— Anirban Basudhar，Ansys首席研發工程師

了解Ansys結構仿真軟件與Ansys數字孿生平臺的結合，如何能幫助制造商更快解決極其龐大且復雜的安全難題。

濟州航空公司最近發布的一份初步報告證實：2024年12月29日，韓國一架商用飛機發生致命性墜毀事件，原因是鳥類撞擊，即飛禽與飛機相撞。這一裁定，是在從飛機的兩個引擎中找到本地水鳥的DNA證據后做出的。

美國聯邦航空管理局數據顯示，平均每天會發生47次鳥類撞擊事件，但像濟州航空公司這類嚴重事故很少發生。航空產業以及美國魚類及野生動物管理局（U.S. Fish and Wildlife Service）都制定了管理這些事故的應對策略，包括驅鳥與移除鳥巢、棲息地管理和航班時間表變更等，以避免高頻率的鳥類活動。

盡管如此，來自美國魚類及野生動物管理局的數據顯示，野生動物襲擊飛機每年給美國民用及軍用飛機造成的損失估計為9億美元。

值得慶幸的是，當鳥類撞擊看似不可避免時，仿真模擬這一強大的方法應運而生。仿真具有強大功能，可通過虛擬建模，模擬這些類型的撞擊場景，從而為汽車、航空航天與國防、土木工程以及醫療等領域帶來更安全的結果。這也是航空業在鳥撞防護設計方面采取的另一種方式。

我們來看看與Ansys Twin Builder基于仿真的數字孿生平臺結合使用時，Ansys LS-DYNA非線性動力學結構仿真軟件如何提供一種簡單的方法來應對各種復雜的安全工程挑戰（包括上述挑戰以及跨行業的其它挑戰等）。

該圖顯示了Ansys Twin Builder基于仿真的數字孿生平臺中參數化場歷史降階模型（SROM）的應用情況，其中輸入常量輸入到ROM中，輸出用于驅動瞬態結構可視化。這樣的設置，可實現高效的實時仿真與分析

LS-DYNA軟件可以借助代理模型

LS-DYNA軟件為使用這種耦合方法解決大規模安全難題奠定了基礎。在Ansys結構解決方案中，LS-DYNA軟件在應對這些類型的挑戰時具有明顯的優勢，因為它是一款由多個多物理場求解器組成的有限元分析（FEA）程序。

“與那些通常只在某一物理領域表現強大的其他求解器不同，LS-DYNA軟件的能力來源于多個物理領域的集成，”Ansys首席研發工程師Anirban Basudhar表示，“它支持強耦合，以及整體耦合，可同時求解各種物理場，進而可提高分析結果的準確度。”

因此，LS-DYNA軟件非常適合分析短期、瞬態、高度非線性的動態事件，其中包括車輛碰撞測試、跌落測試以及可能需要考慮沖擊影響（如爆炸）的國防應用。然而，對這些事件進行仿真通常需要大量的計算資源。

這就是Twin Builder軟件的降階建模（ROM）功能的用武之地。其在LS-DYNA軟件中用作有限元模型中的代理模型應用，可替換更復雜的結構，從而可在不降低準確性的同時，節省仿真時間。

Ansys LS-DYNA非線性動力學結構仿真軟件在側碰場景中的假人模型

Twin Builder ROM技術助力突破難關

計算仿真結果時，LS-DYNA軟件的工作原理是對物理模型進行離散化。要獲得準確的結果，這種離散化通常就需要非常精細，進而會提高計算成本。

這些ROM的最大優勢是：它們可簡化高保真度的復雜模型。ROM可以捕獲這些源模型的行為，以便工程師能夠使用最少的計算資源快速研究系統的主要影響。LS-DYNA通過在標準組件中重復使用已有數據，大幅縮短了仿真時間。

“將LS-DYNA軟件與Twin Builder軟件融合，可使用ROM替換某些離散組件，ROM可作為這些組件計算成本很低的代理組件，”Basudhar講道。

在這種耦合場景中，ROM是根據之前LS-DYNA仿真結果，使用Twin Builder軟件提前離線生成的。隨后，只有少數組件使用有限元法建模，其余組件使用Twin Builder庫通過簡化的ROM評估來表示。于是，LS-DYNA/Twin Builder耦合的主要優勢是：實現更快的ROM分析，并且同時不降低結果準確度。

失效面，其中塑性失效應變被定義為三軸應力度及lode參數的函數

結構ROM集成與Ansys optiSLang Pro軟件的魅力

這種仿真技術一般針對標準組件執行，標準組件在設計周期或設計階段中變化不大，由此可實現在LS-DYNA軟件中進行快速、高效的分析。

此外，這種集成還可通過LS-DYNA的Ansys optiSLang Pro流程整合以及設計優化軟件功能，在汽車與航空航天應用中增強碰撞仿真或結構分析，以便實現設計優化與概率分析。該功能通常用于基于一組選定的特征性設計（稱為實驗設計集）來安排LS-DYNA仿真，通常是在遠程集群上進行。

