LS-DYNA有限元建模、分析和优化设计

本书汇集了原LSTC公司和现ANSYS LST公司多位开发者的成果，融合了4款流行的数值计算软件,集建模、后处理、分析和优化于一体，是一本集理论、经验、工程实践之大成的的学习材料。

本书分为四大部分，分别介绍了ANSYS LST公司的4款主打软件：LS-PrePost、LS-DYNA、LS-OPT和LS-TaSC。书中结合多位ANSYS LST公司技术专家的成果和作者多年在相关领域的经验，详细阐述了这4款软件的使用方法，全书包括LS-PrePost几何建模、网格划分、有限元建模、后处理方法、二次开发，LS-DYNA基本功能、各类算法、关键字介绍，LS-OPT和LS-TaSC联合LS-DYNA优化设计等，并给出了相关算例详解，以引导读者掌握解决工程实际问题的能力。 本书理论与实践相结合，适合理工科院校的教师、本科高年级学生和研究生作为有限元课程学习教材，也可以作为国防军工、航空、汽车碰撞、材料加工、生物医学、电子产品、结构工程、采矿、船舶等行业工程技术人员的力学分析和产品优化设计参考，还可为国内自主软件开发提供借鉴。

第1章绪论

1.1求解微分方程的常用数值计算方法简介

1.1.1有限差分法

1.1.2有限元法

1.1.3有限体积法

1.1.4边界元法

1.1.5离散元法

1.1.6光滑粒子流体动力学法

1.2求解微分方程的常用数值计算软件介绍

1.2.1ANSYS

1.2.2LSDYNA

1.2.3AUTODYN

1.2.4ABAQUS

1.2.5MSC.Dytran

1.3支持LSDYNA的主流前后处理软件

1.3.1TrueGrid

1.3.2LSPrePost 

1.3.3HyperMesh

1.3.4ANSYS Workbench

1.3.5ETA PreSys

1.3.6ANSA

1.4参考文献

第2章LSPrePost基本功能和用户界面简介

2.1LSPrePost图形用户界面

2.1.1界面布局

2.1.2F功能键

2.1.3鼠标操作

2.2下拉菜单栏

2.2.1File子菜单

2.2.2Misc.子菜单

2.2.3View子菜单

2.2.4Geometry子菜单

2.2.5FEM子菜单

2.2.6Application子菜单

2.2.7Settings子菜单

2.2.8Help子菜单

2.3右端工具栏

2.4底部工具栏

2.5通用工具和应用实例

2.5.1通用选择面板

2.5.2动画控制

2.5.3关键字管理器

2.5.4测量标尺

2.5.5设置模型旋转中心

2.5.6剖析D3hsp文件

2.6参考文献

第3章LSPrePost几何建模

3.1LSPrePost几何征

3.2几何建模实例

3.2.1瓶子三维几何建模

3.2.2修补模型

3.2.3抽取中面

3.2.4几何清理

3.2.5由单元生成面

3.2.6由单元生成多个面

3.3参考文献

第4章LSPrePost有限元建模

4.1网格划分

4.1.1网格划分基础

4.1.2常用壳单元网格划分方法

4.1.3网格划分工具栏

4.2模型和Part

4.3单元工具

4.4Solution Explorer

4.5有限元建模实例

4.5.1抽取实体单元中面

4.5.2生成柱坐标系边界条件

4.5.3Part替换

4.5.4模型比较

4.5.52DMesh生成网格实例

4.5.6单元编辑实例

4.5.7线和面网格划分实例

4.5.8通过ElGen界面生成单元

4.5.9生成并细化同几何分析NURBS单元

4.5.10气囊折叠

4.5.11复合材料层压板建模

4.6参考文献

第5章LSPrePost后处理

5.1POST后处理

5.1.1POST基本功能

5.1.2显示模型应力

5.1.3绘制力位移线

5.1.4线和动画同时显示

5.2MS POST后处理

5.2.1MS POST基本功能

5.2.2生成切片

5.2.3生成等值面

5.2.4生成流线

5.3参考文献

第6章LSPrePost二次开发

6.1LSPrePost命令文件

6.2脚本命令语言

6.2.1基于C语言的SCL API函数

6.2.2几何实体类型

6.2.3基于C语言的SCL几何相关函数

6.2.4基于C语言的SCL与C语言的差异

6.2.5运行SCL

6.2.6数据中心参数列表

6.2.7SCL编程实例

6.3LSReader语言

6.3.1API函数

6.3.2D3P_Parameter和BINOUT_Parameter

