LS-DYNA R14.0新功能大放送（三）

摘要

本文将继续介绍LS-DYNA R14.0即2023R1部分新功能，主要有RVE分析模型 、双重尺度联合仿真技术、SPG/ISPG、近场动力学 、ICFD/FSI等更新介绍。

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。

RVE分析模型更新

纺织材料RVE分析模型的新功能(*RVE_ANALYSIS_FEM)

• 在RVE求解器中自动创建image RVE，以施加生物医学行业客户使用的接触的周期性
• 通过增强*CONSTRAINED_NODE_INTERPOLATION功能，image RVE的运动遵循真实RVE的运动，并进行偏移以保持结构的连续性
• Card 1中新增flag名为IMAGE
• 该功能使得用户能够进行RVE分析并预测纺织材料RVE的均质性

1. RVE分析中的部分周期边界条件
2. 支持仅在纺织材料RVE的一个或两个方向上定义周期边界条件的特性
3. Card 1中的flag名BC
4. 此功能使得用户能够对纺织RVE施加部分周期性边界条件

双重尺度联合仿真技术更新

新的耦合接口(*INCLUDE_MULTISCALE)可自动生成焊锡球模型：

• 新的耦合接口可以从宏观尺度 梁单元自动生成/复制中尺度实体模型(Card 1中的新flag名为CTYPE)
• 该功能取代了此前版本的双尺度单向联合仿真，允许用户使用全局梁模型进行双重尺度双向联合仿真(*INCLUDE_COSIM)，以更有效地获得高保真度结果

R14.0新版本更新亮点：

• 使用简单的标准命令行轻松设置联合仿真分析
• 新的任务行标志ncsp
• 指定本地模型的MPI进程数
• mpirun -np 96 mppdyna i=input.key ncsp=32
• 该增强功能允许用户以运行一个LS-DYNA MPP作业相近的方式运行双重尺度的co-sim任务
• 基于耦合的Tie接触的增强
• OFFSET可以被定义为考虑全局壳体厚度
• 当在全局模型中使用shell时，这种增强可以实现更精确的接口耦合
• 数值稳定性的改进
• 通过将界面节点质量从局部重分布到全局，提高了Tie接触耦合的数值稳定性

SPG/ISPG更新

SPG热-结构耦合分析（SMP和MPP版本可用）：现在可以在金属制造过程模拟中有效地模拟SPG部件的热效应

• 温度相关材料特性
• 热膨胀，导热，因与塑性材料的摩擦做功而产生热量
• 已与部分OEM厂商合作进行实验验证

基于bond的损伤模型(IDAM=11,13)，SPG为材料失效分析提供了两种新的机制：

• MC-SPG采用基于bond的预损伤模型(IDAM=11)预测脆性材料 中快速、尖锐的裂纹扩展，与实验结果吻合较好
• 基于SPG bond的预损伤破坏模型(IDAM=13)可以同时考虑拉伸破坏和拉压损伤，从而捕捉金属切削分析中的剪切带

提出一种新的粒子阻尼算法（MC-SPG的粒子间阻尼）来代替有限元阻尼算法进行SPG建模：

• 开发了粒子间阻尼，以稳定MC-SPG算法，使其在颗粒严重断裂时没有颗粒出现非物理的飞溅
• 保持了线性动量 和角动量的守恒

ISPG-大规模流体建模的全隐式方法，利用全隐式ISPG +隐式结构和热求解器可进行回流焊 仿真

• ISPG通过MPP增强了大规模回流焊模拟（客户常常要求大于1,000个焊点的大型模拟）
• 为保证ISPG颗粒在严重的自由表面粘性不可压缩流体 中均匀分布，开发出ISPG颗粒shifting技术
• 为了使流体颗粒在结构的尖锐边缘或角落之间平滑过渡，开发出光滑流固耦合 技术

近场动力学更新

应用初始应变和位移，初始应变场和位移场 现在可以应用于近场动力学进行动态裂纹扩展分析：

• 初始应变场和位移场对动态裂纹扩展结果影响较大
• 新版本引入了一种带有动态松弛过程的预加载方法来施加初始域

3D r-Adaptive EFG/FEM

为提高锻造分析的精度，LS-DYNA提出3D r-自适应EFG/FEM：单调重网格算法

• 在随后的自适应步骤中保持精细网格的新功能
• 该特性使自适应重构器能够将应力 /应变数据保持在精细化区域，提高求解精度和收敛性能

LS-PrePost中增加了显示金属锻造结果的材料流动线的新功能：3D r-自适应性-金属流线

• 该功能由LST LS-PrePost团队开发
• 在LS-PrePost 4.9或更高版本中可用
• 显示金属流线与用户选择的线
• 在切割平面上显示金属流线

不可压缩ICFD更新

ICFD求解器新增Block Low-Rank分解技术，该求解器在并行规模缩放方面性能出色。由于ICFD与EM求解器可以完全耦合，同样非常适用于生物医学领域，ICFD在医疗药物运输功能方面具有间隙闭合、滞留时间 、样本运输等特性，同时改进了边界层网格，并包含稳态新特性，可与DEM求解器耦合。

