運用降階模型 ROM 加速 LS-DYNA 模擬

2025.06.11

Ansys LS-DYNA 軟體與 Ansys Digital Twin 平台的結合，如何幫助企業更快地解決龐大、複雜的安全挑戰

在 LS-DYNA 中的碰撞模擬，為了獲得準確的結果，通常會細化網格模型，因而增加了電腦計算量的需求。主要挑戰之一是每個設計點都需要較長的模擬時間，尤其是在探索具有多個參數的大型設計空間時，這讓優化精度和效率成為碰撞模擬工作流程的關鍵重點。

我們目前的解決方案利用了 Ansys Twin Builder Static ROM 的新功能，其中包括瞬態輸出，被稱為參數場歷史 ROM。將結果從 LS-DYNA 匯出到 LS-OPT Pro，通過自動化工作流程生成 Twin Builder ROM Builder 格式所需的訓練數據。

在碰撞模擬中，數據通常是在設計空間內的多個點收集的，因此需要創建多個降階模型（ROM）。我們可以使用 PyAnsys、PyAEDT 和 PyTwin 等工具自動生成和評估這些 ROM，進而確保效率和準確性。ROM 體現出強大的預測能力，同時顯著縮短模擬時間。此外，通過從低保真模型構建 ROM ，並通過融合建模等技術使用選定的高保真模擬增強預測，可以進一步優化模擬時間。

此解決方案將使客戶能夠減少系統的開發和優化時間，在車輛開發過程中確保其約束系統在許多參數上的穩健性，並最終通過用 ROM 模擬代替昂貴的測試來支援測試工程師。

讓我們來看看 Ansys LS-DYNA 非線性動力學結構模擬軟體如何與 Ansys Twin Builder 基於模擬的數位孿生平台結合，來應對複雜安全工程挑戰。

上圖展示了在基於 Ansys Twin Builder 模擬的數位孿生平台中，使用參數場歷史降階模型 (SROM) 的情況，其中輸入常數傳入到 ROM 中，輸出則用來驅動瞬態結構可視化。此設定可實現高效的即時模擬和分析。

LS-DYNA 軟體的替代模型

LS-DYNA 軟體為解決大規模安全挑戰的耦合方法提供了重要的基礎，在 Ansys 結構解決方案中，LS-DYNA 軟體在解決此類挑戰方面表現突出，因為它是一款由多個多物理求解器所組成的有限元素分析 (FEA) 軟體。

「一般求解器通常擅於處理某一種物理應用，而 LS-DYNA 軟體的功能則來自多種物理應用。」Ansys 首席研發工程師 Anirban Basudhar 表示「它可以實現強耦合，甚至是單體耦合（monolithic coupling），可將各種物理問題同時求解，從而提高分析結果的準確性。」

因此 LS-DYNA 軟體非常適合分析短期、瞬態、高度非線性動態事件，包括車輛碰撞測試、跌落測試，以及可能涉及爆炸等衝擊事件的安全應用，然而模擬通常需要大量的運算資源。

而這正是 Ansys Twin Builder 軟體中降階建模 (ROM)功能的用武之地，ROM 在 LS-DYNA 軟體中作為有限元模型中的替代模型應用，可以替換複雜的結構，節省模擬時間而不降低準確性。

Ansys LS-DYNA 非線性動力學結構模擬軟體側面碰撞場景中的假人模型

利用 Twin Builder ROM 技術來簡化複雜模擬

為了計算模擬結果，LS-DYNA 軟體透過對實體模型進行離散化來運作。為了要獲得準確的結果，離散化需非常精細，這會導致高昂的計算成本。

ROM 的最大好處在於它們是高保真、複雜模型的簡化。 ROM 會捕捉原始模型的行為，讓工程師能夠以最少的計算資源，快速研究系統的主要影響。透過重複使用標準組件的既有資料，可以顯著減少 LS-DYNA 模擬時間。

Ansys 首席研發工程師 Basudhar 表示：「將 LS-DYNA 軟體與 Ansys Twin Builder 軟體 整合，可以將部分離散元件替換為 ROM，ROM 就像是這些元件的低計算成本替代模型。」

在這個耦合情境下，ROM 是使用 Twin Builder 軟體根據先前的 LS-DYNA 模擬結果預先離線生成的。接著僅使用有限元素方法對少數元件進行建模，而其餘元件則使用 Ansys Twin Builder 函式庫的簡化 ROM 評估來表示。最終 LS-DYNA和 Ansys Twin Builder 耦合的主要好處是更快的 ROM 分析，而不會損失結果的準確性。

