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LS-Dyna常用分析功能及算法介绍

2018年06月24日 CAE 阅读 3,441 views 次

LS-Dyna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(30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型后的回弹计算)。

LS-DYNA主要可进行的分析有: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、实时声场分析、多物理场耦合分析。

LS-Dyna拥有丰富的材料模型和单元库,且950版本后支持SPH算法(光顺质点流体动力算法,是一种无网格Lagrange算法)。

1 接触分析功能

LS-Dyna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、刚体对刚休的接触、 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。这些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型、水下爆炸对结构的影响,高速弹丸对靶板的穿甲模拟计算等。

2 ALE和Euler算法

LS-Dyna具有Lagrange算法和Euler算沄,Lagrange算法的单元网格附着在材料 上,随着材料的流动而产生单元网格的变形。但是在结构变形过于巨大时,有可能使有限元网格造成严重畸变,引起数值计算的困难,甚至程序终止运算。 ALE算法和Euler算法可以克服单元严重畸变引起的数值计算困难,并实现流体-固体耦合的动态分析。ALE算法先执行一个或几个Lagrange时步计算,此时单元网格随材料流动而产生变形,然后执行ALE时步计算:(1)保持变形后的物体边界条件,对内部单元进行重分网格,网格的拓扑关系保持不变,称为Smooth Step。(2)将变形网格中的单元变量(密度、能量、应力张星等)和节点速度矢量输运到重分后的新网格中,称为Advection Step。 用户可以选释ALE时步的开始和终止时间,以及其频率。Euler算法则是材料在一个固定的网格中流动,在LS-Dyna中只要将有关实体单元标志Euler算法,并选择偷运(advection)算法。LS-DYNA还可以将Euler网格与全Lagrange有限元网格方便地耦合,以处理流体与结构在各种复杂载荷条件下的相互作用问题。

3 不可压缩流场分析

LS-DYNA不可压缩流求解器是960版新增加的功能,用于模拟分析瞬态、不可压、粘性流体动力学现象。求解器采用了超级计算机的算法结构,在确保有限元算法优点的同时计算性能得到大幅度提高,从而在广泛的流体力学领域具有很强的适用性。 LS-Dyna不可压缩流求解器是基于隐式时间积分、显式时间积分两种算法的。它的显式算法(一阶精度),解耦动量守恒方程并减少了对内存的需求,但带来损失部分精度。另一 方面,由于显式算法满足扩散和CFD稳定性条件,又可提高计算精度。因此,采用单点积分和沙漏稳定性的显式算法被证明在不可压缩流求解分析中是简便、高效的。

LS-Dyna不可压缩流求解器的二阶精度算法,采用了恒定质量的预置算法和物质质量的校正算法,合理解耦了速度场和压力场,从而减少了计算Navier_Stokes方程对CPU和内存的需求。二阶精度算法可用于分析流场中的涡流,而且很容易推广应用到流体力学领域中湍流现象的计算分析。

4 隐式求解

950版本后,LS-Dyna增加了隐式求解功能,用于非线性结构静动力分析,包括结构固有频率和振型计算。LS-Dyna中可以交替使用隐式求解和显式求解,进行薄板冲压成型的回弹计算、结构动力分析之前施加预应力、特征值分析等。

5 热分析

LS-DYNA程序有二维和三维热分析模块,进行稳态或瞬态的热分析,和热耦合分析。 可以处理热传导、对流和辐射各种热问题,在焊接、冲压、锻压及碰撞等过程中方便的考虑热问题(如塑性能转化为热能的问题)及热应力问题等。

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