LS-DYNA軟件

1.1  LS-DYNA 簡介 

    LS-DYNA 是世界上最著名的通用顯式動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，同時可以求解傳熱、流體及流固耦合問題。在工程應用領域被廣泛認可為最佳的分析軟件包。與實驗的無數次對比證實了其計算的可靠性。

由J.O.Hallquist主持開發完成的DYNA程序系列被公認為是顯式有限元程序的鼻祖和理論先導，是目前所有顯式求解程序（包括顯式板成型程序）的基礎代碼。1988年J.O.Hallquist創建LSTC公司，推出LS-DYNA程序系列，并于1997年將LS-DYNA2D、LS-DYNA3D、LS-TOPAZ2D、LS-TOPAZ3D等程序合成一個軟件包，稱為LS-DYNA。LS-DYNA的最新版本是2004年8月推出的970版。

1.1.1  LS-DYNA功能特點 

    LS-DYNA程序是功能齊全的幾何非線性（大位移、大轉動和大應變）、材料非線性（140多種材料動態模型）和接觸非線性（50多種）程序。它以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能；以結構分析為主，兼有熱分析、流體-結構耦合功能；以非線性動力分析為主，兼有靜力分析功能（如動力分析前的預應力計算和薄板沖壓成型后的回彈計算）；軍用和民用相結合的通用結構分析非線性有限元程序。LS-DYNA功能特點如下：

1.分析能力：

l        非線性動力學分析

l        多剛體動力學分析

l        準靜態分析（鈑金成型等）

l        熱分析

l        結構-熱耦合分析

l        流體分析：

2       歐拉方式

2       任意拉格郎日-歐拉（ALE）

2       流體-結構相互作用

2       不可壓縮流體CFD分析

l          有限元-多剛體動力學耦合分析 （MADYMO，CAL3D）

l            水下沖擊

l            失效分析

l            裂紋擴展分析

l            實時聲場分析

l            設計優化

l            隱式回彈

l            多物理場耦合分析

l            自適應網格重劃

l            并行處理（SMP和MPP）

2.材料模式庫(140多種)

l        金屬

l        塑料

l        玻璃

l        泡沫

l        編制品

l        橡膠（人造橡膠）

l        蜂窩材料

l        復合材料

l        混凝土和土壤

l        炸藥

l        推進劑

l        粘性流體

l        用戶自定義材料

3.單元庫

l        體單元

l        薄/厚殼單元

l        梁單元

l        焊接單元

l        離散單元

l        束和索單元

l        安全帶單元

l        節點質量單元

l        SPH單元

4.接觸方式(50多種)

l        柔體對柔體接觸

l        柔體對剛體接觸

l        剛體對剛體接觸

l        邊-邊接觸

l        侵蝕接觸

l        充氣模型

l        約束面

l        剛墻面

l        拉延筋

5.汽車行業的專門功能

l        安全帶

l        滑環

l        預緊器

l        牽引器

l        傳感器

l        加速計

l        氣囊

l        混合III型假人模型

6.初始條件、載荷和約束功能

l        初始速度、初應力、初應變、初始動量（模擬脈沖載荷）；

l        高能炸藥起爆；

l        節點載荷、壓力載荷、體力載荷、熱載荷、重力載荷；

l        循環約束、對稱約束（帶失效）、無反射邊界；

l        給定節點運動（速度、加速度或位移）、節點約束；

l        鉚接、焊接（點焊、對焊、角焊）；

l        二個剛性體之間的連接－球形連接、旋轉連接、柱形連接、平面連接、萬向連接、平移連接；

l        位移/轉動之間的線性約束、殼單元邊與固體單元之間的固連；

l        帶失效的節點固連。

 

7.自適應網格剖分功能

自動剖分網格技術通常用于薄板沖壓變形模擬、薄壁結構受壓屈曲、三維鍛壓問題等大變形情況，使彎曲變形嚴重的區域皺紋更加清晰準確。

對于三維鍛壓問題，LS-DYNA主要有兩種方法：自適應網格剖分和任意拉格朗日-歐拉網格（ALE）網格進行Rezoning），三維自適應網格剖分采用的是四面體單元。

