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ANSYS LS-DYNA——高度非线性动力学分析软件
机械分析
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产品关键词
ANSYS LS-DYNA是一个以显式为主，隐式为辅的通用非线性
动力分析有限元程序，可以求解各种二维、三维非线性结构的高速碰
撞、爆炸和金属成形等非线性问题。软件功能齐全，可求解涉及到
几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（200多种材
料动态模型）和接触非线性（50多种）的瞬态动力学问题。软件以
Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐
式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、不可压缩流场分析以及
流体结构耦合分析功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能
（如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成形后的回弹计算）；军用
和民用相结合的高度非线性瞬态分析有限元程序。
AN
SYS LS-D
YN
A——
高度非线性动力学分析软件
■ 分析功能
ANSYS LS-DYNA具有很广泛的分析功能，可模拟许多二、三维
结构的物理特性：
● 非线性动力分析
● 热分析
● 失效分析
● 裂纹扩展分析
● 接触分析
● 准静态分析
● 欧拉场分析
● 任意拉格郎日-欧拉（ALE）分析
● 流体-结构相互作用分析
● 实时声场分析
● 辐射系数计算
● 多物理场耦合分析（结构、热、流体、声场等）
高 度 非 线 性 动 力 学 分 析 软 件ANSYS LS-DYNA
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■ 材料模型
ANSYS LS-DYNA程序目前有200余种金属和非金属材料模型和14种状态方程（描述材料体积变形行为）可供选
择，如弹性、弹塑性、超弹性、泡沫、玻璃、地质、土壤、混凝土、流体、复合材料、炸药及起爆燃烧、刚性及用户自
定义材料，并可考虑材料失效、损伤、粘性、蠕变、与温度相关、与应变率相关等性质。
■ 单元类型
ANSYS LS-DYNA程序现有多种单元类型，包含各种薄壳、厚壳、体、梁单元，ALE、Euler、Lagrangian单元等。
各类单元又有多种理论算法可供选择，具有大位移、大应变和大转动性能，单元积分采用沙漏粘性阻尼以克服零能模
式，单元计算速度快，节省存储量，可以满足各种实体结构、薄壁结构和流体-固体耦合结构的有限元网格剖分的需要。
■ 接触算法
ANSYS LS-DYNA程序的全自动接触分析功能易于使用，功能强大。现有56种接触选项可以求解下列接触问题：变
形体对变形体的接触、变形体对刚体的接触、板壳结构的单面接触（屈曲分析）、与刚性墙接触、表面与表面的固连、
节点与表面的固连、壳边与壳面的固连、流体与固体的界面等，并可考虑接触表面的静动力摩擦（库伦摩擦、粘性摩擦
和用户自定义摩擦模型）、热传导和固连失效等。这种技术成功地用于整车碰撞研究、乘员与柔性气囊或安全带接触的
安全性分析、薄板与冲头和模具接触的金属成形、水下爆炸对结构的影响等。此外程序采用材料失效和侵蚀接触(eroding
contact)可以进行高速弹丸对靶板的穿甲模拟计算。
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■ 无网格算法
ANSYS LS-DYNA有2种无网格算法：SPH算法和EFG算法。
SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）光顺粒子算法，是一种无网格Lagrange算法，最早用于模拟天体物理问
题，后来发现解决其它物理问题它也是非常有用的工具，如精确分析计算连续体结构的解体、碎裂、固体的层裂、脆性
断裂等。
EFG方法（Element Free Galerkin），也称为meshfree，处理以下问题具有优势
● 材料极度扭曲，比如：碰撞、超速碰撞；
● 移动边界，自由表面，比如：流固耦合；
