利用ANSYSLSDYNA仿真计算.docx
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利用ANSYSLSDYNA仿真计算
利用ANSYS/LS-DYNA仿真计算
ANSYS/LS-DYNA的前后处理器是ANSYS/PRE-POST,求解器LS-DYNA，是全世界范围内最知名的有限元显式求解程序。
LS-DYNA在1976年由美国劳伦斯·利沃莫尔国家实验室（LawrenceLivermoreNationalLaboratory）J.O.Hallquist博士主持开发，时间积分采用中心差分格式，当时主要用于求解三维非弹性结构在高速碰撞、爆炸冲击下的大变形动力响应，是北约组织武器结构设计的分析工具。
LS-DYNA的源程序曾在北约的局域网PubicDomain公开发行，因此在广泛传播到世界各地的研究机构和大学。
从理论和算法而言，LS-DYNA是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论基础。
1988年，J.O.Hallquist创建利沃莫尔软件技术公司（LivermoreSoftwareTechnologyCorporation），LS-DYNA开始商业化进程，总体来看，到目前为止在单元技术、材料模式、接触算法以及多场耦合方面获得非常大的进步。
1996年功能强大的ANSYS前后处理器与LS-DYNA合作，命名为ANSYS/LS-DYNA，目前是功能最丰富，全球用户最多的有限元显式求解程序。
ANSYS/LS-DYNA的用户主要是发达国家的研究机构、大学和世界各地的工业部门（航空航天、汽车、造船、零件制造和军事工业等）。
应用领域是：
高速碰撞模拟（如飞机、汽车、火车、船舶碰撞事故引起的结构动力响应和破坏）、乘客的安全性分析（保护气囊与假人的相互作用，安全带的可靠性分析）、零件制造（冲压、锻压、铸造、挤压、轧制、超塑性成形等）、罐状容器的设计、爆炸过程、高速弹丸对板靶的穿甲模拟、生物医学工程、机械部件的运动分析等。
ANSYS/LS-DYNA强大功能的基础是求解器的理论基础和丰富算法。
下面仅就LS-DYNA在模拟冲压、锻压和铸造等工艺过程的功能和特色进行说明：
1.冲压薄板冲压过程的物理描述是：
在模具各部件（通常是凸模、凹模和压料板）的共同作用下，板料发生大变形，板料成形的变形能来自强迫模具部件运动外功，而能量的传递完全靠模具与板料的接触和摩擦。
由此可见，对于成形过程的模拟，软件的接触（contact）算法的理论和精度决定程序的可靠性，除此之外，由于板料的位移和变形很大，用来模拟板料的单元类型应满足这一要求。
进行一定的假设：
模具为刚体，模具的运动可直接作为冲压系统的位移边界条件。
将冲压过程的物理模型转化为力学模型，即动量方程、边界条件、初始条件。
可描述为：
在给定的模具位移条件下，求得板料的位移函数，并在任意时刻同时满足动量方程、边界条件和初始条件。
这已经是一般性的力学问题，可采用有限元的方法进行求解。
LS-DYNA在分析冲压时模具定义为刚体，因此板料和模具都应用壳单元进行离散。
LS-DYNA的单元都采用Lagrange增量方法进行描述。
其壳单元算法共有16种，可用于板成形分析使用的单元有11中，可分类为四节点和三节点单元；单点积分、多点积分单元和缩减积分（select-reduced）单元。
单元采用co-rotational坐标系统分离单元运动中的变形和刚体运动。
使用单点积分的求解速度很快，一般都可得到可靠的结果。
当单元的翘曲和弯曲变形较大时，可通过增加沿壳厚度方向的积分点数目保证精度。
用于板料成形的材料模式是各种弹塑性材料，可考虑各向异性、强化特征。
强化类型包括指数强化、随动强化、等向强化、混合强化以及应变率对材料强化的影响。
应变率的影响归结为两种方式，1.采用Cowper-Symonds模型；2.以表格方式给定任意应变率下的应力-应变曲线。