6.3.3编程实例

6.4自定义按钮

6.5Keyword Reader

6.6参考文献

第7章LSDYNA基础

7.1软件基本功能

7.1.1材料模型

7.1.2状态方程

7.1.3单元类型

7.1.4接触类型

7.1.5初始条件、载荷和约束定义

7.1.6沙漏控制

7.1.7拉格朗日算法

7.1.8自适应网格重分方法

7.1.9欧拉和ALE算法

7.1.10SPH法

7.1.11无单元伽辽金方法

7.1.12边界元方法

7.1.13刚体动力学功能

7.1.14隐式算法

7.1.15热分析

7.1.16不可压缩流求解器

7.1.17时空守恒元解元求解器

7.1.18微粒法

7.1.19离散元法

7.1.20电磁场模块

7.1.21近场动力学方法

7.1.22光滑粒子伽辽金算法

7.1.23扩展有限元法

7.1.24结构化ALE方法

7.1.25NVH、疲劳和频域分析

7.1.26同几何分析

7.1.27转子动力学

7.1.28*DEFINE_OPTION_FUNCTION函数定义功能

7.1.29二次开发

7.1.30汽车行业的专门功能

7.1.31板料成形行业的专门功能

7.1.32多功能控制选项

7.1.33支持的硬件平台

7.2应用领域

7.3关键字输入格式

7.3.1关键字输入数据格式的点

7.3.2关键字用户卡片格式说明

7.4资源网站

7.5参考文献

第8章拉格朗日算法

8.1小球撞击平板计算算例

8.1.1计算模型概况

8.1.2LSPrePost建模

8.1.3关键字文件讲解

8.1.4数值计算结果

8.2气囊展开计算算例

8.2.1计算模型概况

8.2.2LSPrePost建模

8.2.3关键字文件讲解

8.2.4数值计算结果

8.3S型管件撞击刚性墙计算算例

8.3.1计算模型概况

8.3.2LSPrePost建模

8.3.3关键字文件讲解

8.3.4数值计算结果

8.4参考文献

第9章ALE算法

9.1ALE算法简介

9.1.1ALE算法步骤

9.1.2ALE多物质

9.2边界条件

9.3流固耦合

9.4水下爆炸二维计算算例

9.4.1计算模型概况

9.4.2关键字文件讲解

9.4.3数值计算结果

9.5参考文献

第10章SALE算法

10.1原有ALE求解器的缺点

10.2SALE算法优点

10.3SALE算法简介

10.4SALE并行计算

10.4.1SMP并行计算

10.4.2MPP并行计算

10.4.3MPP HYBRID并行计算

10.5SALE主要关键字

10.5.1*ALE_STRUCTURED_MESH

10.5.2*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS

10.5.3*ALE_STRUCTURED_MESH_MOTION

10.5.4*ALE_STRUCTURED_MESH_VOLUME_FILLING

10.5.5*ALE_STRUCTURED_FSI

10.5.6*ALE_STRUCTURED_MESH_REFINE

10.5.7*ALE_STRUCTURED_MESH_TRIM

10.6SALE边界条件定义

10.7炸药定义

10.7.1炸药的TNT当量折算方法

10.7.2起爆点定义关键字

10.8空气中爆炸计算算例

10.8.1计算模型概况

10.8.2关键字文件讲解

10.8.3数值计算结果

10.9参考文献

第11章NVH、疲劳和频域分析

11.1信号处理基础

11.2关键字和结果数据处理

11.3模态分析

11.3.1模态分析关键字

11.3.2悬臂梁预应力模态分析算例

11.4频率响应函数

11.4.1关键字和后处理

11.4.2平板频响函数分析算例

11.5稳态振动

11.5.1关键字和后处理

11.5.2平板强迫振动分析

11.5.3等效辐射功率计算

11.6边界元声学

11.6.1声学计算基础

11.6.2边界元声学计算公式和方法

11.6.3关键字和后处理

11.6.4平板振动噪声计算算例

11.6.5远场水下爆炸声固耦合计算

11.7有限元声学

11.7.1关键字和后处理

11.7.2简化汽车车腔声学计算算例

11.8随机振动

11.8.1关键字和后处理

11.8.2压力作用下平板随机振动计算算例

11.9随机振动疲劳

11.9.1如何定义SN线

11.9.2米勒线性累积疲劳理论

