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LS-DYNA 初学者常见的问题 LS-DYNA 在 1976 年由美国劳伦斯·利沃莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)J.O.Hallquist 博士主持开发,时间积分采用中心差分 格式,当时主要用于求解三维非弹性结构在高速碰撞、爆炸冲击下的大变形动 力响应,是北约组织武器结构设计的分析工具。LS-DYNA 的源程序曾在

北约的 局域网 Pubic Domain 公开发行,因此在广泛传播到世界各地的研究机构和大学。 从理论和算法而言,LS-DYNA 是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论基础。 1988 年,J.O.Hallquist 创建利沃莫尔软件技术公司(Livermore Software Technology Corporation),LS-DYNA 开始商业化进程,总体来看, 到目前为止在单元技术、材料模式、接触算法以及多场耦合方面获得非常大的 进步。

以下为 LS-DYNA 初学者常见的问题: 一、LS-DYNA 与市面上其它的前处理软件兼容性如何? 解答: 由于 LS-DYNA 是全球使用率最高的结构分析软件,因此其它的前处理软 件与 LS-DYNA 是完全兼容的。在此要强调的是:LS-DYNA 的官方前处理程序为 FEMB,因为 FEMB 是专门为 LS-DYNA 量身订作的前处理程序,有许多设定条件及 架构逻辑是其它前处理软件所难望其项背的,为了避免在学习 LS-DYNA 的过程 及操作上产生困扰,强烈建议使用者采用原厂出品的 FEMB 来做为 LS-DYNA 的前 处理工具,使用者必定更能体会 LS-DYNA 直觉式的设定与强大的分析能力。. 二、LS-DYNA 似乎很重视「Contact Algorithm」,这是为什么? 解答: 是的,LS-DYNA 很早以前就已经发展「接触算法」,这是因为基础力学 所分析的对像均只考虑「力的受体」,故输入条件皆为外力量值。然而在真实 情况下,物体受力通常是因为与其它的物体发生「接触」(Contact)才受力, 此时外力量值是无法预期的,应该输入的条件往往都是几何上的接触条件。因 为有完备的接触力学演算 方式,LS-DYNA 才得以忠实的仿真现实环境的复杂结 构行为。 三、如果要利用 LS-DYNA 进行 MPP(平行运算)的计算,硬件配备及操作系统有 无特殊需求? 解答: 不论是 PC cluster、工作站及一般的 PC 环境,都适合执行 LS-DYNA 的 MPP 平行运算功能,一般我们还是会建议要用来执行平行运算的计算机群组, 彼此的等级宜尽量一致;操作系统方面并无特别需求,以一般的 windows2000、 LINUX 或是 UNIX 皆可执行。 国外已有很多厂商利用非办公时间,将办公室内 的计算机串连在一起,结合 LS-DYNA 来分析问题,宛如一部超级计算机,不仅 可以有效提升研发的竞争力,同时亦可弹性地运用计算机资源,一举数得。 四、FEMB 能够自动产生有限元素网格吗?