部分材料模式引用Hill或Barlat的各向异性屈服假设，并假定壳单元的平面应力状态，因此几乎专用于板成形模拟。
并且还能够通过给定材料的FLD（flowlimitdia.）判断板料在拉延过程中局部开裂现象。
LS-DYNA目前的接触类型有30余种，适于板成形分析的有12种，都采用罚函数方法（penalty），在接触计算过程中考虑壳单元厚度及其变化。
值得说明的是：
1.拉延筋与板料接触（contact-drawbead），可认为是非线性弹簧算法，需给定单位长度拉延筋的对板料的阻力变化曲线。
2.LS-DYNA新增加三种接触类型（forming类型接触）专用于板成形模拟，这些接触类型降低了对模具网格的连续性要求，并且计算速度更快。
LS-DYNA进行板成形分析时可选择使用3Dadaptivemesh功能，可在计算过程中对板料网格进行局部加密，网格加密的准则可选择为：
1.板厚变化；2.曲率变化；3.单步长接触穿透深度值。
2.锻压锻压过程是金属体积成形过程，与板成形相比，其物理描述和力学模型中相同，但单元、材料、模具定义不同。
在锻压过程中往往考虑模具的变形，单元采用实体单元，材料在多数情况下经历较大的温度变化，为热塑性材料。
LS-DYNA的实体单元可分为三大类：
1.结构单元；2.ALE单元（包括Euler流体单元）；3.声单元。
进行锻压分析时要采用结构实体单元，这些单元可分为单点积分、多点积分和缩减积分（select-reduced）单元；节点带旋转自由度（nodalrotations）和不带旋转自由度单元。
单元采用co-rotational坐标系统分离单元运动中的变形和刚体运动，并在应力更新中采用Jaumann应力率，避免因刚体运动产生应力。
在剪切变形较大时，可选择使用Green-Naphdi应力率。
变形结构单元为8节点6面体，可退化为6节点5面体或4节点4面体。
LS-DYNA的热塑性材料通过列表给定不同温度下的材料性质，例如常用的一种各向同性热塑性材料可将整个温度范围分成7段，每个温度段内可定义不同弹性模量、泊松比、屈服应力、硬化模量、热膨胀系数等参数，这种材料采用线性硬化模式。
材料的热性能（比热、导热系数等）可为各向同性或各向异性。
在LS-DYNA中结构材料和热材料的定义是分开的，并且在接触传热分析中定义相关热接触界面，因此可进行结构和热场的耦合分析。
在多数锻压分析中，随着金属件成形过程的继续，初始网格的变形逐渐加大，将导致单元精度降低甚至发生畸变，因此必须使用网格重新划分功能（remeshing）。
网格重划分包括以下几个步骤：
1.检查网格的变形程度，若超过规定的变形度停止计算，保存结果；2.检查需要改变位置的节点，调整节点位置，保证材料边界不变，材料内部节点可自由移动。
3.将保存的结果映射到新的网格上。
4.重新对网格初始化并进行计算。
LS-DYNA对于二维与三维网格，皆提供重划分网格的功能。
另外，LS-DYNA早已采用一种更为先进的网格ALE，即任意拉格朗日-欧拉网格。
ALE网格进行Rezoning的目的和过程与Remeshing基本相同，但两者的网格描述存在本质差异（后者是拉格朗日网格）。
ALE结合拉格朗日和欧拉网格各自的优点，已广泛用于结构材料的极度变形。
有关ALE的技术在下面详细说明。
3．浇注前面已经提到，结构单元运动描述采用Lagrange方法，这是因为Lagrange描述中始终以初始构形为求解的参考构形，由材料点（materialpoint，在TotalLagrange中是初始构形的X0，在UpdatedLagrange描述中参考构形是上一个积分步的构形，即Xn-1）来确定动量方程、运动-应变关系、应变-应力关系。
由此可见，任一单元的积分点在整个过程当中可以保持不变，即为同一材料点，这对于求解历史相关的变形问题是极为重要的，因为对于固体结构材料而言，正是如此。
