LS-DYNA 中沙漏控制 (Hourglass)
汽车碰撞仿真LS-DYNA控制卡片关键字.
7. CONTROL_HOURGLASS 用于沙漏的控制,通过施加附加力来阻止沙漏变形。IHQ设置为5，QH默认为0.1。
8. CONTROL_OUTPUT 用于设置输出参数。设置如下，按红色线框内设置，其余默认值。
•������ 第一列的“$”表示该行是注释行
•������ 输入的参数可以是固定格式或者用逗号分开 •������ 空格或者0 参数������ 使用该参数的默认值
控制卡片的建立
控制卡片可通过以下方式建立：
•用hypermesh在LS-DYNA模板下，选择Analysis面板点击 control cards,选择相应卡片。 •直接在key文件中输入
汽车碰撞分析LS-DYNA 控制卡片的设置
作者:张远岭
2011-4-14
控制卡片
碰撞分析控制卡片包括求解控制和结果输出控制，其中KEYWORD、 CONTROL_TERMINATION、 DATABASE_BINARY_D3PLOT是必不可少的。其他一 些控制卡片如沙漏能控制、时间步控制、接触控制等则对计算过程进行控 制，以便在发现模型中存在错误时及时的终止程序。 后面将逐一介绍碰撞分析中经常用到的控制卡片，并对每个卡片的作 用进行说明。
下面介绍在hypermesh中给出碰撞分析中经常使用的卡片的参
数设置
控制卡片参数设置
1. KEYWORD KEY文件起始关键字。该卡片可不作任何设置。
2. TITLE 输入标题名称xxx。
3. CONTROL_ACCURACY 提高计算精度的控制卡片。设置INN值为2，其余默认，不起作用。
控制卡片参数设置
汽车碰撞分析LS_DYNA控制卡片设置.
控制卡片参数设置
8. CONTROL_PARALLEL 并行计算控制，最大可以使用4个CPU。
9. CONTROL_SHELL
壳单元控制
10. CONTROL_TERMINATION 设置如下：
控制卡片参数设置
11. CONTROL_TERMINATION 计算终止控制卡片，控制计算终止时间。
12. DATABASE_BINARY_D3DUMP 设置如下：
汽车碰撞分析LS-DYNA 控制卡片的设置
作者:张远岭
2011-4-14
控制卡片
碰撞分析控制卡片包括求解控制和结果输出控制，其中KEYWORD、 CONTROL_TERMINATION、 DATABASE_BINARY_D3PLOT是必不可少的。其他一 些控制卡片如沙漏能控制、时间步控制、接触控制等则对计算过程进行控 制，以便在发现模型中存在错误时及时的终止程序。 后面将逐一介绍碰撞分析中经常用到的控制卡片，并对每个卡片的作 用进行说明。
设置如下：
控制卡片参数说明
*CONTROL_TERMINATION $ ENDTIM ENDCYC DTMIN 150 0 0.0
ENDENG 0.0
ENDMAS 0.0
ENDTIM：强制终止计算时间，必选，默认0.0； ENDCYC：终止循环。在计算终止时间之前，程序达到指定循环次数即终止计算。 DTMIN：确定最小时间步长TSMIN的因子。TSMIN=DTMIN * DTSTART，其中DTSTART为程序自动确定的 初始步长。当迭代步长小于TSMIN时，程序终止。 ENDENG：能量改变百分比，超过设定值则终止计算。默认0.0，不起作用； ENDMAS：质量变化百分比，超过设定值则终止计算。仅用于质量缩放DT2MS被使用时。默认0.0 ，不起作 用。
Hourglass control 沙漏控制
沙漏(hourglass)模式是一种非物理的零能变形模式，产生零应变和应力。
沙漏模式仅发生在减缩积分(单积分点)体、壳和厚壳单元上。
LS-DYNA里面有多种算法用于抑制沙漏模式。
缺省的算法(type 1)通常不是最有效的算法，但却是最经济的。
一种完全消除沙漏的方法是转换到全积分或者选择减缩积分(S/R)方程的单元。
但这种方法是一种下策。
例如，第一，类型2体单元比缺省的单点积分体单元计算开消大; 其二，在大变形应用时更不稳定(更容易出现负体积);其三，类型2体单元当单元形状比较差时在一些应用中会趋向于剪切锁死(shear-lock)，因而表现得过于刚硬。
三角形壳和四面体单元没有沙漏模式，但缺点是在许多应用中被认为过于刚硬。
减小沙漏的一个好的方法是细化网格，但这当然并不总是现实的。
加载方式会影响沙漏程度。
施加压力载荷优于在单点上加载，因为后者更容易激起沙漏模式。
为了评估沙漏能，在*control_energy卡片中设置HGEN＝2，而且用*database_glstat和*database_matsum卡分别输出系统和每一个部件的沙漏能。
这一点是要确认非物理的沙漏能相对于每一个part的峰值内能要小(经验上来说<10%)。
对于壳单元，可以绘制出沙漏能密度云图，但事先在*database_extent_binary卡中设置SHGE=2。
