LS-DYNA：动力学仿真的强大工具

LS-DYNA 是世界上著名的通用显式动力分析程序。它以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-结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能（如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成形后的回弹计算）；特别适合求解各种结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等高度非线性瞬态动力学问题。在工程界得到广泛应用并被认为是最佳的显式分析软件包，与实验结果的无数次对比证实了其计算的可靠性和准确性。

LS-DYNA的前身是由John O. Hallquist博士在美国劳伦斯.利渥摩尔国家实验室主持开发的DYNA3D、DYNA2D程序系列，当时开发的主要目的是为武器设计提供分析工具。 1988年底，John O. Hallquist博士创建了LSTC公司，大大加快了软件开发的步伐，并将LS-DYNA的应用由国防军工推广到民用产品。1997年LSTC公司将 LS-DYNA2D、LS-DYNA3D、LS-TOPAZ2D、LS-TOPAZ3D等程序合成一个软件包，称为LS-DYNA，版本940。

以后的数年中分别推出了950、960、970版，增加了汽车安全性分析、板成形过程模拟、ALE和Euler算法、不可压缩流体、新的材料模型、新的接触功能、隐式算法、双精度计算、新单元形式等功能。2003年LSTC与MSC.software公司签署合作协议，将LS-DYAN程序集成入 MSC.DYTRAN和MSC.NASTRAN程序，大大增强了LS-DYNA的分析能力。

目前，LS-DYNA程序系列被公认为是显式有限元程序的鼻祖和理论先导，是目前所有显式求解程序（包括显式板成形程序）的基础代码。

主要应用领域：

• 汽车工业

碰撞分析、乘员约束系统及气囊设计、乘客被动安全、部件加工 、轮胎在积水路面排水性和动平衡分析

• 国防与军工

内弹道及终点弹道效应、侵彻与开坑、装甲和反装甲系统、穿甲弹与破甲弹设计、战斗部结构设计及起爆参数/杀伤元素优化、冲击波传播、空气/水/土壤与容器中爆炸、爆炸成形、爆炸分离、爆炸容器的设计优化分析、激光束/定向能等多种动态载荷加载模拟分析、爆炸对建筑物等设施结构的破坏分析、核废料容器设计等

• 电子工业

跌落冲击分析、包装设计、热分析、电子封装、电子产品抗冲击性设计

• 航空航天

鸟撞、叶片包容性设计、异物损伤分析、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、制造工艺仿真及优化

• 成型工艺仿真

冲压、锻造、铸造、切割、点焊、铆接、螺纹连接结构的分析等

• 建筑业

地震安全、混凝土结构、爆破拆除、公路桥梁设计

• 石油工业

液体晃动、完井射孔、管道设计、爆炸切割、事故模拟、海上平台设计

• 其它应用

玻璃成型、塑料、模具成型、生物医学、体育器材（高尔夫杆、高尔夫球、棒球杆、头盔）、箱体结构及多孔材料分析

LS-DYNA特色

• 显式求解为主兼有隐式算法，适合于求解高速、高度非线性问题
  
• 具有160多种材料模型，是材料模型最为丰富有限元软件
  
• 具有50多种接触类型，是接触类型最为齐全的有限元软件
  
• 极好的并行计算能力，包括分布式并行算法（MPP）和共享内存式并行（SMP）良好的自适应网格剖分技术，包括自适应网格细分和粗化
  
• 行业化的专用功能：如针对汽车、板成形行业
  

LS-DYNA功能描述

• 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（包括欧拉方式，任意拉格郎日-欧拉（ALE），流体-结构相互作用）、不可压缩流体CFD分析等、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）

• 材料模式库(160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　

• 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单元等

• 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

• 状态方程

在LS-DYNA的材料模型中有较多的非常规材料可通过状态方程来描述，如高速碰撞下的结构材料、流体、物质燃烧等有化学反应的过程都必须采用状态方程来描述。LS-DYNA有14种状态方程，可以描述各种非常复杂的物理现象中材料的体积变形行为。

• 汽车行业的专门功能

安全带单元、滑环、预紧器、牵引器、传感器、加速计、气囊、混合III型假人模型

• 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

• 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成形模拟、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褶更加清晰准确。对于三维锻压的网格畸变问题，LS-DYNA主要有两种方法，一种为自适应网格剖分，另一种为任意拉格朗日-欧拉网格（ALE）配合网格的Rezoning。三维自适应网格剖分采用的是四面体单元。

• 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；多种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。

• 平滑粒子流体动力学算法SPH

SPH是一种无网格Lagrange算法，可以解决许多常用算法解决不了的问题，如天体物理现象模拟、连续体结构的解体、碎裂、固体的层裂、脆性断裂等；对于超高速碰撞、靶板贯穿等过程的模拟，SPH算法有着独到的优势。

• 隐式求解

为更好地模拟静动力混合过程，LS-DYAN加入了隐式算法，可以交替使用隐式求解和显式求解，用于模拟冲压成型及回弹过程、预应力下的冲击过程等。

• 热分析

LS-DYNA程序有二维和三维热分析功能，也可与结构进行耦合分析，可进行稳态热分析、瞬态热分析，用于非线性热传导、静电场分析和渗流计算。

• 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。主要控制功能有：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。

• 前后处理功能

LS-DYNA利用PATRAN、LS-INGRID、ETA/FEMB及LS-PREPOST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。

支持的硬件平台

LS-DYNA同时具有单机多CPU（SPM）和多机多CPU并行处理处理能力，可在各种硬件平台上运行，包括PC、Unix工作站、Linux、超级计算机、以及MPP (大信息量并行处理机)平台。

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