LS-DYNA碰撞安全新进展：应用与发展全解析

本文介绍LS-DYNA在碰撞和安全方面的最新发展和应用，包括材料、接触与连接、行人保护、电动汽车电池针刺及挤压仿真EM分析、基于FMI的协同仿真及其在主动安全中的应用以及LS-DYNA中传感器等方面的更新内容。最后总结部分将讨论碰撞和安全CAE的趋势。

材料

随着节能减碳的要求日益提高，轻量化材料如热塑性复合材料 在汽车上的应用也越来越多，如上右图所示，2019年Acura MDX在侧门中就选择使用了复合材料。LS-DYNA中的*MAT_249（*MAT_REINFORCED_THERMOPLASTIC）材料可以进行热塑性材料的表征，但原*MAT_249主要用于复合材料的成形仿真，更多关注热的影响，若直接进行碰撞仿真，速度可能较慢。因此，针对碰撞仿真，LS-DYNA在R13.0版本中新增了*MAT_249_CRASH 材料，可用于热塑性复合材料的碰撞仿真。

此外，*MAT_123（*MAT_MODIFIED_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY）材料中新增了*MAT_123_RATE 选项。原本的*MAT_123材料并没有包含材料的粘弹性效应，这对于一些弹性-粘塑性的材料（如金属）是没有问题的，而针对一些高分子聚合物材料（如塑料），在弹性范围内材料的性质也能表现率相关的效应，新增的*MAT_123_RATE可以用来模拟材料的这种粘弹性效应。

*MAT_015 （*MAT_JOHNSON_COOK）是LS-DYNA中最常用的材料之一，它可以使用较少的参数来模拟材料的塑性、粘性以及热效应。也正是因为参数较少，*MAT_015能够准确描述的应变率范围受到一定的限制。在LS-DYNA R13.0版本中，我们为*MAT_015新增加了一些参数（设置RATEOP=5激活这些参数），使得其适用的应变率拓展到了1e-3~5e4/s的范围，能够覆盖准静态分析到碰撞分析。

针对*MAT_100_DA, *MAT_123以及*MAT_187_L等材料增加了RFILTF参数，对应变率的计算进行修正。如上图所示，原本的应变率曲线（黑色）非常的不平滑，而增加RFILTF参数之后，计算出来的应变率（红色）会更加的光滑平稳，减少噪声，计算出来的结果也更加稳定。

DIEM 材料损伤破坏模型也在新版本中改进。材料破坏仿真计算中，网格尺寸相关性一直是重要的因素之一。如上图所示，在使用不同的网格尺寸的模型时，缺口的形状、位置以及出现的时间可能会出现变化。不同的材料损伤破坏模型都会把网格依赖性考虑进来。之前的DIEM模型基于一种线性的关系，将材料的塑性应变率乘以网格尺寸得到塑性位移，作为材料的失效判据之一，通过这种方式将网格尺寸相关性考虑进去，而这种线性的关系却不一定十分准确。因此，在LS-DYNA R13.0版本中新增加了参数P5，利用这个参数，可以定义基于网格尺寸的正则化系数（该定义方式与LS-DYNA中的GISSMO材料失效模型类似）。

新增FLD失效判据 对于实体单元的支持。FLD失效判据常被用于冲压成形仿真中，此前仅支持壳单元。基于客户的要求，在新版本中已将FLD失效判据扩展到了实体单元上。需要注意的是，用于实体单元时，单元节点的定义顺序需要满足特定的需求（详见用户手册）。

案例1视频：Detailed output of internal energy

*CONTROL_ENERGY中新增参数MATEN（Material Energy），打开MATEN参数后，可以计算材料不同种类的能量，如内能、动能、塑性应变能以及失效能量，从而更清楚碰撞能量具体被吸收转换成了哪部分的能量。

*CONTROL_SOLUTION中新增NOCOPY参数，打开NOCOPY选项后，能够避免将材料的历史变量复制到临时的缓存中用于本构模型分析评估。该方法能够减少单元处理所花费的时间，特别是针对一些模组化的材料失效模型更为明显（如GISSMO或是DIEM）。如上图表格中案例所示，针对三种不同的单元类型（实体单元、壳单元和厚壳单元），在不考虑材料失效模型（DIEM）的情况下，可节省14%-19%的单元处理时间。若考虑材料失效模型，则可节省22%-28%时间，效果显著。

接触&连接

通常，通过设置接触参数中的SOFT=2可以激活对基于面段（Segment-based）的接触算法。针对该接触算法，接触卡片中新增参数TETFAC，用来对接触中四面体单元质量的变化进行缩放。目的是使四面体单元接触刚度更加接近于六面体单元。如上图所示，红色曲线为六面体单元-壳单元的接触力曲线，而绿色则为六面体单元-六面体单元的接触力曲线，若不适用TETFAC（设置为0），在计算四面体-四面体、六面体-四面体或是四面体-壳单元接触时，接触力曲线会远小于使用六面体单元计算的结果。而通过设置TETFA，可以让接触力曲线更加接近于六面体单元的计算结果。

