本文將繼續(xù)介紹LS-DYNA R14.0即2023R1部分新功能，主要有RVE分析模型、雙重尺度聯(lián)合仿真技術、SPG/ISPG、近場動力學、ICFD/FSI等更新介紹。
對于目前Intel MPI, platform MPI和 Open MPI，詳細介紹了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)點接觸力去評估對氣囊泄氣性的影響。對于SPH齒輪箱和涉水仿真方面，實現(xiàn)了大量新功能。針對EM solver電磁求解器，拓展了與結構耦合的功能，在生物醫(yī)學領域有著廣泛的應用。ICFD求解器新增了Block Low-Rank分解求解器，與DEM耦合的新功能，尤其針對實體單元。CESE增加針對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功能，例如新的關鍵字：*FREQUENCY_DOMAIN_ ACOUSTIC_DIRECTIVITY，還有隨機振動SSD ERP和d3max等等。Ansys Forming出色的仿真功能，較以往工具有了很大地提升。
紡織材料RVE分析模型的新功能(*RVE_ANALYSIS_FEM)
?● 在RVE求解器中自動創(chuàng)建image RVE，以施加生物醫(yī)學行業(yè)客戶使用的接觸的周期性
?●?通過增強*CONSTRAINED_NODE_INTERPOLATION功能，image RVE的運動遵循真實RVE的運動，并進行偏移以保持結構的連續(xù)性
?●?Card 1中新增flag名為IMAGE
?●?該功能使得用戶能夠進行RVE分析并預測紡織材料RVE的均質性
a)?RVE分析中的部分周期邊界條件
b)?支持僅在紡織材料RVE的一個或兩個方向上定義周期邊界條件的特性
c)?Card 1中的flag名BC
d)?此功能使得用戶能夠對紡織RVE施加部分周期性邊界條件
雙重尺度聯(lián)合仿真技術更新
新的耦合接口(*INCLUDE_MULTISCALE)可自動生成焊錫球模型：
?●?新的耦合接口可以從宏觀尺度梁單元自動生成/復制中尺度實體模型(Card 1中的新flag名為CTYPE)
?●?該功能取代了此前版本的雙尺度單向聯(lián)合仿真，允許用戶使用全局梁模型進行雙重尺度雙向聯(lián)合仿真(*INCLUDE_COSIM)，以更有效地獲得高保真度結果
R14.0新版本更新亮點：
?●?使用簡單的標準命令行輕松設置聯(lián)合仿真分析
? ? ?◆ 新的任務行標志ncsp
? ? ? ? ◎?指定本地模型的MPI進程數(shù)
? ? ? ? ? ? ?mpirun -np 96 mppdyna i=input.key? ncsp=32
? ? ?◆?該增強功能允許用戶以運行一個LS-DYNA MPP作業(yè)相近的方式運行雙重尺度的co-sim任務
?●?基于耦合的Tie接觸的增強
? ? ?◆?OFFSET可以被定義為考慮全局殼體厚度
? ? ?◆?當在全局模型中使用shell時，這種增強可以實現(xiàn)更精確的接口耦合
?●?數(shù)值穩(wěn)定性的改進
? ? ?◆?通過將界面節(jié)點質量從局部重分布到全局，提高了Tie接觸耦合的數(shù)值穩(wěn)定性
SPG熱-結構耦合分析（SMP和MPP版本可用）：現(xiàn)在可以在金屬制造過程模擬中有效地模擬SPG部件的熱效應
?●?溫度相關材料特性
?●?熱膨脹，導熱，因與塑性材料的摩擦做功而產生熱量
?●?已與部分OEM廠商合作進行實驗驗證
基于bond的損傷模型(IDAM=11,13)，SPG為材料失效分析提供了兩種新的機制：
?●?MC-SPG采用基于bond的預損傷模型(IDAM=11)預測脆性材料中快速、尖銳的裂紋擴展，與實驗結果吻合較好
