一、什么是LS-DYNA

LS-DYNA程序是一款著名動力分析有限元程序，是顯式動力學(xué)程序的鼻祖。軟件功能齊全，涵蓋幾何非線性（大位移、大轉(zhuǎn)動和大應(yīng)變）、材料非線性（300多種材料動態(tài)模型）和接觸非線性等問題。LS-DYNA 具有很廣泛的分析功能，可模擬許多二、三維結(jié)構(gòu)的物理特性，具備一下計(jì)算功能：

非線性動力分析；

熱分析；

失效分析；

裂紋擴(kuò)展分析；

接觸分析；

準(zhǔn)靜態(tài)分析；

歐拉場分析；

任意拉格朗日-歐拉（ALE）分析；

流體-結(jié)構(gòu)相互作用分析；

不可壓縮流體CFD分析，電磁場計(jì)算；

實(shí)時聲場和分析多物理場耦合分析等。

LS-DYNA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(jié)構(gòu)分析為主，兼有熱分析、流體-結(jié)構(gòu)耦合功能；以非線性動力分析為主，兼有靜力分析功能。總之，是一款通用非線性有限元程序。2019年9月，ANSYS宣布進(jìn)入收購LSTC公司的最終協(xié)議階段，收購?fù)瓿珊螅瑢⒂兄贏NSYS用戶解決新型工程挑戰(zhàn)，例如研發(fā)更安全的汽車、飛機(jī)和火車，同時減少乃至不需要成本高昂的物理測試。收購之后，LS-DYNA作為ANSYS Workbench平臺的一個獨(dú)立模塊，如圖1所示。

圖1 ANSYS2020R2版本分析系統(tǒng)

二、LS-DYNA的計(jì)算流程

本文主要介紹基于ANSYS Workbench環(huán)境的LS-DYNA計(jì)算流程，主要流程如圖2所示，對應(yīng)簡單的碰撞沖擊問題，用戶可以直接在ANSYS Workbench平臺的LS-DYNA直接設(shè)置，但是對于復(fù)雜的問題，例如爆炸，流固耦合計(jì)算，則需要借助LS-PREPOST模塊進(jìn)行K文件的修改才能完成求解。

圖2 LS-DYNA計(jì)算流程

三、LS-DYNA的應(yīng)用方向

LS-DYNA是兼有顯式與隱式算法，主要的優(yōu)勢在于處理材料失效與大變形問題，主要的應(yīng)用方向如下：1、材料失效問題LS-DYNA軟件提供了多種金屬和非金屬材料模型可供選擇，如彈性、彈塑性、超彈性、泡沫、玻璃、地質(zhì)、土壤、混凝土、流體、復(fù)合材料、炸藥及起爆燃燒、剛性及用戶自定義材料，并可考慮材料失效、損傷、粘性、蠕變、與溫度相關(guān)、與應(yīng)變率相關(guān)等性質(zhì)，用戶可以通過添加失效關(guān)鍵字或引入具備失效的材料模型，來模擬各類材料的失效問題，如圖2和3所示。

圖2 巖石破碎仿真分析

圖3 材料的拉伸失效計(jì)算如圖4給出了材料失效的關(guān)鍵字設(shè)置面板，通過該關(guān)鍵字可以考慮應(yīng)力，應(yīng)變等各種參數(shù)的失效問題。

圖4 添加材料失效的關(guān)鍵字設(shè)置面板

2、接觸碰撞問題LS-DYNA程序的全自動接觸分析功能易于使用，功能強(qiáng)大。現(xiàn)有多種接觸類型可以求解下列接觸問題：變形體對變形體的接觸、變形體對剛體的接觸、剛體對剛體的接觸、板殼結(jié)構(gòu)的單面接觸（屈曲分析）、與剛性墻接觸、表面與表面的固連、節(jié)點(diǎn)與表面的固連、殼邊與殼面的固連、流體與固體的界面等，并可考慮接觸表面的靜動力摩擦（庫倫摩擦、粘性摩擦和用戶自定義摩擦模型）、熱傳導(dǎo)和固連失效等。接觸碰撞的典型應(yīng)用就是在汽車行業(yè)，LS-DYNA支持各類假人，氣囊，輪胎等模型，被ANSYS收購后，在產(chǎn)品組合中添加汽車碰撞仿真，將方便用戶在一個軟件產(chǎn)品組合中選擇相應(yīng)方案全面優(yōu)化其產(chǎn)品，充分利用ANSYS仿真技術(shù)模擬碰撞和其它非線性動力學(xué)。

圖5 汽車的碰撞計(jì)算

圖6電路板的跌落沖擊失效計(jì)算

3、爆炸沖擊問題LS-DYNA軟件當(dāng)初主要應(yīng)用于求解一維非彈性結(jié)構(gòu)在高速碰撞、爆炸沖擊下的大變形動力響應(yīng)，是北約組織武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析工具，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于國防軍工企業(yè)，大家知道炸藥爆炸時間非常短暫，并在瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，從而對周圍的物體進(jìn)行沖擊導(dǎo)致破壞。LS-DYNA提供高能炸藥材料模型和齊種炸藥的狀態(tài)方程，能夠準(zhǔn)確的模擬整個沖擊波的傳播過程和結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)過程。如圖7和8分別給出了不同工況下的爆炸模擬計(jì)算結(jié)果。

圖7 水下爆炸不同時刻的壓力云圖

圖8 爆炸作用下的巖石裂紋擴(kuò)展計(jì)算
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