本文將主要介紹LS-DYNA R14.0即2023R1部分新功能。主要涵蓋多物理場，MPP，聲學(xué)特性以及沖壓等領(lǐng)域的新功能更新介紹。
對于目前Intel MPI, platform MPI和 Open MPI，詳細介紹了LS-DYNA OneMPI的策略，CPM安全氣囊仿真的新功能，與熱求解器耦合，引入節(jié)點接觸力去評估對氣囊泄氣性的影響。對于SPH齒輪箱和涉水仿真方面，實現(xiàn)了大量新功能。針對EM solver電磁求解器，拓展了與結(jié)構(gòu)耦合的功能，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ICFD求解器新增了Block Low-Rank分解求解器，與DEM耦合的新功能，尤其針對實體單元。CESE增加針對混合多相求解器和兩相求解器的多相FSI功能。NVH方面添加了很多新的聲學(xué)功能，例如新的關(guān)鍵字*FREQUENCY_DOMAIN_ACOUSTIC_DIRECTIVITY，還有隨機振動SSD ERP和d3max等等。Ansys Forming出色的仿真功能，較Dynaform有了很大地提升。
本文將主要介紹MPP/MPI以及CPM安全氣囊方面的更新。
背景介紹
LS-DYNA R14.0版本已于2023年1月發(fā)布，包含大量新功能更新，具體可分為兩部分，第一部分主要描述多物理場、MPP、聲學(xué)以及Ansys Forming等的更新，第二部分涵蓋單元技術(shù)，材料本構(gòu)和其他關(guān)鍵內(nèi)容等。
目前LS-DYNA每次更新的時候，都會發(fā)布很多不同的執(zhí)行程序，以對應(yīng)不同的操作系統(tǒng)平臺以及并行計算使用的MPI平臺。其計算內(nèi)核都是相同的，只是使用的動態(tài)鏈接庫不同。由于發(fā)布到ftp的LS-DYNA版本非常多，很多時候用戶不知道應(yīng)該選擇哪個版本程序。LS-DYNA從R14版本開始使用ONE MPI的策略，希望能夠減少LS-DYNA程序的數(shù)量。同時，我們知道很多用戶正在使用Platform MPI，因為相對來說更穩(wěn)定。但是Platform MPI基于相對較老的MPI 2.0標準，而且IBM在2020年已經(jīng)停止了對Platform MPI的技術(shù)支持。因此我們希望可以幫助用戶從Platform MPI平滑切換至其它的MPI平臺，以使用最新的技術(shù)。
對于R14版本，依舊會提供不同MPI的LS-DYNA執(zhí)行程序，但實際上，在Intel MPI版本程序中，已經(jīng)包含了（Intel MPI，Open MPI以及Platfrom MPI）三種功能，用戶僅需要設(shè)置“LSTC_MPI”的環(huán)境變量，指定對應(yīng)的MPI 即可。同時通過control_lstc_reduce關(guān)鍵字，保證使用不同MPI得到相同的結(jié)果。通過One MPI的策略還能縮短LS-DYNA新版本的測試時間（無需再測試三個binary程序），LS-DYNA目標是和Ansys許多其它的產(chǎn)品一樣，提供有限數(shù)量的執(zhí)行程序，更加方便用戶的使用體驗。
CPM安全氣囊功能更新
對于氣囊仿真，大部分的增強和改進是如何更精確的模擬氣囊泄氣孔和織物的泄氣特性。
R14.0中增強了阻塞評估以獲得更加一致的結(jié)果，并新增不同的阻塞選項實現(xiàn)安全氣囊正確的泄氣，以及描述泄氣孔氣壓的POPP。當安全氣囊的壓力達到一定值后，泄氣孔隨之打開。此類選項改善了操作要求，目前可以使用上級和下級部件或腔體壓力實現(xiàn)更加一致的控制，且CPM求解器與熱求解器完全耦合，因此用戶可以使用CPM-熱求解器研究安全氣囊熱點，例如注入氣體時織帶材料中的發(fā)熱區(qū)域以及可能融化的區(qū)域。具體有：
對于每個氣囊，單獨計算接觸力閾值（不包括transducer）
設(shè)置單獨的泄氣阻塞閾值
基于泄氣孔節(jié)點接觸力計算接觸壓力（contact pressure）
當氣囊壓力大于泄氣孔接觸壓力時，泄氣孔不被阻塞
排除*CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE的節(jié)點接觸力（SOFT=2)
