Ls-Dyna_负体积问题

LS-DYNA FAQ 中英文版-Negative Volume 负体积
2007年09月13日星期四下午 10:26
泡沫材料的负体积(或其它软的材料)
对于承受很大变形的材料，比如说泡沫，一个单元可能变得非常扭曲以至于单元的体积计算得到一个负值。

这可能发生在材料还没有达到失效标准前。

对一个拉格朗日(Lagrangian)网格在没有采取网格光滑(mesh smoothing)或者重划分(remeshing)时能适应多大变形有个内在的限制。

LS-DYNA中计算得到负体积(negative volume)会导致计算终止，除非在*control_timestep卡里面设置ERODE选项为1，而且在
*control_termination里设置DTMIN项为任何非零的值，在这种情况下，出现负体积的单元会被删掉而且计算继续进行(大多数情况)。

有时即使ERODE和DTMIN换上面说的设置了，负体积可能还是会导致因错误终止。

有助于克服负体积的一些方法如下：
* 简单的把材料应力－应变曲线在大应变时硬化。

这种方法会非常有效。

* 有时候修改初始网格来适应特定的变形场将阻止负体积的形成。

此外，负体积通常只对非常严重的变形情况是个问题，而且特别是仅发生在像泡沫这样的软的材料上面。

* 减小时间步缩放系数(timestep scale factor)。

缺省的0.9可能不足以防止数值不稳定。

* 避免用全积分的体单元(单元类型2和3)，它们在包含大变形和扭曲的仿真中往往不是很稳定。

全积分单元在大变形的时候鲁棒性不如单点积分单元，因为单元的一个积分点可能出现负的Jacobian而整个单元还维持正的体积。

在计算中用全积分单元因计算出现负的Jacobian而终止会比单元积分单元来得快。

* 用缺省的单元方程(单点积分体单元)和类型4或者5的沙漏(hourglass)控制(将会刚化响应)。

对泡沫材料首先的沙漏方程是：如果低速冲击type 6，系数1.0; 高速冲击type 2或者3。

* 对泡沫用四面体(tetrahedral)单元来建模，使用类型10体单元。

* 增加DAMP参数(foam model 57)到最大的推荐值0.5。

* 对包含泡沫的接触，用*contact选项卡B来关掉shooting node logic。

* 使用*contact_interior卡
用part set来定义需要用contact_interior来处理的parts，在set_part卡1的第5项DA4来定义contact_interior类型。

缺省类型是1，推荐用于单一的压缩。

在版本970里，类型1的体单元可以设置type=2，这样可以处理压缩和减切混合的模式。

* 如果用mat_126，尝试ELFORM=0
* 尝试用EFG方程(*section_solid_EFG)。

因为这个方程非常费时，所以只用在变形严重
的地方，而且只用于六面体单元。

See also: instability
English Version:
Negative Volumes in Foams (or other soft materials)
In materials that undergo extremely large
deformations, such as soft foams, an element may become so distorted that the volume of the element is calculated as negative. This may
occur without the material reaching a failure criterion. There is an inherent limit to how much deformation a Lagrangian mesh can
accommodate without some sort of mesh smoothing or remeshing taking place. A negative volume calculation in LS-DYNA will cause the
calculation to terminate unless ERODE in *control_timestep is set to 1 and DTMIN in *control_termination is set to any nonzero value
in which case the offending element is deleted and the calculation continues (in most cases). Even with ERODE and DTMIN set as described,
a negative volume may cause an error termination (see erode/negvol.k).
Some approaches that can help to overcome negative volumes include the following.
- Simply stiffen up the material stress-strain curve at large
strains. This approach can be quite effective.
- Sometimes tailoring the initial mesh to accomodate a particular deformation field will prevent formation of negative volumes. Again, negative volumes are generally only an issue for very severe deformation problems and typically occur only in soft materials like foam.
- Reduce the timestep scale factor. The default of 0.9 may not be sufficient to prevent numerical instabilities.
- Avoid fully-integrated solids (formulations 2 and 3) which tend to be less stable in situations involving large deformation or distortion.
(The fully integrated element is less robust than a 1-point element when deformation is large because a negative Jacobian can occur at one of the integration points while the element as a whole maintains a positive volume. The calculation with fully integrated element will therefore terminate with a negative Jacobian much sooner than will a 1-point element. (lpb))
- Use the default element formulation (1 point solid) with type 4 or 5 hourglass control (will stiffen response). Preferred hourglass formulations for foams are:type 6 with coef. = 1.0 if low velocity impact types 2 or 3 if high
velcocity impact
- Model the foam with tetrahedral elements using solid element formulation 10 (see ~pdf/dubois-foam-tets.pdf).
- Increase the DAMP parameter (foam model 57) to the maximum recommended value of 0.5.
- Use optional card B of *contact to turn shooting node logic off for contacts involving foam.
- Use *contact_interior.
A part set defines the parts to be treated by
contact_interior. Attribute 4 (DA4 = 5th field of Card 1) of the part set defines the TYPE of contact_interior used. The default TYPE is 1 which is recommended for uniform compression. In version 970, solid formulation 1 elements
can be assigned TYPE=2 which treats combined modes of shear and compression.
- If mat_126 is used, try ELFORM = 0.
- Try EFG formulation (*section_solid_EFG). Use only where deformations are severe as this formulation is very expensive. Use only with hex elements.
***********************************************************
See also: instablity.tips
转：/blog/?p=22
负体积和沙漏
对于dyna计算中的负体积和沙漏问题有什么解决方法么
一些常用的解决负体积的方法如下：1、在材料出现大应变的情况下增强材料的应力-应变曲线中材料应力。