Mortar contact 常被用于隐式分析，同时也有部分用户在进行碰撞仿真中使用。新版本中Mortar contact中新增两个选项，一个是orthotropic friction选项，用于设置正交异性的摩擦系数，比如在进行复合材料或是安全带分析时，在不同方向的摩擦系数差异较大。通过orthotropic friction选项，可以设计材料方向以及相对位移的方向，使用不同的摩擦系数。另外一个就是LS-DYNA在最新版本中支持了2D的mortar contact。

案例2视频：Gasket element modeled as cohesive elements

引入新的材料*MAT_COHESIVE_GASKET，用于垫圈的模拟。如视频案例所示，红色部分是发动机排气管的连接垫圈。垫圈通常是很薄的一层结构，如果使用传统的实体单元模拟，由于单元的厚度尺寸较小，决定了模型整体的临界时间步长较小。而利用新的*MAT_COHESIVE_GASKET材料，就可以使用内聚力单元 进行垫圈的模拟，而不会影响到时间步长。在*SECTION_SOLID中，选择ELFROM=19或20即可使用内聚力单元公式，同时新增加的参数GASKETT，可以设置垫圈的厚度。

关于内聚力单元材料的改进

1. *MAT_ADD_COHESIVE在新版本中支持了泡沫材料（如*MAT_057和*MAT_083）,此前仅支持金属或塑料等材料。
2. *MAT_169（*MAT_ARUP_ADHESIVE）中支持ICOH=1选项，作用是当内聚力单元连接的实体或是壳单元发生失效时，可以自动将内聚力单元进行删除，避免计算出现不稳定。
3. *MAT_240新增两个选项：

• _FUNCTIONS选项，作用是可以将内聚力单元的材料性质定义为与内聚力单元相连接部件材料性质的函数。
• Flexible exponent选项，激活这个选项后，在材料中增加了INICRT这个参数，用来控制通过Mode I和Model II模式下内聚力单元屈服和失效的参数计算Mixed Mode材料性质的方法。

*MAT_068（*MAT_NONLINEAR_PLASTIC_DISCRETE_BEAM），常用于推入式铆钉的模拟，通常的输入数据是铆钉的力-位移曲线，而R13.0版本中可以考虑铆钉的粘性效应，在*MAT_068中定义基于速度的硬化以及失效参数。

*MAT_SPOTWELD中新增_UNIAXIAL选项。进行实体单元模拟焊点时，未开启此选项的情况下，系统默认横向应力为0，而开启之后则横向应变也会设置为0，开启这个选项会使得计算更加稳定。

*DEFINE_CONNECTION_PROPERTIES原本仅适用于ARUP_ADHESIVE材料，目前亦可拓展使用到*MAT_036及*MAT_251中。类似于上文提到的*MAT_240的选项，可以利用这个关键字，将内聚力单元的材料性质定义为与内聚力单元相连接部件材料性质的函数。

*CONSTRAINED_SPR2原本仅用于壳单元之间的模拟，而新版本中增加了对于实体单元的支持。目前可用*CONSTRAINED_SPR2进行实体-实体，实体-壳以及壳-壳之间的连接。

*MAT_BOLT_BEAM新增了HOLSHR选项，以支持分析由于变形所造成的孔洞扩大。以上图案例，上下为两片板子、中间区域为螺栓，中间区域初始有一个间隙，将这两块板往左右两侧（不同方向）拉伸，在相对位移还没有超过间隙之前，螺栓的连接力基本由摩擦力决定（因为此时板还没有接触到螺栓本身，因此不会发生变形）。当相对位移逐渐超过间隙之后，由于产生变形会导致孔洞逐渐增大，LS-DYNA会计算及记录变形过程中孔洞的变化及大小。比如一个循环加载的过程，施加反向加载的时候（将两个板子往内压），在新的相对位移未超过扩大后的孔洞之前，不会发生新的变形（此时螺栓的连接力仍取决于摩擦力）。但继续往内施加压力，当相对位移超过扩大后的孔洞，此时会使得孔洞继续增大。

行人保护

案例3视频：*LOAD_PYRO_ACTUATOR/*DATABASE_PYRO for active hood

新的关键字*LOAD_PYRO_ACTUATOR，用于主动式机盖的模拟。如视频案例所示，当车辆即将与行人发生碰撞时，为了尽量避免行人的头部创伤，系统会自动弹出机盖，用以软化头部与机盖之间的接触。此前大部分用户通过定义气囊的方式来模拟机盖的弹出。而利用新增的*LOAD_PYRO_ACTUATOR关键字，只需要定义使用两个节点定义气室以及气室的截面力，LS-DYNA能够自动通过控制体积法计算出弹射过程中的推力。

