安全第一：强大的计算组合如何带来显著改变

了解Ansys结构仿真软件与Ansys数字孪生平台的结合，如何能帮助制造商更快解决极其庞大且复杂的安全难题。

济州航空公司最近发布的一份初步报告证实：2024年12月29日，韩国一架商用飞机发生致命性坠毁事件，原因是鸟类撞击，即飞禽与飞机相撞。这一裁定，是在从飞机的两个引擎中找到本地水鸟的DNA证据后做出的。

美国联邦航空管理局数据显示，平均每天会发生47次鸟类撞击事件，但像济州航空公司这类严重事故很少发生。航空产业以及美国鱼类及野生动物管理局（U.S. Fish and Wildlife Service）都制定了管理这些事故的应对策略，包括驱鸟与移除措施、栖息地管理和航班时间表变更等，以避免高频率的鸟类活动。

尽管如此，来自美国鱼类及野生动物管理局的数据显示，野生动物袭击飞机每年给美国民用及军用飞机造成的损失估计为9亿美元。

值得庆幸的是，当鸟类撞击看似不可避免时，仿真模拟这一强大的方法应运而生。仿真具有强大功能，可通过虚拟建模，将这些类型的撞击场景投入测试，从而为汽车、航空航天与国防、土木工程以及医疗等领域带来更安全的结果。这也是航空业在鸟撞防护设计方面采取的另一种方式。

我们来看看与Ansys Twin Builder基于仿真的数字孪生平台结合使用时，Ansys LS-DYNA非线性动力学结构仿真软件如何提供一种简单的方法来应对各种复杂的安全工程挑战（包括上述挑战以及跨行业的其它挑战等）。

LS-DYNA软件可以借助代理模型

LS-DYNA软件为使用这种耦合方法解决大规模安全难题奠定了基础。在Ansys机械解决方案中，LS-DYNA软件在应对这些类型的挑战时具有明显的优势，因为它是一款由多个多物理场求解器组成的有限元分析（FEA）程序。

“与那些通常只在某一物理领域表现强大的其他求解器不同，LS-DYNA软件的能力来源于多个物理领域的集成，”Ansys首席研发工程师Anirban Basudhar表示，“它可实现强大的耦合，甚至是整体耦合，可同时求解各种物理场，进而可提高分析结果的准确度。”

因此，LS-DYNA软件非常适合分析短期、瞬态、高度非线性的动态事件，其中包括车辆碰撞测试、跌落测试以及可能现需要考虑冲击影响（如爆炸）的国防应用。然而，对这些事件进行仿真通常需要大量的计算资源。

这就是Twin Builder软件的降阶建模（ROM）功能的用武之地。其在LS-DYNA软件中用作有限元模型中的代理模型应用，可替换更复杂的结构，从而可在不降低准确性的同时，节省仿真时间。

Twin Builder ROM技术助力突破难关

计算仿真结果时，LS-DYNA软件的工作原理是对物理模型进行离散化。要获得准确的结果，这种离散化通常就需要非常精细，进而会提高计算成本。

这些ROM的最大优势是：它们可简化高保真度的复杂模型。ROM可以捕获这些源模型的行为，以便工程师能够使用最少的计算资源快速研究系统的主要影响。LS-DYNA通过在标准组件中重复使用已有数据，大幅缩短了仿真时间。

“将LS-DYNA软件与Twin Builder软件融合，可使用ROM替换某些离散组件，ROM可作为这些组件计算成本很低的代理组件，”Basudhar讲道。

在这种耦合场景中，ROM是根据之前LS-DYNA仿真结果，使用Twin Builder软件提前离线生成的。随后，只有少数组件使用有限元法建模，其余组件使用Twin Builder库通过简化的ROM评估来表示。于是，LS-DYNA/Twin Builder耦合的主要优势是：实现更快的ROM分析，并且同时不降低结果准确度。

结构ROM集成与Ansys optiSLang Pro软件的魅力

这种仿真技术一般针对标准组件执行，标准组件在设计周期或设计阶段中变化不大，由此可实现在LS-DYNA软件中进行快速、高效的分析。

此外，这种集成还可通过LS-DYNA的Ansys optiSLang Pro流程整合以及设计优化软件功能，在汽车与航空航天应用中增强碰撞仿真或结构分析，以便实现设计优化与概率分析。该功能通常用于基于一组选定的特征性设计（称为实验设计集）来安排LS-DYNA仿真，通常是在远程集群上进行。