排除接觸力傳感器的節(jié)點接觸力
比較上下游的PART/ambient壓力
比較上下游的CHMABER/ambient壓力
計算CPM粒子與氣囊之間的傳熱
氣囊在接觸人體或是其它部件時，接觸部分的氣體泄露會受到阻礙。LS-DYNA會首先計算節(jié)點的接觸力。如果節(jié)點受到了接觸力，說明這個局部正在于其它部件進行接觸，就可能會阻礙了氣囊中的氣體從織物中泄露。通過接觸力的閾值進行判斷是否需要計算織物的泄氣。在舊版本的算法中，首先會統(tǒng)計模型中所有接觸的節(jié)點接觸力，計算一個F total，用Ftotal除以模型中節(jié)點的數(shù)量再乘以一個系數(shù)，得到接觸力的閾值，只要氣囊上節(jié)點的接觸力大于這個閾值，就認為此節(jié)點位置氣囊的織物的泄氣被阻擋了。這樣的算法會有一些問題：
1.如果在模型中增加一個接觸，這個接觸可能和氣囊一點關(guān)系都沒有，但它無疑會改變模型中的接觸力數(shù)值，也就改變了接觸力的閾值，計算出來的氣囊泄氣的特性就會發(fā)生變化；
2.把標定好的氣囊零部件模型放在整車模型中去，因為模型中的接觸不同，可能會導(dǎo)致計算出來的氣囊特性有差異；
3.如果模型中增加力傳感器關(guān)鍵字，力傳感器會計算接觸力的數(shù)值，但不會真的施加接觸力，而在舊版本的算法中，在計算接觸力閾值時候，也會將力傳感器的接觸力算進去。這樣本不該影響計算結(jié)果的接觸力傳感器設(shè)置，也可能對氣囊的相應(yīng)產(chǎn)生影響；
R14版本更新了接觸力閾值的計算方法。對于某個氣囊，比如第i個，僅計算該氣囊上節(jié)點受到的接觸力之和，然后除該氣囊上的節(jié)點數(shù)，乘以系數(shù)得到閾值。這樣對于每個氣囊來說都會單獨計算其閾值。
整車模型中可能有多個氣囊，在新版本中不會因為增加接觸關(guān)系導(dǎo)致氣囊的泄氣特性發(fā)生變化，從而得到與零部件模型更加一致和穩(wěn)定的結(jié)果。
對于泄氣孔的阻塞特性，增加了一個新的選項。同樣的，阻塞的判斷是基于泄氣孔上的節(jié)點接觸力來判斷的。求解器在計算的時候，會把氣囊劃分為三角形的segment組成的區(qū)域。比如泄氣孔上一個三角形的segment 由C1,C2,C3三個點組成。此前算法是，C1,C2,C3中，只要某個點的節(jié)點接觸力超過了閾值，這個面段的1/3就被認為是阻塞的。而新版本中增加了選項（BLOCK=21），會基于節(jié)點力計算面段上的平均接觸壓力，如果接觸壓力小于氣囊在此處的壓力，就不會發(fā)生阻塞，將持續(xù)發(fā)生泄氣。
關(guān)于外部泄氣孔的泄氣特性，在*CONTROL_CPM關(guān)鍵字中增加了一個選項BLOCKV。開啟該選項后，在計算阻塞時，不會計算*AIRBAG_SINGLE_SURFACE帶來的節(jié)點接觸力。如圖中右上角展示的模型中有兩個接觸，一個*AIRBAG_SINGLE_SURFACE，計算氣囊自身的接觸；一個surface to surface接觸，計算氣囊和外部的接觸。如前文所述，在判斷泄氣孔是否被阻塞時，通常是通過節(jié)點接觸力來評價的，但氣囊自身的內(nèi)部接觸，不會對外部泄氣孔產(chǎn)生影響。所以在計算外部泄氣孔的泄氣時，應(yīng)該排除氣囊自身接觸的影響。新的BLOCKV選項已能夠?qū)崿F(xiàn)該目標。
圖中展示的折線為氣囊的泄氣曲線，使用默認選項時，為最底下的曲線D，該情況下泄氣被阻塞最多。而使用新的選項，為中間的曲線，會有更多的泄氣發(fā)生。而如果將所有的接觸設(shè)置在一個*AIRBAG_SINGLE_SURFACE中，再配合新的BLOCKV選項，不會計算其節(jié)點接觸力，泄氣孔不會被阻塞，泄氣量也是最多的。
通過以上對于織物和泄氣孔阻塞算法的改進，LS-DYNA給能夠更加合理的計算外部泄氣孔的泄氣特性。
文章來源：第五屆LS-DYNA中國技術(shù)論壇，作者：王季先博士，ANSYS, Inc. Distinguished Engineer；葉益盛博士，ANSYS, Inc. Senior Principle R&D Engineer
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