对流体介质，LS-DYNA采用Euler描述，即以当前构形（通常记为spatialpointx），来确定动量方程、变形-应变关系、应变-应力关系，因此不同时步单元积分点不是相同的材料点，即物质可以在Euler网格间输运，由物质的运动导致压力和能量在Euler区传播。
Lagrange和Euler是对物质运动的两种表述，这两种方法本质上是一样的，但由于采用的自变量（其自变量分别为X，t和x,t）不同，各自具备特点。
在形式上，前者的网格节点与材料点在物质运动过程中一一对应；而后者节点不动，材料点在Euler网格中移动。
在前者，任意材料点的历程都可以得到，在后者，只能得到t时刻Euler节点处材料点的特性，在下一时刻是另外一个材料点的特性，而处于此节点处的材料从何处来到那里去难以确定。
此外，在物理描述上，Lagrange和Euler在确定动量方程、质量方程、和能量方程时存在较大的不同，通常Euler方程采用保守形式，而Lagrange方程往往应用工程假设采用简化格式，这一点在质量方程的表达上尤为明显。
总之，Lagrange和Euler是对连续介质运动的两种描述，由于参考构形的选择不同（或者说是观测者位置不同），导致对物质运动的观测和描述的侧重点存在差异。
ALE方法最早是由Noh（1964）以耦合欧拉-拉格朗日的术语提出的，至80年代末90年代初才形成成熟理论并在少数分析程序中出现。
在ALE描述中，网格点可以随物质点一起运动，但也可以在空间中固定不动，甚至网格点可以在一个方向上固定，而在另一个方向上随物体一起运动。
ALE中，有限单元的剖分是对参考构形进行的，网格点就是参考点，网格是独立于物体和空间运动的，亦即参考构形是已知的，初始构形和现时构形是待求解的。
由于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法综合了纯拉格朗日和纯欧拉描述的优点，克服了各自的缺点，成为目前非线性连续介质力学中大变形分析的十分先进有效的方法。
早在91年，DYNA程序中就成功地引入ALE算法，在流体动力学、流体-结构相互作用、加工成型、碰撞、爆炸冲击、接触等大变形问题中得到了广泛的应用，如海啸、坝的决口、容器中流体的大幅度晃动和液体泄露、液体中高压气泡的扩展、水下爆炸、超高速碰撞、成型装药、鸟撞飞机、锻压等等。
ANSYS/LS-DYNA的算法除拉格朗日和ALE外，还包括欧拉和多物质流体求解。
欧拉构形主要有三种：
一阶精度的DonorCell；二阶精度的VanLeer；二阶精度的VanLeer+HalfIndexShift。
多物质流体的单元构形主要有二种：
流体+空材料和全空材料；多种材料的混合单元（压力平衡）。
这些模型都可以和通用的固体结构单元如solid、shell、brick和beam等单元自动耦合，不需要滑移界面。
同时，此类求解器的加入，使ANSYS/LS-DYNA具有了可压缩流体流动分析的能力，可求解如自由界面流动、波浪破碎、任意管道流动、流体混合、复合材料等的注塑成型、金属构件浇注成型、高速高压气体注入等复杂的流体和流体-结构耦合问题。
LS-DYNA在进行浇注模拟时，模具的空腔定义为Euler区，并将其材料定义成空（void）或任何物质（如空气），浇口处单元定义为Euler源（Eulerambient），即物质由此进入Euler区，物质运动的动力是压力和（或）重力。
LS-DYNA的流体介质定义为流体动力材料，其性质主要包括密度和粘性，单元的压力以及可压缩性由附带的状态方程决定（状态方程即压力方程，其自变量包括密度、温度、内能）。
随着物质由浇口流入Euler区，空腔和浇口的压力差逐渐降低，最终达到平衡，模拟即可终止。
在浇注分析中可考虑热扩散，LS-DYNA中可方便施加温度边界条件和热生成。
总之，LS-DYNA时间积分器采用中心差分格式，对未知量显式求解。
由于质量矩阵进行对角化处理，可进一步加快求解速度。
例如一般的冲压、锻压、铸造等问题合理控制有限元规模，在PC机上运行5-20小时能得到理想结果，这样的效率是其它程序难以相比的。
现代设计方法
