LS-DYNA软件

LS-DYNA软件介绍

LS-DYNA是一款非常先进的通用非线性有限元程序，能够模拟真实世界中的复杂问题。在Linux、Windows 和Unix 操作系统的台式机或集群服务器上，LS-DYNA 的分布式和共享内存式求解器可在很短时间内完成每次作业。Livermore Software Technology, an ANSYS company旨在通过LS-DYNA为用户提供无缝地解决“多物理场”、“多工序”、“多阶段”、“多尺度”等问题的方法。

LS-DYNA适用于研究结构动力学问题中涉及大变形、复杂材料模型和接触情况的物理现象。LS-DYNA可以在显式分析和采用不同时间步长的隐式分析之间进行切换。不同学科如热耦合分析、计算流体动力学（CFD）、流固耦合、光滑粒子流体动力学（SPH）、无网格伽辽金法（EFG）、颗粒法（CPM）、边界元法（BEM）等可以与结构动力学相结合进行分析。

对很多产品设计而言，LS-DYNA 能够在产品模型定型前确定产品性能，这对缩短产品上市时间起到关键作用。利用LS-DYNA 开展仿真研究能够有效支持具有高性能的稳健可靠产品开发。LS-DYNA 自带的前后处理工具LS-PrePost 可用于生成输入文件和数值结果的可视化。另外，LST也为用户提供适用于结构优化和稳健设计的LS-OPT 软件包。因为具备多学科仿真分析与优化的能力，LS-DYNA 可以显著地提高创新产品开发的潜能，有效降低产品开发成本。所有上述功能和软件包作为一个整体模块提供给用户使用。LS-DYNA 未对一些特殊应用问题进行分块处理，因此其许可执照可将不同学科耦合进行仿真分析而没有任何限制。

LS-DYNA 已在美国加利福尼亚州开发了20多年，在涉及结构非线性动力学等复杂问题中应用为广泛的求解器。由于LS-DYNA 在其它新领域的推广，使用量正在迅速增长。LS-DYNA 不断创新发展的驱动力来自与世界大学的合作以及广大客户群的新需求。

2019年 ANSYS收购LSTC公司，LS-DYNA软件成为了ANSYS软件大家庭的成员之一。

 LS-DYNA在汽车设计中的应用

复杂汽车系统在碰撞过程中结构变形机理必不可少的工具。LS-DYNA 可用于评估汽车性能，甚至在无任何物理样车模型基础上进行。总体上讲，与物理实车试验相比，数值仿真可以研究更多的碰撞情形或工况。更进一步的优点为在产品开发阶段中应用LS-DYNA将显著缩短产品上市时间。

LS-DYNA 配备了针对汽车设计应用的特殊功能，例如焊点、安全气囊模型、安全带模型、卷缩器等。目前超过15 家的大型汽车制造商使用LS-DYNA进行碰撞模拟，LST 将根据实际应用的问题反馈和解决方法等进一步来完善和加强求解器。绝大部分汽车应用方面的功能是根据客户的要求开发的。比如，三种不同的分析方法可用于安全气囊展开过程的研究，可分别解决不同模拟精度的气囊展开。对气囊初始展开过程可以进行适当详细的分析、十分详细的分析、或者仅仅以预测无折叠气囊的性能。因此LS-DYNA 可以用于离位乘员工况的分析、用于气体发生器中旋转调节阻板的设计、或用于碰撞过程中乘员与安全气囊之间相互作用的分析。

为方便产品开发，可以使用一系列标准测试装置的有限元模型，例如假人和壁障模型。许多常用有限元模型对LS-DYNA 用户来说是不收取任何费用的。此外，也可以购买由第三方开发、且经过试验标定的高质量模型。

由于失效预测对汽车碰撞模拟起非常重要的作用， 因此与零部件的成形制造过程密切相关。LS-DYNA因为在汽车碰撞分析中失效预测和失效后预测是十分关键的部分，所以零部件的制造过程也是一个密切相关的因素。LS-DYNA 能够分析模拟大部分的制造过程，并可将制造过程模拟中获得的信息无缝集成至碰撞仿真中。

