LS-DYNA-通用非线性计算软件

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1.什么是LS-DYNA

LS-DYNA程序是一款通用非线性计算软件，兼有隐式和显式算法，同时还支持无网格，扩展有限元等方法。软件功能齐全，涵盖几何非线性、材料非线性和接触非线性等问题。LS-DYNA具备以下计算功能：非线性动力分析；热分析；失效分析；裂纹扩展分析；接触分析；准静态分析；欧拉场分析；任意拉格朗日-欧拉（ALE）分析；流体-结构相互作用分析；不可压缩流体CFD分析，电磁场计算；实时声场和分析多物理场耦合分析等。目前，LS-DYNA已经被ANSYS收购，在最新的2020R2版本中，LS-DYNA已经成为ANSYS Workbench平台的一个单独模块，且可以直接在WB环境支持SPH算法，该算法适合解决大变形问题，如图1所示。

图1ANSYS2020R2版本分析系统

2.LS-DYNA的计算流程

本文主要介绍基于ANSYS Workbench环境的LS-DYNA计算流程，主要流程如图2所示，对应简单的碰撞冲击问题，用户可以直接在ANSYS Workbench平台的LS-DYNA直接设置，但是对于复杂的问题，例如爆炸，流固耦合计算，则需要借助LS-PREPOST模块进行K文件的修改才能完成求解。

图2 LS-DYNA计算流程

3.应用方向

LS-DYNA是兼有显式与隐式算法，主要的优势在于处理材料失效与大变形问题，主要的应用方向如下：

3.1 材料失效问题

LS-DYNA软件提供了多种金属和非金属材料模型可供选择，如弹性、弹塑性、超弹性、泡沫、玻璃、地质、土壤、混凝土、流体、复合材料、炸药及起爆燃烧、刚性及用户自定义材料，并可考虑材料失效、损伤、粘性、蠕变、与温度相关、与应变率相关等性质，用户可以通过添加失效关键字或引入具备失效的材料模型，来模拟各类材料的失效问题，如图2所示。

图2 岩石破碎仿真分析

如图给出了材料失效的关键字设置面板，通过该关键字可以考虑应力，应变等各种参数的失效问题。

图添加材料失效的关键字设置面板

3.2 接触碰撞问题

LS-DYNA程序的全自动接触分析功能易于使用，功能强大。现有多种接触类型可以求解下列接触问题：变形体对变形体的接触、变形体对刚体的接触、刚体对刚体的接触、板壳结构的单面接触(屈曲分析)、与刚性墙接触、表面与表面的固连、节点与表面的固连、壳边与壳面的固连、流体与固体的界面等，并可考虑接触表面的静动力摩擦(库伦摩擦、粘性摩擦和用户自定义摩擦模型)、热传导和固连失效等。接触碰撞的典型应用就是在汽车行业，LS-DYNA支持各类假人，气囊，轮胎等模型，被ANSYS收购后，在产品组合中添加汽车碰撞仿真，将方便用户在一个软件产品组合中选择相应方案全面优化其产品，充分利用ANSYS仿真技术模拟碰撞和其它非线性动力学。

图汽车的碰撞计算

3.3 爆炸冲击问题

LS-DYNA软件当初主要应用于求解一维非弹性结构在高速碰撞、爆炸冲击下的大变形动力响应，是北约组织武器结构设计的分析工具，现在广泛应用于国防军工企业，大家知道炸药爆炸时间非常短暂，并在瞬间产生强大的冲击波，从而对周围的物体进行冲击导致破坏。LS-DYNA提供高能炸药材料模型和齐种炸药的状态方程，能够准确的模拟整个冲击波的传播过程和结构的瞬态响应过程。如图7和8分别给出了不同工况下的爆炸模拟计算结果。