LS-DYNA 精编教材
讲解LS-DYNA的基础知识.
LS-DYNA 软件 1.1 LS-DYNA 简介 LS-DYNA 是世界上最著名的通用显式动力 显式动力分析程序，能够模拟真实世界的 显式动力 各种复杂问题，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 属成型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。在工 程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。 与实验的无数次对比证实了其计算 的可靠性。 由 J.O.Hallquist 主持开发完成的 DYNA 程序系列被公认为是显式有限元程 序的鼻祖和理论先导，是目前所有显式求解程序（包括显式板成型程序）的基础 代码。1988 年 J.O.Hallquist 创建 LSTC 公司，推出 LS-DYNA 程序系列，并于 1997 年将 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 2004 年 8 月推出的 970 版。 1.1.1 LS-DYNA 功能特点 LS-DYNA 程序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 （50 多种） 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） ； 军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。 LS-DYNA 功能特点如下： 1.分析能力： 非线性动力学分析 多刚体动力学分析 准静态分析（钣金成型等） 1 热分析 结构-热耦合分析 流体分析： 欧拉方式 任意拉格郎日-欧拉（ALE） 流体-结构相互作用 不可压缩流体 CFD 分析 有限元-多刚体动力学耦合分析 （MADYMO，CAL3D） 水下冲击 失效分析 裂纹扩展分析 实时声场分析 设计优化 隐式回弹 多物理场耦合分析 自适应网格重划 并行处理（SMP 和 MPP） 2.材料模式库(140 多种) 金属 塑料 玻璃 泡沫 编制品 橡胶（人造橡胶） 蜂窝材料 复合材料 混凝土和土壤 炸药 推进剂 2 粘性流体 用户自定义材料 3.单元库 体单元 薄/厚壳单元 梁单元 焊接单元 离散单元 束和索单元 安全带单元 节点质量单元 SPH 单元 4.接触方式(50 多种) 柔体对柔体接触 柔体对刚体接触 刚体对刚体接触 边-边接触 侵蚀接触 充气模型 约束面 刚墙面 拉延筋 5.汽车行业的专门功能 安全带 滑环 预紧器 牵引器 传感器 加速计 3 气囊 混合 III 型假人模型 6.初始条件、载荷和约束功能 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。 7.自适应网格剖分功能 自动剖分网格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。 对于三维锻压问题，LS-DYNA 主要有两种方法：自适应网格剖分和任意拉 格朗日-欧拉网格（ALE）网格进行 Rezoning） ，三维自适应网格剖分采用的是 四面体单元。 8．ALE 和 Euler 列式 ALE 列式和 Euler 列式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。 LS-DYNA 程序中 ALE 和 Euler 列式有以下功能： 在 多物质的 Euler 单元，可达 20 种材料； 若干种 Smoothing 算法选项； 一阶和二阶精度的输运算法； 空白材料； Euler 边界条件：滑动或附着条件； 声学压力算法； 与
Lagrange 列式的薄壳单元、实体单元和梁单元的自动耦合。 4 9.SPH 算法 SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）光顺质点流体动力算法是一种无网 格 Lagrange 算法，最早用于模拟天体物理问题，后来发现解决其它物理问题也 是非常有用的工具，如连续体结构的解体、碎裂、固体的层裂、脆性断裂等。 SPH 算法可以解决许多常用算法解决不了的问题，是一种非常简单方便的解决 动力学问题的研究方法。 由于它是无网格的， 它可以用于研究很大的不规则结构。 SPH 算法适用于超高速碰撞、靶板贯穿等过程的计算模拟。 10.