然后在LS-Prepost中选择Fcomp>Misc>hourglass energy。
对于流体部件，缺省的沙漏系数通常是不合适的(太高)。
因此对于流体，沙漏系数通常要缩小一到两个数量级。
对流体用基于粘性的沙漏控制。
缺省的沙漏方程(type 1)对流体通常是可以的。
对于结构部件一般来说基于刚性的沙漏控制(type 4,5)比粘性沙漏控制更有效。
通常，当使用刚性沙漏控制时，习惯于减小沙漏系数到0.03~0.05的范围，这样最小化非物理的硬化响应同时又有效抑制沙漏模式。
LS-DYNA显式时间步长与沙漏控制
• AUTOMATIC_GENERAL能够很好的处理壳的边－边接触 和梁－梁接触
– 计算比AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE慢许多
• AIRBAG_SINGLE_SURFACE用于折叠的气囊展开
Eroding Contact
基于面段的接触(SOFT=2)
• SOFT=2接触增加的选项
– SBOPT在可选的卡片A中 2（默认）：假定为平面面段 3：可考虑面段的翘曲 4：滑移选项 5：使用选项3和4
– DEPTH在可选的卡片A中
2（默认）：检查面段穿透 3：同2，但穿透深度同时在面段边缘检查 5：同2，同时增加边－边穿透的检查
• 处于自由面的单元被删除后接触面会自动更新
– 单元删除是根据材料失效准则删除的，而不是因为eroding contact
• 时间步长自动的调整以满足接触时间步长
– Eroding contact通常用在高速仿真中 – 借助于ECDT参数(*CONTROL_CONTACT)可以取消eroding
contact对时间步长的影响
– CONTACT_2D_AUTOMATIC_...在显式仿真中优先使用 – 非自动接触CONTACT_2D...通常用在隐式仿真分析中
力传感器
*CONTACT_FORCE_TRANSDUCER_option • 提供一种在选定位置记录接触力的方便的方法 • 只要指定从面 • 卡片2和3是空的 • 力传感器不产生接触力
– AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE（推荐使用） – AIRBAG_SINGLE_SURFACE – ERODING_SINGLE_SURFACE – AUTOMATIC_GENERAL – AUTOMATIC_GENERAL_INTERIOR
Ls_dyna 沙漏控制考试试题
Ls_dyna 沙漏控制考试试题一、选择题1、沙漏能影响和以及单元，但不能影响三角形壳单元和梁单元。
A、实体单元B、四边形单元C、一维单元D、二维单元2、一般情况下，如果沙漏能量超过总能量的，那么就需要调整沙漏控制，以保证计算结果的精度。
A、10%B、15%C、20%D、25%3、沙漏模式是一种非物理的变形模式，产生零应变和应力。
A、超能B、零能C、刚性D、柔性4、如果系统计算沙漏能并将其输出，必须设置关键字*CONTROL_ENERGY中的控制参数HGEN = 。
A、2B、3C、4D、55、在*SECTION_SHELL中，没有沙漏模式的壳单元公式和。
A、1B、2C、6D、76、如果不考虑计算成本，使用单元的方法，可以有效地控制沙漏现象。
A、全积分B、单点积分C、缩减积分D、选择性缩减积分7、在关键字*CONTROL_HOURGLASS全局控制沙漏中，QH一般取值范围之间，如果超过这个范围将引起计算不稳定。
A、0—0.05B、0.05—0.15C、0.15—0.20D、0.20—0.258、如果需要针对每个PART单独控制，需要定义关键字。
A、*PARTB、*CONTROL_HOURGLASSC、*CONTROL_ENERGYD、*HOURGLASS9、在关键字*HOURGLASS中设定沙漏系数是项。
A、IBQB、QMC、Q1D、Q210、在Ls_dyna关键字*CONTROL_HOURGLASS全局控制沙漏中，QH默认值是。
A、0.1B、1C、0.01D、0.001选择题参考答案：1、ABD2、A3、B4、A5、CD6、AD7、B8、D9、B 10、A二、有限单元单点积分方法可以大幅度降低计算成本，但容易沙漏模式，产生一种自然振荡并且比所有结构响应的同期短得多。
沙漏变形没有刚度并产生锯齿形外形，由此使计算结果不正确。
请回答有哪些方法可以有效地控制沙漏现象？参考答案：控制沙漏现象的方法：1、使用均匀网格，避免在单点上集中加载；2、调整模式的体积粘性；3、使用单元的全积分方法；4、增加模型的弹性刚度；5、局部增加模型刚度；。
lsdyna常见问题汇总
