LS-DYNA资料.doc

1.1 LS-DYNA发展概况
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程序系列最初是1976年在美国Lawrence Livermore National Lab. 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， LS-DYNA的最新版本是2008年5月推出的971版，它在970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971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。
1.2 分析能力
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：
u非线性动力分析
u热分析
u失效分析
u裂纹扩展分析
u接触分析
u准静态分析
u欧拉场分析
u任意拉格朗日-欧拉（ALE）分析
u流体-结构相互作用分析
u不可压缩流体CFD分析
u实时声场分析
u多物理场耦合分析（结构、热、流体、声场等）
1.3 材料模型
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。
1.4 状态方程
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：
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）
1.5 单元库
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。
n 薄壳算法选择
四边形壳元
· Hughes-Liu
· Belytschko-Tsay（缺省）
· S/R Hughes-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
· Fully Intergrated Belytschko-Tsay膜元
欧拉单元
· 单点积分Euler Navier-Stokes壳单元
· 8积分点Euler Navier-Stokes壳单元
n 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
· 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)
n 梁单元算法选择
· Hughes-Liu梁元
· Belytschko-schwer resultant梁元
· 桁架元
· Belytschko-Schwer梁元
· Belytschko-Schwer tubular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
n 弹簧阻尼元
· 平动选项
· 旋转选项
· 线性选项
· 非线性选项
n 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
n 刚性体
n 集中质量元
n 惯性单元
n 安全带单元(六种)
n SPH单元
n 剪切单元
1.6 接触分析功能
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(eroding contact)可以进行高速弹丸对靶板的穿甲模拟计算。
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_Surface
· 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

图 钢筋混凝土靶板侵彻实验与模拟对比图
1.7 多功能控制选项
多种控制选项和用户子程序使得用户在定义和分析问题时有很大的灵活性。
输入文件可分成多个子文件；
用户自定义子程序；
二维问题可以人工控制交互式或自动重分网格（REZONE）；
重启动；
数据库输出控制；
交互式实时图形显示；
开关控制-可监视计算过程的状态；
对32位计算机可进行双精度分析。
1.8 前后处理功能
LS-DYNA利用LS-POST强大的前后处理模块，具有多种自动网格划分选择，并可与大多数的CAD/CAE软件集成并有接口。
前处理：有限元直接建模与实体建模；布尔运算功能，实现模型的细雕刻；模型的拖拉、旋转、拷贝、蒙皮、倒角等操作；完整、丰富的网格划分工具，自由网格划分、映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分等。
后处理：结果的彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、等值面、粒子流迹显示、立体切片、透明及半透明显示；变形显示及各种动画显示；图形的PS、TIFF及HPGL格式输出与转换等。
1.9 支持的硬件平台
LS-DYNA 971版的SMP版本和MPP版本是同时发行的。MPP版本使一项任务可同时在多台分布计算机上进行计算，从而最大限度地利用已有计算设备，大幅度减少计算时间。计算效率随计算机数目增多而显著提高。
下表给出了LS-DYNA 971 MPP版在SGI Origin3000(CPU个数不同)上模拟计算戴姆勒克莱斯勒汽车W168(单元数：429,970, 模拟时间100毫秒)碰撞过程所用的计算时间，可供参考。
CPU数目
计算时间
加速比
1
206 h
1.0
4
52.7 h
3.9
8
24.7 h
9.4
16
12.5 h
17.7
32
6.3 h
39.9
64
3.4 h
61.2

图1.42 LS-DYNA MPP计算效率
LS-DYNA 971版的SMP版本和MPP版本可以在PC机（NT、LINUX环境）、UNIX工作站、超级计算机上运行。

2 LS－DYNA在矿山工程、爆破、军工等方面的应用
由于LS－DYNA是在国防需求背景下产生发展起来的，所有功能均有相应的国防科研、工程需求背景。LS－DYNA主要适用爆炸、碰撞及高能物理过程等载荷很大而作用时间很短的力学和热学效应研究分析，适用于存在大变形线形、非线形材料或结构响应分析。在国防科研、工程分析领域中的应用很广，尤其在矿山岩石爆破中进行素质模拟的重要工具。
矿山岩石爆破的数值模拟
结合武钢集团矿业大冶铁矿切割天井爆破的工程实际。对坚硬岩石条件下深孔一次爆破成井的九孔、双孔菱形、单螺旋和双螺旋4种掏槽方式，在炸药爆炸载荷作用下的应力产生和传播机理进行了计算机数值模拟。模拟采用LS-DYNA三维非线性动力有限元程序，结果得到了4种掏槽方式的节点最大应力产生的时间、空孔周边应力产生的时间、有效应力作用的时间、节点最大运动速度以及掏槽孔应力全部贯穿的时间等相关参数的定量计算值。通过对计算结果的综合优化研究，选择了单螺旋掏槽方式优化模型。

图 不同的掏槽方式数值模型

图 不同的掏槽方式计算结果