边界元法 LS-DYNA 程序采用边界元法 BEM（Boundary Element Method）求解流体绕 刚体或变形体的稳态或瞬态流动，该算法限于非粘性和不可压缩的附着流动。 11.隐式求解 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 析之前施加预应力等。 12.热分析 LS-DYNA 程序有二维和三维热分析模块，可以独立运算，也可以与结构分 析耦合，可进行稳态热分析，也可进行瞬态热分析，用于非线性热传导、静电场 分析和渗流计算。 热传导单元：8 节点六面体单元（3D） 节点四边形单元（2D） ，4 ； 材料类型：各向同性、正交异性热传导材料，可以与温度相关，以及各向同 性热传导材料的相变； 边界条件：给定热流 flux 边界，对流 convection 边界，辐射 radiation 边界， 以及给定温度边界，它们可随时间变化；给定初始温度，可计算二个物体接触界 面的热传导和热辐射，给定材料内部热生成（给定热源） ； 热分析采用隐式求解方法，过程控制有： 稳态分析还是瞬态分析； 线性问题还是非线性问题； 时间积分法：Crank-Nicholson 法（a=0.5）和向后差分法（ a=1） ； 求解器：直接法或迭代法； 5 自动时步长控制。 13.不可压缩流场分析 LS-DYNA 不可压缩流求解器是 970 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。求解器中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。 14.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。 15.前后处理功能 LS-DYNA 利用 ANSYS、LS-INGRID、ETA/FEMB、TrueGrid、LS-POST 和 LS-PREPOST 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。 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。 16.支持的硬件平台 LS-DYNA 970 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。 （NT、 LINUX 环境） 、 LS-DYNA 970 版的 SMP 版本和 MPP 版本可以在 PC 机 6 UNIX 工作站、超级计算机上运行。 1.1.2 LS-DYNA 应用领域 1 汽车工业 碰撞分析 气囊设计 乘客被动安全 部件加工 2 航空航天 鸟撞 叶片包容 飞机结构冲击动力分析 碰撞，坠毁 冲击爆炸及动态载荷 火箭级间分离模拟分析 宇宙垃圾碰撞 特种复合材料设计 3 制造业 冲压 锻造 铸造 切割，等 4 建筑业 地震安全 混凝土结构 爆破拆除 公路桥梁设计 5 国防 内弹道和终点弹道； 7 装甲和反装甲系统； 穿甲弹与破甲弹设计； 战斗部结构设计； 冲击波传播； 侵彻与开坑； 空气，水与土壤中爆炸； 核废料容器设计，等 6 电子领域 跌落分析 包装设计 热分析 电子封装 7 石油工业 液体晃动 完井射孔 管道设计 爆炸切割 事故模拟 海上平台设计 8 其它应用 玻璃成型 生物医学 体育器材（高尔夫杆，高尔夫球，棒球杆，头盔） 。 1.2 LS-DYNA 的前后处理 LS-DYNA 的前后处理非常多， 例如 ANSYS、 PATRAN、 ETA 公司的 FEMB、 TrueGrid 、 INGRID 、 HYPERMESH ， 新 开 发 的 后 处 理 为 LS-POST 和 LS-PREPOST。
另外， LS-DYNA 输出的文件进行格式转换后， 将 AVS-EXPRESS 也可以读入，它能够生成质量更高的效果图和动画。 8 应该针对不同的行业，不同的应用领域选择合适的前后处理。LS-PREPOST 为后处理，介绍 LS-DYNA 软件的使用方法。 1.3 显式动力分析的特点用中心差分法在时间 t 求加速度： {a t } = [M ]1 ([Ftext ] [Ftint ]) {Ftext}为施加外力和体力矢量。{Ftint}为下式决定的内力矢量。 F int = ∑ ∫ BTσ n d + F hg + F contact Fhg 为沙漏阻力；Fcont 为常量力。 速度与位移用下式得到： {vt + t / 2 } = {vt t / 2 } + {at }t t {ut + t } = {ut } + {vt + t / 2 }t t + t / 2 式中 Dtt+Dt/2=.5(Dtt+ Dtt+ Dt) ；Dtt- Dt/2=.5(Dtt- Dtt+ Dt) 新的几何构形由初始构形加上 {xo}获得: {xt + t } = {xo } + {ut + t } 非线性问题： 块质量矩阵需要简单转置。 