钟志华 主编 教授，博士生导师，1985至1995年在瑞典留学及工作，现任湖南大学机械与汽车工程学院院长、学术委员会副主任，教育部科学技术委员会工学一部委员，第九届全国人大代表。
主要从事接触碰撞问题的有限元解法研究，其主要应用于汽车耐撞性分析及汽车车身薄板成型的有限元仿真。
留学和工作期间，曾作为主要研究人员和项目负责人参加欧盟高科技项目。
他的仿真算法被移植到著名工业软件LS-DYNA3D中，并成功地应用到车身冲压成型和汽车碰撞过程中的仿真中，极大地推动了规模并行计算的工业应用。
先后获国家科技部"九五"攻关项目，国家杰出青年基金重点项目，国家自然科学基金项目，机械工业技术基金项目，1995年发起和组织了第一届工程计算和计算机仿真国际会议，1998年霍英东青年教师研究类一等奖，国家专利3项。
曾是国家千百万人才工程第一、二层次入选者，部级跨世纪学术带头人，部级有突出贡献的青年专家，国家优秀回国人员，国家杰出青年基金获奖者，1999年获湖南省五四青年奖章，并评为长沙市杰出青年。
周彦伟 主编 国务院政府特殊津贴专家，现任洛阳工学院教授。
主要从事齿轮的设计、制造、及相关方面的研究。
曾获得国家科技进步三等奖，省部级科技进步一、二等奖。
在国内外学术刊物上发表论文10余篇。
参加本书编写的人员：
王建中、高全杰
上海交通大学汽车设计制造专业
始建于1934年，1953年全国院系调整，汽车工程部分迁往长春，1969年机车部分迁到上海真如，成立上海铁道学院。
1986年根据上海工业发展需要，恢复汽车设计制造专业，1993年建立硕士点，1996年成立上海市重点学科，1998年获博士学位授予权。
1998年更名为车辆工程。
学科点现有教授2名（2人均为博士生导师），副导师6名、讲师10名。
现学科带头人为张建武和林忠钦教授。
学科的主要研究方向为汽车制造工艺学、汽车结构动力学、汽车传动技术、汽车电子技术、车辆故障诊断、车辆动态检测技术、汽车设计理论。
汽车制造工艺学和汽车设计理论是该学科点的研究特色，与上海汽车工业界，国内外学术界和工业界具有广泛的合作关系。
近年来在国内外期刊发表学术论文近百篇。
目前正在进行的科研项目有：
国家自然科学基金项目一次，上海市教委重点学科项目二项，上海汽车工业发展基金项目三项。
学科点自1986年恢复以来。
已经建立了完整的汽车工程实验室。
实验室拥有1500平方米实验教学楼和1300平方米的汽车综合检测车间，实验室内拥有国内外著名汽车制造商赞助的各种汽车总成，检测设备，可以从事整车性能检测和故障诊断，汽车总成性能测试和分析研究。
近年来又建立了动态仿真实验室，该实验室拥有CATIA、ProE和CADDS5造型软件，LS－Dyna3D,Ansys和ADMS分析软件，能够从事汽车覆盖件的冲压成形动态仿真，覆盖件三维设计和模具设计，汽车车身和零部件的静动态强度分析。
汽车总成系统的动态响应分析。
张建武教授近年来主要从事汽车主动技术，汽车电子离合器和复合材料板的稳定性研究。
林忠钦教授主要从事车身覆盖件冲压成形理论，覆盖件模具设计、冲焊件制造精度质量控制技术，矢量化技术在车身CAD/CAE/CAM中的应用研究。
自1993年建立硕士点以来，已培养来自全国各地45名硕士生和博士生，已授硕士学位
本书特点及内容简介
本书介绍了机械产品现代设计方法的主要内容，包括计算机辅助设计（CAD）、机电产品造型设计、计算机辅助工程（CAE）、优化设计、机械可靠性设计等。
本书强调基础知识、工程实用性和系统性，使内容完全不同的各章节有机的融为一体，通过综合应用实例帮助读者理解不同设计方法的实质内容及工程应用技巧。
本书除论述相对成熟的设计方法外，还简要介绍了现代设计方法的发展前沿，并配有电子教案。
本书内容包括工程数据的处理、数据库及应用、计算机绘图基础、机械工程图的绘制方法、机电产品造型设计的基本理论与法则、产品色彩设计、人机工程学简介、有限元法基本理论、基本单元类型、有限元法应用技术、优化设计的基本理论、一维和多维优化方法、机械强度可靠性设计、疲劳强度可靠性设计、机械系统可靠性设计，并扼要介绍了绿色设计、全寿命设计、并行工程、虚拟制造和反求工程等现代设计方法的发展前沿。