11.9.3疲劳分析方法

11.9.4关键字和后处理

11.9.5铝板疲劳分析算例

11.10时域疲劳

11.10.1关键字和后处理

11.10.2基于应力的时域疲劳分析算例

11.10.3基于应变的时域疲劳分析

11.11响应谱分析

11.11.1输入响应谱

11.11.2响应谱分析理论基础

11.11.3振型组合方法

11.11.4关键字和后处理

11.11.5高层建筑框架结构响应谱分析算例

11.12统计能量分析法

11.13参考文献

第12章SPH法

12.1SPH法简介

12.2SPH近似算法

12.3核函数

12.4相关关键字

12.5时间步长

12.6人工黏性

12.7活动粒子和不活动粒子

12.8材料模型和状态方程

12.9边界条件

12.10SPH热学计算

12.11SPH与其他Part的作用

12.12SPH粒子生成和显示

12.12.1SPH粒子生成

12.12.2SPH粒子显示

12.13容器内水流计算算例

12.13.1计算模型概况

12.13.2关键字文件讲解

12.13.3数值计算结果

12.14参考文献

第13章EFG算法

13.1EFG算法简介

13.2*SECTION_SOLID_EFG

13.3通用无网格法和熵近似函数法

13.4EFG三维自适应网格重分

13.5金属锻造计算算例

13.5.1计算模型概况

13.5.2关键字文件讲解

13.5.3数值计算结果

13.6参考文献

第14章SPG算法

14.1SPG算法基本理论

14.2主要关键字

14.2.1*SECTION_SOLID_SPG

14.2.2*CONSTRAINED_IMMERSED_IN_SPG

14.3传热分析

14.4双重尺度计算

14.5SPG粒子显示

14.6三点弯计算算例

14.6.1计算模型概况

14.6.2关键字文件讲解

14.6.3数值计算结果

14.7参考文献

第15章离散元法

15.1DES基础

15.1.1DES单元受力

15.1.2DES计算流程

15.1.3DES键接模型

15.2DES粒子生成

15.3主要关键字

15.3.1*CONTROL_DISCRETE_ELEMENT_{OPTION}

15.3.2*DEFINE_DE_BOND

15.3.3*DEFINE_DE_INJECTION_{OPTION}

15.3.4*DEFINE_DE_TO_SURFACE_COUPLING

15.3.5*ELEMENT_DISCRETE_SPHERE_{OPTION}

15.4离散元块体运动计算算例

15.4.1计算模型概况

15.4.2关键字文件讲解

15.4.3数值计算结果

15.5参考文献

第16章近场动力学方法

16.1近场动力学方法简介

16.2主要关键字

16.2.1*SECTION_SOLID_PERI

16.2.2*MAT_ELASTIC_PERI

16.2.3定义层压复合材料的PD关键字

16.3复合材料平板拉伸计算算例

16.3.1计算模型概况

16.3.2关键字文件讲解

16.3.3数值计算结果

16.4参考文献

第17章CESE算法

17.1CESE算法简介

17.2CESE主要应用

17.3CESE流固耦合

17.4CESE算例建模计算流程

17.5CESE主要关键字

17.5.1*CESE_BOUNDARY_AXISYMMETRIC

17.5.2*CESE_BOUNDARY_NON_REFLECTIVE_OPTION

17.5.3*CESE_BOUNDARY_PRESCRIBED_OPTION

17.5.4*CESE_CONTROL_LIMITER

17.5.5*CESE_CONTROL_MESH_MOV

17.5.6*CESE_CONTROL_SOLVER

17.5.7*CESE_CONTROL_TIMESTEP

17.5.8*CESE_DATABASE_ELOUT

17.5.9*CESE_DATABASE_FSIDRAG

17.5.10*CESE_DRAG

17.5.11*CESE_EOS_IDEAL_GAS

17.5.12*CESE_FSI_EXCLUDE

17.5.13*CESE_INITIAL

17.5.14*CESE_INITIAL_CHEMISTRY

17.5.15*CESE_INITIAL_OPTION

17.5.16*CESE_MAT_000

17.5.17*CESE_MAT_001(_GAS)

