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(chǎng)、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(shí)候，都會(huì)發(fā)布很多不同的執(zhí)行程序，以對(duì)應(yīng)不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)以及并行計(jì)算使用的MPI平臺(tái)。其計(jì)算內(nèi)核都是相同的，只是使用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)不同。由于發(fā)布到ftp的LS-DYNA版本非常多，很多時(shí)候用戶不知道應(yīng)該選擇哪個(gè)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(shí)，我們知道很多用戶正在使用Platform MPI，因?yàn)橄鄬?duì)來(lái)說(shuō)更穩(wěn)定。但是Platform MPI基于相對(duì)較老的MPI 2.0標(biāo)準(zhǔn)，而且IBM在2020年已經(jīng)停止了對(duì)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(tái)，以使用最新的技術(shù)。
對(duì)于R14版本，依舊會(huì)提供不同MPI的LS-DYNA執(zhí)行程序，但實(shí)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(duì)應(yīng)的MPI 即可。同時(shí)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(cè)試時(shí)間（無(wú)需再測(cè)試三個(gè)binary程序），LS-DYNA目標(biāo)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(yàn)。
CPM安全氣囊功能更新
對(duì)于氣囊仿真，大部分的增強(qiáng)和改進(jìn)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(qiáng)了阻塞評(píng)估以獲得更加一致的結(jié)果，并新增不同的阻塞選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)安全氣囊正確的泄氣，以及描述泄氣孔氣壓的POPP。當(dāng)安全氣囊的壓力達(dá)到一定值后，泄氣孔隨之打開。此類選項(xiàng)改善了操作要求，目前可以使用上級(jí)和下級(jí)部件或腔體壓力實(shí)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(diǎn)，例如注入氣體時(shí)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(duì)于每個(gè)氣囊，單獨(dú)計(jì)算接觸力閾值（不包括transducer）
設(shè)置單獨(dú)的泄氣阻塞閾值
基于泄氣孔節(jié)點(diǎn)接觸力計(jì)算接觸壓力（contact pressure）
當(dāng)氣囊壓力大于泄氣孔接觸壓力時(shí)，泄氣孔不被阻塞
排除*CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE的節(jié)點(diǎn)接觸力（SOFT=2)
排除接觸力傳感器的節(jié)點(diǎn)接觸力
比較上下游的PART/ambient壓力
比較上下游的CHMABER/ambient壓力
計(jì)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(shí)，接觸部分的氣體泄露會(huì)受到阻礙。LS-DYNA會(huì)首先計(jì)算節(jié)點(diǎn)的接觸力。如果節(jié)點(diǎn)受到了接觸力，說(shuō)明這個(gè)局部正在于其它部件進(jìn)行接觸，就可能會(huì)阻礙了氣囊中的氣體從織物中泄露。通過接觸力的閾值進(jìn)行判斷是否需要計(jì)算織物的泄氣。在舊版本的算法中，首先會(huì)統(tǒng)計(jì)模型中所有接觸的節(jié)點(diǎn)接觸力，計(jì)算一個(gè)F total，用Ftotal除以模型中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量再乘以一個(gè)系數(shù)，得到接觸力的閾值，只要?dú)饽疑瞎?jié)點(diǎn)的接觸力大于這個(gè)閾值，就認(rèn)為此節(jié)點(diǎn)位置氣囊的織物的泄氣被阻擋了。這樣的算法會(huì)有一些問題：
1.如果在模型中增加一個(gè)接觸，這個(gè)接觸可能和氣囊一點(diǎn)關(guān)系都沒有，但它無(wú)疑會(huì)改變模型中的接觸力數(shù)值，也就改變了接觸力的閾值，計(jì)算出來(lái)的氣囊泄氣的特性就會(huì)發(fā)生變化；
2.把標(biāo)定好的氣囊零部件模型放在整車模型中去，因?yàn)槟Ｐ椭械慕佑|不同，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出來(lái)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(huì)計(jì)算接觸力的數(shù)值，但不會(huì)真的施加接觸力，而在舊版本的算法中，在計(jì)算接觸力閾值時(shí)候，也會(huì)將力傳感器的接觸力算進(jìn)去。這樣本不該影響計(jì)算結(jié)果的接觸力傳感器設(shè)置，也可能對(duì)氣囊的相應(yīng)產(chǎn)生影響；
R14版本更新了接觸力閾值的計(jì)算方法。對(duì)于某個(gè)氣囊，比如第i個(gè)，僅計(jì)算該氣囊上節(jié)點(diǎn)受到的接觸力之和，然后除該氣囊上的節(jié)點(diǎn)數(shù)，乘以系數(shù)得到閾值。這樣對(duì)于每個(gè)氣囊來(lái)說(shuō)都會(huì)單獨(dú)計(jì)算其閾值。
整車模型中可能有多個(gè)氣囊，在新版本中不會(huì)因?yàn)樵黾咏佑|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(duì)于泄氣孔的阻塞特性，增加了一個(gè)新的選項(xiàng)。同樣的，阻塞的判斷是基于泄氣孔上的節(jié)點(diǎn)接觸力來(lái)判斷的。求解器在計(jì)算的時(shí)候，會(huì)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(gè)三角形的segment 由C1,C2,C3三個(gè)點(diǎn)組成。此前算法是，C1,C2,C3中，只要某個(gè)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)接觸力超過了閾值，這個(gè)面段的1/3就被認(rèn)為是阻塞的。而新版本中增加了選項(xiàng)（BLOCK=21），會(huì)基于節(jié)點(diǎn)力計(jì)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(huì)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(gè)選項(xiàng)BLOCKV。開啟該選項(xiàng)后，在計(jì)算阻塞時(shí)，不會(huì)計(jì)算*AIRBAG_SINGLE_SURFACE帶來(lái)的節(jié)點(diǎn)接觸力。如圖中右上角展示的模型中有兩個(gè)接觸，一個(gè)*AIRBAG_SINGLE_SURFACE，計(jì)算氣囊自身的接觸；一個(gè)surface to surface接觸，計(jì)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(shí)，通常是通過節(jié)點(diǎn)接觸力來(lái)評(píng)價(jià)的，但氣囊自身的內(nèi)部接觸，不會(huì)對(duì)外部泄氣孔產(chǎn)生影響。所以在計(jì)算外部泄氣孔的泄氣時(shí)，應(yīng)該排除氣囊自身接觸的影響。新的BLOCKV選項(xiàng)已能夠?qū)崿F(xiàn)該目標(biāo)。
圖中展示的折線為氣囊的泄氣曲線，使用默認(rèn)選項(xiàng)時(shí)，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(xiàng)，為中間的曲線，會(huì)有更多的泄氣發(fā)生。而如果將所有的接觸設(shè)置在一個(gè)*AIRBAG_SINGLE_SURFACE中，再配合新的BLOCKV選項(xiàng)，不會(huì)計(jì)算其節(jié)點(diǎn)接觸力，泄氣孔不會(huì)被阻塞，泄氣量也是最多的。
通過以上對(duì)于織物和泄氣孔阻塞算法的改進(jìn)，LS-DYNA給能夠更加合理的計(jì)算外部泄氣孔的泄氣特性。
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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