关于LS-DYNA软件包详细讲解

一、什么是LS-DYNA

LS-DYNA程序是一款著名动力分析有限元程序，是显式动力学程序的鼻祖。软件功能齐全，涵盖几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（300多种材料动态模型）和接触非线性等问题。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，具备一下计算功能：

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。

LS-DYNA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。总之，是一款通用非线性有限元程序。2019年9月，ANSYS宣布进入收购LSTC公司的最终协议阶段，收购完成后，将有助于ANSYS用户解决新型工程挑战，例如研发更安全的汽车、飞机和火车，同时减少乃至不需要成本高昂的物理测试。收购之后，LS-DYNA作为ANSYS Workbench平台的一个独立模块，如图1所示。

图1 ANSYS2020R2版本分析系统

二、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

三、LS-DYNA的应用方向

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：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和3所示。

图2 岩石破碎仿真分析

图3 材料的拉伸失效计算如图4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4 添加材料失效的关键字设置面板

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5 汽车的碰撞计算

图6电路板的跌落冲击失效计算

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。

图7 水下爆炸不同时刻的压力云图

图8 爆炸作用下的岩石裂纹扩展计算
编辑：lyn