17.5.18*CESE_PART

17.5.19*MESH_VOLUME_PART

17.6化学反应流子模块

17.6.1化学反应流子模块介绍

17.6.2主要关键字

17.7随机颗粒流子模块

17.7.1随机颗粒流子模块介绍

17.7.2主要关键字

17.8DUALCESE算法

17.9气炮发射弹丸计算算例

17.9.1计算模型概况

17.9.2关键字文件讲解

17.9.3数值计算结果

17.10参考文献

第18章ICFD算法

18.1ICFD网格自动生成

18.2水平集方法

18.3流固耦合

18.4边界条件

18.4.1周期性边界条件

18.4.2滑移网格边界条件

18.5稳态解与多物理场耦合快速计算方法

18.6沉浸界面

18.7ICFD算例建模计算流程

18.8主要关键字

18.8.1*ICFD_BOUNDARY_CONJ_HEAT

18.8.2*ICFD_BOUNDARY_FREESLIP

18.8.3*ICFD_BOUNDARY_FSI

18.8.4*ICFD_BOUNDARY_FSI_EXCLUDE

18.8.5*ICFD_BOUNDARY_GROUND

18.8.6*ICFD_BOUNDARY_NONSLIP

18.8.7*ICFD_BOUNDARY_PRESCRIBED_PRE

18.8.8*ICFD_BOUNDARY_PRESCRIBED_TEMP

18.8.9*ICFD_BOUNDARY_PRESCRIBED_VEL

18.8.10*ICFD_CONTROL_CONJ

18.8.11*ICFD_CONTROL_DEM_COUPLING

18.8.12*ICFD_CONTROL_FSI

18.8.13*ICFD_CONTROL_GENERAL

18.8.14*ICFD_CONTROL_MESH

18.8.15*ICFD_CONTROL_TIME

18.8.16*ICFD_DATABASE_DRAG_{OPTION}

18.8.17*ICFD_INITIAL

18.8.18*ICFD_INITIAL_LEVELSET

18.8.19*ICFD_INITIAL_TURBULENCE

18.8.20*ICFD_MAT

18.8.21*ICFD_MODEL_NONNEWT

18.8.22*ICFD_PART

18.8.23*ICFD_PART_VOL

18.8.24*ICFD_SECTION

18.8.25*MESH_BL

18.8.26*MESH_EMBEDSHELL

18.8.27*MESH_INTERF

18.8.28*MESH_SURFACE_ELEMENT

18.8.29*MESH_SURFACE_NODE

18.8.30*MESH_VOLUME

18.9溃坝计算算例

18.9.1计算模型概况

18.9.2关键字文件讲解

18.9.3数值计算结果

18.10参考文献

第19章电磁场求解器

19.1电磁场求解器的点

19.2涡流计算模块

19.3感应加热计算模块

19.4电阻加热计算模块

19.5其他性

19.6主要关键字

19.6.1*EM_2DAXI

19.6.2*EM_CIRCUIT

19.6.3*EM_CIRCUIT_ROGO

19.6.4*EM_CONTROL

19.6.5*EM_SOLVER_BEM

19.6.6*EM_SOLVER_FEM

19.7电池内部短路计算算例

19.7.1计算模型概况

19.7.2关键字文件讲解

19.7.3数值计算结果

19.8参考文献