LYDYNA能量平衡GLSTAT(参见*database_glstat)文件中报告的总能量是下面几种能量的和：内能internal energy动能kinetic energy接触(滑移)能contact(sliding) energy沙漏能houglass energy系统阻尼能system damping energy刚性墙能量rigidwall energyGLSTAT 中报告的弹簧阻尼能”Spring and damper energy”是离散单元(discrete elements)、安全带单元(seatbelt elements)内能及和铰链刚度相关的内能(*constrained_joint_stiffness…)之和。
而内能”InternalEnergy”包含弹簧阻尼能”Spring and damper energy”和所有其它单元的内能。
因此弹簧阻尼能”Spring anddamper energy”是内能”Internal energy”的子集。
由SMP 5434a 版输出到glstat 文件中的铰链内能”joint internal energy”跟*constrained_joing_stiffness 不相关。
它似乎与*constrained_joint_revolute(_spherical,etc)的罚值刚度相关连。
这是SMP 5434a 之前版本都存在的缺失的能量项，对MPP 5434a 也一样。
这种现象在用拉格朗日乘子(Lagrange Multiplier)方程时不会出现。
与*constrained_joint_stiffness 相关的能量出现在jntforc 文件中，也包含在glstat 文件中的弹簧和阻尼能和内能中。
回想弹簧阻尼能”spring and damper energy”，不管是从铰链刚度还是从离散单元而来，总是包含在内能里面。
在MATSUM 文件中能量值是按一个part 一个part 的输出的(参见*database_matsum)。
LS-DYNA 中的沙漏问题
LS-DYNA 中的沙漏问题沙漏能是由于在显示分析中采用缩减积分造成的，所谓缩减积分就是单元计算时积分点数少于实际个数，这种操作能加快计算速度，但是会造成一种单元的零能模式，这就是沙漏。
计算要求沙漏能小于总能量的5％时才认为结果是可靠的。
有限元方法一般以节点的位移作为基本变量，单元内各点的位移以及应变均采用形函数对各节点的位移进行插值计算而得，应力根据本构方程由应变计算得到，然后就可以计算单元的内能了。
如果采用单点积分（积分点在等参元中心），在某些情况下节点位移不为零（即单元有形变），但插值计算得到的应变却为零（譬如一个正方形单元变形为一个等腰梯形，节点位移相等但符号相反，各形函数相同，所以插值结果为0），这样内能计算出来为零（单元没变形！）。
这种情况下，一对单元叠在一起有点像沙漏，所以这种模式称之为沙漏模式或沙漏现在有很多控制沙漏的专门程序，如控制基于单元边界的相对转动。
但这些方法不能保持完备性。
我主要讲一下物理的稳定性，在假设应变方法的基础上，建立沙漏稳定性的过程。
在这些过程中，稳定性参数基于材料的性能。
这类稳定性也称为物理沙漏控制。
对于不可压缩材料，即使当稳定性参数是一阶的时候，这些稳定性方法也将没有自锁。
在建立物理沙漏控制中，必须做出两个假设：1.在单元内旋转是常数。
2.在单元内材料响应是均匀的。
简单的说，就是在数学计算上成立，而在物理上或实际中不存在的一种现象。
此处，主要讨论在LSDYNA里CONTROL_HOURGLASS中，Hourglass coefficient的调整。
一般在模拟中，0.1是默认值，在模拟过程中，发现在0.1至0.2之间都可以保持稳定的低值。
模型如下：固定底边，在顶边节点上加载向上的力。
沙漏能明显时，如下图：现在CONTROL_HOURGLASS设置，Default hourglass viscosity type(IHQ)--- EQ.4: stiffness form of type 2 (Flanagan-Belyts chko);Hourglass coefficient(QH)---0.005, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3沙漏能的变化如下图所示：在QH为0.15时，变形后的模型为：明显没有畸变出现，沙漏能得到了控制。
沙漏控制
沙漏控制A1:有限元方法一般以节点的位移作为基本变量，单元内各点的位移以及应变均采用形函数对各节点的位移进行插值计算而得，应力根据本构方程由应变计算得到，然后就可以计算单元的内能了。
如果采用单点积分（积分点在等参元中心），在某些情况下节点位移不为零（即单元有形变），但插值计算得到的应变却为零（譬如一个正方形单元变形为一个等腰梯形，节点位移相等但符号相反，各形函数相同，所以插值结果为0），这样内能计算出来为零（单元没变形！）。
这种情况下，一对单元叠在一起有点像沙漏，所以这种模式称之为沙漏模式或沙漏。
现在有很多控制沙漏的专门程序，如控制基于单元边界的相对转动。
但这些方法不能保持完备性。
:我主要讲一下物理的稳定性，在假设应变方法的基础上，建立沙漏稳定性的过程。
