深入瞭解結合 Ansys 結構模擬軟體與 Ansys 數位孿生平台如何協助製造商更快速地解決極為龐大與複雜的安全挑戰。
濟州航空發佈的初步報告最近證實，2024 年 12 月 29 日南韓一架民航機的致命墜機事故，是由鳥擊 — 也就是飛行中的動物與飛機相撞 — 所造成的。該結論是根據從飛機兩具引擎中發現的本地水鳥 DNA 證據而作出的。
根據美國聯邦航空總署的資料，鳥擊平均每天發生 47 起，但如同濟州航空事故這樣的後果仍屬罕見。航空產業與美國魚類與野生動物管理局均已制定緩解策略來處理此類事件，包括驅鳥與移除、棲地管理，以及調整航班時段以避開鳥類活動頻繁時段。
儘管如此，魚類與野生動物管理局的資料指出，野生動物撞擊飛機每年為美國的民用與軍用航空器造成約 9 億美元的損失。
所幸，在鳥擊似乎無法避免時，還有模擬技術可用。模擬的強大功能可透過虛擬建模，實際測試這類撞擊情境，進而在汽車、航太與國防、土木工程與醫療等領域導入更安全的解方。這也是航空產業為其飛機設計防鳥擊所採用的另一種方式。
讓我們來看看 Ansys LS-DYNA 非線性動力結構模擬軟體，如何結合 Ansys Twin Builder 模擬型數位孿生平台，提供一種簡化方法以因應這類跨產業的複雜安全工程挑戰。
圖示說明在 Ansys Twin Builder 模擬型數位孿生平台中，如何使用參數場歷史的降階模型 (SROM)，將輸入常數導入 ROM，再由輸出驅動瞬態結構可視化。此配置實現高效的即時模擬與分析。
LS-DYNA 軟體尋找模型代理
LS-DYNA 軟體為解決大規模安全挑戰的耦合式方法奠定基礎。在 Ansys 的機械解決方案中，LS-DYNA 軟體在應對此類挑戰方面表現尤為突出，因為它是一套有限元素分析 (FEA) 程式，不僅整合單一，而是多種多物理求解器。
「相較於其他通常僅擅長單一物理領域的求解器，LS-DYNA 軟體的能力來自多物理。」Ansys 資深研發工程師 Anirban Basudhar 表示。「它支援強耦合 — 甚至是整合式耦合 — 讓不同的物理場能夠同步求解，提升分析結果的準確度。」
因此，LS-DYNA 軟體非常適合用於分析短期、瞬態、強非線性動態事件。這些應用包括車輛碰撞測試、落下測試，以及需考量撞擊事件 (如爆炸) 的國防應用。然而，模擬這些事件通常需要龐大的運算資源。
這正是 Twin Builder 軟體中降階建模 (ROM) 功能派上用場的時候。當在 LS-DYNA 軟體中將其作為有限元素模型內的代理模型應用時，即可替代更複雜的結構，在不犧牲準確度的情況下節省模擬時間。
Ansys LS-DYNA 非線性動力學結構模擬軟體於側撞情境中的假人模型
透過 Twin Builder ROM 技術深入剖析
為了計算模擬結果，LS-DYNA 軟體會對物理模型進行離散化處理。為了取得準確的結果，這種離散化通常必須相當細緻，因此導致極高的運算成本。
這些 ROM 的最大優勢在於，它們是高精度複雜模型的簡化版本。ROM 能夠捕捉原始模型的行為，使工程師能以最低的運算資源，快速分析系統的主要效應。透過重複利用標準元件的既有資料，可大幅減少 LS-DYNA 的模擬時間。
「LS-DYNA 軟體與 Twin Builder 軟體的整合，讓部分離散元件可由 ROM 取代，這些 ROM 作為這些元件的低成本運算代理。」Basudhar 表示。
在此耦合情境中，ROM 是事先離線地透過 Twin Builder 軟體，根據過去的 LS-DYNA 模擬結果生成的。接著，僅有少數元件會透過有限元素法建模，其餘元件則以 Twin Builder 函式庫中的簡化 ROM 進行計算。最終 LS-DYNA 與 Twin Builder 的耦合，帶來的主要效益是能在不犧牲結果準確度的前提下，加快 ROM 分析速度。
失效曲面中，塑性失效應變定義為三軸應力度與 Lode 參數的函數
結構 ROM 整合與 Ansys optiSLang Pro 軟體的魔力
這種模擬技術通常應用於設計階段之間變動不大的標準元件。如此一來，可在未來使用 LS-DYNA 軟體進行高效率、快速的分析。
此外，透過 LS-DYNA 軟體中的 Ansys optiSLang Pro 程序整合與設計最佳化軟體功能，此整合方式可強化汽車與航太領域中的碰撞模擬或結構分析，並支援設計最佳化與機率分析。該功能可依據一組特定設計 (稱為實驗設計集) 安排 LS-DYNA 模擬作業，通常是在遠端叢集上執行。