解答: FEMB 当然可以自动产生有限元素网格,使用者再也不必费心在每个几 何边界上指定结点数量,仅需要输入元素尺寸的参考值,FEMB 便会依此产生网 格。当然,如果能够先在 CAD 进行合理的简化,auto-mesh 得到的元素品质会 更好。 在国外 CAE 领域有两句名言:「Well Done is Quickly Done」、 「Quality Mesh leads to Quality Analysis」,因此势流科技建议使用者应 该多花点心思在前处理上,这对后续的分析工作有着莫大的帮助。 五、实际的产品 CAD 图文件,有许多复杂的几何造型,这些 feature 是否都该 纳入分析考量? 解答: 这样的问题事实上是属于「Engineer Judgement」的层次,而非软件层 次的问题。 使用者当然可以将完全按照 CAD 几何来建立有限元素的模型,然而 任何一位有经验的工程师一定会先将不必要的几何造型予以忽略,以提升分析 效益,并将分析课题明确化。 以右图的 Block 为例,有些工程师会以 Solid element 来建构完整的模型,有些则采用 Shell element,甚至有些人会采用 1D element...,这些方式都无伤大雅,重点是工程师如何从分析结果获得充份 的信息。 势流科技除了提供软件分析技术之外,同时更致力于协助业界将 CAE 导入于生产流程的正确位阶,培养正确的 CAE 分析观念,以提升产品研发品质, 缩短生产流程。 六、LS-DYNA 是否只能进行壳元素的分析? 解答: LS-DYNA 不只能分析实体元素(Tetra、Hexa)、薄/厚壳元素(Quad.、 Tri),同时还有梁元素、质点、Spring/Damper、spotweld 等元素型态,另外 还有 SPH element。 之所以建议台湾电子产业尽量以壳元素来仿真壳件产品, 是由于电子产品的组件当中,板壳类占了 90%以上,基于结构行为、准确性及 分析效能的考量。除非使用者有特殊的分析需求,否则并不建议采用实体元素 来仿真板壳类型的产品组件。 我们藉由右边的简单案例,以了解不同元素型态 在仿真壳件产品的结果表现:(1) 实体元素在板壳厚度方向上至少需要分割三 层以上,其位移变形量才能收敛至一定值;而壳元素及厚壳元素仅需一层,在 位移量上即可达到理想精度。(2) 若是发生降伏产生大变形,在厚度方向上即 使分割 8 层以上的实体元素,其掌握材料塑性应变的收敛速度仍然相当缓慢, 而付出的时间代价为 shell element 的 25 倍以上。厚壳元素的运算速度及精度 与三层实体元素相当,然而就塑性应变的精度而言,厚壳元素的表现比实体元 素要好太多。 七、在 LS-DYNA 里该如何强制刚体运动? 解答: CAE 分析常需要藉由刚体运动,以简化复杂物理行为。应用技巧有二: 给定初始速度或是强制运动轨迹 (prescribed motion)。 在 LS-DYNA 中,预设 的刚体旋转轴位置为刚体的质心,若要强制刚体绕特定轴旋转,只要利用 FEMB 在 PART 选单里设定 INERTIA 相关的数值即可。 其中的 XC、YC、ZC 为旋转中心 所在位置,即旋转轴通过的地方(内定值为刚体质心)。TM 为 Translational Mass,一般状况输入质量即可。 IXX~IZZ 为此刚体质心位置相对于旋转中心的

惯性矩,一般 CAD 软件应已具备此项计算功能,因此使用者无须再额外进行人 工运算。 以 Pro/E 的操作为例:1. 确认图文件的单位(公制、英制)。2. 于旋 转中心建立坐标系。3. 选择「Analysis」à「Model Analysis」à「Model Mass Properties」。4. 选择步骤 2.产生之坐标系。Pro/E 计算结果会有二组 Inertia Tensor,其中「Inertia at Center of Gravity with respect to XXX coordinate Frame 」才是我们要的,再将相对应的数值填入 IXX~IZZ 即可。 八、在 LS-POST 如何显示应变分布图? 解答:LS-DYNA 内定的输出控制并不包含应变值。如果您希望能有应变值的输 出的话,请在 FEMB 里依照下列步骤完成设定即可。