• ISPH新的工作流程

a) 基于Spaceclaim幾何數(shù)據(jù)創(chuàng)建LS-DYNA ISPH輸入文件

b) 基于OBJ幾何文件進行后處理中的可視化

c) 使用Ensight渲染SPH自由表面流的模擬結果

• 下游結構分析

a)?能夠?qū)⑦x定部件上流固耦合力的時程數(shù)據(jù)記錄在LSDA interface文件中

b)?在后續(xù)分析中，將耦合力插值映射到結構可變形網(wǎng)格上，進行隱式結構分析

• 體積約束粒子

a)?在某些場景下（如齒輪箱分析），流體粒子可能會在結構的狹小縫隙中“卡住”

b)?目前的方法是直接在計算中移除這些粒子

c)?引入了創(chuàng)新性的位移映射算法處理這些粒子的運動

• 傳熱系數(shù)計算

a)?使用Dittus-Boelter修正方法計算HTC

b)?可將基于時間平均的HTC的空間分布云圖作為點云數(shù)據(jù)導入

c)?結果文件可以導入Mechanical或Fluent中進行熱分析

• SPH碎片化生成
  

a)?增加了新的SPH碎片化算法，通過MPP Redecomposition功能，當粒子激活時才會將粒子添加到輸入文件中

提供完整的工作流程，可直接基于CAD數(shù)據(jù)進行ISPH車輛涉水分析，無需完整的車輛有限元網(wǎng)格：

• 從spaceclaim數(shù)據(jù)生成LS-DYNA ISPH輸入文件(surfgen工具)

• 導入OBJ幾何模型以在d3plot結果中可視化

與以往必須從有限元網(wǎng)格開始仿真，而可能生成車身非常不均勻的表面粒子相比，新的工作流程可以利用surfgen工具直接從CAD表面生成車身部件覆蓋均勻粒子，并輸出用于LS-DYNA分析的模型文件。

利用surfgen基于CAD表面直接生成所有表面粒子并建立ISPH模型。在涉水分析中，所有部件都為剛體，記錄粒子與剛體之間的接觸力的時程數(shù)據(jù)，映射到后續(xù)的結構有限元分析中，得到結構在涉水工況中的受力變形。

除了車輛涉水仿真之外，ISPH的功能同樣被應用在齒輪箱潤滑的模擬中。齒輪潤滑仿真中我們會遇到一些問題。比如上圖中，一些流體的粒子正在向齒輪嚙合的地方運動，流體被擠入輪齒之間的間隙中，而最終兩個齒輪之間的間隙會消除。這個過程中，某些粒子會被“卡住”，從而累積巨大的壓力。流體粒子與周邊結構的耦合壓力過大時，我們認為這些粒子是“卡住”的狀態(tài)，這個繼續(xù)計算可能會導致數(shù)值錯誤。之前的方法時直接在計算中移除這些粒子。R14版本中可以設置將這些被卡住的粒子標記為volume-constrained體積受限的狀態(tài)，退出SPH計算，但我們還是會通過其邊界的位移插值得到粒子的位移，直到粒子與邊界之間的距離足夠遠時，恢復成正常的SPH粒子狀態(tài)。利用這項技術能夠求解狹小空間SPH問題，目前已申請專利。

• 計算結構件的熱傳導系數(shù)（HTC）需要計算壁面的熱流結果，這就需要非常精細的邊界層離散，而這一點在ISPH分析中是不現(xiàn)實的。

• 因此，ISPH方法中，可使用基于努塞爾數(shù)（Nusselt number）和普朗特數(shù)（Prandtl Number）的經(jīng)驗模型計算結構的熱傳導系數(shù)。計算的結果還可以導入到Ansys Mechanical或Fluent軟件中進行熱分析

• 可以通過*DEFINE_FUNCTION自定義熱傳導系數(shù)的模型

SPH碎片化生成，適用于使用面積極大的水池或需要大量粒子但系統(tǒng)內(nèi)存不夠的情況。R14版本中，我們利用MPP模型重新分區(qū)技術去處理這種問題。每次重新分區(qū)都是一個完全重啟動計算的過程，會生成新的計算輸入文件。我們利用碎片化生成地技術，每次模型重新分區(qū)的時候，在創(chuàng)建的輸入文件中，僅包含需要激活的SPH粒子，而如果隨著汽車移動，在車后流體粒子對我們的計算沒有意義，會在輸入文件中將其移除。該技術特別適合仿真極大規(guī)模的水域，并且不需要耗費過多內(nèi)存，經(jīng)反復試驗該機制可對高達5億粒子數(shù)量的大型模型進行求解。