除碰撞仿真外，LS-DYNA 也非常适合于汽车设计开发过程中动态和静态加载工况的模拟。仅需微小调整，已有碰撞仿真模型可以用于其它工况下的汽车性能评估，如车顶压溃、车门下垂分析、过载工况仿真、或用于确定后续疲劳分析的载荷输入分布等。

LS-DYNA在金属成形中的应用

在金属成形中LS-DYNA 主要用于金属板料的冲压成形仿真。LS-DYNA 的增量法允许用户模拟多工步的金属板料冲压工艺过程，同时具有很高的模拟精度。应用多核并行计算的方法，即便是大型部件的高精度模拟也可以在短短一个小时内完成。另外，可以通过模拟零件修边和回弹来实现整个成形过程的仿真。

仿真的目的可能各不相同。但其中一个目标就是确定零件成形的可行性以及由不同成形过程获得的最终零件形状。由仿真获得的信息可以确定成形参数、成形工序和优化模具形状。因此，采用较少的成形工步就可以生产出具有高精度形状和表面质量的零件，进而降低了每个零件的成本。

另一个目标是热成形工艺的设计。LS-DYNA允许用户分析金属在冷却过程中的金相转变，可以分析在成形前、成形过程中以及成形后由于热对流和热辐射引起的加热过程。因此可以实现从加热到成形直至冷却的整个成形过程分析，且仅利用同一个模型就能预测加热和冷却所需时间、压边力大小及零件性能。

除板料成形外，LS-DYNA 也能用于其它成形工艺的仿真，如管成形、切割、挤压、脉冲成形、锻造、轧制、焊接、卷边、翻边、电磁成形和弯曲成形等。这些方面的应用涉及到不同学科间的耦合，如网格重新划分、无网格法、不同时间步切换、ALE、热分析、刚体动力学等功能都可以同时使用。

LS-DYNA 及其自带的前、后处理工具LS-PrePost 拥有许多特定的板料冲压功能模块。LS-DYNA 求解器也可与各种成形仿真工具相集成。这些工具由第三方公司提供，可有效地支持特定的成形应用以及技术服务的本土化。

ANSYS将在2022年1月发布ANSYS Forming冲压成型软件，这款创新产品允许用户预设不同的模拟需求，包括可行性、成形性和回弹预测，从而实现早期和详细的设计配置。通过这种端到端的工作流程，工程师可以在单个平台上执行整个模具流程，无需进行物理测试，并提高生产率和成本节约。ANSYS Forming通过保持预测精度和速度达到优异性能。

LS-DYNA——为汽车零件供应商提供的一种多用途程序

LS-DYNA 对于各种汽车零部件的虚拟测试起到非常重要作用。显式和隐式时间步长策略能够实现对同一个模型进行静态和动态测试的仿真分析。零部件的制造工艺也可以利用LS-DYNA 的金属成形和热分析功能进行研究模拟。因此，只需一个模型就可以研究不同问题。相比于其它应用软件，这将降低在技术培训和模型建立上的成本花费。

LS-DYNA 的一个成功应用案例为座椅设计。座椅制造商需要考虑座椅骨架静动态负载工况，以及分析安全带固定点的稳定性。LS-DYNA 可帮助确定锁紧机构的最大载荷或座椅导轨的失效载荷。LS-DYNA 允许用户研究汽车碰撞中座椅对乘员的影响，同时也可以分析齿轮的冲压工艺过程。这些用户组通常会使用先进的优化工具LS-OPT 来改进设计和寻找稳健的设计方案。

其它类似的LS-DYNA 应用实例包括碰撞吸能盒、保险杆、前纵梁、仪表板、饰物、轮胎等的设计和制造。

LS-DYNA跌落测试分析

LS-DYNA 可用于研究跌落冲击条件下产品的抗撞击性能，这个应用范围包括消费品、工具和容器设计。例如，在包装设计方面，LS-DYNA 可以帮助开发食品容器使其能承受在运输和储存情况下动态载荷。

