從ANSYS收購LS-DYNA談顯式動力學(xué)軟件 附ANSYS_LS-DYNA動力分析方法與工程實例下


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最近,ANSYS 與LS-DYNA所屬Livermore公司簽署最終收購協(xié)議,可謂在顯式動力學(xué)分析道路上又邁進了一大步。

從ANSYS收購LS-DYNA談顯式動力學(xué)軟件 附ANSYS_LS-DYNA動力分析方法與工程實例下的圖1

那么,之前的ANSYS DYNA和LS-DYNA到底有什么區(qū)別呢?

實際上是一個算法的不同軟件實現(xiàn),都是基于中心差分方法的顯式求解策略。ANSYS和LS-DYNA是不同公司出的有限元分析軟件,有各自的前后處理和求解器。后來ANSYS公司為了增強產(chǎn)品的競爭實力同LS-DYNA合作,將DYNA求解器集成到ANSYS軟件中,成為其下面的一個模塊,但仍然是獨立的,前后處理依然用ANSYS軟件,這樣就形成了ANSYS/DYNA,但并沒有包括 LS-DYNA的全部功能。如果安裝了ANSYS你會發(fā)現(xiàn)這是一個龐大的集成了很多模塊的軟件ANSYS/DYNA只是其中的一個。

DYNA可以在ANSYS下面建模,也可以在Hyper mesh、以及LS公司自己的前后處理系統(tǒng)lsprepost(功能相比ANSYS要弱)里面建模,建模后提交K文件計算,目前來看,貌似單獨的LS-DYNA求解速度要慢于ANSYS/DYNA求解速度。

正是因為LS-DYNA強大,ANSYS收購之后也就為ANSYS用戶弄了一個接口:可以通過GUI或者命令流生成LS-DYNA的K文件,但是,老用戶由于使用習(xí)慣的問題很少去用ANSYS做前處理,都是用的Hyper mesh或者其他第三方軟件,更加方便。

今天就來扒一扒與ANSYS相關(guān)的幾款顯式動力學(xué)分析工具。

1、 LS-DYNA非線性高可靠精準分析軟件

LS-DYNA 是世界上著名的有限元分析程序,由John O. Hallquist博士主持開發(fā),也是公認的顯式積分計算程序的鼻祖。它以Lagrange算法為主,兼有ALE和Euler算法;以顯式求解為主,兼有隱式求解功能;以結(jié)構(gòu)分析為主,兼有熱分析、流體-結(jié)構(gòu)耦合功能;以非線性動力分析為主,兼有靜力分析功能;以有限元算法為主,兼有SPH、EFG、控制體積等算法。LS-DYNA在工程界得到廣泛應(yīng)用,并被公認為是最佳的顯式分析軟件,與實驗結(jié)果的無數(shù)次對比證實了其仿真計算的可靠性和準確性。廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外汽車、航空航天、模具、電子等領(lǐng)域。

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軟件功能特點: 

  • 顯隱結(jié)合:LS-DYNA強調(diào)「One Model, One Code, Multi-Result」,只需建立一次有限元模型,即可進行各種不同分析,并可以隨時切換Implicit / Explicit進行求解。

  • 豐富的算法與功能:LS-DYNA提供了ALE、Lagrange、Euler、SPH、DEM、BEM、CPM等豐富的算法;同時還具備ICFD(不可壓縮流分析)、CESE(可壓縮流體分析)、EM(電磁場分析)、頻域分析、聲學(xué)分析、常規(guī)隱式分析等功能。

  • 材料模型:LS-DYNA擁有近300種材料模型,金屬和非金屬材料模型可供選擇。

  • 接觸算法:LS-DYNA程序全自動接觸分析功能,有40多種接觸類型。

  • 狀態(tài)方程:LS-DYNA有14種狀態(tài)方程,可以處理各種復(fù)雜的物理現(xiàn)象和材料特性。

  • 單元庫:LS-DYNA程序現(xiàn)有16種單元類型,有薄殼、厚殼、體、梁單元、ALE、Euler、Lagrange單元、SPH、DEM、CPM等,各類單元又有多種理論算法可供選擇。

  • 高性能并行計算:LS-DYNA的所有版本均為并行版本,有SMP/MPP/HYBRID版本。

2、 ANSYS AUTODYN沖擊爆炸專用顯式動力學(xué)分析軟件

ANSYS AUTODYN是一個顯式有限元分析程序,用來解決固體、流體、氣體及其相互作用的高度非線性動力問題。AUTODYN完全集成在ANSYS Workbench中,充分利用ANSYS Workbench的雙向CAD接口、參數(shù)化建模以及方便實用的網(wǎng)格劃分技術(shù),還具有自身獨特的前、后處理和分析模塊。而且為了保證高計算效率,可以采取高度集成環(huán)境架構(gòu),在Microsoft Windows和Linux/Unix系統(tǒng)中以并行或者串行方式運行,支持共享內(nèi)存和分布式集群。

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經(jīng)過不斷的發(fā)展和行業(yè)應(yīng)用,AUTODYN具有完整、獨特的分析功能包括: 

  • 有限元(FE),用于計算結(jié)構(gòu)動力學(xué) 

  • 有限體積運算器,用于快速瞬態(tài)計算流體動力學(xué)(CFD) 

  • 無網(wǎng)格/粒子方法,用于大變形和碎裂(SPH) 

  • 多求解器耦合,用于多種物理現(xiàn)象耦合情況下的求解 

  • 豐富材料模型,同時包括本構(gòu)響應(yīng)和熱力學(xué) 

  • 金屬、陶瓷、玻璃、水泥、巖土、炸藥、水、空氣以及其它的固體、流體和氣體的材料模型和數(shù)據(jù) 