失效曲面，其中塑性失效應變定義為三軸度和 lode 參數的函數

結構 ROM 整合和 Ansys optiSLang 軟體的魔力

一般來說，這種模擬技術適用於設計期間或階段之間不會發生太大變化的標準組件，這讓 LS-DYNA 軟體能夠實現高效、快速的分析。

此外，這樣的整合可以透過 LS-DYNA 軟體中的 Ansys optiSLang 流程整合與設計最佳化軟體功能，來增強汽車和航空航天應用中的碰撞模擬或結構分析，以進行設計最佳化和機率分析。此功能用於根據一系列獨特的設計（稱為實驗設計集）來安排 LS-DYNA 模擬，通常在遠端叢集上進行。

後期分析後，Ansys optiSLang 軟體會讀取 LS-DYNA 資料庫中選定的數據，然後以適當的格式組合並匯出這些數據，以輸入到 Twin Builder 軟體 中。接著使用 Twin Builder 軟體生成 LS-DYNA 模型的 ROM ，並將 ROM 作為 LS-DYNA 模型的替代品，然後這個替代品可在 LS-OPT 工作流程中作為代理求解器，以進行快速設計最佳化或可靠性和穩健性研究。在其他情況下，LS-OPT 功能還可以生成一個 ROM 元件，這些元件能夠與 LS-DYNA 模型進行接口並耦合。

Ansys 首席研發工程師 Basudhar 表示：「這項工作通常針對標準組件進行，這些組件在設計期間或階段之間不會發生太大變化，因此可以在 ROM 最佳化的過程中使用 LS-DYNA 軟體重複使用它們，以進行高效、快速的分析。」

理解汽車耐撞性的終極融合

LS-DYNA 和 Twin Builder 的結合對汽車安全產生了重大影響，而汽車安全是 OEM 設備製造商的首要任務，車輛安全性直接影響其獲利能力，品牌必須透過耐撞性來贏得信任。因設計缺陷而引發的事故可能導致代價高昂的產品召回，並有可能導致乘客受傷甚至死亡，從而削弱公眾信任。

為此，LS-OPT 功能促進的結構化 ROM 整合將以兩種方式讓汽車產業受益：

加速設計過程

一旦生成 ROM，其評估速度與相應的 LS-DYNA 模擬相比要快數個量級，從而加快了設計探索速度。使用 LS-OPT 功能可以獲得顯著的優勢，因為它具有在自動化設計過程中運行 Twin Builder 軟體作為求解器的介面。這會產生一個靈活的流程整合平台，可以只使用 ROM 或結合更多 LS-DYNA 模擬來執行加速設計最佳化或統計分析，以進一步豐富設計過程。

加速 LS-DYNA 模擬

ROM 可預先訓練標準組件的力與扭力和位移與旋轉，並用於混合系統級的 LS-DYNA 模擬，其中一些組件是有限元組件，其餘組件則由介面 ROM 表示，這可以顯著加速模擬並促進系統分析，否則計算成本將非常高。

如前所述，這種方法通常適用於不需要更改設計的應用。例如，Ansys 團隊正在研究一種適用於所有車輛類型和所有座椅類型標準部件的躺椅機構，它非常細緻，這對於這類零件來說很常見，它們可以有 200 萬到 1000 萬個元素。躺椅機構是 LS-DYNA 分析的昂貴組件，也是完美的 ROM 應用案例。

「LS-DYNA 軟體中的全面座椅模擬會考慮整個座椅、坐在座椅上的假人以及車輛的各種元素」高級首席研發工程師 Nielen Stander 說「如果有標準部件，而這些車輛通常有很多供應商提供的標準部件，那麼它們可以轉換成 ROM，然後耦合到 LS-DYNA 分析中以節省時間。」

在這種情況下，ROM 需要犧牲準確性以換取速度，會造成高達 10% 到 15% 的準確度損失，但從整個開發過程來看，這些損失微不足道。對於初步設計階段的模擬而言，準確度的要求並不像最終設計階段那麼高，因為最終階段涉及的是完整座椅系統的全面分析。具體來說，使用者可以創建一個 ROM ，並進行大量的前期工作來研究在改良車輛座椅設計時，設計變化如何影響聲音和其他相關標準。例如，試想一個雪橇測試場景，我們有一個座位和一個假人，我們正在研究這個系統。

「在這個雪橇試驗中，涉及多個物理因素，有些因素比其他因素更為關鍵，有些因素比其他因素更為昂貴。」Stander 表示「很多時候，使用者會因為計算時間過長而猶豫是否要將所有設計標準納入模擬分析中。納入經過驗證的 ROM 方案可能並非 100% 準確，但有一定的準確性，有時候甚至相當不錯。這讓他們能夠將這些額外的負載工況或準則納入最佳化流程，而無需承擔高昂的成本損失。」

這類情境再次凸顯了基於 LS-DYNA 和 Twin Builder ROM 分析方法的內在價值。考慮整個系統新面向（例如座位系統）的能力，有助於在產品開發週期的初期階段更快地探索設計。因此使用者可以節省寶貴的時間，將更多資源留給開發流程的後期階段，到時準確性才是真正的關鍵。

參考資料：Ansys Blog

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