在后处理分析阶段，optiSLang Pro软件可读取LS-DYNA数据库中的选定数据，然后将其整理并导出为适合Twin Builder软件输入的格式。随后，Twin Builder软件可用于生成LS-DYNA模型的ROM，该ROM会成为LS-DYNA模型的代理模型。该代理模型可在LS-OPT工作流程中用作代理求解器，以执行快速设计优化或可靠性/鲁棒性研究。

在其它情况下，LS-OPT功能可生成一个ROM组件，该组件可以与LS-DYNA模型连接并耦合。

“这项工作通常针对标准组件完成，标准组件在各个设计周期或阶段之中不会发生太大变化，因此其可在被称为ROM优化的过程中重复使用，以便通过LS-DYNA软件实现高效、快速的分析。

终极融合，以了解汽车防撞性

LS-DYNA/Twin Builder的融合正在对汽车安全性产生深远影响，而安全性是原始设备制造商（OEM）的一大重要优先事项。车辆安全性会直接影响企业的盈利能力，因此，汽车品牌必须通过出色的防撞性来赢得用户信任。设计失效导致的事故不仅会导致代价高昂的召回，而且还会埋下乘员受伤及死亡的隐患，进而削弱公众信任度。

在该背景下，通过LS-OPT功能实现的结构ROM集成，为汽车行业带来了两方面的优势：

• 加速设计进程一旦生成了ROM，其评估速度将比相应的LS-DYNA仿真快几个数量级，从而可加速设计探索。使用LS-OPT功能可获得显著的优势，因为它提供了一个接口，可在自动化设计流程中将Twin Builder软件作为求解器。这样，就实现了一个高度灵活的流程集成平台，在该平台上，只需使用ROM或与更多的LS-DYNA仿真相结合，即可执行加速设计优化或统计分析，进而实现进一步改进。
• 加速LS-DYNA仿真可以预先训练标准组件的力和扭矩以及位移与旋转降阶模型（ROM），并应用于混合系统级LS-DYNA仿真，其中一些组件使用有限元建模，而其余组件则由接口ROM表示。这不仅可显著加速仿真，而且还有助于执行系统分析，否则其计算成本将十分高昂。

如前文所述，这种方法适用于不需要进行设计更改的应用。

例如，Ansys团队正在为一款适用于各种类型车辆与座椅的标准组件开发一套调节机制。这类部件的精细程度通常令人惊叹——这些部件可能有200万到1,000万个单元。这种部件在LS-DYNA分析中成本高昂，因此是一个理想的ROM使用案例。

高级首席研发工程师Nielen Stander指出：“在LS-DYNA软件中进行全面的座椅仿真，可能会需要考虑构成整个座椅、座椅上的假人以及各种其它车辆元素。如果有标准组件——这些车辆中通常有供应商提供的大量标准组件，则可先将其转换为ROM，然后将其耦合在LS-DYNA分析中，以节省时间。”

但在这种场景中，使用ROM存在一个权衡：用准确度换取速度。虽然准确度可能会降低最高达10%到15%，但从整个开发周期来看，这个数字是微不足道的。在初始设计阶段进行的仿真中，准确度未必像在最终设计阶段那样重要，因为最终设计阶段需要考虑整个座椅系统。

具体来说，用户可以创建ROM并进行大量的初始工作，以研究在改进车辆座椅设计时，设计修改会对响应及其它相关标准产生怎样的影响。例如，想象一个滑台测试场景，其中有一个座位和一个假人，您正在研究该系统。

“在这场滑台测试中，涉及多种物理场，其中有些物理场比其它物理场更关键，有些物理场比其它物理场成本高，”Stander道，"很多时候，由于计算时间太长，用户会犹豫是否要把所有设计准则都纳入考虑。纳入支持该验证的ROM替代方案可能不是100%准确，但也具有一定的准确性，这在某些情况下可能已经非常不错了。而且，这有助于他们在不会产生令人生畏的成本代价的情况下，将这些额外的载荷工况或学科纳入优化流程。”

这些类型的场景，都再次证明了LS-DYNA/Twin Builder基于ROM的分析方法的固有价值。考虑整个系统（例如座椅系统）中的新因素的能力，能助力客户在开发周期早期更快取得发现和进展。这样，客户就节省了宝贵的时间，将其用于开发周期的后期阶段——那时准确性尤为关键。

欢迎观看本次网络研讨会点播视频，了解Twin Builder ROM等Ansys解决方案如何简化LS-DYNA碰撞仿真，优化工作流程并加速稳健的系统开发：“降阶建模与混合分析助力加速Ansys LS-DYNA仿真。”