在这些过程中，稳定性参数基于材料的性能。
这类稳定性也称为物理沙漏控制。
对于不可压缩材料，即使当稳定性参数是一阶的时候，这些稳定性方法也将没有自锁。
在建立物理沙漏控制中，必须做出两个假设：1.在单元内旋转是常数。
2.在单元内材料响应是均匀的。
A2:沙漏(hourglass)模式是一种非物理的零能变形模式，产生零应变和应力。
沙漏模式仅发生在减缩积分(单积分点)体、壳和厚壳单元上。
LS-DYNA里面有多种算法用于抑制沙漏模式。
缺省的算法(type 1)通常不是最有效的算法，但却是最经济的。
一种完全消除沙漏的方法是转换到全积分或者选择减缩积分(S/R)方程的单元。
但这种方法是一种下策。
例如，第一，类型2体单元比缺省的单点积分体单元计算开消大; 其二，在大变形应用时更不稳定(更容易出现负体积);其三，类型2体单元当单元形状比较差时在一些应用中会趋向于剪切锁死(shear-lock)，因而表现得过于刚硬。
三角形壳和四面体单元没有沙漏模式，但缺点是在许多应用中被认为过于刚硬。
减小沙漏的一个好的方法是细化网格，但这当然并不总是现实的。
加载方式会影响沙漏程度。
施加压力载荷优于在单点上加载，因为后者更容易激起沙漏模式。
LS-DYNA常见问题汇总10
LS-DYNA常见问题汇总1.0资料来源：网络和自己的总结yuminhust2005Copyright of original English version owned by relative author. Chinese version owned by /Kevin目录1.Consistent system of units 单位制度 (2)2.Mass Scaling 质量缩放 (4)3.Long run times 长分析时间 (9)4.Quasi-static 准静态 (11)5.Instability 计算不稳定 (14)6.Negative Volume 负体积 (17)7.Energy balance 能量平衡 (20)8.Hourglass control 沙漏控制 (27)9.Damping 阻尼 (32)10.ASCII output for MPP via binout (37)11.Contact Overview 接触概述 (41)12.Contact Soft 1 接触Soft=1 (45)13.LS-DYNA中夹层板(sandwich)的模拟 (47)14. 怎样进行二次开发 (50)1.Consistent system of units 单位制度相信做仿真分析的人第一个需要明确的就是一致单位系统(Consistent Units)。
计算机只认识0&1、只懂得玩数字，它才不管你用的数字的物理意义。
而工程师自己负责单位制的统一，否则计算出来的结果没有意义，不幸的是大多数老师在教有限元数值计算时似乎没有提到这一点。
见下面LS-DYNA FAQ中的定义：Definition of a consistent system of units (required for LS-DYNA):1 force unit = 1 mass unit * 1 acceleration unit1 力单位＝1 质量单位× 1 加速度单位1 acceleration unit = 1 length unit / (1 time unit)^21 加速度单位= 1 长度单位/1 时间单位的平方The following table provides examples of consistent systems of units.As points of reference, the mass density and Young‘s Modulus of steel are provided in each system of units. ―GRA VITY‖ is gravitational acceleration.2.Mass Scaling 质量缩放质量缩放指的是通过增加非物理的质量到结构上从而获得大的显式时间步的技术。
LS-DYNA显式时间步长与沙漏控制共51页文档
压力分布（more on that later）
SINGLE SURFACE CONTACT
• 处理self_contact(曲面）以及part-to-part的接 触
• 仅需定义从面，无需定义主面（主面假定为和从 面一样）
（或者是用双精度计算）
运行时间的一些说明
• 仿真分析运行的时间决定于：
– 问题的分析时间 – 时步大小（材料性质，单元大小）
LS-DYNA使用所有单元时步的最小时步 – 单元的数目/单元公式 – 接触类型（通常影响不大） – 附加计算选项的设置（如：二阶应力更新，沙漏能的计算，沙漏
控制的类型等） – 计算机的速度/CPU的数目
– BODY:基于刚体位移的终止 – NODE:基于节点坐标值的终止 – CONTACT:基于零接触力的终止
单向接触类型
• *CONTACT_...