除含有复杂失效机理的许多材料模型库外，LS-DYNA 中各学科耦合和显式隐式切换的灵活功能对很多应用模拟仿真非常必要。比如，容器中液体可用ALE 法或SPH 法模拟并与结构进行耦合分析。这可以准确地模拟液体在受冲击时的物理现象。无网格伽辽金法（EFG）可用于裂纹研究，它可以消除裂纹扩展过程中网格对仿真结果的影响。

LS-DYNA 提供在显式和隐式之间的任意时间步切换的方案来有效确定模型稳态变形。进一步地，LS-DYNA 允许部件由刚体切换为可变形体，反之亦然。这一功能经常用于确定在下落过程中（主要冲击发生之前）各零部件之间的相对位置。

LS-DYNA 用于容器研究

在某些行业，一直存在对社区和环境造成严重损害事故的风险。作为一种工具，LS-DYNA 可以模拟一个系统是如何失效等信息来减少上述风险。设计更改可以减少甚至消除所考虑负载下的风险。一个典型案例是用来运输核燃料元件的容器。在运输过程中对于任何可预见的意外情况发生时确保容器仍然保持封闭和严密密封状态是至关重要的。LS-DYNA 常用于运输容器、容器内部和容器封闭外壳周围的能量吸收缓冲区的设计。

另一个例子是对物体的高速冲击，比如涡轮叶片从涡轮机脱离后的高速冲击不应该损坏水库堤坝。LS-DYNA 允许用户评估涡轮叶片撞击涡轮机壳体所造成的损害。因为这些模拟需要准确地预测材料失效后的阶段，所以前期需要做大量的材料试验。但就可能受到严重损坏的高风险而言，这种努力也是值得的。

LS-DYNA在制造业中的应用

在日用品制造业中，生产以及包装步骤的可靠性和速度在产品成本控制时起到了至关重要的作用。制造工艺通常涉及到非线性过程，并需要使用不同的物理参数。LS-DYNA 非线性分析功能和耦合不同数值方案的能力使其成为有效的工具用于为制造工艺的布局提供解决方案。例如，可以利用LS-DYNA 模拟容器在充填、装卸、封闭、包装和堆叠过程中的变形。可以分析经过一系列的开启和关闭后卡扣的使用性能，以及考虑制造公差、装卸和运输过程对其产生的影响。其它应用包括织物折叠、团状或颗粒状物品包装。

由于一些产品的开发时间较短而无法进行完全验证，仿真仅仅用于了解主要相关联的物理参数及其对工艺过程的影响。优化后的制造工艺过程可以在较短的时间内生产出更多具有高品质和高可靠性的零件。这样一来，即使每个零件节约很小的成本，但加起来也是一个可观的数目。

LS-DYNA 在研究领域的应用

LS-DYNA 一直不断地加入新技术。例如，无网格伽辽金法（EFG）和光滑粒子流体动力学法（SPH）等新方法已经在LS-DYNA 中实现。对于许多研究应用来说，通过耦合不同的方法来研究多物理场问题是很重要的。例如，欧拉法和拉格朗日法在一个仿真分析里面可以交互使用。

LS-DYNA 也可以进行热分析、计算流体动力学分析（CFD）或边界元法（BEM）分析。为方便新材料本构模型的开发，也提供材料子程序的接口。好的MPP 并行技术可以使研究人员分析非常详细的模型，而只需较低的硬件成本。LS-DYNA已广泛应用于各种研究领域，典型案例包括在生物医学领域方面的应用。与鞭打、骨折、心脏瓣膜工作模式、脚踝等相关的问题可以用LS-DYNA 进行研究。LST 公司也一直致力于提供LS-DYNA 教育版。