专业通览
一、车辆工程专业揭秘
车辆工程就是关于各种车辆的研究、设计、制造、使用及管理的科学技术。
当今车辆几乎聚集了所有的先进技术，除了传统的材料、机械、热工技术之外，电子技术、检测技术、计算机控制技术、通讯、环保、安全等都得到广泛的应用。
因此，车辆工程是一个应用面广、涉及技术面宽、发展速度快的专业，需要大量的研究开发人员和工程技术人员加盟。
培养目标：
该专业培养掌握汽车或汽车发动机的设计原理、设计方法、试验技术、性能分析等方面的理论知识和基本技能以及相关的机械、电子技术、计算机应用、管理营销等方面的高级技术人才。
主要课程：
本专业的学生可以自行选择学习汽车设计、汽车发动机设计、汽车车身设计、汽车控制技术或汽车管理与应用等系列专业课程。
主要课程有：
工程力学、流体力学、工程热力学、机械设计基础、机械制造基础、电工与电子技术、计算机基础、测试技术、汽车构造及汽车发动机构造、汽车设计及汽车发动机设计、汽车理论及发动机动力学。
毕业生应获得以下几方面的知识和能力：
1.掌握机械制造学的基本理论、基本知识和基本技能，以及本专业所需的机械、电子技术；
2.要具有运用计算机辅助设计、计算机辅助制造技术，以及现代设计方法进行汽车、汽车发动机研究、设计、开发新车型的初步能力；
3.具有对汽车整机性能试验、分析及故障诊断的初步能力以及汽车、发动机的使用管理能力；
4.要掌握营销的基本知识和方法以及一门熟练的外语，具有从事汽车、汽车发动机营销、管理工作及文献检索与利用的能力。
二、开设车辆工程专业的院校介绍
清华大学
清华大学汽车工程系的车辆工程专业是我国具有悠久历史的学科之一，1981年该学科被国务院首批批准建立博士学科点。
该校汽车工程学科具有两方面的主要优势：
一是具有国内领先水平的教育和科技实力，背靠国民经济支柱产业，融入国内外汽车科技发展主流，服务于科教兴国的主战场；二是具有极好的快速发展前景和突出的学科带动作用。
在汽车工程教育界、科技界和工业界具有较大影响，成为我国培养高层次、高质量的汽车工程科技和管理人才的重要基地，也是我国汽车工程科技研究与开发的重要基地。
该校的汽车安全与节能国家重点实验室是我国汽车工程领域第一个国家重点实验室。
吉林大学
吉林大学车辆工程专业具有硕士学位、博士学位授予权和博士后流动站，1987年经评审成为本专业中唯一的国家重点学科并拥有本行业唯一的工程院院士（郭孔辉院士），具有国家级重点实验室（汽车动态模拟实验室），在国内汽车行业中有着重要的地位。
该学科拥有开放型汽车驾驶模拟器等一批具有国际先进水平的试验装备，形成了以汽车动态仿真与控制、汽车车身设计与制造技术等一大批具有国内领先水平，并在国际上有较大影响的研究方向，一直被行业誉为中国汽车工业人才培养的摇篮。
重庆大学
重庆大学是我国最早设置车辆工程专业的少数高校之一。
该学科在1993年获准设立“车辆工程”硕士学位点；1998年设立了“车辆工程”博士学位点。
汽车工业是重庆的支柱产业，汽车产量已跃居全国第三位。
因此该专业学科具有强大的科研能力，取得了一大批科研成果。
其中部分成果获得省部级奖，有的技术还获准专利申请。
该系还与企业联合建立了车身研究所、汽车灯具研究所和汽车制动器研究所等，使科研成果能更好地为生产服务，促进了教学的改革与发展，为学生提供了更多的实际工程训练的机会。
湖南大学
湖南大学车辆工程学科具有硕士、博士学位授予权，是国家“211工程”重点建设学科项目之一，在汽车碰撞安全技术、空气动力学实验研究和计算机仿真技术、车身覆盖件冲压成型和模具制造技术等方面，已取得多项国内领先水平和国际先进水平的研究成果。
该校车辆工程博士点学科的特色是对汽车车身的研究。
其中“108吨电动轮自卸车防寒驾驶室研制”、“新型客车造型和内外装饰设计研究”分别获得国家重大技术装备科技攻关成果一等奖和交通部“七五”科技攻关成果一等奖。
