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(chǎng)，MPP，聲學(xué)特性以及沖壓等領(lǐng)域的新功能更新介紹。
對(duì)于目前Intel MPI, platform MPI和 Open MPI，詳細(xì)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(diǎn)接觸力去評(píng)估對(duì)氣囊泄氣性的影響。對(duì)于SPH齒輪箱和涉水仿真方面，實(shí)現(xiàn)了大量新功能。針對(duì)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(duì)實(shí)體單元。CESE增加針對(duì)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(jī)振動(dòng)SSD ERP和d3max等等。Ansys Forming出色的仿真功能，較以往工具有了很大地提升。
本文將主要介紹SPH、ISPH以及Multiscale多尺度方面的更新。
a) 基于Spaceclaim幾何數(shù)據(jù)創(chuàng)建LS-DYNA ISPH輸入文件
b) 基于OBJ幾何文件進(jìn)行后處理中的可視化
c) 使用Ensight渲染SPH自由表面流的模擬結(jié)果
a)?能夠?qū)⑦x定部件上流固耦合力的時(shí)程數(shù)據(jù)記錄在LSDA interface文件中
b)?在后續(xù)分析中，將耦合力插值映射到結(jié)構(gòu)可變形網(wǎng)格上，進(jìn)行隱式結(jié)構(gòu)分析
a)?在某些場(chǎng)景下（如齒輪箱分析），流體粒子可能會(huì)在結(jié)構(gòu)的狹小縫隙中“卡住”
b)?目前的方法是直接在計(jì)算中移除這些粒子
c)?引入了創(chuàng)新性的位移映射算法處理這些粒子的運(yùn)動(dòng)
a)?使用Dittus-Boelter修正方法計(jì)算HTC
b)?可將基于時(shí)間平均的HTC的空間分布云圖作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入
c)?結(jié)果文件可以導(dǎo)入Mechanical或Fluent中進(jìn)行熱分析
a)?增加了新的SPH碎片化算法，通過(guò)MPP Redecomposition功能，當(dāng)粒子激活時(shí)才會(huì)將粒子添加到輸入文件中
提供完整的工作流程，可直接基于CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行ISPH車輛涉水分析，無(wú)需完整的車輛有限元網(wǎng)格：
與以往必須從有限元網(wǎng)格開始仿真，而可能生成車身非常不均勻的表面粒子相比，新的工作流程可以利用surfgen工具直接從CAD表面生成車身部件覆蓋均勻粒子，并輸出用于LS-DYNA分析的模型文件。
利用surfgen基于CAD表面直接生成所有表面粒子并建立ISPH模型。在涉水分析中，所有部件都為剛體，記錄粒子與剛體之間的接觸力的時(shí)程數(shù)據(jù)，映射到后續(xù)的結(jié)構(gòu)有限元分析中，得到結(jié)構(gòu)在涉水工況中的受力變形。
除了車輛涉水仿真之外，ISPH的功能同樣被應(yīng)用在齒輪箱潤(rùn)滑的模擬中。齒輪潤(rùn)滑仿真中我們會(huì)遇到一些問(wèn)題。比如上圖中，一些流體的粒子正在向齒輪嚙合的地方運(yùn)動(dòng)，流體被擠入輪齒之間的間隙中，而最終兩個(gè)齒輪之間的間隙會(huì)消除。這個(gè)過(guò)程中，某些粒子會(huì)被“卡住”，從而累積巨大的壓力。流體粒子與周邊結(jié)構(gòu)的耦合壓力過(guò)大時(shí)，我們認(rèn)為這些粒子是“卡住”的狀態(tài)，這個(gè)繼續(xù)計(jì)算可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)值錯(cuò)誤。之前的方法時(shí)直接在計(jì)算中移除這些粒子。R14版本中可以設(shè)置將這些被卡住的粒子標(biāo)記為volume-constrained體積受限的狀態(tài)，退出SPH計(jì)算，但我們還是會(huì)通過(guò)其邊界的位移插值得到粒子的位移，直到粒子與邊界之間的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，恢復(fù)成正常的SPH粒子狀態(tài)。利用這項(xiàng)技術(shù)能夠求解狹小空間SPH問(wèn)題，目前已申請(qǐng)專利。