?●?基于SPG bond的預損傷破壞模型(IDAM=13)可以同時考慮拉伸破壞和拉壓損傷，從而捕捉金屬切削分析中的剪切帶
提出一種新的粒子阻尼算法（MC-SPG的粒子間阻尼）來代替有限元阻尼算法進行SPG建模：
?●?開發(fā)了粒子間阻尼，以穩(wěn)定MC-SPG算法，使其在顆粒嚴重斷裂時沒有顆粒出現(xiàn)非物理的飛濺
?●?保持了線性動量和角動量的守恒
ISPG-大規(guī)模流體建模的全隱式方法，利用全隱式ISPG +隱式結構和熱求解器可進行回流焊仿真
?●?ISPG通過MPP增強了大規(guī)?；亓骱改M（客戶常常要求大于1,000個焊點的大型模擬）
?●?為保證ISPG顆粒在嚴重的自由表面粘性不可壓縮流體中均勻分布，開發(fā)出ISPG顆粒shifting技術
?●?為了使流體顆粒在結構的尖銳邊緣或角落之間平滑過渡，開發(fā)出光滑流固耦合技術
應用初始應變和位移，初始應變場和位移場現(xiàn)在可以應用于近場動力學進行動態(tài)裂紋擴展分析：
?●?初始應變場和位移場對動態(tài)裂紋擴展結果影響較大
?●?新版本引入了一種帶有動態(tài)松弛過程的預加載方法來施加初始域
為提高鍛造分析的精度，LS-DYNA提出3D r-自適應EFG/FEM：單調重網(wǎng)格算法
?●?在隨后的自適應步驟中保持精細網(wǎng)格的新功能
?●?該特性使自適應重構器能夠將應力/應變數(shù)據(jù)保持在精細化區(qū)域，提高求解精度和收斂性能
LS-PrePost中增加了顯示金屬鍛造結果的材料流動線的新功能：3D r-自適應性-金屬流線
?●?該功能由LST LS-PrePost團隊開發(fā)
?●?在LS-PrePost 4.9或更高版本中可用
? ? ?◆ 顯示金屬流線與用戶選擇的線
? ? ?◆?在切割平面上顯示金屬流線
求解器 | ?●?新的Block Low-Rank分解連續(xù)性和動量方程 ?●?MPP并行擴展非常好 |
間隙閉合 | ?●?允許使用用戶定義的閾值完全關閉，防止流體通過間隙 |
停留時間 | ?●?流動停滯的新指標，可用于生物醫(yī)學血流動力學應用，預測血栓形成的區(qū)域 |
| 物質輸送 | ?●?提供一種工具來跟蹤使用皮內注射的藥物輸送 |
邊界層網(wǎng)格劃分 | ?●?提高近壁面的網(wǎng)格質量 ?●?邊界層膨脹的自適應速度 |
| 穩(wěn)態(tài) | ?●?增加了一種新的SIMPLEC穩(wěn)態(tài)算法 |
| ?●?在梁和殼上使用DEM粒子的新FSI界面表示 ?●?使用流體壓力梯度代替速度阻力的新型耦合方式 ?●?增加浮力效果 |
ICFD求解器新增Block Low-Rank分解技術，該求解器在并行規(guī)模縮放方面性能出色。由于ICFD與EM求解器可以完全耦合，同樣非常適用于生物醫(yī)學領域，ICFD在醫(yī)療藥物運輸功能方面具有間隙閉合、滯留時間、樣本運輸?shù)忍匦?，同時改進了邊界層網(wǎng)格，并包含穩(wěn)態(tài)新特性，可與DEM求解器耦合。
ICFD中的典型耦合必須是貼體耦合，但有時結構可能由于接觸穿透重疊導致貼體耦合難以維持，這將造成耦合不穩(wěn)定的情況發(fā)生。但DEM耦合則屬于另一種技術無需實現(xiàn)貼體耦合，可將結構與所有粒子匹配，采用不同的結構機制和CFD耦合，后文將提供更多示例。
新增全新的壓力求解器Preconditioner(PRECOND?field of?*ICFD_SOLVER_{MOM,TOL}_PRE):
?●?對角Preconditioner: 默認用于速度求解
?●?填零不完全分解
?●?基于閾值的不完全分解：默認壓力解，對大多數(shù)問題有效
?●?R14.0版本新增Block Low-Rank分解技術
? ? ◆?計算成本較高但非常穩(wěn)健，適用于外部空氣動力學等棘手問題