– NODES_TO_SURFACE – ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE
– AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE – ONE_WAY_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE
• 有时使用隐式分析是一种高效的方法
终止控制
• *CONTROL_TERMINATION
– 指定时间或循环（时间步）终止 – 当时步＝初始时间步长的某个小数时终止 – 能量变化达到某个百分数时终止 – 质量变化（仅用于使用质量缩放的求解）达到某个百分
数时的终止
• *TERMINATION_<option>
• CPU用时的估计
– 估计的CPU用时可以通过发送开关命令（sw2)得到 假定时间步长保持不变
lsdyna常见问题汇总
lsdyna常见问题汇总LYDYNA能量平衡GLSTAT(参见*database_glstat)⽂件中报告的总能量是下⾯⼏种能量的和：内能internal energy动能kinetic energy接触(滑移)能contact(sliding) energy沙漏能houglass energy系统阻尼能system damping energy刚性墙能量rigidwall energyGLSTAT 中报告的弹簧阻尼能”Spring and damper energy”是离散单元(discrete elements)、安全带单元(seatbelt elements)内能及和铰链刚度相关的内能(*constrained_joint_stiffness…)之和。
⽽内能”Internal Energy”包含弹簧阻尼能”Spring and damper energy”和所有其它单元的内能。
因此弹簧阻尼能”Spring and damper energy”是内能”Internal energy”的⼦集。
由SMP 5434a 版输出到glstat ⽂件中的铰链内能”joint internal energy”跟*constrained_joing_stiffness 不相关。
它似乎与*constrained_joint_revolute(_spherical,etc)的罚值刚度相关连。
这是SMP 5434a 之前版本都存在的缺失的能量项，对MPP 5434a 也⼀样。
这种现象在⽤拉格朗⽇乘⼦(Lagrange Multiplier)⽅程时不会出现。
与*constrained_joint_stiffness 相关的能量出现在jntforc ⽂件中，也包含在glstat ⽂件中的弹簧和阻尼能和内能中。
回想弹簧阻尼能”spring and damper energy”，不管是从铰链刚度还是从离散单元⽽来，总是包含在内能⾥⾯。
第6章 LS-DYNA壳单元、沙漏
在塑性屈曲问题中单元公式的不同常引起显著的差异
壳单元技术的历史
在D YN A 3 D 中第一种实行的壳单元为Hughes-Liu 壳，它能 处理有限应变。在LLNL的DYNA3D 1986版本中出现 。1983年 就出现了壳单元，但计算非常慢，如考虑管对管冲击问题： . 3 solid elements per shell solution time = 12 CPU minutes . 发布时的Hughes-Liu 壳 = 600 CPU minutes
. 无向量化 (慢8倍) . 中间步的应变计算
加速来自：
. 1 点积分 . n + 1 几何形状用于应变计算 . 使用总体坐标系 增加粘性沙漏力控制零能模式
Belytschko-Tsay 壳
The B-T 壳单元由 Belytschko和Tsay 在 1981年发展起来的 ，并由 Belytschko, Lin 和Tsay在1984年改进。基于坐标旋转 co-rotational 和速度-应变公式的组合
沙漏
如果沙漏产生的区域并不影响关心的设计区域，则可 接受 全积分单元没有沙漏 HG 模式对于实际的变形是直角正交的 由沙漏控制所做的功不会出现在能量方程中 当沙漏出现时，总能量有微小的降低 沙漏能量耗散记录在 GLSTAT 和 MATSUM中
一点积分是非常快的，所以我们接受这种冒险 但应不时检查能量平衡是否安全 一般规则: 沙漏能 < 10% 内能 总体 (GLSTAT) 单个parts (MATSUM) . 做可视检查 . 观察过度的刚度行为
沙漏例子—壳
沙漏例子—壳
沙漏例子—壳
沙漏 沙漏是单元刚度矩阵中秩不足而导致的，而这些是由于 积分点不足导致的
没有刚度的单元模式形态
LS-dyna 常见问题汇总1.0