江苏大学
江苏大学是国内最早创办车辆工程专业的大学之一，具有博士、硕士学位授予权和博士后流动站，主要培养从事汽车工程技术领域设计、制造、研究、试验，以及其他车辆的设计与制造、运用与管理等方面的高级工程技术人才。
车辆工程专业拥有汽车底盘测功和排放实验室、计算机图形工作站、三维CAD/CAM软件Pro/E、UG、大型有限元分析系统ANSYS/LS-DYNA3D等先进的教学科研设备。
三、开设车辆工程专业的高校还有：
北京理工大学、合肥工业大学、武汉理工大学等高校。
就业前瞻
广州欲建“中国底特律”
人才需求之渴
国外经验表明，汽车工业的发展关键在人才。
据悉，发达的汽车企业如通用汽车公司在美国及世界各地雇员达80万人，福特公司在世界各地拥有36万名员工。
随着我国汽车产业的快速发展，有关汽车研发、制造、销售等人才捉襟见肘。
我国首届汽车及相关产业大型人才交流会传出消息，上海汽车产业人才需求5年内将超过3万名，而目前市场上这方面的人才不足一半。
随着汽车产业的快速发展，有关汽车研发、制造、销售等人才更是捉襟见肘。
据广州本田汽车公司有关人士透露，目前广州本田计划在2005年建成年产20万辆的生产能力，目前的人才总量远不能满足发展的需求，人才缺口在2000人以上。
目前，国内已进入汽车消费的旺盛时期，对人才的需求也将达到新的高潮。
加入WTO以后，外资企业进驻中国市场，亟需熟悉本地情况的专业人才。
而国内企业的进一步发展壮大，也需要大量人才来补给。
随着汽车产业的成熟，汽车人才创造的价值将会越来越得到社会的承认。
（罗虹）
长春汽车研究所郭竹亭
改革开放以来，我国社会发生了巨大的变化。
1987年第一届车身制造年会在一汽召开，至今已开过十一届，斗转星移，第十二届年会又在长春召开了。
回顾这十几年期间车身设计技术取得了可喜的进步，同时也存在着明显的差距。
它们集中表现面在以下方面。
一、十五年来我国汽车车身设计技术的进步
1．前期开发（概念设计）
（1）认识了前期开发的重要性
过去对产品的前期开发重视不够。
近年来随着改革开放的深入,与国外技术交流的增多，我国对产品的概念设计已有了认识上的提高，并正在工作实践中贯彻执行。
譬如，过去产品开发是从设计任务书开始的，而设计任务书的形式比较草率。
一些产品由于前期工作做的不充分，致使产品开发出来以后带着许多先天不足。
有些产品设计时只顾追求先进，投产时仍不具备条件，保证不了质量，甚至投产后还要下马。
CA141车投产时装卤素前大灯，后来因为寿命低而又被迫改为白炽灯。
现在开发的新产品比较注意先进性与可行性之间的关系。
为了提高灯具的水平，国内相关行业也在提高，注意到与主机厂的同步开发。
目前日本与德国的公司都在中国设厂，对国内的灯具行业是一个大的推动。
一个产品从孕育方案到形成一个明确的概念，直至体现到可展示的概念车上，要经过几周到一年多的时间。
在这一段时间里，要做市场调查，预测投入市场后的竞争力如何，成本估算时从投入产出比进行分析，企业会不会赢利。
对企业的设备状况，资源的利用情况，新投入多少？
对产品的选型要非常慎重，产品的设计指标是否先进。
与国内外同类车型的对比分析，是否达到先进水平，做到知己知彼。
要经过大量试验、测绘、分析，掌握产品的情况。
对于产品的形体要精心布置，现代汽车是一个多学科技术的集合体，就汽车车身而言，涉及到空气动力学、人机学、结构力学、机械工程学、材料学、美学等等。
（2）改进了设计流程
过去产品设计主要流程是美术效果图，1:
5～1:
1油泥模型，主图板，产品图，样板，主模型，提供给工艺制造部门的主要依据是图纸、样板、主模型。
车身曲面的表达是用制表面的方法，手工绘制。
现在的产品设计比过去有很大提高，由计算机的辅助，已不再绘制过去那样1:
1主图板了。
已把设计师从繁重的主图板工作中解放出来。
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