主要应用领域

拥有强功能的LS-DYNA 可以应用于许多不同的领域。常用应用领域包括：

■ 汽车、火车和轮船的耐撞性模拟

■ 飞机紧急降落

■ 乘员安全分析

■ 行人保护分析

■ 汽车零部件制造

• 车身
• 座椅
• 车顶
• 车门
• 发动机罩
• 保险杆
• 碰撞吸能盒
• 纵梁
• 方向盘
• 转向机柱
• 仪表板
• 垫料

■ 金属成形

• 轧制
• 挤压
• 锻造
• 铸造
• 旋压
• 超塑性成形
• 板料冲压
• 滚轧
• 深拉深
• 液压成形
• 多级成形
• 回弹
• 卷边

■ 金属切削

■ 玻璃成形

■ 生物医学应用

■ 稳定性/失效分析

■ 跌落测试

• 消费品
• 核容器

■ 地震工程

■ 鸟撞

■ 发动机叶片容器分析

■ 穿甲

■ 塑料、模具及吹塑成型

■ 爆破载荷

■ 电焊、铆接和螺栓结构

■ 船运集装箱

■ 罐头和容器设计

分析能力

不同的应用领域会使用以下一个或组合的特征功能：

■ 非线性动力学

■ 耦合的刚体动力学

■ 准静态模拟

■ 模态分析

■ 线性和非线性静力学

■ 特征值分析

■ 热分析

■ 流体分析

■ 欧拉分析功能

■ 任意拉格朗日欧拉法（ALE）

■ 流固耦合

■ 水下冲击分析（USA）

■ 失效分析

■ 裂纹扩展

■ 声学

■ 多物理场耦合

■ 结构-热耦合分析

■ 自适应网格重划分

■ 重新分区

■ 光滑粒子流体动力学（SPH）

■ 无网格方法（EFG）

■ 扩展有限元X-FEM

■ CSE 求解器

■ 2-D 和3-D 问题求解

■ Nastran 读入

■ 任意的刚体和可变形体之间切换

■ 任意的显式和隐式之间切换

■ 动态松弛

材料模型库

LS-DYNA 提供了超过130 多种金属和非金属材料模型，且许多模型拥有失效准则。常用的材料模型包括：

■ 金属

■ 塑性材料

■ 粘弹性材料

■ 粘弹塑性材料

■ 玻璃

■ 泡沫材料

■ 织物

■ 弹性体和橡胶

■ 蜂窝

■ 复合材料

■ 混凝土和泥土

■ 炸药

■ 粘性流体

■ 生物医学用材料模型

■ 用户自定义材料

丰富的单元库

LS-DYNA 拥有大量的单元库，包括缩减积分单元和全积分单元。LS-DYNA 的低阶单元具有准确性、有效性和稳健性。对于缩减积分的壳单元和实体单元，零能模式可以通过粘度或刚度方式的沙漏形式来控制。单元主要包括：

■ 各种不同的实体单元

■ 8节点厚壳单元

■ 各种不同的3 节点和4 节点壳单元

■ 梁单元

■ 焊点

■ 离散的零长度梁

■ 杆和缆索单元

■ 节点质量单元

■ 集中惯性单元

■ 任意拉格朗日欧拉单元

■ 欧拉单元

■ 无网格伽辽金

■ SPH 单元

■ 2-D 分析单元

■ 用户自定义单元

接触算法

约束法和罚函数法在过去20 多年的大量仿真分析中应用得很好。LS-DYNA 有超过25 种不同的接触类型，可用于热-机械耦合接触。这些接触类型主要解决变形体与变形体的接触、变形体间的单面接触、以及变形体与刚体或者刚体与刚体间的接触。接触面定义的范围概括如下：

