One Code, One Model | 一文详解显式有限元鼻祖Ansys LS-DYNA

本文首发于Ansys中国知乎机构号：《5分钟读懂显式有限元分析工具Ansys LS-DYNA》

LS-DYNA是LSTC公司的旗舰产品，专注于计算速度和精度，数十年来一直是汽车行业耐撞性和乘客安全仿真的黄金标准，其擅长仿真材料在承受短时高强度载荷时的响应，如碰撞、跌落以及金属成型过程中发生的情况。

Ansys LS-DYNA应用领域

LS-DYNA程序系列，最初是1976年在美国Lawrence Livermore National Lab.由J.O. Hallquist博士主持开发完成的，后经1979、1981、1982、1986、1987、1988年版的功能扩充和改进，成为国际著名的非线性动力分析软件，在结构设计、弹道设计、材料研制等方面得到了广泛的应用。

1988年J.O. Hallquist博士创建LSTC公司，推出LS-DYNA程序系列，主要包括显式LS-DYNA2D、LS-DYNA3D、隐式LS-NIKE2D、LS-NIKE3D、热分析LS-TOPAZ2D、LS-TOPAZ3D，前后处理LS-MAZE、LS-ORION、LS-INGRID、LS-TAURUS等商用程序，进一步规范和完善DYNA的研究成果，陆续推出930版（1993年）、936版（1994年）、940版（1997年），并增加了汽车安全性分析（汽车碰撞、气囊、安全带、假人）、薄板冲压成型过程模拟，以及流体与固体耦合（ALE和Euler算法）等新功能，使得LS-DYNA程序系统在商业领域的应用范围进一步扩大，并建立了完备的质量保证体系。

1997年LSTC公司将LS-DYNA2D、LS-DYNA3D、LS-TOPAZ2D、LS-TOPAZ3D等程序合成一个软件包，称为LS-DYNA。2001年5月推出960版，它在950版基础上增加了不可压缩流体求解程序模块，并增加了一些新的材料模型和新的接触计算功能，从2001年到2003年初LSTC公司不断完善960版的新功能，并于2003年3月正式发布970版。

2008-2011年期间，隐式功能可以使用大规模并行计算，至此，LS-DYNA嵌入可扩展的隐式求解器。LS-DYNA隐式和显式算法可以使用相同的单元和材料进行建模，因此可以使用一个模型进行静力学和动力学分析。分析中，隐式和显式可以无缝切换，提升了仿真的应用水平。该求解器具备隐式线性和非线性算法，可以解决静力问题和动力学问题。

除了隐式解决方案的进展之外，现在还有许多其他新的功能。2012-2013年期间发布LS-DYNA R7.0，新增了三个求解器：EM，CESE和ICFD，以及用于支持后两个求解器的体网格生成器，完成了多物理耦合的完整解决方案。

近年来，LSTC研发团队也从几十人发展到了100多人，推出了从R8~R12版本，几乎每年推出一个新版本。在隐式计算、S-ALE流固耦合计算、DEM离散元、NVH分析、SPH粒子法、SPG无网格法、ICFD不可压缩流体及流固耦合计算、CESE高速可压缩流体计算、电磁场（EM）计算、Peri-Dynamic算法等领域，尤其有快速的进步与发展。以下列举的是部分LS-DYNA支持的不同分析类型和方法：

• 任意拉格朗日欧拉方法

• 不可压缩流体动力学

• 守恒元/求解可压缩流体

• 离散单元法

• 电磁学

• SPG无网格伽辽金方法

• S-ALE流固耦合

• 隐式仿真

• NVH分析

• SPH粒子法

• 热传导

• 近场动力学

S-ALE求解器与ALE完全相同，但S-ALE在实现上是独立于ALE而全新开发的，网格的简单与单一性也使得程序变得简洁与易维护，简洁的程序又反过来提高了运行的效率。

LS-DYNA频域分析（FDA）模块用于工程仿真和分析中进行频域模拟。它为客户关注的行业，提供振动、噪音和结构耐久性的解决方案，例如车辆的NVH（噪音，振动和平顺度）以及金属结构和部件的耐久性，这种分析对于车辆和其他结构的舒适性，安全性和完整性至关重要。

SPH法，作为一种无网格拉格朗日的粒子方法，有着它自身的优点。作为无网格方法，它可以自然处理极端变形，移动边界，自由表面和可变形边界。作为拉格朗日方法，物质点的物理变量随时间的变化可无需特殊处理而被轻易提取；自由表面和移动边界，以及物质界面的边界条件也自然满足。作为粒子方法，它可以自然地运用接触算法来处理流体和固体间的相互作用。

SPG无网格方法是基于直接点积分（Direct Nodal Integration) 的迦辽金算法。直接点积分的不稳定性问题在SPG方法中用光滑位移理论 (Displacement Smoothing Theory) 进行了处理，这使得该方法稳定性好、精度高。相比于传统高斯积分的无网格法，其效率又因为直接点积分得到了一定的提升。

不可压缩流的计算模块（ICFD Solver)，一开始就被设计为一个可以提供准确性，以及具有可扩展性的流体力学及多物理求解器，同时，可以简单地与LS-DYNA其他物理模块整合起来。ICFD持续的发展重心放在了与新模块整合、耦合算法的改良、计算效率的增进、以及考虑到非计算流体力学或固体力学背景的使用者，其耦合计算时，步骤也非常简单。

可压缩流的计算模块（CESE Solver)，该模块采用的是计算流体力学中一种新的数值计算方法，即守恒元/解元（CE/SE)方法，也称时-空守恒格式。该方法与传统计算方法相比有许多独特的优点。该方法采用了一种简单而有效的激波捕捉技术，不像许多传统方法那样需要求解黎曼问题。它把流体守恒变量及其空间偏导数都作为变量来同时进行求解，从而使其比同类格式的计算精度更高。