計(jì)算結(jié)構(gòu)件的熱傳導(dǎo)系數(shù)（HTC）需要計(jì)算壁面的熱流結(jié)果，這就需要非常精細(xì)的邊界層離散，而這一點(diǎn)在ISPH分析中是不現(xiàn)實(shí)的。
因此，ISPH方法中，可使用基于努塞爾數(shù)（Nusselt number）和普朗特?cái)?shù)（Prandtl Number）的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)系數(shù)。計(jì)算的結(jié)果還可以導(dǎo)入到Ansys Mechanical或Fluent軟件中進(jìn)行熱分析
可以通過(guò)*DEFINE_FUNCTION自定義熱傳導(dǎo)系數(shù)的模型
SPH碎片化生成，適用于使用面積極大的水池或需要大量粒子但系統(tǒng)內(nèi)存不夠的情況。R14版本中，我們利用MPP模型重新分區(qū)技術(shù)去處理這種問(wèn)題。每次重新分區(qū)都是一個(gè)完全重啟動(dòng)計(jì)算的過(guò)程，會(huì)生成新的計(jì)算輸入文件。我們利用碎片化生成地技術(shù)，每次模型重新分區(qū)的時(shí)候，在創(chuàng)建的輸入文件中，僅包含需要激活的SPH粒子，而如果隨著汽車移動(dòng)，在車后流體粒子對(duì)我們的計(jì)算沒(méi)有意義，會(huì)在輸入文件中將其移除。該技術(shù)特別適合仿真極大規(guī)模的水域，并且不需要耗費(fèi)過(guò)多內(nèi)存，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)該機(jī)制可對(duì)高達(dá)5億粒子數(shù)量的大型模型進(jìn)行求解。
????a)?數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多尺度材料模型
????b) 主要關(guān)鍵字*MAT_DMN_COMPOSITE_FRC
??? c) 獨(dú)特的特點(diǎn)：多尺度、各向異性、非線性
????a)?RVE分析中的圖像RVE，*RVE_ANALYSIS_FEM
????b)?RVE分析中的部分周期邊界條件
????a)?*INCLUDE_MULTISCALE關(guān)鍵字中新的耦合接口可自動(dòng)生成實(shí)體模型
????b)?使用標(biāo)準(zhǔn)提交命令行進(jìn)行雙重尺度模型計(jì)算
????c)?界面耦合增強(qiáng)
????d) 提高數(shù)值穩(wěn)定性
????a)?熱-結(jié)構(gòu)耦合分析支持MPP并行
????b)?基于粘結(jié)的損傷模型(IDAM= 11,13)
????c)?粒子間阻尼
????a)?MPP大規(guī)?；亓骱改M(大于1000個(gè)焊球)。
????b)?ISPG節(jié)點(diǎn)均勻分布的粒子移位技術(shù)
????c)?平滑的流固耦合技術(shù)
????a)?支持設(shè)置初始應(yīng)變和位移場(chǎng)
????b)?3D r-adaptivity
????c)?單向網(wǎng)格重劃分
LS-DYNA R14.0版本首次發(fā)布基于機(jī)器學(xué)習(xí)的復(fù)合材料多尺度分析，包含短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多尺度分析的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)材料模型
多尺度：基于多樣的微觀結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)復(fù)合材料的宏觀力學(xué)特性
各項(xiàng)異性：考慮增強(qiáng)纖維方向、體積占比和雅可比的影響
非線性：模擬拉壓不對(duì)稱的彈塑性材料熟悉感
短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通常由注塑成型技術(shù)來(lái)加工制造。材料在各個(gè)方向的微結(jié)構(gòu)分布是非均勻的，每個(gè)位置纖維的方向、纖維的體積百分比都不一樣，這也導(dǎo)致了宏觀力學(xué)性能上材料的力學(xué)性能十分復(fù)雜，是非線性、各向異性、且各點(diǎn)都不一樣，非均勻的分布。針對(duì)復(fù)雜的復(fù)合材料表現(xiàn)，很難從傳統(tǒng)的宏觀尺度上進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述。
