LS-DYNA解决方案
2019-07-02


LSDYNA作为一款专业的非线性结构求解器一直被国内有限元仿真用户所青睐。如今,含有电磁场与流体场的LSDYNA多物理场版本求解器被引入国内,这将为客户提供更加完善的不同领域、不同层次的仿真解决方案。


Ø 功能强大的低频电磁场求解器


LSDYNA低频电磁场求解器含有瞬态电磁场、涡流场与传导电流场三种求解类型。瞬态电磁场以麦克斯韦方程组电磁扩散方程为基础,采用FEM-BEM混合空间离散方法,准确考虑电磁场开域问题,计算导体自身的集肤效应、临近效应及导体周围导电体的涡流效应。并可将后续计算出的电磁力与发热功率应用于接下来的多物理场分析。涡流场求解器不同于其它商业软件中的频域计算,其核心方法与瞬态电磁场求解器类似,在激励方面只支持正弦电源输入。计算时采用如图1所示的周期等效方式,取出2个周期内的平均损耗作为一段时间内平均发热量传递给温度分析,该计算方式可以完美解决涡流场中运动物体的加热问题。传导电流场求解器基于欧姆定律,计算复杂流通路径、含有接触电阻、含有滑动接触等问题的电流流通与损耗等问题。

基本功能:

l  材料属性—支持线性电导率、随时间变化非线性电导率、随温度变化非线性电导率、线性磁导率、非线性BH曲线等基本材料属性定义。同时,LSDYNA瞬态电磁场求解器还提供电磁壳单元的各向异性电导率设置功能,解决如氧化薄层不同电导率对结果的影响问题。此外,LSDYNA软件提供基于Burgess和MEADON模型的电导率定义方式;

l  边界条件—LSDYNA电磁磁场求解器基于FEM-BEM混合空间离散方法,无需添加边界条件即可精确求解开域问题;

l  激励类型—提供表格型、正弦、任意周期性电流和电压的输入,同时提供RLC电路场路耦合激励的设置方法;

l  结果输出—磁密B分布、磁场强度H分布、洛伦兹力、焦耳热、电流密度、单元电导率随时间变化、表面电流等结果的云图、矢量、点提取、线提取、切面提取显示方法。


Ø 全新的流体求解器


LSDYNA流体求解器不同于以往欧拉流体求解器,其采用全新设计,包含可压缩流体求解器与不可压缩流体求解器两种。


网格重画分&自适应划分工具

为了更好地捕捉网格敏感现象,如湍流涡或边界层分离再附着,我们提供了一些对体积网格进行局部细化的工具。在几何设置时,用户可以定义用于生成表面网格的体。如果没有指定体,网格工具将使用定义体积外壳表面尺寸的线性插值。还可以指定一些各项异性的单元并添加到边界层中,以便更好的模拟壁面接近效应。


另一种方法是激活自适应网格细化特征。求解器将使用后验误差估计来计算新的网格尺寸。这将简化网格生成,同时提供精确的结果。





自由表面流动

大量的流体问题涉及到移动边界。应用包括空气动力学、破碎表面波和固体中渗入流体等问题。在许多这样的应用中,交界面动力学问题与周围流体运动之间的相互作用是微妙的,诸如密度比和温度在界面上跳跃、表面张力效应、拓扑连通性和边界条件等因素在动力学中起着重要作用。


求解器应用一系列的方法,快速而可靠的技术,以追踪并正确地表示运动界面。它们依靠于一个隐式表示的交界面,交界面的运动方程基于数值方法建立于双曲守恒定律之上。该技术能够处理交界面上依赖于物质属性的不断变化的交界面速度,物质属性包括曲率、发现方向、复杂的物理跃变等。



共轭换热

热传导是热能工程的一门学科,它涉及物理系统中热能和热量的产生、使用、转换和交换。ICFD求解器提供了计算和研究温度怎样在流体域中流动的求解能力。潜在的应用很多,包括制冷、空调、供暖、汽车冷却液、解冻或人体传热等。此外,ICFD的热求解器与结构热求解器完全耦合,当求解既含有流体热又含有结构热的共轭换热问题时可以同时考虑两个不同物理场之间的相互作用。



Ø 不断增强的结构求解器


在LSDYNA中能够求解结构求解器经过不断发展,除了经典的Lagrange、ALE求解器外,不断发展和完善了SPH和EFG求解器。在最新版本的LSDYNA求解器中还增加了DEM求解器来模型,以及这些求解器的联合分析实际工程中的复杂问题,提高了分析问题的精度和效率。

经典的Lagrange求解器

Lagrange求解器的网格自适应与重划分

SPH与EFG求解器

DEM的求解器


SPH与Lagrange联合的鸟撞叶片分析              DEM与Lagrange联合的爆炸分析


核心价值:LSDYNA的结构求解器是目前处理各种结构类问题最全面和效率最高的求解器;通过多种求解器的联合求解、找到最佳的求解精度,在满足精度要求的情况下采用软件的几乎线性的并行加速性能来提高求解效率。


Ø 最真实的多物理场求解器


越来越多的工程问题不再是单单某一个物理场可以解决的。例如战斗部爆炸后产生的冲击波问题,高速飞行器中的气体流动与阻力问题,新能源汽车电池包的内外短路、化学反应致热问题等。研发工程师们希望可以从多个物理场的角度出发,利用物理场之间结果和参数的耦合关系实现真实工程问题的模型。


LSDYNA提供了这样的方法,即通过简单的设置让多个物理场之间的参数和结果进行传递,实现真实工程问题的多物理场求解。



多物理场求解中一项比较核心的价值在于物理场结果与参数的传递方式,主流方式有基于位置的不同网格间场量插值法和基于节点和单元编号的同一网格直接传递法。前者主要应用于每个物理场网格不一致的情况,方法的优点就是各个物理场采用适合的网格计算可以保证精度的前提下提高效率,缺点是在不同网格之间通过差值算法传递物理量时会产生误差,误差的大小受网格尺寸影响。后者采用的方法即应用同一套网格进行求解和物理量传递,可保证物理量传递精确可靠,只需在前期网格划分时充分考虑每个物理场的适用性。LSDYNA采用第二种传递方式,以此保证多场求解的结果可信性。


多场求解的另外一项核心价值在于每个物理场间的参数和结果的双向耦合特性。电磁会发热,热同样也会影响电导率大小;高速飞行器会扰乱流体流动,流体的反向作用力也会影响飞行器的速度;电磁力会导致线圈发生形变,形状改变的线圈也会改变整个电磁力的分布。上述的一系列现象说明,真实自然界的多物理场问题实际都是一个相互影响的问题,即双向耦合问题。LSDYNA多物理场求解器力求还原最真实的工程问题,所以在每种物理场之间采用的数据传递均为双向,也就是可实现任何多场(二场、三场、四场)之间的双向耦合求解。