LS-DYNA实例分析

（一） LS-DYNA的基本介绍

LS-DYNA是一个以显式求解为主、兼有隐式求解功能，以Lagrange算法为主、兼有ALE和Euler算法，以结构分析为主、兼有热分析和流体-结构耦合功能，以非线性动力分析为主、兼有静力分析功能，军用和民用相结合的通用非线性结构动力分析有限元程序，主要用于求解各种非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等结构非线性问题。

DYNA程序系列最初是1976年在美国Lawrence Livermore National Lab.由J.O.Hallquist主持开发完成的，主要目的是为武器设计提供分析工具，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，在武器结构设计、内弹道和终点弹道、军用材料研制等方面得到了广泛的应用。

1988年J.O.Hallquist创建LSTC公司，自此开始DYNA程序的商业化开发，LSTC陆续将DYNA的显式、隐式、热分析等系列程序组合在一起，形成一个整体的LS-DYNA软件包，并逐步增加汽车安全性分析、薄板冲压成型过程模拟、流体与固体耦合（ALE和欧拉算法）等功能，使LS-DYNA程序系统在国防和民用领域的应用范围不断扩大，并建立了完备的质量保证体系。

因此LS-DYNA一经推出，即在显式有限元分析领域引起轰动效应，大大拓展了LS-DYNA的用户领域，在中国地区，LS-DYNA的用户数在短短的几年时间内即超过了200家，远远领先于其它显式分析程序。

 LS-DYNA程序的主要强项在于：

Ø  历史悠久、应用广泛。该软件是全世界范围内最知名的有限元显式求解程序。LS-DYNA程序开发的最初目的是为北约组织的武器结构设计、防护结构设计服务，是该组织的Public Domain程序，后来商业化后广泛传播到世界各地的研究机构。从理论和算法而言，LS-DYNA是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论基础，经过多年的发展，它已经成为功能最丰富、应用领域最广、全球用户最多的有限元显式求解程序，在高度非线性结构动力学分析领域具有无可争议的领导地位。

Ø  功能丰富：LS-DYNA融合了显式和隐式两种求解技术，不但可以进行动力分析，还能进行一定程度的静力分析。在显式求解技术方面，不但涵盖了传统的拉格朗日（Lagrange）、欧拉（Euler）和任意拉格朗日－欧拉耦合（ALE流固耦合）算法，而且提供了目前数值技术的先进技术－无网格算法（Meshfree），典型的有SPH和EFG算法。

Ø  强大的结构分析功能：相比其他显式程序，LS-DYNA在结构动力分析的功能上可以说无出其右者。主要体现在两点：（1）最丰富的接触碰撞算法；LS-DYNA提供了几乎所有结构相互作用所需的接触算法。从接触算法原理上，有罚函数法、约束法和分配参数法；从计算空间上，有1D、2D和3D接触；从材料特性来看，有变形体间接触、变形体和刚体接触以及刚体间接触；从行业来看，有制造业行业的成形接触和拉延筋接触，汽车行业专用的气囊单面接触和焊点接触，军工行业常用的侵蚀接触和滑移接触（模拟炸药和结构间接触）；从接触状态来看，有固连、断开接触、约束接触、过盈接触、边接触和单面接触。还可以考虑接触界面的传热并提供初始穿透及接触力的处理。（2）最全面的单元技术；LS-DYNA提供了所有显式程序中最全面的单元算法：Lagrange、Euler、ALE、SPH、EFG，所有这些单元算法，都可以用于结构响应分析，其流固耦合功能也是侧重研究结构所受的冲击响应。

Ø  强大的并行计算和二次开发功能：LS-DYNA很早就开始高级并行算法的研究和应用，其SMP和MPP并行计算能力在各种平台上均具有极好的并行特性，且支持其所有计算功能。LS-DYNA具备完善的二次开发功能，不仅提供了材料和摩擦类型的二次开发功能，还提供了用户定义的程序控制、接口控制等多种接口功能，使得我们可以灵活的用户化的发挥LS-DYNA的强大功能。