LS-DYNA中可以使用真實(shí)的材料微結(jié)構(gòu)建立三維或二維的有限元模型，即代表體積單元RVE模型，使用RVE模型計(jì)算宏觀的材料變形。
如果使用RVE模型進(jìn)行多尺度分析，有限元計(jì)算過(guò)程中，每個(gè)時(shí)間步上宏觀的單元，會(huì)產(chǎn)生宏觀的應(yīng)變?cè)隽?，將該?yīng)變?cè)隽孔鳛檩斎胱兞渴┘拥絉VE模型上，隨后進(jìn)行RVE有限元計(jì)算，得到宏觀的均勻化應(yīng)力，返還給宏觀有限元模型。下一個(gè)時(shí)間步繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，在兩個(gè)尺度上可以進(jìn)行同步的多尺度耦合計(jì)算。這個(gè)多尺度計(jì)算方法，可以實(shí)現(xiàn)非常精確的針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的模擬，完全避免了使用任何宏觀意義上的材料本構(gòu)模型，取而代之使用十分精確的RVE有限元模型。但缺點(diǎn)是，計(jì)算量非常大。
假設(shè)某個(gè)復(fù)合材料在宏觀上需要2000多個(gè)殼單元，每個(gè)有限元?jiǎng)t需要4個(gè)積分點(diǎn)，每個(gè)積分點(diǎn)需要對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的RVE模型，該RVE模型在三維的有限元模型中可能需要非常多的實(shí)體單元，例如36萬(wàn)個(gè)有限元單元，耦合之后每個(gè)積分點(diǎn)都要對(duì)應(yīng)一個(gè)RVE單元，計(jì)算總共的自由度接近34億，即使用16個(gè)CPU并行計(jì)算粗略估算下來(lái)也要花費(fèi)約36天，計(jì)算量太大，不適合應(yīng)用于工業(yè)界的大型工程結(jié)構(gòu)上。
DMN模型，通過(guò)RVE有限元計(jì)算來(lái)生成大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。本質(zhì)上，訓(xùn)練過(guò)程就是使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建參數(shù)模型，建立材料微結(jié)構(gòu)內(nèi)部、各部分組成成分以及各組分的材料力學(xué)性質(zhì)與RVE宏觀力學(xué)性能的關(guān)系。對(duì)LS-DYNA用戶來(lái)說(shuō)，訓(xùn)練過(guò)程已由研發(fā)人員在研發(fā)階段完成，我們?cè)谇蠼馄髦袃?nèi)置訓(xùn)練好的模型參數(shù)，用戶可在LS-DYNA中直接使用。
圖中右下案例將DMN預(yù)測(cè)和基于有限元的RVE模型預(yù)測(cè)對(duì)比，可以看到，兩者預(yù)測(cè)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值吻合非常好。從計(jì)算時(shí)間來(lái)看，有限元模型使用8個(gè)CPU并行計(jì)算需1100秒，而DMN模型使用1個(gè)CPU 僅需3秒即得出結(jié)果。
注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的無(wú)縫仿真工作流程
Modex3D - 注塑成型仿真，得到部件的微觀結(jié)構(gòu)分布
LS-PrePost - 將微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)映射到LS-DYNA模型中（Solid to Solid, Solid to shell）
LS-DYNA - 基于DMN材料模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的變形分析
經(jīng)過(guò)與Honda，Moldex3D和JSOL合作實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
文章來(lái)源：
第五屆LS-DYNA中國(guó)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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