步骤 1:点选「DynaMisc」, 进入「DATABASE」选项。步骤 2:请在「Extent」选项中新增一个「Binary」 的输出控制。步骤 3:设定 STRFLG=1 即可。步骤 4:分析完成后,使用者可直 接在 LS-Pre/Post 中,点选 「Fcomp」à「Strain」观察计算后的应变分布图。 LS-Pre/Post 还有其它关于应变的显示按键,如:「Infin」、「Green」及 「Almans」等,基本上这些应变量是根据 d3plot 档案中所记录的位置资料,经 过微分计算而得到。如果点位取得够密的话,理论上会与板壳中性平面的应变 值相当接近。 九、强制结构体绕着特定轴旋转的时候,为何会出现奇怪的变形? 解答: 在定义物体旋转自由度的时候,常会以*Initial_velocity_generation 来设定角速度,然而这样的方式会将离心的效果纳入考量,特别是当角速度值 很大的时候,,旋转物体会由旋转中心沿半径方向膨胀变形。因此,如果不希 望有离心膨胀的效果的话,可以利用*Load_body_rz(or rx、ry),并配合 *Define_curve 给定角速度对应时间的关系曲线。几个要注意的地方如下:步 骤 1:起始速度的设定选项,请设定 Phase=1,以进行 dynamic relaxation。 步骤 2:定义角速度的曲线中,必须开启 stress initialization 的功能 (SIDR=1)。步骤 3:在 control card 的部份须开启 accuracy 及 dynamic relaxation 的功能。步骤 4:参考范例请至下载区 download。 十、LS-DYNA 该如何进行振动模态的分析设定? 解答: 模态分析即为特征值分析,须采取 Implicit 的方式求解,您只需要在 前处理程序 FEMB 里依照下列方骤进行设定即可。 步骤 1:点选「DynaMisc」, 进入「Control」选项。步骤 2:将一般 Implicit 功能选项开启,其中一项即 为「IMP.EIGENVALUE」。步骤 3:最基本的设定,您只需要设定模态个数(NEIG) 的值即可。步骤 4:LS-DYNA 针对特征值,还有许多非常实用的输出控制,详细 用法请参考 LS-DYNA Keyword User's Manual Vol. I,或是直接与势流科技的 工程师联络。 十一、究竟采用 Implicit 及 Explicit 的分析方式会有多大的差异性? 解答: 右图为材料试片拉伸试验的仿真,分别采用 Implicit 及 Explicit 的分 析方式。依照静力的观念,其破坏点必发生于试片中点;然而若是以瞬间拉扯 试片的话,因为应力传递速度与路径的关系,其破坏点未必会发生在中点,一

般的静力软件必定不能满足真实的结构行为。 事实上,ASTM 对于材料性质试 验,都有相关的规范以定义外力加载的速率,也就是因为这个原因。 参考结构 动力学及数值分析相关参考书,对于 Explicit / Implicit 将有更详细的说明。 十二、要如何设定才能让 LS-DYNA 自动进行 Implicit / Explicit 的切换? 解答: 在 LS-DYNA 960 的版本即有 Implicit / Explicit 切换的功能,使用者 可在 FEMB DynaMiscàIMP.General 的第一个字段输入 「-100」,表示 Implicit / Explicit 的切换时间是依据#100 的 load curve 来定义的。而在 LS-DYNA 970 最新版本更提供了自动切换的功能,做法如下: 步骤 1:进入 FEMB--DynaMisc--CONTROL 步骤 2:进入 IMP.AUTO 选项,给定 DTEXP 的值,此值即为 explicit 分析所需 的计算步长。 步骤 3:进入 IMP.General 选项,设定 IMFLAG=4 or 5 即可。 十三、评估了很多结构软件,发现 LS-DYNA 是唯一能够将 Implicit 与 Explicit code 整合在一起的软件,这对实际的分析工作有何帮助? 