单元类型

LS-DYNA程序的单元类型众多，有二维、三维单元，详细可分为薄壳、厚壳、体、梁单元，ALE、Euler、Lagrange单元等。单元积分采用沙漏粘性阻尼以克服零能模式，单元计算速度快、存储空间少，可以满足各种实体结构、薄壁结构和流固耦合结构的有限元网格划分的需要。其中960版本提供SPH(SmoothedParticleHydrodynamics)算法，该算法是一种无网格Lagrange算法，可用于分析连续体结构的解体、破裂、固体的层裂、脆性断裂等。各种单元都有多种算法可供用户选择，如实体单元单点积分，薄壳单元面内单点积分、沿壳厚多点积分。线性位移函数和单点积分的显式单元能够很好的用于大变形和材料失效等非线性问题。

材料类型

LS—DⅥqA970版本有100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，并可考虑材料的失效、损伤、粘性、蠕变、与温度或应变率相关等特性。

接触分析功能

LS．DYNA程序的全自动接触分析易于使用，功能强大。由40多种选择可以求解不同的接触问题，如变形体与变形体的接触、变形体与刚体的接触、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、节点与表谣的圆连、壳边与壳面的固连、流体与固体的接触等，并可考虑接触表面的静、动摩擦力(库伦摩擦、粘性摩擦和用户自定义摩擦)、热传导和固连失效等。这些技术成功地运用于整车碰撞模拟研究、乘员与柔性气囊或安全带接触的安全性分析、金属成型中的薄板与冲头和模具接触，高速弹丸对靶板的穿甲模拟计算等。

（二）某电动玩具的跌落分析

下图几何模型由某公司提供，几何模型包括手 枪钻各部件 :

大部分部件采用壳单元离散，电池、马达，轴等划分为实体单元。

有限元网格图形,节点总数为86126，实体单元为18229（含地面模型），壳单元为58779。

•    载荷、初始条件

 手 枪钻跌落过程为自由落体，高度1.829米，跌落方向为模型中坐标系Y正向或负向。为减少计算时间，计算从手 枪钻与地面即将接触开始，即初始条件中整个手 枪钻具有沿+Z方向或-Z方向初速度5.98米/秒。

•    定义联接和接触

 手 枪钻中存在的联接主要为螺钉联接和卡槽联接，采用LS-DYNA的约束方程算法定义，在此模型中，网格划分过程中最大程度遵照实际结构。模型中任何正在接触及受力变形后可能发生接触的部位都定义了接触界面。此模型中共定义了20个接触界面。

材料模式和参数

主要使用了2种材料模式：弹塑性材料、刚性材料。手 枪钻的塑料部件采用弹塑性材料马达、地面等采用刚性材料。

整机实际质量为2.7Kg，有限元模型的总质量可由LS-DYNA输出列表，为2.705Kg，质量误差为0.2%。

根据实验条件，选取以下两种跌落作为计算方案。

方案一（如下图）

方案二（如下图）

上图说明在冲击发生后，电池包上盖根部处由于受到瞬间的剪切作用，发生较大的塑性变形 。

上图说明在冲击发生后，冲击力传递到变速箱壳，在螺钉连接处发生较大的塑性变形，可能发生破坏。

对于有限元仿真计算，系统的能量变化非常重要，因为对于一个封闭系统而言，总的能量必须保持平衡 。

上图说明手 枪钻对地面的冲击力峰值约为25KN。

通过与方案一比较可知，在该方案下电池包上盖承受更大的冲击能量,，屈服更大，很有可能发生破坏。

从上图可知冲击力峰值约为15KN，比方案一25KN减小较多，这是由于冲击点处机壳变形较大的原故.

为体现有限元仿真分析的强大功能，现针对计算方案一出现的电池包脱落的问题，通过改进相关结构设计，来进行计算分析，为结构设计提供参考。

观察跌落过程中锁扣与外壳连接处的相对运动，提出对接触面进行一定角度的偏转，在本算例中偏转10度 .

