乘用车内饰突出物
ECE R21 - Uniformprovisions concerning the approval of vehicles with regard to their interiorfittings
FMVSS 201 - Occupantprotection in interior impact
FMVSS 201u - Occupantprotection in interior impact - Upper Interior Head Impact Protection
FMH头型标定
上部内饰FMH头型碰撞
头型撞击仪表板内饰

玻璃

玻璃开裂.jpg