模擬完成後，optiSLang Pro 軟體會讀取 LS-DYNA 資料庫中的選定資料，並組合並輸出為適用格式，以供輸入至 Twin Builder 軟體。接著會使用 Twin Builder 軟體產生該 LS-DYNA 模型的 ROM，而該 ROM 就成為該模型的代理。該代理模型可作為 LS-OPT 工作流程中的代理求解器，進行快速的設計最佳化或可靠性/穩健性研究。
在其他情境中，LS-OPT 功能亦可產出可與 LS-DYNA 模型連接與耦合的 ROM 元件。
「這類作業通常針對標準元件進行，因為這些元件在各設計階段之間變化不大，因此能在所謂 ROM 最佳化的程序中，重複使用於 LS-DYNA 軟體的高效率、快速分析中。」Basudhar 表示。
全方位整合方案，深入瞭解汽車抗撞性
LS-DYNA 與 Twin Builder 的整合正大幅影響汽車安全，而這是原廠設備製造商 (OEM) 高度重視的重點。車輛安全直接影響其獲利能力，品牌也必須透過抗撞性來贏得信任。因設計缺陷造成的事故，可能導致高額召回成本，並帶來乘客傷亡風險，進而削弱公眾信任。
為此，由 LS-OPT 功能推動的結構 ROM 整合，為汽車產業帶來兩大優勢：
- 加速設計流程。一旦生成 ROM，其評估速度將比對應的 LS-DYNA 模擬快上數個數量級，加快設計探索。LS-OPT 功能具備可將 Twin Builder 軟體作為自動化設計流程求解器的介面，因此能大幅提升效率。這樣便能打造出一個具彈性的流程整合平台，能以 ROM 單獨進行加速設計最佳化或統計分析，或與更多 LS-DYNA 模擬結合使用，以強化分析成果。
- 它加速了 LS-DYNA 模擬。針對標準元件的力與扭矩對位移與旋轉 ROM 可事先訓練，並應用於混合系統層級的 LS-DYNA 模擬中，其中部分元件為有限元素模型，其餘則以介面 ROM 表示。此方法能大幅加速模擬，並促進系統層級分析，否則這類分析將因運算成本過高而難以實施。
如先前所述，此方法適用於設計變動不大的應用情境。
舉例來說，Ansys 團隊正在開發一種椅背傾仰機構，該機構作為標準零件可安裝於各類車輛與各種座椅上。這種零件模型非常精細 — 這是此類元件的常態，元素數可達 200 萬至 1000 萬個。這是進行 LS-DYNA 分析時成本極高的元件，因此極適合作為 ROM 的應用範例。
「在 LS-DYNA 軟體中進行完整的座椅模擬時，可能需納入整張座椅、其上的假人，以及車輛的其他多個元件。」Ansys 資深首席研發工程師 Nielen Stander 表示。「若包含標準元件，而這些車輛通常由供應商提供大量標準元件，那麼就能將其轉換為 ROM，再與 LS-DYNA 模型耦合，從而節省時間。」
不過，在這種情況下使用 ROM，存在速度與準確度間的取捨。這可能會有高達 10% 到 15% 的誤差，但放在整體開發流程中來看，這樣的損失可說微不足道。在初步設計階段進行的模擬，其準確度的要求不見得會像在最終設計階段 (全面考量整套座椅系統時) 來得重要。
具體來說，使用者可以建立一個 ROM，並進行大量前期工作，來探討在優化車輛座椅設計時，設計變更會如何影響回應與其他相關標準。例如，設想一個滑軌測試情境，模擬一張座椅與假人，並對整個系統進行研究。
「針對這個滑軌測試，會涉及多種物理現象，有些比其他更關鍵，有些則在運算上更加耗費資源。」Stander 表示。「很多時候，使用者會因為高昂的運算時間而猶豫是否該將所有設計標準納入考量。納入經驗證的 ROM 替代方案，雖然無法達到 100% 的準確度，但在某些情境下仍具有不錯的準確表現。如此一來，他們便能在不被成本壓力所阻的情況下，將其他額外載重或設計領域納入最佳化流程中。」
這類情境再次強調，以 LS-DYNA / Twin Builder ROM 為基礎的分析方法，其內在價值不容小覷。能夠針對整體系統，例如座椅系統，納入更多新層面的考量，有助於在開發週期初期加快洞察與發現。如此可將寶貴時間保留下來，用於開發週期末期等準確度要求較高的階段。
立即觀賞隨選網路研討會，深入瞭解 Ansys 解決方案，例如 Twin Builder ROM，如何簡化 LS-DYNA 碰撞模擬、最佳化工作流程，並加速強健系統的開發：「透過降階建模與混合分析加速 Ansys LS-DYNA 模擬。」