  • 結(jié)構(gòu)動力學(xué)、快速流體流動、材料模型、沖擊、爆炸及沖擊波響應(yīng)分析

從這幾年情況來看,ANSYS AUTODYN幾乎沒有更新,原來是有更長遠的打算。

3、 ANSYS LS-DYNA高度非線性顯式動力學(xué)分析軟件

ANSYS LS-DYNA 是最常用的顯式仿真程序,能夠模擬材料對短期重載的響應(yīng)。其許多元素、接觸公式、材料模型和其他控件均可用于模擬復(fù)雜的模型,控制問題的所有細節(jié)。

ANSYS LS-DYNA 擁有大量功能,可使用其顯式求解器來模擬極端形變問題。工程師可處理涉及材料故障的仿真,并觀察故障如何蔓延到某部件或整個系統(tǒng)。他們也可輕松處理大量部件或表面相互交互的模型,并針對復(fù)雜行為之間的交互和負載傳遞精確建模。使用 CPU 內(nèi)核數(shù)較高的計算機可以大幅減少求解時間。功能優(yōu)勢如下:

1)執(zhí)行涉及復(fù)雜接觸和機制的高度非線性結(jié)構(gòu)分析。

ANSYS LS-DYNA 可以對受沖擊影響的接點和連接機制進行模擬(不管是跌落還是碰撞)。它可以利用接點和動態(tài)鏈接,并提供選擇廣泛的接觸公式,以便輕松自動考慮模型中所有組件之間的交互。如果與 LS-DYNA 快速且有效的顯式求解器方案結(jié)合使用,它可以為您提供無與倫比的仿真能力,用于研究使用隱式有限元分析(FEA)法可以解決的情況。

ANSYS 還提供專用 LS-DYNA HPC 許可,以便您將模型分配到多核或多個機器,以加快周轉(zhuǎn)時間。

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2) 無縫集成到 ANSYS Workbench

ANSYS Workbench LS-DYNA 可讓任何經(jīng)驗水平的工程師輕松進行模擬。它將 LS-DYNA 求解器集成到 Workbench 環(huán)境中,因此具備標準 ANSYS Mechanical 工作流程的所有好處。您無需再學(xué)習(xí)新界面便可使用該產(chǎn)品,從而可專注于在短周轉(zhuǎn)期內(nèi)生成準確的結(jié)果。

ANSYS Workbench LS-DYNA 將標準 LS-DYNA 求解器功能與 ANSYS Mechanical 環(huán)境中提供的預(yù)處理和后處理工具相結(jié)合。也就是說,它還集成了 ANSYS Spaceclaim Direct Modeler 幾何工具、ANSYS Parameter Manager 和設(shè)計探索軟件,可讓您針對 CAD 幾何結(jié)構(gòu)進行完整的參數(shù)研究,并且可清理至顯式分析所需的標準。

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3) 選擇眾多元素和接觸公式 

ANSYS LS-Dyna 為您提供了范圍廣泛的低階和高階元素公式(固體、外殼和波形)。這些公式可通過 ANSYS Mechanical 界面應(yīng)用于各部件,因此您可以僅根據(jù)需要在某區(qū)域設(shè)置高保真元素。

考慮到波形橫截面和外殼厚度,LS-DYNA 范圍廣泛的接觸選項可用于固體、外殼和波形之間的自動接觸檢測。接觸可在單獨部件、部件內(nèi)和單個元素內(nèi)檢測到,從而讓整個模型中實現(xiàn)簡單穩(wěn)健的接觸。

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4、 ANSYS Explicit STR瞬態(tài)非線性顯式動力學(xué)快捷分析軟件

ANSYS Explicit STR是基于ANSYS Workbench仿真平臺環(huán)境的結(jié)構(gòu)高度非線性顯式動力學(xué)分析軟件。可以求解二維、三維結(jié)構(gòu)的跌落、碰撞、材料成形等非線性動力學(xué)問題。軟件功能成熟、齊全,可用于求解涉及材料非線性、幾何非線性、接觸非線性的動力學(xué)各類問題。目前,ANSYS Explicit STR被廣泛應(yīng)用于飛機的鳥撞分析、葉片包容性分析、產(chǎn)品的跌落分析、材料成型分析等。 

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采用ANSYS顯式動力學(xué)產(chǎn)品,相當于擁有了一整套高級的分析工具,能夠分析幾乎任何可仿真的問題。 

  • FE求解器(Lagrange)是快速的、應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)求解器, 非常適合求解沖擊波、超壓問題。每個單元內(nèi)部,Lagrange能捕捉離散模型的材料點,并且跟蹤力作用下的物質(zhì)變形,最終得到單元的變形。 

  • Euler方法是材料在一個固定的網(wǎng)格中流動,非常適合于模擬固體的超大變形,以及流體、氣體的流動。采用ANSYS理想Euler求解器,網(wǎng)格會自動生成,不需要人工輸入控制。 

  • 任意Lagrange–Euler算法(ALE)繼承了Lagrange和Euler各自的優(yōu)點,同時去除它們的缺點,適用于模擬材料的超大變形,同時關(guān)注高分辨率激波問題。光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)是一種無網(wǎng)格的方法,適用于模擬材料的破碎。例如,超高速撞擊、脆性材料的裂紋擴展。 

  • 同一個問題中可以聯(lián)合使用S P H 、Lagrange、Euler、ALE求解器,從而盡可能提高計算過程的效率以及計算結(jié)果的精度。

某一沖擊動力學(xué)仿真在幾款不同工具下的求解結(jié)果對比如下:

1)ANSYS/DYNA

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2)LS-DYNA

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3)Explicit Dynamics

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