第20章其他算法

20.1二次拉格朗日实体单元

20.2厚壳单元

20.2.1厚壳单元介绍

20.2.2厚壳单元建模

20.3同几何分析

20.3.1基于NURBS的同几何分析概念

20.3.2薄壁方管稳态振动分析算例

20.4微粒法

20.5参考文献

第21章LSDYNA二次开发

21.1原有的二次开发环境及应用

21.2新的二次开发环境

21.2.1用户子程序

21.2.2用户子程序的编译和链接

21.2.3用户子程序的动态链接库的调用

21.2.4二次开发的其他新增功能

21.3材料模型的二次开发过程

21.3.1线弹性材料模型

21.3.2LSDYNA用户子程序开发和调试

21.3.3材料模型的验证

21.3.4关键字输入文件

21.4用户关键字的二次开发

21.4.1模型自动建模

21.4.2材料参数的自动转换

21.5参考文献

第22章LSOPT优化设计、参数辨识和概率分析

22.1软件功能简介

22.2主要术语

22.3尺寸优化算例

22.3.1优化模型概况

22.3.2优化建模

22.3.3优化结果

22.4材料参数识别算例

22.4.1优化模型概况

22.4.2优化建模

22.4.3优化结果

22.5参考文献

第23章LSTaSC拓扑优化和形状优化

23.1软件功能介绍

23.1.1基本功能

23.1.2拓扑优化

23.1.3自由表面形状优化

23.1.4软件使用

23.2主要术语

23.3用户界面

23.4拓扑优化算例

23.4.1优化模型概况

23.4.2优化建模

23.4.3优化结果

23.5参考文献

辛春亮，就职于长征飞行器，所级专家，研究员，男，48岁，已编写出版3本畅销的有限元书籍，发表学术论文40余篇，荣获多项国家和省部级科技奖。

本书主要涉及ANSYS LST公司的4款主打软件：LSPrePost、LSDYNA、LSOPT和LSTaSC。相应地，本书按软件分为四部分。部分介绍了LSPrePost软件前处理建模和计算结果后处理功能。第二部分为LSDYNA使用指南，以LSDYNA中各类算法为主线，介绍不同算法的基本原理、优缺点、应用范围、新增算法的主要关键字，并给出了相关计算算例，以夯实读者对算法的理解。在后两部分，作者简要介绍了LSDYNA联合LSOPT、LSTaSC软件进行优化分析的方法和算例。本书融合了4款流行的数值计算软件，本书集建模、后处理、分析和优化于一体，是一本集理论、经验、工程实践之大成的培训、学习教材，具有一定的深度和广度。本书非常适合于：
 LSPrePost用户的初级、中级和二次开发培训。
 具有一定LSDYNA使用经验的LSDYNA用户的中、高级培训及教研。
 LSOPT和LSTaSC用户的入门培训。
第1章简要介绍了求解微分方程的常用数值计算方法、数值计算软件以及前后处理软件。
第2章介绍了LSPrePost软件的基本功能和用户界面。
第3、4、5章分别介绍了LSPrePost软件的几何建模、有限元建模和结果后处理功能，并给出了带有详细操作步骤的相关前处理和后处理实例。
第6章详细讲解了LSPrePost软件的命令流和基于SCL、LSReader等进行二次开发的方法。
第7章内容为LSDYNA入门基础知识，简要介绍了软件起源、基本功能、应用领域、关键字输入数据格式、常用的资源网站等。
拉格朗日算法是LSDYNA的基本的算法，第8章介绍了3种基于LSPrePost建模的拉格朗日算法计算算例：小球撞击平板、气囊展开、S型管件撞击刚性墙。
第9章给出了LSDYNA原有ALE算法、流固耦合算法以及水中爆炸计算算例的讲解。