与车辆之间的碰撞相比，车辆与行人碰撞产生的碰撞力是完全不同的，因此就需要专门的压力管传感器来探测车辆与行人之间是否发生碰撞，基于传感器的信号控制诸如主动式机盖的弹起等。LS-DYNA专门针对压力管传感器开发了*DEFINE_PRESSURE_TUBE 关键字，但这并非是R13.0版本才加入的新的功能。2019年长城汽车在LS-DYNA用户大会发表论文《基于LS-DYNA的新功能模拟压力管传感器信号》可以看到，使用*DEFINE_PRESSURE_TUBE模拟出来的压力值变化结果和试验结果十分吻合。从图表中可以看到，默认计算压力的方法是基于连续伽辽金方法（Continuous Galerkin），对于压力初始的峰值计算比较准确，但如果能看最后一段周期的曲线，会发现默认方法计算出来的压力发散的非常的快，这与试验结果差异较大。在R13.0版本新增基于不连续伽辽金方法（Discontinuous Galerkin）的两种压力求解方法，通过设置MTD=1或2激活，可以解决默认方法发散较快的问题。两种新的方法，更推荐设置MTD=2。

基于EM模块的电池仿真

案例4视频：EM improvements for battery simulation

案例4展示某篇论文中的圆柱形锂电池进行针刺试验的案例，电池在受到针刺后发生内部短路，造成温度上升。使用LS-DYNA进行多物理场仿真，计算得到的温度最高为137℃，与试验测试结果非常相近。这个案例中，针头并没有刺穿电池，只是造成了大的变形。而如果电池发生了穿刺，原本的方法就不再适用。在R13.0版本中，等效电路模型中增加了新的侵蚀功能。如视频中右图所示，目前LS-DYNA可以处理电池发生穿刺的情况。原理是，如果检测到发生了穿刺，单元发生了失效，就会将相应位置的等效电路去掉。因为穿刺而暴露在外面的内部节点，将等效电路替换成短路电阻。

新增用户自定义的等效电路模型。众所周知，如果在有限元分析中将电池的详细结构建立起来，进行详细的电化学仿真，在求解电池模组乃至电池包规模的模型时，求解的时间并不理想。通常采用等效电路模型的方式对电池模型进行简化。LS-DYNA在电池模型中默认采用的是Randles等效电路模型，而在R13.0版本中可以通过设置RDLTYPE=-1，通过自定义函数的方式，定义自己想要的等效电路模型。

针对热失控的仿真，LS-DYNA原本内置了一方程的热失控模型，通过*EM_RANDLES_EXOTHERMIC_REACTION可以使用。而新版本中加入了基于美国能源国家实验室发展出来的NREL四方程热失控模型 。如上图所示，一个基本的电池单元，由两边的集流器、电极（阴极和阳极）、电解质和中间的隔膜组成。当电池温度升高时，首先可能发生破坏的是电极与电解质之间的固体电解质相界面(Solid Electrolyte Interface，简称SEI)，SEI的作用是避免电极和电解质之间发生直接接触，而在温度超过90~120℃的时候，SEI就有可能先发生破坏，造成电极和电解质之间直接接触，导致化学溶解反应。而SEI的破坏过程和电极与电解质之间的反应都是发热的过程，当电池的温度超过200℃时，就会造成电离子本身的反应，进而会加剧电池放热，从而导致电池发生起火燃烧。以上就是NREL四方程模型描述的物理过程。

案例5视频：EM improvements for battery simulation-thermal management

案例5展示了LS-DYNA中EM电磁模块、ICFD不可压缩流体模块耦合进行电池热管理仿真的案例。众所周知，热管理对于电池至关重要。电池常用的冷却方法有两种，一种是直接的空气冷却，实际就是通过风扇造成空气流动把热量带走，丰田的Pirus、日产的Leaf即使用空气冷却的方式；另外一种就是水冷，利用水冷管对电池进行冷却。视频案例展示了在LS-DYNA中对空气冷却和水冷两种方法进行仿真，在没有冷却的条件下，电池的温度达到了43℃，而使用水冷的方式，仿真出来的温度是24.4℃。从图中可以看到，由于冷却管是排布在电池的下方，所以电池下部的温度相对上部会更低。而使用空气冷却的方式，最大温度为25.8℃，但温度的分布则更加平均。最后使用空气冷却+水冷的方式，最大的温度降低至23.4℃ 。