8 ALE和Euler列式

ALE列式和Euler列式可以克服單元嚴重畸變引起的數值計算困難，并實現流體-固體耦合的動態分析。在LS-DYNA程序中ALE和Euler列式有以下功能：

l        多物質的Euler單元，可達20種材料；

l        若干種Smoothing算法選項；

l        一階和二階精度的輸運算法；

l        空白材料；

l        Euler邊界條件：滑動或附著條件；

l        聲學壓力算法；

l        與Lagrange列式的薄殼單元、實體單元和梁單元的自動耦合。

9.SPH算法

SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）光順質點流體動力算法是一種無網格Lagrange算法，最早用于模擬天體物理問題，后來發現解決其它物理問題也是非常有用的工具，如連續體結構的解體、碎裂、固體的層裂、脆性斷裂等。SPH算法可以解決許多常用算法解決不了的問題，是一種非常簡單方便的解決動力學問題的研究方法。由于它是無網格的，它可以用于研究很大的不規則結構。

SPH算法適用于超高速碰撞、靶板貫穿等過程的計算模擬。

10.邊界元法

LS-DYNA程序采用邊界元法BEM（Boundary Element Method）求解流體繞剛體或變形體的穩態或瞬態流動，該算法限于非粘性和不可壓縮的附著流動。

11.隱式求解

用于非線性結構靜動力分析，包括結構固有頻率和振型計算。LS-DYNA中可以交替使用隱式求解和顯式求解，進行薄板沖壓成型的回彈計算、結構動力分析之前施加預應力等。

12.熱分析

LS-DYNA程序有二維和三維熱分析模塊，可以獨立運算，也可以與結構分析耦合，可進行穩態熱分析，也可進行瞬態熱分析，用于非線性熱傳導、靜電場分析和滲流計算。

熱傳導單元：8節點六面體單元（3D），4節點四邊形單元（2D）；

材料類型：各向同性、正交異性熱傳導材料，可以與溫度相關，以及各向同性熱傳導材料的相變；

邊界條件：給定熱流flux邊界，對流convection邊界，輻射radiation邊界，以及給定溫度邊界，它們可隨時間變化；給定初始溫度，可計算二個物體接觸界面的熱傳導和熱輻射，給定材料內部熱生成（給定熱源）；

熱分析采用隱式求解方法，過程控制有：

l        穩態分析還是瞬態分析；

l        線性問題還是非線性問題；

l        時間積分法：Crank-Nicholson法（a=0.5）和向后差分法（ a=1）；

l        求解器：直接法或迭代法；

l        自動時步長控制。

13.不可壓縮流場分析

LS-DYNA不可壓縮流求解器是970版新增加的功能，用于模擬分析瞬態、不可壓、粘性流體動力學現象。求解器中采用了超級計算機的算法結構，在確保有限元算法優點的同時計算性能得到大幅度提高，從而在廣泛的流體力學領域具有很強的適用性。

14.多功能控制選項

l        多種控制選項和用戶子程序使得用戶在定義和分析問題時有很大的靈活性。

l        輸入文件可分成多個子文件；

l        用戶自定義子程序；

l        二維問題可以人工控制交互式或自動重分網格（REZONE）；

l        重啟動；

l        數據庫輸出控制；

l        交互式實時圖形顯示；

l        開關控制-可監視計算過程的狀態；

l        對32位計算機可進行雙精度分析。

15.前后處理功能

LS-DYNA利用ANSYS、LS-INGRID、ETA/FEMB、TrueGrid、LS-POST和LS-PREPOST強大的前后處理模塊，具有多種自動網格劃分選擇，并可與大多數的CAD/CAE軟件集成并有接口。

后處理：結果的彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、等值面、粒子流跡顯示、立體切片、透明及半透明顯示；變形顯示及各種動畫顯示；圖形的PS、TIFF及HPGL格式輸出與轉換等。

16.支持的硬件平臺

LS-DYNA 970版的SMP版本和MPP版本是同時發行的。MPP版本使一項任務可同時在多臺分布計算機上進行計算，從而最大限度地利用已有計算設備，大幅度減少計算時間。計算效率隨計算機數目增多而顯著提高。

LS-DYNA 970版的SMP版本和MPP版本可以在PC機（NT、LINUX環境）、UNIX工作站、超級計算機上運行。