SALE方法更适合处理大规模计算问题，第10章着重讨论了SALE计算方法的优点、并行计算、主要关键字、边界条件设置，后给出了空气中爆炸算例。
NVH、振动和疲劳计算是LSDYNA软件的新增功能，第11章用大篇幅详细阐述了模态分析、频响函数、稳态振动、随机振动、有限元声学、边界元声学、疲劳分析和响应谱分析。
第12章包含SPH算法的点、近似算法、核函数以及与其他算法的耦合等内容。
第13章讲解了EFG及其网格重构算法。
SPG算法是LSDYNA软件独有的功能，第14章给出了其使用方法和三点弯计算算例。

第15、16章分别介绍了离散元法和近场动力学方法。
CESE算法也是LSDYNA软件的新增功能，第17章详细介绍了CESE算法的功能、点、相关关键字和应用算例，并简要介绍了加入的DUALCESE算法。
第18、19章全面介绍了ICFD算法和电磁场求解器的功能、点、相关关键字和应用算例。
第20章简要介绍了LSDYNA软件的其他算法，如二次拉格朗日单元、厚壳单元、微粒法、同几何分析等。
第21章详细介绍了LSDYNA软件新的二次开发环境，包括材料模型、自动内建模型、材料参数自动转换等功能的开发，可帮助用户扩展LSDYNA材料模型，实现建模自动化。
第22章介绍了LSOPT软件的功能点以及与LSDYNA软件联合进行尺寸优化的算例。
第23章内容涉及LSTaSC软件的功能点以及与LSDYNA软件联合进行拓扑优化的算例。
这4款功能强大的软件是原LSTC公司和现ANSYS LST公司多位开发者及用户集体智慧的结晶，本书汇集了这些技术专家的成果。首先，别感谢美国工程院院士、原LSTC公司的创始人和总裁John O. Hallquist博士，他是有限元领域受人尊敬的专家之一，本书涉及的LSDYNA、LSPrePost、LSOPT和LSTaSC软件均来自他的研发团队。

本书编写过程中参考了一些关于以上软件的公开技术资料。ANSYS LST公司的黄云博士、赵艳华女士、Philip Ho、陈皓博士、吴有才博士、韩志东博士、任波博士、崔喆博士、易桂莲博士、叶益盛博士、朱新海博士、张增产博士、Iaki、李丽萍博士等在公开资料使用方面给予了大力支持，每章后面所列参考论文、报告、用户以及很多计算算例大都来自上述软件开发者，这些公开的参考资料是本书写作的基础，对本书的撰写起了极其重要的作用！此外，本书作者还多次参加了他们主讲的技术培训
公开课程，从中受益匪浅。在此谨向上述原著者表示衷心感谢！

上海仿坤软件科技有限公司的赵海鸥、马亮、鲁宏升博士、苏敏女士、周少林、王强、袁志丹、张永召，大连富坤科技开发有限公司的何曦、于文会、何卫新、丁展博士、罗良峰、张胜，ETACHINA的黄晓忠、李生建、张春风，上海恒士达科技有限公司的费喜熙女士、陈永发，瑞典爆破研究中心的易长平博士，澳汰尔工程软件(上海)有限公司的焦金龙、王瑞龙，理工大学重庆创新中心的王腾腾女士，安世亚太科技股份有限公司的王庆燕女士，奥雅纳工程咨询(上海)有限公司的鲍照等也为本书的
编写和作者能力的提升提供了很多帮助，在此向他们表示深深的谢意！

为了方便读者亲自实现书中的实例，我们将书中所出现的源代码提供给读者。由于图书是单色印刷的，而书中许多图是彩色的，所以，印刷出来的图不能很好地反映出这些图的原貌。另外，受图书的开本大小的限制，对一些图作了缩小处理，使得其中的文字或线条有些模糊不清。为此，我们将书中的原图放在此文件中，供读者查阅。
由于作者水平有限，本书难免存在不当之处，欢迎广大读者和同行专家批评和指正。

作者谨识2020年12月于北高地