方程非耦合，可以直接求解(显式)。 无须转置刚度矩阵，所有非线性（包括接触）都包含在内力矢量中。 内力计算是主要的计算部分。 无须收敛检查。 保持稳定状态需要小的时间步。 9 1.4 单元 1.4.1 单元类型 LS-DYNA 有 7 种单元类型： LINK160：桁架单元 BEAM161：梁单元 SHELL163：薄壳单元 SOLID164：块单元 COMBI165：弹簧与阻尼单元 MASS166：结构质量 LINK167：缆单元 所有显式动力单元为三维的，每种单元可用于几乎所有材料模型，都有几种 不同算法， 均具有一个线性位移函数， 目前尚没有具有二次位移函数的高阶单元。 每种显式动力单元缺省为单点积分。 3.4.1.1 LINK160 单元 3D 圆杆单元用来承受轴向载荷，用 3 个节点定义单元，第 3 个节点用来定 义杆的初始方向，见图 3.1。 图 3.1 LINK160 单元 10 3.4.1.2 BEAM161 梁单元 由于不产生应变，此 3D 梁适用于刚体旋转，用 3 个节点定义此单元，见图 3.2。 图 3.2 BEAM161 梁单元 可以定义几种标准梁截面，见图 3.3。 图 3.3 几种标准梁截面 11 3.4.1.3 SHELL163 薄壳单元 Shell163 有 11 种不同算法，最重要的几种有： Belytschko-Tsay(BT，KEYOPT(1)=2，default)： 简单壳单元； 非常快； 翘曲时易出错。 Belytschko-Wong-Chiang(BWC，KEYOPT(1)=10)： 速度是 BT 单元的 1.25 倍； 适用于翘曲分析； 推荐使用。 Belytschko-Leviathan(BL，KEYOPT(1)=8)： CPU 时耗为 BT 单元的 1.4 倍； 第一个具有物理沙漏控制的单元。 S/R co-rotational Hughes-Liu(S/R CHL，KEYOPT(1)=7)： 没有沙漏的壳单元； CPU 为 8.8 * BT。 图 3.4 SHELL163 薄壳单元 12 3.4.1.4 SHELL163 膜单元算法 有两种膜单元算法： Belytschko-Tsay-Membrane(KEYOPT(1)=5)： 具有单点积分的膜单元算法。 Fully integrated Belytschko-Tsay-Membrane(KEYOPT(1)=9)： 具有 4 个积分点的膜单元算法。 3.4.1.5 SOLID164 8 节点六面体单元 可以选择两种算法： 单点积分； 对大变形问题十分有效； 需要沙漏控制； 完全积分 (2x2x2 积分)； 求解慢，但无沙漏； 使用大的泊松比时谨慎； 建议不用退化四面体单元，对于显式动力分析最好用映射网格，拖拉出的带 金字塔形网格也可以。 图 3.5 3.4.1.6 SOLID164 8 节点六面体单元 COMBI165 弹簧阻尼单元 用两个节点定义，可以与所有其他单元联结，具有平动和扭动自由度。这种 单元能够应用复杂的非线性力-位移关系。 13 由于 COMBI165 只具有弹簧与阻尼选项，对于弹簧阻尼组合体必须重叠两 个单元。 图 3.6 3.4.1.7 COMBI165 弹簧阻尼单元 MASS166 Mass Element MASS 166 是一个有 9 个自由度的点质量单元：在 x，y，z 方向的平动、速 度、加速度，单元还有针对旋转惯性，但没有质量的选项。这种单元用来整车碰 撞建模，代替其中许多部件没有建模的大型模型质量。 图 3.7 3.4.1.8 LINK167 缆单元 MASS166 Mass Element 三节点仅拉伸单元，第 3 个节点确定单元初始方向，用于缆绳建模，见图 3.8。 14 图 3.8 LINK167 缆单元 3.4.2 单元划分时注意事项避免使用小的单元，以免缩小时间步长。如果要用，则同时使用质量缩 放。 减少使用三角形/四面体/棱柱单元。 避免锐角单元与翘曲的壳单元，否则会降低计算精度。 在需要沙漏控制的地方使用全积分单元。全积分六面体单元可能产生体 积锁定(由于泊松比达到 0.5)和剪切锁定 (例如，简支梁的弯曲)。 3.4.3 简化积分 LS-DYNA 中所有的显式动力单元缺省为简化积分，一个简化积分单元是一 个使用最少积分点的单元，一个简化积分块单元具有在其中心的一个积分点；一 个简化壳单元在面中心具有一个积分点。 而全积分块与壳单元分别具有 8 个和 4 个积分