在后處理分析階段，optiSLang Pro軟件可讀取LS-DYNA數據庫中的選定數據，然后將其整理并導出為適合Twin Builder軟件輸入的格式。隨后，Twin Builder軟件可用于生成LS-DYNA模型的ROM，該ROM會成為LS-DYNA模型的代理模型。該代理模型可在LS-OPT工作流程中用作代理求解器，以執行快速設計優化或可靠性/魯棒性研究。

在其它情況下，LS-OPT功能可生成一個ROM組件，該組件可以與LS-DYNA模型連接并耦合。

Basudhar說：“這項工作通常針對標準組件完成，標準組件在各個設計周期或階段之中不會發生太大變化，因此其可在被稱為ROM優化的過程中重復使用，以便通過LS-DYNA軟件實現高效、快速的分析?！?/p>

終極融合，以了解汽車耐撞性

LS-DYNA/Twin Builder的融合正在對汽車安全性能產生深遠影響，而安全性能是原始設備制造商（OEM）的一大重要優先事項。車輛安全性能會直接影響企業的盈利能力，因此，汽車品牌必須通過出色的耐撞性來贏得用戶信任。設計失效導致的事故不僅會導致代價高昂的召回，而且還會埋下乘員受傷及死亡的隱患，進而削弱公眾信任度。

在該背景下，通過LS-OPT功能實現的結構ROM集成，為汽車行業帶來了兩方面的優勢：

• 加速設計進程一旦生成了ROM，其評估速度將比相應的LS-DYNA仿真快幾個數量級，從而可加速設計探索。使用LS-OPT功能可獲得顯著的優勢，因為它提供了一個接口，可在自動化設計流程中將Twin Builder軟件作為求解器。這樣，就實現了一個高度靈活的流程集成平臺，在該平臺上，只需使用ROM或與更多的LS-DYNA仿真相結合，即可執行加速設計優化或統計分析，進而實現進一步改進。
• 加速LS-DYNA仿真可以預先訓練標準組件的力和扭矩以及位移與旋轉降階模型（ROM），并應用于混合系統級LS-DYNA仿真，其中一些組件使用有限元建模，而其余組件則由接口ROM表示。這不僅可顯著加速仿真，而且還有助于執行系統分析，否則其計算成本將十分高昂。

如前文所述，這種方法適用于不需要進行設計更改的應用。

例如，Ansys團隊正在為一款適用于各種類型車輛與座椅的標準組件開發一套調角器。這類部件的精細程度通常令人驚嘆——這些部件可能有200萬到1,000萬個單元。這種部件在LS-DYNA分析中成本高昂，因此是一個理想的ROM使用案例。

高級首席研發工程師Nielen Stander指出：“在LS-DYNA軟件中進行全面的座椅仿真，可能會需要考慮構成整個座椅、座椅上的假人以及各種其它車輛元素。如果有標準組件——這些車輛中通常有供應商提供的大量標準組件，則可先將其轉換為ROM，然后將其耦合在LS-DYNA分析中，以節省時間?！?/p>

但在這種場景中，使用ROM存在一個權衡：用準確度換取速度。雖然準確度可能會降低最高達10%到15%，但從整個開發周期來看，這個數字是微不足道的。在初始設計階段進行的仿真中，準確度未必像在最終設計階段那樣重要，因為最終設計階段需要考慮整個座椅系統。

具體來說，用戶可以創建ROM并進行大量的初始工作，以研究在改進車輛座椅設計時，設計修改會對響應及其它相關標準產生怎樣的影響。例如，想象一個滑臺測試場景，其中有一個座位和一個假人，您正在研究該系統。

“在這場滑臺測試中，涉及多種物理場，其中有些物理場比其它物理場更關鍵，有些物理場比其它物理場成本高，”Stander道，"很多時候，由于計算時間太長，用戶會猶豫是否要把所有設計準則都納入考慮。納入支持該驗證的ROM替代方案可能不是100%準確，但也具有一定的準確性，這在某些情況下可能已經非常不錯了。而且，這有助于他們在不會產生令人生畏的成本代價的情況下，將這些額外的載荷工況或學科納入優化流程。”

這些類型的場景，都再次證明了LS-DYNA/Twin Builder基于ROM的分析方法的固有價值?？紤]整個系統（例如座椅系統）中的新因素的能力，能助力客戶在開發周期早期更快取得發現和進展。這樣，客戶就節省了寶貴的時間，將其用于開發周期的后期階段——那時準確性尤為關鍵。

目前，Ansys開放數字孿生平臺Ansys Twin Builder的免費試用，歡迎點擊鏈接進行申請：數字孿生平臺Ansys Twin Builder

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