这种方法往往非常有效果。

0O Y7v L#} f8t%Eq,{ i
2、重新划分网格，在出现大变形的地方把网格加密。

3、减小时间步长系数。

默认的0.9系数可能不足以避免数值的不稳定。

*b:P.l8h'Z-G Q q
4、避免采用全积分体单元（算法2和3），这会导致大变形和大扭曲的情况下计算相对不稳定。

2o w1] b&Q'_d5x g z
5、采用默认的单元算法（单点体单元），采用沙漏控制type4和5。

泡沫的沙漏
控制算法为：在低速冲击问题中采用type6，系数为1；在高速冲击问题中采
用type2和3。

6、泡沫材料网格划分采用四面体网格，单元算法为10，虽然这样会导致材料相对比较刚性。

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7、增大材料（泡沫材料57号材料）的阻尼系数，推荐采用系数为0.5。

8、在泡沫接触计算中，采用*contact中的选项卡B，关闭shooting node logic。

(A4C1C5o GN
9、如果你采用的是126号材料，设置elform=0。

L9d'\ `0~;q e
10、尝试使用EFG算法（*SECTION_SOLID_EFG）。

在仿真中，通常有材料的大变形问题，如泡沫材料，由于单元大扭曲而出现了单元负体积，这种情况一般出来在材料失效之前。

在没有网格光滑和网格从划分的情况下，ls-dyna 有一个内部的限制来调节lagrange单元的变形。

负体积一般都会导致计算中止，除非你设置时间步长控制中的erode=1和设置终止控制中的dtmin为一非零数，这种情况下，出现负体积的单元将被自动删除，计算也不会中止。

不过就算你如上设置了erode与dtmin，负体积有时候也会导致计算出错停止。

LS-DYNA负体积的资料
负体积定义？
负体积是由于element本身产生大变形造成自我体积的内面跑到外面接着被判断为负体积。

关于负体积的解决办法？
负体积多是网格畸变造成的，和网格质量以及材料、载荷条件都有关系。

有
可能的原因和解决的方法大概有几种：
（1）材料参数设置有问题，选择合适的材料模式
（2）沙漏模式的变形积累，尝试改为全积分单元
（3）太高的局部接触力（不要将force施在单一node上，最好分散到几个node上以pressure的方式等效施加），尝试调整间隙，降低接触刚度或降低时间步。

（4）在容易出现大变形的地方将网格refine。

（5）材料换的太软,是不是也会出现负体积!
（6）另外也可以采用ALE或是euler单元算法，用流固耦合功能代替接触，控制网格质量。

例如在承受压力的单元在受压方向比其他方向尺寸长。

（7）尝试减小时间步长从0.9减小到0.6或更小。

经验总结：
时间步长急剧变小，可能是因为单元产生了严重的畸变而导致的负体积现象，如果采用的是四面体单元，你可以用网格重划分的方法来解决。

如果你采用的是六面体单元，那目前就没有很有效的方法，可以试一下*ELEMENT_SOLID_EFG，那对机器的要求相对就会比较高了。