LS-DYNA：动力学仿真的强大引擎与简介

1976年由美国劳伦斯•利沃莫尔国家实验室的J.O.Hallquist博士主持开发的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（140多种材料动态模型）和接触非线性（50多种）程序。它以拉格朗日算法为主，兼有 Ale和Euler算法；以显式为主、兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能。其独特的算法非常适用于求解碰撞、爆炸、金属成形等高速高度非线性问题，是显式有限元理论和程序的鼻祖，被公认为汽车安全性设计、武器系统设计、金属成形、鸟撞及叶片包容性设计、跌落仿真等领域的标准分析软件。

1988年J.O.Hallquist创建LSTC公司，推出LS-DYNA 程序系列，并于1997年将LS-DYNA2D、LS-DYNA3D、LS-TOPAZ2D、LS-TOPAZ3D等程序合成一个软件包，称为LS- DYNA。PC版的前后处理采用ETA公司的FEMB，新开发的后处理为LS-POST。LS-DYNA的最新版本是2001年5月推出的960版。

LS-DYNA功能特点

1.分析能力

非线性动力学分析、多刚体动力学分析、准静态分析（钣金成型等）、热分析、结构-热耦合分析、流体分析、流体-结构相互作用、不可压缩流体CFD分析、有限元-多刚体动力学耦合分析（MADYMO，CAL3D）、水下冲击、失效分析、裂纹扩展分析、实时声场分析、设计优化、隐式回弹、多物理场耦合分析、自适应网格重划、并行处理（SMP和MPP）

2.材料模式库(140多种)

金属、塑料、玻璃、泡沫、编制品、橡胶（人造橡胶）、蜂窝材料、复合材料、混凝土和土壤、炸药、推进剂、粘性流体、用户自定义材料　

3.单元库

体单元、薄/厚壳单元、梁单元、焊接单元、离散单元、束和索单元、安全带单元、节点质量单元、SPH单元

4.接触方式(50多种) 　

柔体对柔体接触、柔体对刚体接触、刚体对刚体接触、边-边接触、侵蚀接触、充气模型、约束面、刚墙面、拉延筋

5.汽车行业的专门功能

安全带、滑环、预紧器、牵引器、传感器、加速计、气囊、混合III型假人模型

6.初始条件、载荷和约束功能

初始速度、初应力、初应变、初始动量（模拟脉冲载荷）；高能炸药起爆；

节点载荷、压力载荷、体力载荷、热载荷、重力载荷；

循环约束、对称约束（带失效）、无反射边界；

给定节点运动（速度、加速度或位移）、节点约束；

铆接、焊接（点焊、对焊、角焊）；

二个刚性体之间的连接－球形连接、旋转连接、柱形连接、平面连接、万向连接、平移连接；

位移/转动之间的线性约束、壳单元边与固体单元之间的固连；

带失效的节点固连；

7.自适应网格剖分功能

自动剖分网格技术通常用于薄板冲压变形模拟、薄壁结构受压屈曲、三维锻压问题等大变形情况，使弯曲变形严重的区域皱纹更加清晰准确。对于三维锻压问题，LS-DYNA主要有两种方法：自适应网格剖分和任意拉格朗日-欧拉网格（ALE）网格进行Rezoning），三维自适应网格剖分采用的是四面体单元。

8. ALE和Euler列式

ALE列式和Euler列式可以克服单元严重畸变引起的数值计算困难，并实现流体-固体耦合的动态分析。

在LS-DYNA程序中ALE和Euler列式有以下功能：

· 多物质的Euler单元，可达20种材料；

· 若干种Smoothing算法选项；

· 一阶和二阶精度的输运算法；

· 空白材料；

· Euler边界条件：滑动或附着条件；

· 声学压力算法；

· 与Lagrange列式的薄壳单元、实体单元和梁单元的自动耦合。

9.SPH算法

SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）光顺质点流体动力算法是一种无网格Lagrange算法，最早用于模拟天体物理问题，后来发现解决其它物理问题也是非常有用的工具，如连续体结构的解体、碎裂、固体的层裂、脆性断裂等。