● 自适应处理过程，比如：锻压、挤压 ；
● 移动不连续，比如：裂纹扩展；
超高速碰撞(SPH算法，速度10Km/s)
■ 自适应网格技术
用户可指定采用自适应网格剖分的壳单元组和体单元组（part）。当某单元与相邻单元之间倾斜角度超过某一控制
值（用户给定）时，该单元将自动剖分。
■ ALE和Euler列式
ANSYS LS-DYNA程序主要采用Lagrange有限元列式，其单元网格附着在材料上，随着材料的流动而产生单元网格
的变形。但是在结构变形过于巨大时，有可能使有限元网格造成严重畸变，引起数值计算的困难，甚至程序终止运算。
ALE列式和Euler列式可以克服单元严重畸变引起的数值计算困难，并实现流体-固体耦合的动态分析。Euler网格与
Lagrangian有限元网格可方便地耦合，以处理流体与结构在各种复杂载荷条件下的相互作用的问题。
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■ 汽车安全性分析工具
ANSYS LS-DYNA程序具备模拟汽车碰撞时结构破损和乘员安全性分
析的全部功能。
● 安全带
包括安全带单元、材料、滑环、抽筒器、传感器、预张力器和加速度
计等。
● 气囊
模拟折叠状态气囊的吹胀过程，以获得汽车碰撞事故时气囊对乘员的
保护作用，检查气囊设计的安全性能。
● 假人
模拟乘员，计算汽车高速碰撞时乘员关键部位的动态特点，以判断乘
员的安全性。人体由许多构件组成，每个构件要用单元网格构造准确的几
何构形，其质量、质心位置、转动惯量，特别是各个关节的弹性连接与阻
尼特性要与真人一致，通常通过大量实验测出这些参数。
● 汽车
用ANSYS LS-DYNA的壳单元、实体单元构造完整的汽车模型，可以选用金属、玻璃、塑料、橡胶等各种材料模
型。程序的Automatic_Single_Surface接触功能可以保证汽车全部构件内外表面、与假人、气囊、安全带之间，以及外部
障碍物表面相互接触时不穿透，实现汽车高速碰撞时全过程的数值模拟和有关数据的输出。
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■ 金属成形
● 钣金成形
ANSYS LS-DYNA程序近年来在开发薄板冲压成形过程数值模拟做
了大量工作，取得显著效果。
薄板冲压模型通常有冲头、底模、压板和板料四大部分，冲头、底
模和压板的刚度很大，可以用刚性材料的薄壳单元或实体单元建模。板
料在冲压过程中产生大位移、大转动和大应变的弹塑性变形，ANSYS
LS-DYNA程序的薄壳单元完全满足这些要求，其材料模型不仅有各向同
性弹塑性材料，并考虑温度影响和应变率影响，还有横向正交各向异性
弹塑性材料以满足板料经过冷碾压加工后造成板面内与壳厚方向强度不
同的情况。
● 体积成形
金属体积成形过程的模拟一般要考虑模具的变形，采用实体单元。工件材料在多数情况下经历较大的温度变化，
应为热塑性材料。
ANSYS LS-DYNA提供多种热塑性材料模式， 允许通过列表给定不同温度下的材料性质。材料的热性能（比热、
导热系数等）可为各向同性或各向异性，可进行结构和热场的耦合分析。
网格畸变的处理是体积成形过程模拟的难点，过去在多数体积成形分析中材料采用Lagrange描述，随着变形的不
断加大，单元精度逐渐降低甚至发生畸变，因此需要对网格进行重划分（remeshing）；LS-DYNA提供了强大的网格重
划分功能。但值得说明的是，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的目的和过程与拉格朗日网格Remeshing基本相同，但两者的网格描述存在本质差异）。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。
齿轮模锻初始坯料形状 齿轮模锻成形工件
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■ 国防安全设计
ANSYS LS-DYNA提供了多种高应变率效应的材料本构以及状态方程来描述材料在高温高压下的毁伤特性，如
JOHNSON-COOK模型、流体弹塑性模型以及STEINBERG模型等；对于炸药，ANSYS LS-DYNA提供了高能炸药模型
以及冲击起爆模型描述其在不同情形下的起爆特性，并且提供灵活的起爆设置方法可以方便的实现延时起爆、微差起爆