■ 单面接触

■ 刚性墙接触

■ 边-边接触

■ 梁-梁接触

■ 侵蚀接触

■ 与CAD表面接触

■ 粘合表面

■ 2-D 接触

■ 壳单元边与壳表面粘合接触

■ 合力接触

■ 流固耦合面

■ 弹球接触 （SOFT=2）

■ 摩擦方式：

• 库伦静摩擦和动摩擦
• 粘性摩擦
• 压力摩擦
• 用户自定义摩擦

刚体动力学功能

LS-DYNA 同样包含多体动力学方面的功能。一些功能如下所示：

■ 刚体

■ 刚体向变形体的切换

■ 变形体向刚体的切换

■ 接头

• 球形接头
• 转动关节
• 柱形关节
• 平移副
• 锁定接头
• 电机接头
• 滑轮和螺旋接头
• 万向节
• 弯曲/扭转关节

■ 接触

• 刚体与变性体的接触
• 刚体与刚体接触

■ 几种离散单元（颗粒状）

软件平台

LS-DYNA 可以被移植到所有常用的HPC 平台，包括大规模并行版本（MPP——信息传递程序设计）、共享内存的版本（SMP——对称内存处理）和混合版本（CPU 内用SMP， CPU 间用MPP）以及对应的单精度和双精度版本。关于计算平台和操作系统相关的详细信息可以向上海卓位信息技术有限公司咨询。

专业化的金属成形功能

LS-DYNA开发了专门模拟金属成形的功能用于获取准确模拟结果。

■ IGES/VDA 接触

■ 硬质模具

■ 2-D网格重划和重映射

■ 隐式回弹

■ 修边

■ 自适应网格细化

■ 网格粗化

■ 拉延筋

■ 复杂的滑动算法

■ 各向异性塑性材料（Hill, Barlat）

专业化的汽车模拟功能

LS-DYNA提供了针对汽车应用方面的特殊功能，主要包括：

■ 安全带

■ 滑环

■ 预紧器

■ 卷缩器

■ 传感器

■ 加速度计

■ 安全气囊参考几何

■ 气体发生器模型

■ 安全气囊均压仿真模拟

■ 颗粒法的离位模拟

■ ALE方法的离位模拟

■ 与Madymo耦合

汽车应用方面的有限元模型

在汽车测试中几乎所有标准测试装置的有限元模型都是可以获得的，这些模型是预先准备好的输入文件。不同详细程度和验证精度的模型可以根据用户需要来选择。模型通常是第三方的产品，软件技术支持通常来自于当地经销商。LST 公司尽力提供常用的假人和壁障的模型。对于LS-DYNA授权用户这些模型都是没有费用的，部分模型列表如下：

■ Hybrid III型假人

■ SID-IIs型假人

■ P和Q儿童假人

■ USSID假人

■ Eurosid假人

■ ES-2假人

■ ES-2re假人

■ BioRID假人

■ WorldSID假人

■ 头部模型

■ 行人冲击器

■ THOR-NT假人

■ 人体模型

■ NHTSA壁障

■ NCAP壁障

■ IIHS壁障

■ ECE壁障

■ Euro-NCAP壁障

■ 简单的汽车模型

■ 道路隔离护栏模型

LS-OPT

LS-OPT 是一个优化工具，它与LS-DYNA 有很好的接口，允许用户构造设计流程、探索设计空间、根据特定的约束和目标计算优设计方案。这款程序也非常适合于解决系统参数识别和随机分析。
优化

■ 响应面技术

■ 遗传算法

■ 多学科优化（MDO）

■ 多目标优化（MOO）

■ 基于可靠度设计的优化（RBDO）

■ 混合的离散/连续变量

■ 形状优化

试验设计研究——设计探索

■ 试验设计（DOE）

■ 近似模型探索设计空间

■ 全局灵敏度分析

系统参数识别

■ 系统/材料参数识别

■ 曲线拟合历程的可视化

随机分析

■ 蒙特卡洛方法

■ 均值、标准偏差和相关度的评估

■ 可靠性研究（FOSM，FORM）

■ 有限元模型统计结果的可视化

后处理

■ 近似模型的可视化（2-D/3-D）

■ 灵敏度、相关性矩阵

■ 散点图/历程图

■ Pareto 优化方案

LS-TaSC

LS-TaSC 工具可以用于解决动态载荷和接触条件下非线性问题的拓扑优化。通过LS-DYNA 结构分析，可以用于结构的概念设计阶段。

通用功能

■ 用六面体和四面体单元进行实体单元设计

■ 用四边形和三角形单元进行壳单元设计

■ 全局约束

几何定义

■ 多个零件

■ 约束：挤压、铸造、对称件

LS-PREPOST

LS-PrePost 专门用于基于关键字输入文件的LS-DYNA 模型的导入、编辑和导出。新版本采用重新设计的图形用户界面，直观地将程序功能按基于图标的工具栏形式进行分组，使图形区域最大化。