电磁场计算模块（EM Solver)，该模块求解的是涡电流（诱导-扩散）逼近下的麦克斯韦方程组，它主要适用于当电磁波在空气或真空中的传播可以看作是在瞬间完成的，进而波的传播过程无需求解的情形。该EM模块已与固体结构分析程序及固体传热程序进行了耦合。在电磁场的求解过程中，它对导体采用的是有限元方法（FEM)，而对周围的空气及绝缘体采用的则使用边界元方法（BEM)。

键型近场动力学（Bond-Based Peridynamics），是最近十几年兴起的，模拟脆性材料裂纹扩展和结构破坏行为的新型非局部理论。针对传统键型近场动力学的局限性，例如特殊的位移边界条件施加方法和均匀网格要求，LS-DYNA利用非连续伽辽金理论构建了针对键型近场动力学的虚功控制方程，在有限元法的框架内实现了该理论。该方法在汽车挡风玻璃、水泥构件、脆性塑料构件的破坏模拟中得到广泛应用。

Ansys与LSTC公司已是多年的合作伙伴。1996年首次发布Ansys LS-DYNA，2013年LS-DYNA与Ansys Workbench集成，工程师使用熟悉的Workbench用户界面就能轻松开展LS-DYNA仿真。Ansys Workbench与LS-DYNA的结合帮助显式动力学仿真得到扩展，超越了某个专业领域龙头的范畴。同时，开展多物理场仿真所需的计算资源成本更低，使得LS-DYNA的可扩展性能够应用到自由度越来越高的模型上。

在2019年收购LSTC后，Ansys能更加深入地集成LS-DYNA的显式动力学求解器，该代码来源于使用显式时间积分的高度非线性、瞬态动力学有限元分析(FEA)方法，可以帮助不同熟练度的工程师更轻松地求解瞬态动力学问题，例如汽车碰撞、鸟撞飞机和爆炸等。Ansys与LS-DYNA求解器相结合的仿真解决方案有助于工程师详细了解此类事件中发生的非线性现象。

Ansys LS-DYNA提供了可以在Ansys Mechanical环境中使用的前、后处理工具，包括自动网格划分功能和定义材料、接触、载荷和边界条件的功能。工程师无需离开直观的Ansys Workbench环境，就能对准备进行显式分析的CAD几何结构开展参数化研究。Ansys LS-DYNA、Workbench用户可以使用Ansys SpaceClaim进行几何结构建模以及双向的计算机辅助设计 (CAD)连接。

Ansys LS-DYNA中可提供一系列精确的实体、壳和梁的低阶和高阶元公式。这些单元可以通过Ansys Mechanical界面应用到每个部件上，这样工程师就能将高保真度单元仅放置到需要节省时间的区域。不同部件之间、部件内和单个元素内的接触可以自动检测。

使用Ansys Mechanical和LS-DYNA的工程师和仿真分析师发现，与Workbench集成能够缩短他们的求解时间。这种速度提升部分源自于LS-DYNA的并行计算，该计算可以从台式计算机扩展到使用Linux、Windows和UNIX的数千个处理器集群。此外，Ansys LS-DYNA用户还能受益于Ansys Mechanical中的内在工作流程效率和易用性。

如今，几乎所有类型的工程师，都能够使用Ansys LS-DYNA仿真来研究涉及严重材料变形或失效的产品行为。该软件便于研究部件之间的相互作用，让用户能够轻松评估部件和装配体的综合行为，或组成更大系统的产品行为。自行车头盔撞击路面、含有破碎叶片碎片的涡轮发动机、国防设备对爆炸的反应、水电大坝在地震中摇晃或服务器撞击地板，都是利用LS-DYNA研究相互作用的例子。严重材料变形行为可能发生在安全气囊部署和液压成形过程中的金属弯曲等许多物理问题有关。使用Ansys LS-DYNA可以分析的瞬态和接触问题有成千上万。

经渲染后的LS-DYNA碰撞仿真（渲染图片由EdHelwig提供）

碰撞测试后的车辆。仿真可用于最大限度地减少所需的物理测试数量（图片由美国国家高速公路交通管理局提供）

除了研究部件的相互作用，Ansys LS-DYNA还可提供鲜为人知但非常强大的功能，解决难以通过物理测试进行评估的强耦合多物理场问题。该软件的显式和隐式方法可以用相同模型仿真静态和动态问题。之所以可以开展这些仿真，是因为LS-DYNA求解器能够用一个求解器处理多阶段、多尺度、多物理场问题，比如电动车电池的内部短路行为、高尔夫球棒击球的噪声、振动和粗糙度、汽车轮胎驶过水池的飞溅和打滑行为，甚至主动脉人工心脏瓣膜在血液泵送通过时的复杂启闭行为。

起搏器→生物电→心室瓣膜→血液流动

LS-DYNA与Ansys Workbench的深入集成，将有助于优化多物理场产品设计和研发工作流程，以便充分利用电气化、自动驾驶汽车和5G等颠覆性技术，因为这些技术将继续从汽车、航空航天和通讯行业向外扩展，几乎进入到各个行业。更大规模、更复杂的问题需要速度更快、更易获取的解决方案，而这正是Ansys收购LSTC后为客户所能提供的解决方案。Ansys收购LSTC后，双方的客户都期望实现更深入的技术集成。随着Ansys进一步将LS-DYNA集成到Workbench中，客户可以确保他们将处于公司决策流程的核心位置。

近期，Ansys宣布推出包含12个月免费许可证的Ansys LS-DYNA学生版下载，这将进一步丰富学生产品系列，帮助学生学习有关显式仿真的核心设计和工程技能，现可从官网中免费下载。点击下方图片开启试用体验！