?◆?迭代次數(shù)不隨MPI分塊數(shù)目的變化而變化
?◆ 例：DrivAer模型，3.5M dofs，10個時間步長，壓力求解
此前常規(guī)做法是使用對角Preconditioner和零-充不完全因子分解，新版本R14.0中新增Block Low-Rank分解功能，計算成本較高，但優(yōu)勢在于當用戶改變排序分級后結果保持不變。與默認數(shù)值相比，迭代次數(shù)保持不變，設置時間稍長，但求解時間要少得多，使用全新求解器能將求解時間縮短約4倍。但線性代數(shù)群只有在MPI 3.x環(huán)境下效果才最好，該功能需使用新的MPI而非Platform MPI。這是需要最新MPI技術實現(xiàn)最佳性能的一個案例。
利用生物醫(yī)學仿真的邊界間隙消除功能，用戶可以定義一個閾值界限，如果邊界之間的距離小于用戶自定義的閾值，則在該區(qū)域阻斷流量，因此該應用可用于閉合仿真。使用新關鍵字*ICFD_CONTROL_GAP指定閾值和表面id，可以看到頂部的管道間的空隙很小，不足以讓液體通過管道。
中間的案例為心臟瓣膜模型，當瓣膜靠近時，有時很難準確判定，原因在于瓣膜間存在接觸，設置一個空隙就無需處理過多FSI即可關閉流動。
ICFD/FSI在生物醫(yī)學和物質輸送應用方面的新發(fā)展：
?●?血栓形成和停滯區(qū)研究的歐拉停留時間求解器
? ? ?◆?工業(yè)界和學術界尋找停留時間作為血液停滯區(qū)域的度量，這可能指向可能的血栓形成風險
? ? ?◆?粒子和物質滯留演化
?●?皮內注射和給藥
? ? ?◆?隨著COVID-19疫情期間疫苗接種活動的增加，生物醫(yī)學行業(yè)開始使用耦合物理的數(shù)值模型來研究藥物通過人體組織的輸送，以及在其他設備上的輸送，如糖尿病等其他疾病患者使用的設備
邊界層網(wǎng)格生成以及穩(wěn)態(tài)流場模擬改進。邊界層網(wǎng)格劃分是粘性流動求解器的一個重要特征。LS-DYNA自動網(wǎng)格劃分工具在運行時生成各向異性邊界層網(wǎng)格，在當前版本中，該算法得到了改進，以提供更好的精度和效率，特別是在表面網(wǎng)格分辨率較差的情況下。R14.0新版本增加了適用于FEM的SIMPLEC穩(wěn)定公式。主要變化包括：
?●?動量方程的隱式松弛
?●?考慮連續(xù)性方程中的隱式松弛
?●?RANS求解器的松弛性
?●?更好的收斂
ICFD和DEM隱式流固耦合。通常ICFD耦合需要貼體耦合，但利用該功能則無需進行貼體耦合，所有結構，殼單元和梁單元將會自動覆蓋一些離散單元。從ICFD角度只會看到離散單元，因此DEM和ICFD之間的力將通過該阻力或壓力梯度傳遞，因此從結構角度看無法看到流體，只能看到離散單元。離散單元是結構（無法感知流體）和ICFD（無法感知結構）之間的媒介，如今二者納入了粒子密度的考量來測量浮力。目前開發(fā)團隊也在研究實體單元方面的應用，未來用戶將可通過一系列DEM使用實體單元研究海綿之類的多孔介質。
?●?在一些高度復雜的模型中，殼和梁中的DEM粒子提供了一種替代的FSI界面
?●?即使在隱式力學中，F(xiàn)SI模擬也可以混合貼體耦合和DEM耦合
?●?增加了一種新的耦合公式，使用流體壓力代替由速度場計算的阻力
?●?粒子密度現(xiàn)在被考慮用于涉及浮力的問題
左圖案例展示了采用貼體隱式FSI求解的人工心臟瓣膜，與以殼體和DEM粒子為代表的異物相互作用。右圖案例展示了使用隱式FSI與代表繩索的梁單元DEM粒子耦合來將動量傳遞給繩索，并從繩索傳遞給流體的降落傘模擬。
文章來源：第五屆LS-DYNA中國技術論壇，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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