LS-DYNA常见问题汇总1.0资料来源：网络和自己的总结yuminhust2005Copyright of original English version owned by relative author. Chinese version owned by /Kevin目录1.Consistent system of units 单位制度 (2)2.Mass Scaling 质量缩放 (4)3.Long run times 长分析时间 (9)4.Quasi-static 准静态 (11)5.Instability 计算不稳定 (14)6.Negative Volume 负体积 (17)7.Energy balance 能量平衡 (20)8.Hourglass control 沙漏控制 (27)9.Damping 阻尼 (32)10.ASCII output for MPP via binout (37)11.Contact Overview 接触概述 (41)12.Contact Soft 1 接触Soft=1 (45)13.LS-DYNA中夹层板(sandwich)的模拟 (47)14. 怎样进行二次开发 (50)1.Consistent system of units 单位制度相信做仿真分析的人第一个需要明确的就是一致单位系统(Consistent Units)。
计算机只认识0&1、只懂得玩数字，它才不管你用的数字的物理意义。
而工程师自己负责单位制的统一，否则计算出来的结果没有意义，不幸的是大多数老师在教有限元数值计算时似乎没有提到这一点。
见下面LS-DYNA FAQ中的定义：Definition of a consistent system of units (required for LS-DYNA):1 force unit = 1 mass unit * 1 acceleration unit1 力单位＝1 质量单位× 1 加速度单位1 acceleration unit = 1 length unit / (1 time unit)^21 加速度单位= 1 长度单位/1 时间单位的平方The following table provides examples of consistent systems of units.As points of reference, the mass density and Young‘s Modulus of steel are provided in each system of units. ―GRA VITY‖ is gravitational acceleration.2.Mass Scaling 质量缩放质量缩放指的是通过增加非物理的质量到结构上从而获得大的显式时间步的技术。
LSDYNA壳单元沙漏
壳单元技术的历史
第一次发布的Hughes-Liu壳单元速度慢的几个原因 : . 2 x 2 选择简化积分点selective reduced integration . 无向量化 (慢8倍) . 中间步的应变计算 加速来自： . 1 点积分 . n + 1 几何形状用于应变计算 . 使用总体坐标系 增加粘性沙漏力控制零能模式
相对速度.应变的共轭应力是 Cauchy 应力
壳运动假定节点是 co-planar.
坐标选择坐标系构造单元坐标系
Belytschko-Tsay 壳 这种壳作为Hughes-Liu 壳的考虑计算效率的替代公式
. 用 5个积分点， B-T 壳要求 725个 数学操作步，而 H-L 壳需要 4066. . Selectively reduced (S/R) 积分的 H-L壳要求35,367 由于它的计算效率， B-T 壳为常用的单元公式，也因此成为4节点壳 单元公式的缺省公式
积分点 平面内
•加速度，速度和位移在节点求值
•应力和应变在积分点求值
全积分
积分点
- 计算效率高
- 沙漏
壳单元公式 膜单元
全积分
5. Belytschko-Tsay membrane 9. Full integrated Belytschko-Tsay membrane 三角形单元
6. S/R Hughes-Liu 7. S/R co-rotational Hughes-Liu 16. Bathe-Dvorkin features in B-T 简化积分
壳单元的特性
有限应变 厚度方向积分点的任意和固定 壳单元厚度更新 单元卡上几何特性可任意指定 全矢量或平行的 Fully vectorized and parallelized. 所有壳单元共享的构造子程序 可使用共同的局部坐标系 沙漏控制来控制零能模式
ls-dyna_沙漏控制(hourglass)
LIVERMORE SOFTWARE TECHNOLOGY CORPORATION
和沙漏相关的关键字