Multiscale多尺度

• 基于機器學習的復合材料多尺度分析

????a)?數(shù)據(jù)驅(qū)動的多尺度材料模型

????b) 主要關鍵字*MAT_DMN_COMPOSITE_FRC

??? c) 獨特的特點：多尺度、各向異性、非線性

• 多尺度材料建模RVE分析

????a)?RVE分析中的圖像RVE，*RVE_ANALYSIS_FEM

????b)?RVE分析中的部分周期邊界條件

• 裝配分析中的雙重尺度聯(lián)合仿真

????a)?*INCLUDE_MULTISCALE關鍵字中新的耦合接口可自動生成實體模型

????b)?使用標準提交命令行進行雙重尺度模型計算

????c)?界面耦合增強

????d) 提高數(shù)值穩(wěn)定性

• SPG

????a)?熱-結構耦合分析支持MPP并行

????b)?基于粘結的損傷模型(IDAM= 11,13)

????c)?粒子間阻尼

• ISPG

????a)?MPP大規(guī)模回流焊模擬(大于1000個焊球)。

????b)?ISPG節(jié)點均勻分布的粒子移位技術

????c)?平滑的流固耦合技術

• 近場動力學

????a)?支持設置初始應變和位移場

????b)?3D r-adaptivity

????c)?單向網(wǎng)格重劃分

LS-DYNA R14.0版本首次發(fā)布基于機器學習的復合材料多尺度分析，包含短纖維增強復合材料多尺度分析的數(shù)據(jù)驅(qū)動材料模型

• 多尺度：基于多樣的微觀結構的預測復合材料的宏觀力學特性

• 各項異性：考慮增強纖維方向、體積占比和雅可比的影響

• 非線性：模擬拉壓不對稱的彈塑性材料熟悉感

短纖維增強復合材料通常由注塑成型技術來加工制造。材料在各個方向的微結構分布是非均勻的，每個位置纖維的方向、纖維的體積百分比都不一樣，這也導致了宏觀力學性能上材料的力學性能十分復雜，是非線性、各向異性、且各點都不一樣，非均勻的分布。針對復雜的復合材料表現(xiàn)，很難從傳統(tǒng)的宏觀尺度上進行簡單的描述。

LS-DYNA中可以使用真實的材料微結構建立三維或二維的有限元模型，即代表體積單元RVE模型，使用RVE模型計算宏觀的材料變形。

如果使用RVE模型進行多尺度分析，有限元計算過程中，每個時間步上宏觀的單元，會產(chǎn)生宏觀的應變增量，將該應變增量作為輸入變量施加到RVE模型上，隨后進行RVE有限元計算，得到宏觀的均勻化應力，返還給宏觀有限元模型。下一個時間步繼續(xù)進行數(shù)據(jù)的傳遞，在兩個尺度上可以進行同步的多尺度耦合計算。這個多尺度計算方法，可以實現(xiàn)非常精確的針對復合材料結構的模擬，完全避免了使用任何宏觀意義上的材料本構模型，取而代之使用十分精確的RVE有限元模型。但缺點是，計算量非常大。

假設某個復合材料在宏觀上需要2000多個殼單元，每個有限元則需要4個積分點，每個積分點需要對應一個獨立的RVE模型，該RVE模型在三維的有限元模型中可能需要非常多的實體單元，例如36萬個有限元單元，耦合之后每個積分點都要對應一個RVE單元，計算總共的自由度接近34億，即使用16個CPU并行計算粗略估算下來也要花費約36天，計算量太大，不適合應用于工業(yè)界的大型工程結構上。

DMN模型，通過RVE有限元計算來生成大量的數(shù)據(jù)進行訓練。本質(zhì)上，訓練過程就是使用神經(jīng)網(wǎng)絡算法構建參數(shù)模型，建立材料微結構內(nèi)部、各部分組成成分以及各組分的材料力學性質(zhì)與RVE宏觀力學性能的關系。對LS-DYNA用戶來說，訓練過程已由研發(fā)人員在研發(fā)階段完成，我們在求解器中內(nèi)置訓練好的模型參數(shù)，用戶可在LS-DYNA中直接使用。

圖中右下案例將DMN預測和基于有限元的RVE模型預測對比，可以看到，兩者預測的應力應變數(shù)值吻合非常好。從計算時間來看，有限元模型使用8個CPU并行計算需1100秒，而DMN模型使用1個CPU 僅需3秒即得出結果。

注塑短纖維增強復合材料的無縫仿真工作流程

• Modex3D - 注塑成型仿真，得到部件的微觀結構分布

• LS-PrePost - 將微觀結構的數(shù)據(jù)映射到LS-DYNA模型中（Solid to Solid, Solid to shell）

• LS-DYNA - 基于DMN材料模型進行結構的變形分析

• 經(jīng)過與Honda，Moldex3D和JSOL合作實驗驗證

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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