解答: LS-DYNA 将 Implicit 及 Explicit 两种不同的求解方式整合在一起,对 于初学者而言可以降低学习的困扰 、缩短软件学习的时程、省去面临不同软件 的适应问题;对进阶的使用者而言,可以从事更详实的力学分析。最实际的效 益在于: (1) 预变形及预应力的仿真:真实的结构行为通常都是以连续作动的方式在进 行,因为第一阶段的力学行为而衍生出后续阶段的变形。传统的作法,使用者 必须凭借个人经验或是以简化的方式在结构体上施予一假设的预应力(预变形) 量,然而所施加的量值却未必能符合真实的数值。LS-DYNA 整合 Implicit 及 Explicit 解法,可以忠实的仿真各种结构反应。以卡勾卡合的动作机制而言, 在第一阶段可利用 Implicit 解法指定卡勾运动方向,接着可马上切换至 Explicit 解法,仿真卡合瞬间的反应。 (2) 相信以往从事 Implicit 分析的工程师都有调整收敛参数的不愉快经验,而 LS-DYNA 970 可以视运算过程收敛性的难易程度,自动将 solver 由 Implicit 切换到 Explicit,以克服收敛性的问题,这个功能绝对是非常吸引人的. 十四、请问以 Explicit 方式进行分析,影响运算时间的因素有哪些? 解答: 采用 Explicit 方式最直接影响运算时间的因素是「计算步长」(time step)的大小,LS-DYNA 决定计算步长的方式为:另外还有许多因素会影响运算 的时间:(1) 分析历时 (Termination Time),分析历时较短者,可缩减运算间。 (2) 接触算法:LS-DYNA 采用最有效率的接触演算理论。(3) 机器等级:计算 机等级高者,运算时间较短。(4) 元素理论:采用较多高斯积分点的元素,其 运算时间会增加。(5) 材料模式之复简:材料性质直接影响计算步长。(6) 模 型的复简:适当的简化 CAD model 可大幅提升运算品质。 所以当您在评估软件 时,若有任何关于 LS-DYNA 计算速度的疑问,都欢迎与势流科技联络,我们将 提供最正确的 CAE 信息与您分享。

十五、请问弹簧/阻尼系统该采用什么元素来仿真比较恰当? 解答: 若是早版本(LS-DYNA 940)的使用者,可以直接选用 discrete element 来仿真弹簧或是阻尼元素。 不过 LSTC 原厂建议采用最新版本 LS-DYNA 970 所 提供的 Beam Element(#6)来仿真 Spring / Damper,配合*MAT(#66、 #67)可一 次定义多轴的劲度与阻尼值,并且不用额外定义 Lump Mass。 例如右图即是采 用单一 Beam Element(#6)来仿真单自由度(SDOF)系统在 No Damped、Under Damped、Criticle Damped 及 Over Damped 状况下的振动行为。 十六、请问安装 LS-DYNA(MPP)版本时,操作系统需有哪些额外的设定? 解答: 若所采用的操作系统是 Window2000,可以请贵单位的网管人员协助下 列设定: (1) 确定参与平行运算的各机器皆处于同一网域内。 (2) 各机器须提供公用帐号及密码给予 MPP 的使用者登入。 (3) 于每一台机器上安装最新版本的 MPICH 程序(Mpich-1.2.5),利用所附的 mpiregister 程序设定 MPP 的使用者帐号及密码。 若您所用的系统是 UNIX / Linux,亦请贵单位的网管人员协助以下的设定: (1) 确定所有参与 MPP 计算的机器皆位于同一网域内。 (2) 建立 NFS server 让 cluster 内的所有机器将 LS-DYNA 的所在目录挂载进来。 (3) 进行相关安全设定(/etc/hosts、/etc/hosts.equiv、.rhosts....etc), 让 MPP 的使用帐号可以利用 rsh 或是 ssh 的方式在 Cluster 的机器间互相登入 而无须输入密码。 (4) 安装 MPICH 或是 LAM 最新版本(LAM-6.5.6) 十七、在 Linux 系统下如何指定 MPP 的 computing node? 