SPH算法可以解决许多常用算法解决不了的问题，是一种非常简单方便的解决动力学问题的研究方法。由于它是无网格的，它可以用于研究很大的不规则结构。SPH算法适用于超高速碰撞、靶板贯穿等过程的计算模拟。

10.边界元法

LS-DYNA程序采用边界元法BEM（Boundary Element Method）求解流体绕刚体或变形体的稳态或瞬态流动，该算法限于非粘性和不可压缩的附着流动。

11.隐式求解

用于非线性结构静动力分析，包括结构固有频率和振型计算。LS-DYNA中可以交替使用隐式求解和显式求解，进行薄板冲压成型的回弹计算、结构动力分析之前施加预应力等。

12.热分析

LS-DYNA程序有二维和三维热分析模块，可以独立运算，也可以与结构分析耦合，可进行稳态热分析，也可进行瞬态热分析，用于非线性热传导、静电场分析和渗流计算。

热传导单元：8节点六面体单元（3D），4节点四边形单元（2D）；材料类型：各向同性、正交异性热传导材料，可以与温度相关，以及各向同性热传导材料的相变；

边界条件：给定热流flux边界，对流convection边界，辐射radiation边界，以及给定温度边界，它们可随时间变化；

给定初始温度，可计算二个物体接触界面的热传导和热辐射，给定材料内部热生成（给定热源）；

热分析采用隐式求解方法，过程控制有：
· 稳态分析还是瞬态分析；
· 线性问题还是非线性问题；
· 时间积分法：Crank-Nicholson法（a=0.5）和向后差分法（ a=1）；
· 求解器：直接法或迭代法；
· 自动时步长控制。

13.不可压缩流场分析

LS-DYNA不可压缩流求解器是960版新增加的功能，用于模拟分析瞬态、不可压、粘性流体动力学现象。求解器中采用了超级计算机的算法结构，在确保有限元算法优点的同时计算性能得到大幅度提高，从而在广泛的流体力学领域具有很强的适用性。

14.多功能控制选项

多种控制选项和用户子程序使得用户在定义和分析问题时有很大的灵活性。

· 输入文件可分成多个子文件；

· 用户自定义子程序；

· 二维问题可以人工控制交互式或自动重分网格（REZONE）；

· 重启动；

· 数据库输出控制；

· 交互式实时图形显示；

· 开关控制-可监视计算过程的状态；

· 对32位计算机可进行双精度分析。

15.前后处理功能

LS-DYNA利用ANSYS、LS-INGRID、ETA/FEMB及LS-POST强大的前后处理模块，具有多种自动网格划分选择，并可与大多数的CAD/CAE软件集成并有接口。

后处理：结果的彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、等值面、粒子流迹显示、立体切片、透明及半透明显示；

变形显示及各种动画显示；

图形的PS、TIFF及HPGL格式输出与转换等。　

16.支持的硬件平台

LS-DYNA 960版的SMP版本和MPP版本是同时发行的。MPP版本使一项任务可同时在多台分布计算机上进行计算，从而最大限度地利用已有计算设备，大幅度减少计算时间。计算效率随计算机数目增多而显著提高。 LS-DYNA 960版的SMP版本和MPP版本可以在PC机（NT、LINUX环境）、UNIX工作站、超级计算机上运行。

LS-DYNA应用领域

1.汽车工业
碰撞分析；气囊设计；乘客被动安全；部件加工

2.航空航天

鸟撞；叶片包容；飞机结构冲击动力分析；碰撞，坠毁；冲击爆炸及动态载荷；火箭级间分离模拟分析；宇宙垃圾碰撞；特种复合材料设计

3.制造业

冲压；锻造；铸造；切割等

4.建筑业

地震安全；混凝土结构；爆破拆除；公路桥梁设计　

5.国防

内弹道和终点弹道；装甲和反装甲系统；穿甲弹与破甲弹设计；战斗部结构设计；冲击波传播；侵彻与开坑；空气，水与土壤中爆炸；核废料容器设计等

6.电子领域
跌落分析；包装设计；热分析；电子封装

7.石油工业