综合以上结果，可以得出以下结论：

LS-DYNA的计算结果及后处理可提供整体结构或任何一点的动态响应。例如整体能量变化、整个结构的受力变化、加速度响应，任一部件的变形情况等。在产品的任何阶段，尤其在概念设计阶段和实验优化阶段，对关键部件可进行详细的破坏机理分析和应力应变分析，给设计工程师提供改进方案和建议，减少重复修模，反复设计的时间，降低实验成本和费用。

结合本次分析，可对该手 枪钻的产品设计提供几点建议：

1.电池包容易发生脱落，可改变锁扣的接触面角度来防止脱落，若在不改变结构设计的条件下，可增大锁扣簧片的刚度来防止脱落。

2.对于电池包上盖，柱的根部容易发生破坏，这是由于电池包的质量大，从而跌落过程中冲量过大，在不改变结构设计的条件下需更改材料，应用强度更高的材料。

3.对于其他可能发生破坏的部件，同样可使用LS-DYNA软件进行改进方案的设计。

（三）汽车保险杠的碰撞分析

保险杠的几何模型的建立是在Hypermesh中进行的，其尺寸参数根据中南传动机械厂耕耘机分厂提供的一个汽车安全自动保护装置设计图获得，由于参数较多，且不影响我们分析问题的本质，故在此不一一列举。其模型如下图所示：

当物理参数都设置好以后，经过检查无误后就可以导出K文件，然后导入LS-DYNA中进行仿真计算。（碰撞过程中截取的图）

第0ms模型图如下:

第3ms模型图：

第6ms模型图：

 第9ms模型图：

由于我们主要是研究规定速度碰撞时的能量吸收曲线,因此我们下面主要是从能量曲线来分析问题,下面是若干能量图及从图我们得出的结论。

能量随时间变化图

从上图可以看出总能量基本不变，动能和内能在碰撞过程中相互转化，沙漏能控制的很好，所以此次仿真实验是比较成功的。

各个部件吸收内能曲线图

Mat1为前挡板的材料，mat7为弹簧材料

从这个曲线图，可以看出汽车的动能的去向，在碰撞中动能主要由弹簧吸收，再由弹性势能转化为动能，至于其他的吸能很少，可以忽略不计。

各个部件动能曲线图

Mat23为模拟车身的质量块的材料，由于主要质量集中在车身质量块上,曲线的降低时由于弹簧吸收能量,将车身的动能转换为弹性势能。

车体加速度曲线图

加速度主要是x方向,y轴方向的加速度基本为0，峰值为2000m/

,超出了人体承受的极限,比较危险,容易造成人身伤害。

总体速度曲线图

这是总体速度变化曲线，由于碰撞前挡板与滑板发生了不可逆转的塑性应变,动能转化成了塑性应变能。

通过此次仿真试验的结果分析，我们可以为新型抗撞结构的优化设计提供如下建议：

Ø  保险杠碰撞的总体效果要尽量将动能吸收，转化为内能。在本次碰撞仿真试验中，由于动能过大,弹簧受力超过它的弹性极限,不能回复至原来状态,从而势能不能再次转化为动能,比较危险.

Ø  此安全装置应该增加安全气囊，安全气囊会十分有效的削减加速度峰值，起到保护人身安全作用。

Ø  在碰撞过程中尽量增大汽车与地面的摩擦力,并且使用特殊材料制成的弹性极限较大的弹簧,从而减少事故发生率。

汽车碰撞的仿真试验也可在交通事故分析中广泛应用。我们可以通过现场勘测的一些数据和场景，通过模拟与仿真，可以在较短时间内，更加客观地进行事故原因分析和责任认定，并可以为交通设施及交通法规的完善提供依据。特别需要注意的是LS．DYNA 3D软件大量采用一点积分单元，大大提高了计算效率，可并行性好但是极易导致零能模式的出现，因此需要进行沙漏控制。

(四) 总  结

LS-DYNA是先进的多动能非线性有限元软件，能够模拟真实世界中的多种复杂问题。其分布式内存求解器能够极大地缩短Unix,linux和Windows操作系统集群上的时间，从而大幅地缩短新产品推向市场所需要的时间、减少开发成本、设计出可靠的产品、显著提高产品的潜能，开发创新型产品。LS-DYNA适合研究涉及大变形、复杂材料模型和复杂接触条件等现象。LS-DYNA可以进行显式或隐式分析，以及结合不同的学科。