等不同起爆方式；对于侵彻过程中出现的材料失效行为，ANSYS LS-DYNA可以采用材料本构中自带的失效方式实现失
效，也提供MAT_ADD_EROSION关键字帮助用户灵活实现多种失效方式的组合；ANSYS LS-DYNA采用多物质ALE算
法以及流固耦合算法计算爆炸问题以及爆轰波与固体介质相互作用的问题；对于大范围的介质中的爆炸场计算，ANSYS
LS-DYNA提供ALE动网格技术，自动加密波阵面上的网格，精确计算冲击波的传播同时减小计算规模。
对于防护加固系统设计，ANSYS LS-DYNA提供多种混凝土本构模型，可以计算混凝土在高速冲击载荷以及爆炸载
荷下的各种力学性能，包括开坑、崩落、层裂等； ANSYS LS-DYNA提供SPH算法计算超高速碰撞以及混凝土裂纹的扩
展，弥补拉格朗日算法的不足；ANSYS LS-DYNA提供多种钢筋混凝土建模方式，包括CONTACT-1D模拟钢筋在混凝土
中的滑移。
聚能装药战斗部设计
隐式、自适应算法用于球壳结构静力分析
■ 隐式求解
用于非线性结构静动力分析，包括结构固有频率和
振型计算。ANSYS LS-DYNA中可以交替使用隐式求解和
显式求解，进行薄板冲压成形的回弹计算、结构动力分析
之前施加预应力等。
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■ 前后处理功能
ANSYS LS-DYNA可以采用二种方式进行前处理：
第一、利用ANSYS 经典环境下的ANSYS PrepPost For LS-DYNA进行前处理，具有多种自动网格划分可选择，还能
使用LS-PrePost进行Keyword文件的编辑。
第二、ANSYS WorkBench2.0也可以为ANSYS LS-DYNA提供前处理功能，且可以直接导出k文件，方便用户提交给
LS-DYNA求解器进行计算。
ANSYS LS-DYNA求解结果的后处理可以在ANSYS 经典环境中进行，也可以采用LS-PrePost完成。
■ 典型应用
● 各种高速大型碰撞分析和复杂运动学分析
石油钻井平台结构分析 大型船舶与冰山碰撞分析
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LS-DYNA鸟撞模拟过程模拟
冲压、浇铸、锻造等各种成型过程模拟
体积成形（自适应EFG）
● 金属成形分析和模具设计
- 薄板冲压工艺和过程完整仿真（配上专业的DYNAFORM前后处理器使用更方便）
- 体积成形工艺和过程仿真（包括锻造、轧制、挤压、拉拔、爆炸成形等）
- 特种成形、机械加工、铸造、注塑等工艺和过程仿真
● 航空航天安全性分析
- 飞机、发动机的鸟撞、叶片包容性、异物损伤
- 飞行器结构的防撞特性，在冲击、爆炸及动态载荷下的安全性
- 火箭级间分离、宇宙垃圾碰撞、特种复合材料设计等
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● 汽车安全性及整车动力学特性（配上专业的VPG前后处理器使用更方便）
- 整车系统非线性动力学仿真（行驶性和操纵性）
- 真实路面行驶条件下的疲劳寿命及NVH评价
- 乘员安全性（气囊、安全带、假人、车体在碰撞状态下的相互作用）
- 安全车身设计（结构侵彻、轿箱变形、车门开启、燃油泄漏等）
- 轮胎涉水打滑
● 电子产品抗冲击设计、跌落分析（跌落试验）和包装设计
● 船舶、列车等交通工具的耐碰撞、耐冲击设计，与流体的相互耦合作用
轮胎涉水打滑
电器、电子产品跌落分析 笔记本、手机跌落分析
机车碰撞和飞机迫降模拟仿真
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水下爆炸对停泊舰船的冲击 射流成形及侵彻仿真
● 土木工程抗震特性、在动载荷作用下的动态相应、爆破拆除、路桥防护设计设计、设施、设备的抗冲击设计、结构破
坏(裂纹)特性模拟、多体运动学等
● 国防安全设计
- 武器系统设计（内弹道/终点弹道效应、侵彻与开挖（穿甲、射流破甲、钻地效应）、介质中的爆炸场）
- 战斗部结构设计（战斗部特征尺寸和起爆参数的优化设计、目标毁伤特性）
- 防护加固系统设计（防护及加固系统的耐冲击、抗爆破特性）
聚能装药战斗部仿真 离散杆战斗部仿真延迟引爆战斗部仿真 预置破片战斗部仿真
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