解答: 若是采用 MPICH 的话,请修改 /usr/local/mpich/share/machines.LINUX 的档案即可,参考格式如下: node1 :2 node2 :2 若你是采用 LAM 的话,请先编辑 hostfile,参考格式如下: node1 cpu=2 node2 cpu=2 執行運算前請别忘了要先激活 LAM,请执行 lamboot –v hostfile;若是激活成功,屏幕上会显示参与 MPP 计算的 number。 十八、请问在执行 MPP 运算时,有没有类似 PC 版本 Ctrl+C 的功能以进行不同 的 switch? 解答: 当然是有的。你可以利用另一个 terminal 窗口在工作目录产生名为 「d3kil」的档案,将正确的 switch(如 sw2)填写在第一行,LS-DYNA 程序会周 期性的读取 d3kil 档案,并进行相关的 switch report。 若是 Linux / UNIX 系统的话,还可以有另一种方式:请另外开启新的 terminal,执行 source bg_switch,此时正在运算的程序会先暂停,并且等待你的 switch 讯号。 十九、如果想要了解特定截面的力量分布情形,该设定哪些项目呢? 解答: 所想获得的信息应该是属于 Section force 的输出结果。其做法如下: (1) 进入 Set 选单,将特定截面上的所有结点设成同一个群组(Node Set)。 (2) 将这些结点所在的元素(在截面的同一侧)也设成同一个群组(Element Set)。

(3) 进入 DynaMisc 选单 à 点选 DatabaseàCross sectionà 建立 Cross section set,将步骤(1)(2)所设定的结点及元素群组点选进来即可。 (4) 最后再到 ACSII 选单定义 secforc 的记录输出时距即可 至于资料的读取方 式与一般利用 LS-Pre/Post 读取 ACSII data 的作法一样。 一般常见的应用在 于获得支承的扭转性质(如 LCD、铰接托架等结构)。 二十、请问 LS-DYNA 在进行 Implicit 分析时,有没有什么该注意的地方? 解答: 这个问题好象有点「蛮广泛」... 在这边先跟您说明一下大原则: Implicit method 分析主要就是在求解矩阵式,给定的力学条件不外乎是 「Force Prescribed」与「Displacement Prescribed」,一般最常犯的毛病就 是边界条件给定不足,造成 model 发生「刚体运动」的情形,您可以将这种情 形想象成物体浮在空中一样,宜尽量避免这种情形产生。 在此提供您一个判断 的方式:您可以先利用 LS-DYNA eigenvalue analysis 的功能先进行模态分析, 藉后处理程序检查有无刚体模态,以判断 Implicit model 的束制条件是否充足。 二十一、LS-DYNA 有没有什么功能可以让上/下表面的网格移到中性平面来? 解答: 有的,请依照下列步骤进行: (1) 利用 Check 的功能,将元素法向量调整一致。 (2) 进入 Element 选单,点选 transform。 (3) 接着会出现向右图一样的窗口,请选择 NORMAL OFFSET。 (4) 输入半个壳厚即可。 Normal offset 与直接平移的不同是在于 Normal offset 会依照壳厚修正曲率,能够让网格正确的移至中性平面的位置。 所以 你大可放心在 CAD 的外表面产生 iges surface,再利用 Normal offset 的功能 让网格产生在中性平面上,以加快建构网格的时间。 二十二、请问如何在后处理程序 LS-Pre/Post 里头看到壳元素的厚度? 解答:请依照下列步骤进行: (1) 进入 Appear 选单。 (2) 勾选 Thickness 的方框。 (3) 选择 Allvis (All visible)或是直接于画面上点取你要显示壳厚的 Part 亦可。 二十三、在 LS-Pre/Post 里面该如何操作才能看到各相材料的变形及相关的力 学资料? 解答: (1) 进入 Fcomp 选单。 (2) 将下方的 Fringe 钮切换成 Ffds。 (3) 于 CFD 选项内选择欲观测的物理量。 (4) 进入 Selpar 选单后,您会发现多了一些 F1,F2 之类的 part,此即为参与 ALE 分析的各相材料您可以直接点选欲观察的 part。 二十四、LS-Pre/Post 有没有办法改变 SPH 颗粒的大小? 解答: 在 Setting 的选项里面有提供 SPH 颗粒大小的控制方式,请依照下列步 骤进行:

(1) 点选 SPH nodes。 (2) 下方字段即可选择 SPH 的半径比例及显示方式。 二十五、LS-DYNA 有没有办法仿真出「破裂」或「碎裂」的状况? 解答: 可以参考 LS-DYNA User's Manual Vol. II 选择具备 failure criterion 的材料模式。 以最简单的 MAT_KINEMATIC_PLASTIC 模式而言,您只 要给定 PS(plastic strain)的值,当结构体变形达到此值即会进行 element elimination 的的动作,若 mesh 够密即可看到「破裂」的样子。 话说回来, 「破裂」现像还有许多判别的方式,利用小技巧来产生碎裂的行为给大家看, 通常是「作秀」的成分居多,对于电子产品结构系统的改善并无直接的帮助。 要进行真正的大变形仿真,其实可以考虑采用 EFG 或是 ALE 的方式来进行。此 例即是利用 ALE 的方式仿真金属切削的行为,突破一般 FEM Lagrange mesh 的 变形限制及建构网格的困扰。 二十六、请问究竟是采用 Automatic contact 好还是一一指定接触界面的方式 比较好? 解答: 基本上这个问题也是属于工程师判断的问题。早期的接触算法是需要一 一指定接触界面,甚至工程师得非常小心各个接触界面的法向量必须要两两相 对。这样的方式可想而知,很容易发生人为的疏忽,进而产生结构体发生穿透 的情形,面对复杂的结构系统而言几乎是不太可行的方式。 个人的建议是除非 有特殊理由,必须明显区分不同的接触界面,如打印机进纸机构等产品,否则 可先以*contact_automatic_single_surface 的方式来进 行分析。 二十七、在完成前处理的设定后,有没有办法知道每一个 part 的重量? 解答:你可以在 FEMB 的 Part 选项里找到 Mass Calculation 的功能。程序允许 你将各个 part 的质量信息存成文字文件,同时也会立即将这些信息显示在屏幕 上。除了 FEMB 自动计算质量信息的功能外,当 LS-DYNA 开始进行分析的时候, 会自动产生 d3hsp 的档案,里头也会记录质量、质心位置等相关信息。 二十八、请问如果我自己有写程序产生出曲线资料,或是已将 data point 存成 Excel 档案,能不能直接读入 FEMB? 解答:FEMB 建立数值曲线的方式有两种,一种是在 FEMB 里用 key-in 的方式来 输入点位,另一种方式就是读入 Excel 的格式,其方式如下: (1) 请先将 Excel 档另外储存成附档名为*.csv 的格式,再将附档名改成 「*.cvr」。 (2) 进入 FEMB 「DynaMisc」的功能选项,选择「Load Curve」--Create--OK-File--Import 即可。 二十九、请问贵公司所代理的 LS-DYNA 软件,其采用的单位制为何? 解答:事实上 LS-DYNA 并不强制你采用何种单位制,只要 model 的尺度及相关 力学常数能彼此搭配一致即可。在此提供单位换算的简表,方便您进行查核。 个人的习惯是采用 Ton-mm-sec 制,因为这样所得到力量、应力及能量单位皆 是一般惯用的单位制。

三十、请问在 load curve 的输入方式除了一点一点慢慢 key-in 之外,有没有 其它更快的方式? 解答:如果线型很单纯,用 key-in 的方式会比较快速;如果你的曲线是属于函 数图形之类的话,可依下列方式,直接将 Excel 资料读入 FEMB 当中: (1) 利用 Excel 产生两栏(x,y)的数值,将其存成*.csv 的格式。 (2) 利用档案总管将*.csv 的扩展名改成*.cvr (3) 在 FEMB 的 DynaMisc--Load curve--Create 一直按 OK 进入直角坐标图-FILE--Import--将*.cvr 的曲线点位謮入即可。


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