基于FMI的主被动安全协同仿真

FMI（Functional Mock-up Interface）是很多软件共同支持的接口标准，借助FMI接口，可以在不同的软件之间进行协同仿真。与LS-DYNA进行协同仿真用的比较多的软件包括MATLAB, Python, Adams, Carmaker等，除此之外很多其它的工具软件也支持FMI接口。比如而在多体动力学和自动驾驶仿真方面，Ansys分别拥有Ansys MOTION和Ansys VRXPERIENCE，下文将简单介绍。

案例6视频：Current Status of FMI in LS-DYNA

目前LS-DYNA支持FMI 1.0和2.0的版本，用户可以从这里获取相关资料release notes。这里有详细的教程以及LS-DYNA和其它软件进行协同仿真的案例（如Matlab、Hopsan、 Adams、Python等）。

上文提到过的Ansys的自动驾驶仿真软件VRXPERIENCE，同样支持FMU 1.0和2.0。可以进行高级辅助驾驶（ADAS）和自动驾驶汽车（AV）的仿真，同时具备一定的车辆动力学分析功能。

案例7视频：FMI Interface in Ansys：MOTION (FMU:1.0)

Ansys MOTION，是Ansys的多体动力学仿真工具，支持刚体和柔性体的分析，支持线性和非线性。可以进行NVH的疲劳分析，同时具备热分析的功能。 视频案例展示了在Ansys MOTION中进行的车辆通过减速带的仿真以及叉车转弯的车辆姿态模拟等。

案例8视频：LS-DYNA/VRX/MOTION co-simulation for safety & fatigue analysis

在ADAS或是AV的开发过程中，LS-DYNA又是如何与Ansys VRX以及MOTION进行协同仿真的？用Ansys VRX模拟车辆在高速上行驶，大部分情况下，当VRX中的传感器没有检测前方有其它车辆时，车辆都处于正常行驶的状态，这个时候可以使用VRX进行车辆的动力学分析。还有一种情况，如果车辆在进行快速的转弯，这个时候如果不能够确定车辆的控制算法是否合理，可以借助MOTION来进行详细的车辆动力学仿真，模拟车身的姿态。同样也可以在MOTION中进行车辆疲劳寿命的分析。如果传感器检测到车辆前方出现其它车辆或是障碍物，这时车辆的ADAS可能就会介入。比如车辆前方突然探测到行人，主动刹车系统（AEB）就会开始起作用。主动刹车过程中的车辆姿态的变化以及因为其它的主动安全技术（如主动安全带技术）造成的乘员姿态的变化就可以使用MOTION和LS-DYNA来进行模拟。而如果最终的碰撞无法避免，就可以通过LS-DYNA来模拟最终碰撞的过程。

传感器

目前LS-DYNA中*SENSOR关键字的应用越来越广泛，甚至现在某些模型中有超过1000个以上的传感器，这些传感器数据的传递、储存和更新对于整个模型的计算求解是一个很大的负担。比如图中的LS-DYNA最新的轮胎模型中就有超过700个传感器。新版本中，*SENSOR_DEFINE关键字中新增选项_UPDATE，可以让用户定义每个传感器的激活和失效的时间，同时能够定义传感器数据更新的频率。用户可以在不需要某个传感器的时候将其设置失效，或是某些传感器可以使用更长一点的数据更新间隔，这样可以降低模型中用于传感器计算的时间。

DEFINE_FORCE选项中新增了M和MMOMENT的参数，M代表Magnitude，用来计算合力或是合力矩。如果之前用户需要在传感器中计算合力，则需要四个*SENSOR关键字来实现，分别计算X、Y、Z三个力的分量，最后再计算三个分量的合力，现在则只需要一个*SENOSR就可以实现。这样做的目的依旧是帮助减少模型中传感器的数量。

*SENSOR_CONTROL中新增ELESET参数，可以控制单元集的失效和出现。还有EM参数，可以控制电磁求解器的是否参与计算。

小结

目前碰撞安全仿真发展的最新趋势，第一个就是对于失效的预测，随着计算能力的提高，用户对于分析结果的准确性也要求越来越高，此时材料的失效分析就变得日益重要。第二，随着复合材料在车辆上的应用越来越广，在复合材料零部件的连接方面，胶粘连接也是用的比较多，针对于此LS-DYNA对内聚力单元以及内聚力单元的材料进行了大量的改进。第三，电动汽车、主动安全以及无人驾驶毫无疑问也是未来研发的重点，LS-DYNA针对锂电池多物理场仿真以及主被动安全协同仿真，不断地开发新技术。

相关资料：

获取Ansys在你所在领域的更多介绍及应用实践信息

您也可以联系Ansys中国官方产品咨询热线，获取更多相关资料：400 819 8999

更多LS-DYNA最新资讯，可前往微信公众号：LSDYNA

来源： Ansys LSDYNA微信公众号：LSDYNA