LS-DYNA-理论及功能(简介)

LS-DYNA理论及功能LS-DYNA的理论及功能LS-DYNA发展概况(LS-DYNAIntroduction)LS-DYNA是以显式为主、隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成形等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。DYNA程序系列昀初是1976年在美国LawrenceLivermoreNationalLab.由J.O.Hallquist博士主持开发完成的，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，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），950版（1998年）增加了汽车安全性分析（汽车碰撞、气囊、安全带、假人）、薄板冲压成形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程序系统在国防和民用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，PC版的前后处理采用ETA公司的FEMB，新开发的后处理器为LS-POST。目前，国内LS-DYNA的商业用户已超过100家。LS-DYNA的昀新版本是2001年5月推出的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，详见以下介绍。LS-DYNA程序960版是功能齐全的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（140多种材料动态模型）和接触非线性（40多种接触类型）程序。它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、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（如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成形后的回弹计算）；军用和民用相结合的通用非线性结构分析有限元程序。图1汽车虚拟石子路行驶试验图2核反应堆抗冲击性能分析图3弹靶侵彻模拟分析能力(LS-DYNACapability)LS-DYNA具有很广泛的分析功能，可模拟许多二、三维结构的物理特性：非线性动力分析热分析失效分析裂纹扩展分析接触分析1LS-DYNA理论及功能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分析实时声场分析多物理场耦合分析（结构、热、流体、声场等）图4荫罩板成形图5汽车悬挂疲劳分析材料模型(MaterialModel)LS-DYNA程序目前有140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。图6普惠公司鸟撞试验图7普惠公司鸟撞仿真结果图8轿车碰撞模拟图9易拉罐屈曲试验图10易拉罐屈曲模拟图11破片对生物体的创伤状态方程(EquationofState)在LS-DYNA的材料模型中有较多的材料可通过状态方程来描述。常规条件下的结构材料，一般不使用状态方程，但对于高速（100m/s）、高压（6-10Gpa）碰撞下的结构材料、流体、物质燃烧等有化学反应的过程都必须采用状态方程来描述，状态方程仅仅描述材料的体积变形行为：图12反挤工艺模拟p=f(v,r,E,T)p：压力v：相对体积r：密度2LS-DYNA理论及功能E：内能T：温度LS-DYNA有14种状态方程，可以处理各种非常复杂的物理现象和材料特性，常用的状态方程如下：*eos_linear_polynomial(线性多项式)*eos_jwl（炸药）*eos_gruneisen（结构材料）*eos_ignition_and_growth_of_reaction_in_he（推进剂燃烧）*eos_tabulated（列表方式）单元库(ElementFormulation)LS-DYNA程序现有16种单元类型，有二维、三维单元，薄壳、厚壳、体、梁单元，ALE、Euler、Lagrange单元等。各类单元又有多种理论算法可供选择，具有大位移、大应变和大转动性能，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，节省存储量，可以满足各种实体结构、薄壁结构和流体-固体耦合结构的有限元网格剖分的需要。薄壳算法选择四边形壳元•Hughes-Liu•Belytschko-Tsay（缺省）图13小猎犬2号火星登陆车纤维峰值应力分布•S/RHughes-Liu•S/R旋转Hughes-Liu•Belytschko-Leviathan壳•Belytschko-Wong-Chiang•S/R快速（旋转）Hughes-Liu•平面应力(二维)XY平面•平面应变(二维)XY平面•轴对称实体(面积加权，Y轴对称)•轴对称实体(体积加权，Y轴对称)•全积分壳单元(快速)•全积分DKT三角形壳单元•全积分线性DK四边形/三角形壳单元三角形壳元•BCIZ壳元•CO三角形壳元•全积分线性假定应变CO壳单元膜单元•Belytschko-Tsay膜元•FullyIntergratedBelytschko-Tsay膜元图14显像管玻壳研磨工艺研究欧拉单元•单点积分EulerNavier-Stokes壳单元•8积分点EulerNavier-Stokes壳单元3LS-DYNA理论及功能实体元算法选择•常应力固体元（缺省）•全积分S/R固体元•全积分带节点旋转8节点固体元•S/R带节点旋转四面体元•单点ALE法•单点Euler法•单点Euler,ambient图15弹靶侵彻模拟•声学单元•单点带旋转(用于Modified_Honeycomb材料)•单点四面体元•单点多物质ALE单元•单点单物质+空白单元•单点积分压力四面体单元(用于固体成形分析)•8积分点声学单元•2积分点五面体单元•8积分点加强应变型固体单元(只用于静态线性分析)梁单元算法选择•Hughes-Liu梁元•Belytschko-schwerresultant梁元•桁架元•Belytschko-Schwer梁元•Belytschko-Schwertubular梁元•离散的梁/缆元•二维平面应变壳元（XY平面）•二维轴对称壳元（XY平面）•焊点梁元弹簧阻尼元•平动选项•旋转选项•线性选项图16导弹发射气流对飞机结构的冲击•非线性选项厚壳单元算法选择•面内单点积分，沿壳厚多点积分•面内2X2点积分，沿壳厚多点积分•面内假定应变2X2点积分，沿壳厚多点积分刚性体集中质量元4LS-DYNA理论及功能惯性单元安全带单元(六种)SPH单元剪切单元接触分析功能(ContactType)LS-DYNA程序的全自动接触分析功能易于使用，功能强大。现有40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。这种技术成功地用于整车碰撞研究、乘员与柔性气囊或安全带接触的安全性分析、薄板与冲头和模具接触的金属成形、水下爆炸对结构的影响等。此外程序采用材料失效和侵蚀接触(erodingcontact)可以进行高速弹丸对靶板的穿甲模拟计算。接触类型单面接触节点－表面接触表面－表面接触通用Single_SurfaceNodes_to_SurfaceSurface_to_SurfaceOne_Way_Surface_to_Surface自动Automatic_Single_SurfaceAutomatic_Nodes_to_SurfaceAutomatic_Surface_to_SurfaceAutomatic_One_Way_Surface_to_Surface刚体Rigid_Nodes_to_Rigid_BodyRigid_Body_One_Way_to_Rigid_BodyRigid_Body_Two_Way_to_Rigid_Bbody固连Tied_Nodes_to_SurfaceTied_Shell_Edge_to_SurfaceTied_Surface_to_Surface固连失效TieBreak_Nodes_to_SurfaceTiebreak_Surface_to_Surface侵蚀Eroding_Single_SurfaceEroding_Nodes_to_SurfaceEroding_Surface_to_Surface成形Forming_Nodes_to_SurfaceForming_Surface_to_SurfaceForming_One_Way_Surface_to_Surface其他Airbag_Single_Surface,Drawbead,Constraint_Nodes_to_Surface,Constraint_Surface_to_Surface,Single_Edge,Sliding_only,Sliding_only_Penalty其他接触类型有：•接触界面之间的热传导contact_surface_to_surface_thermal•一维接触contact_1D用以模拟钢筋在混凝土中的一维滑动线•二维接触contact_2D用于平面应力、平面应变和轴对称问题边界之间的接触，•仅滑动Sliding_Only•固连滑动Tied_Sliding•自动单面接触Automatic_Single_Surface•自动面面接触Automatic_Surface_to_Surface5LS-DYNA理论及功能•自动点面接触Automatic_Node_to_Surface•以几何体定义接触Contact_entity•定义拉延筋接触Contact_drawbead•刚体假人与变形体接触Contact_gebod•定义膜片单元的内部接触Contact_interior•定义刚体表面接触Contact_rigid_surface初始条件、载荷和约束(InitialCondition,LoadandConstrained)•初始速度、初应力、初应变、初始动量（模拟脉冲载荷）；•高能炸药起爆；•节点载荷、压力载荷、体力载荷、热载荷、重力载荷；•循环约束、对称约束（带失效）、无反射边界；•给定节点运动（速度、加速度或位移）、节点约束；•铆接、焊接（点焊、对焊、角焊）；•二个刚性体之间的连接－球形连接、旋转连接、柱形连接、平面连接、万向连接、平移连接；•位移/转动之间的线性约束、壳单元边与固体单元之间的固连；•带失效的节点固连。自适应网格剖分(AdaptiveMeshing)自适应网格剖分技术通常用于薄板冲压变形模拟、薄壁结构受压屈曲、三维锻压问题等大变形情况，使弯曲变形严重的区域皱纹更加清晰准确。用户可指定采用自适应网格剖分的壳单元组（part），当某单元与相邻单元之间倾斜角度超过某一控制值（用户给定）时，该单元将自动剖分。用户还可以限定昀大细分级别，1、2、3、4…级细分分别将一个单元重分成1、4、16、64…个单元。如图17所示。图17自适应网格细分对于三维锻压问题，LS-DYNA主要有两种方法：自适应网