LS-PrePost 支持新的OpenGL 标准，为用户提供快捷的图形渲染和动画效果。为了与LS-DYNA 的新增功能同步，LS-PrePost 软件也一直在不断发展。由于没有许可文件的要求，LS-PrePost 可以很方便地安装在任何使用Windows 或Linux 操作系统的机器上。

通用功能

■ 支持LS-DYNA 的输入和输出文件

■ 图像输出格式：PNG, TIFF, JPG, BMP, PCX, PS,PSIMAGE, GIF, VRML2

■ 动画输出格式：MPEG, AVI, 动画版的GIF

■ 命令行界面

前处理功能

■ 其它软件的有限元输入格式

■ CAD 输入格式：IGES, STEP

■ CAD 几何数据的创建和处理，包括清理、恢复和简化

■ 网格生成

■ 网格处理、创建和修改

■ LS-DYNA 元素（关键字）创建：坐标系、集合、部件、质量、CNRBs、盒、点焊、SPCs、刚性墙、铆接、初始速度、加速度计、横截面

特殊应用

■ 安全气囊折叠

■ 假人定位

■ 安全带调节

■ 金属成形

■ 辊式折边

■ 模型检查

后处理功能

■ 3-D 动画

■ 时间历程图

■ XY 图

■ 等值线图

■ 着色图

■ 矢量图

■ 渲染图

■ 粒子可视化

■ 流体可视化

■ DYNAIN 文件生成

■ 截面分析

网址

除了由经销商和支持热线提供的信息，互联网上也有大量可供使用的信息。技术文献、常见问题解答、入门指南、教程、模型、实例、手册等详细的说明可以在以下网址的链接上找到，这些网址不需要注册登入就可以使用。

■ www.lstc.com

代码开发商LST公司网址

■ www.feainformation.com

一般信息和各种模拟动画数据库网址

■ www.dynasupport.com

LS-DYNA 的官方支持网站。这里，您可以找到教程、常见问题解答、LS-DYNA 的发行说明和手册并可供下载。

■ www.lsoptsupport.com

LS-OPT 的官方支持网站。用户可以找到LS-OPT的新动态、入门指南、常见问题解答和实例。

■ www.dynalook.com

这个网址包含了过去10 年的国际技术论文和欧洲LS-DYNA 的会议论文。有超过950 篇论文可供参考。

■ www.dynaexamples.com

这里，用户可以下载不同的LS-DYNA 培训课程的课件和实例。

■ www.topcrunch.org

在这个网站上可以找到LS-DYNA 在不同硬件平台上的基准测试结果。这些信息可以用于硬件性能的评估和比较。

■ blog.d3view.com

这个网站上可以访问LS-DYNA 功能的各种评论和详细信息。

■ www.ncac.gwu.edu/vml/models.html

这个网址是由NCAC 维护。它提供了各种车辆和道路隔离护栏的有限元模型。

■ www.dummymodels.com

这里提供了LS-DYNA 的假人模型及其验证情况的详细信息。

此外，用户还可以加入其中的用户组，例如：

■ http://tech.dir.groups.yahoo.com/group/LS-DYNA

■ http://groups.google.com/group/lsopt_user_group

注：本网站所有图片或视频来自网上或ANSYS LST公司的资料文件，如有侵权还请告知并将被删除和替换。

有关软件的咨询和购买事项请联系上海卓位信息技术有限公司：赵海欧, 电话：13816888516，Email：stephen.zhao@dynawe.com