ICFD中的典型耦合必须是贴体耦合，但有时结构可能由于接触穿透重叠导致贴体耦合难以维持，这将造成耦合不稳定的情况发生。但DEM耦合则属于另一种技术无需实现贴体耦合，可将结构与所有粒子匹配，采用不同的结构机制和CFD耦合，后文将提供更多示例。

新增全新的压力求解器Preconditioner(PRECOND field of *ICFD_SOLVER_{MOM,TOL}_PRE):

• 对角Preconditioner: 默认用于速度求解
• 填零不完全分解
• 基于阈值的不完全分解：默认压力解，对大多数问题有效
• R14.0版本新增Block Low-Rank分解技术
• 计算成本 较高但非常稳健，适用于外部空气动力学 等棘手问题
• 迭代次数不随MPI分块数目的变化而变化
• 例：DrivAer模型，3.5M dofs，10个时间步长，压力求解

此前常规做法是使用对角Preconditioner和零-充不完全因子分解，新版本R14.0中新增Block Low-Rank分解功能，计算成本较高，但优势在于当用户改变排序分级后结果保持不变。与默认数值相比，迭代次数保持不变，设置时间稍长，但求解时间要少得多，使用全新求解器能将求解时间缩短约4倍。但线性代数群 只有在MPI 3.x环境下效果才最好，该功能需使用新的MPI而非Platform MPI。这是需要最新MPI技术实现最佳性能的一个案例。

利用生物医学仿真 的边界间隙消除功能，用户可以定义一个阈值界限，如果边界之间的距离小于用户自定义的阈值，则在该区域阻断流量，因此该应用可用于闭合仿真。使用新关键字*ICFD_CONTROL_GAP指定阈值和表面id，可以看到顶部的管道间的空隙很小，不足以让液体通过管道。

中间的案例为心脏瓣膜模型，当瓣膜 靠近时，有时很难准确判定，原因在于瓣膜间存在接触，设置一个空隙就无需处理过多FSI即可关闭流动。

ICFD/FSI在生物医学和物质输送应用方面的新发展：

• 血栓形成和停滞区研究的欧拉停留时间求解器
• 工业界和学术界寻找停留时间作为血液停滞区域的度量，这可能指向可能的血栓形成风险
• 粒子和物质滞留演化
• 皮内注射和给药
• 随着COVID-19 疫情期间疫苗接种活动的增加，生物医学行业开始使用耦合物理的数值模型来研究药物通过人体组织 的输送，以及在其他设备上的输送，如糖尿病等其他疾病患者使用的设备

边界层网格 生成以及稳态流场模拟 改进。边界层网格划分是粘性流动求解器的一个重要特征。LS-DYNA自动网格 划分工具在运行时生成各向异性 边界层网格，在当前版本中，该算法 得到了改进，以提供更好的精度和效率，特别是在表面网格分辨率较差的情况下。R14.0新版本增加了适用于FEM的SIMPLEC稳定公式。主要变化包括：

• 动量方程的隐式松弛
• 考虑连续性方程 中的隐式松弛
• RANS求解器的松弛性
• 更好的收敛

ICFD和DEM隐式流固耦合。通常ICFD耦合需要贴体耦合，但利用该功能则无需进行贴体耦合，所有结构，壳单元和梁单元将会自动覆盖一些离散单元。从ICFD角度只会看到离散单元，因此DEM和ICFD之间的力将通过该阻力或压力梯度 传递，因此从结构角度看无法看到流体，只能看到离散单元。离散单元 是结构（无法感知流体）和ICFD（无法感知结构）之间的媒介，如今二者纳入了粒子密度的考量来测量浮力。目前开发团队也在研究实体单元方面的应用，未来用户将可通过一系列DEM使用实体单元研究海绵之类的多孔介质。

• 在一些高度复杂的模型中，壳和梁中的DEM粒子提供了一种替代的FSI界面
• 即使在隐式力学中，FSI模拟也可以混合贴体耦合和DEM耦合
• 增加了一种新的耦合公式，使用流体压力代替由速度场计算的阻力
• 粒子密度现在被考虑用于涉及浮力的问题

左图案例展示了采用贴体隐式FSI求解的人工心脏 瓣膜，与以壳体和DEM粒子为代表的异物相互作用。右图案例展示了使用隐式FSI与代表绳索的梁单元DEM粒子耦合来将动量传递给绳索，并从绳索传递给流体的降落伞模拟。

相关资料：

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文章来源：第五届LS-DYNA中国技术论坛 ，作者：王季先博士，ANSYS, Inc. Distinguished Engineer；叶益盛博士，ANSYS, Inc. Senior Principle R&D Engineer
视频链接：LS-DYNA R14.0 部分新功能更新；LS-DYNA R14.0在汽车行业的研发新进展
技术校对：王强， Ansys高级应用工程师；整理编辑：俞琴