2. LS-DYNA求解器基础与关键字文件结构
LS-DYNA 是显式动力学有限元求解器，安全气囊仿真只是它众多应用之一。理解它的求解流程和关键字文件组织方式，是后续所有建模工作的前提。本节从求解器的工作机制出发，讲清楚显式时间积分的推进逻辑、关键字文件的层级结构、单位制的一致性要求，以及气囊仿真中最常用的几类卡片。
显式动力学求解流程
LS-DYNA 的核心是中心差分法。它不组装整体刚度矩阵，也不做迭代求解，而是对每个节点直接计算加速度，然后逐步推进时间。一个时间步内的计算顺序是：先由单元应力计算节点内力，再叠加外力和接触力得到节点合力，除以节点质量得到加速度，然后积分得到速度和位移，最后更新单元应变和应力。整个过程是显式的，没有收敛判断，因此每个时间步的计算量小且稳定。
时间步长由 Courant 条件控制：Δt ≤ L/c，其中 L 是最小单元特征长度，c 是材料声速。对于钢材，c ≈ 5000 m/s；如果最小单元尺寸为 5 mm，则临界时间步长约 1 μs。气囊仿真中常用的织物材料声速较低，但膜单元尺寸小，时间步长通常在 0.5～2 μs 量级。LS-DYNA 会自动计算并输出实际使用的时间步长，如果某一步长突然下降，通常意味着有单元发生了严重畸变。
关键字文件的组织逻辑
LS-DYNA 的输入文件是纯文本的 .k 文件，所有内容以 * 开头的关键字卡片组织。文件没有严格的段落顺序要求，但求解器按固定优先级读取：*CONTROL 和 *DATABASE 类卡片影响全局行为，*PART、*SECTION、*MAT 定义模型本身，*AIRBAG 定义气囊行为，*SET 和 *DEFINE 提供引用集合和曲线。一个典型的单气囊模型文件结构如下：
*KEYWORD
*CONTROL_TERMINATION
$ endtim endcyc dtmin endeng endmas
0.120 0.0
*CONTROL_TIMESTEP
$ dtinit tssfac isdo tslimt dt2ms
0.9 -1.0e-6
*DATABASE_BINARY_D3PLOT
$ dt lcdt beam npltc
0.002
*DATABASE_GLSTAT
$ dt
0.001
*DATABASE_NCFORC
$ dt
0.001
*PART
$ pid secid mid eosid hgid
1 1 1
*SECTION_SHELL
$ secid elform shrf nip propt
1 2 1.0 3
*MAT_FABRIC
$ mid ro ea eb ec
1 8.0e-7 2.0e-3 2.0e-3 2.0e-3
*AIRBAG_SIMPLE_PRESSURE_VOLUME
$ sid sidtyp rbid vsca psca
1 0 0 1.0 1.0
*END注意 $ 开头的是注释行，LS-DYNA 会忽略。卡片中的参数按固定列宽读取，前 8 列是第一个字段，9～16 列是第二个，以此类推。如果字段为空，求解器使用默认值。这种固定格式意味着不能随意用空格对齐，必须严格按列填写。
单位制的一致性
LS-DYNA 本身不强制单位制，但要求所有输入量在同一个单位系统内自洽。安全气囊仿真中最常用的是 mm-ton-s 系统：长度 mm，质量 ton，时间 s，力 N，应力 MPa，密度 ton/mm³。例如钢材密度 7.85e-9 ton/mm³，气囊织物面密度 2.0e-7 ton/mm²（膜单元用面密度而非体密度）。如果混用单位，比如长度用 mm 而密度用 kg/m³，计算出的时间步长和接触力会完全错误，通常表现为模型瞬间爆炸或穿透。
输出控制与气囊仿真常用卡片
输出控制由 *DATABASE 系列卡片管理。*DATABASE_BINARY_D3PLOT 控制 d3plot 结果文件的输出间隔，气囊仿真通常设为 1～2 ms，对应展开过程的 50～100 帧。*DATABASE_GLSTAT 输出全局能量曲线，用于检查沙漏能和内能是否异常。*DATABASE_NCFORC 输出接触力，用于评估气囊对假人的作用力。*DATABASE_ABSTAT 是气囊专用输出，记录气囊压力、体积和温度随时间的变化。
气囊仿真最核心的卡片是 *AIRBAG。LS-DYNA 提供多种气囊模型：*AIRBAG_SIMPLE_PRESSURE_VOLUME 用均匀压力法，适合展开形态简单的气囊；*AIRBAG_WANG_NEFSKE 用一维气流模型，能模拟气囊内部压力波；*AIRBAG_PARTICLE 用粒子法，适合折叠复杂的气囊。选择哪种模型取决于气囊的折叠方式和仿真精度要求。对于驾驶员侧气囊的初步分析，SIMPLE_PRESSURE_VOLUME 通常足够；如果需要研究气囊展开初期的冲击力，则需要 WANG_NEFSKE 或 PARTICLE 方法。
与 *AIRBAG 配合使用的还有 *DEFINE_CURVE，用于定义质量流率曲线或压力-时间曲线。曲线的时间轴必须与 *CONTROL_TERMINATION 的终止时间匹配，否则气囊可能在仿真结束前未完全展开。此外，*CONTROL_CONTACT 中的接触厚度和罚因子设置会影响气囊与假人、方向盘之间的接触力，需要根据单元尺寸调整。