*CONTROL_HOURGLASS • 设置整体的沙漏公式和沙漏系数 *HOURGLASS • 对指定的 part 设置沙漏公式和沙漏系数 (覆盖整体的设置) • 必须同时在 *PART中的 HGID *CONTROL_ENERGY • 设置 HGEN 等于 2，计算沙漏能 (推荐) *DATABASE_GLSTAT, *DATABASE_MATSUM • 沙漏能量写到 glstat 和 matsum 文件中 *DATABASE_EXTENT_BINARY • 设置 SHGE 等于 2，能够云纹图显示壳中的沙漏能量
2 种刚度公式的沙漏控制
• IHQ=4: Flanagan-Belytschko • IHQ=5:带精确体积积分的 Flanagan-Belytschko
IHG=6 (next slide)
LIVERMORE SOFTWARE TECHNOLOGY CORPORATION
体单元的沙漏控制
假定应变, co-rotational 刚度公式（Belytschko-Bindeman [1993] ）
• • • 划分更好的网格 改变沙漏公式 ( 整体的或者对 part 指定的 ) 改变单元公式 ( 使用全积分单元公式)
LIVERMORE SOFTWARE TECHNOLOGY CORPORATION
沙漏
沙漏模式 ( 沙漏 ( HG ) 变形正交于应变变形 ) • 不足积分的体有 12 HG 模式 • 不足积分的壳有 5 HG 模式
Γ1k
Γ2k
ΓRE TECHNOLOGY CORPORATION
粘性公式 产生正比于对沙漏模式有贡献的节点速度分量的沙 漏力.
LS-DYNA 中沙漏控制 (Hourglass)
09.11.2015
*HOURGLASS
• HGID: 沙漏 ID; • IHQ: 沙漏控制类型;
• • • • • • •
类型1，2，3 是基于粘性的沙漏控制； 类型4，5，6 是基于刚性的沙漏控制；对于TYPE 1的体单元，TYPE 13/15的壳单元(缩 减积分的2D单元)，使用TYPE 6的HG + 系数1.0，就可以在厚度方向仅划分1层的体单 元(TYPE 1)上获得正确的弯曲刚度。 类型8 只用于单元类型为16的壳单元；它激活了TYPE16壳单元的翘曲刚度，因此这 种壳单元的翘曲不会造成求解的退化。在这种沙漏控制下，TYPE16的壳单元可以用 来求解扭曲梁的问题(twisted beam). 类型9 适用于3D 六面体元素单元。 QM: 沙漏系数；Hourglass coefficient; 默认值0.1，如果在*CONTROL_HOURGLASS 中QH被定义了非零值，此系数则被QH替 代。 IBQ: 体积粘度类型；Bulk viscosity type; Q1: Quadratic bulk viscosity coefficient; Q2: Linear bulk viscosity coefficient; QB: Hourglass coefficient for shell bending, default QB=QM; VDC: Viscous damping coefficient for type 6, 7 hourglass control: QW: Hourglass coefficient for shell warping, default QB=QW
09.11.2015
09.11.2015
*HOURGLASS - IHQ 沙漏控制类型 01 0：默认1，不考虑命令行 *CONTROL_HOURGLASS； 1：LS-DYNA 标准粘性方式；在材料不是特别软，或者单元有合理的形状，且网格不是太粗
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09.11.2015
*HOURGLASS - IHQ 沙漏控制类型 01 0：默认1，不考虑命令行 *CONTROL_HOURGLASS； 1：LS-DYNA 标准粘性方式；在材料不是特别软，或者单元有合理的形状，且网格不是太粗
糙时，类型4，5，6都能得到同样的结果。其中类型4的运行更快。
2：Flanagan-Belytschko粘度方式； 3：Flanagan-Belytschko 粘度方式，对于体单元再加精确体积积分； 4：Flanagan-Belytschko 刚度方式； 5：Flanagan-Belytschko 刚度方式，对于体单元再加精确体积积分； 6：Belytschko-Bindeman 应变联合旋转刚度方式，仅对于2D,3D体单元。此类型适用于显性 及隐性算法。实际上类型6,7是用于隐性算法(Implicit)。 基于弹性常数加上一个假定的应变域，当定义QM=1.0时，对于粗糙网格的弯曲它能提 供精确的结果。当塑性模型的弹性极限压力的切线模量非常小于弹性模量时，小QM (0.001-0.1)会提供一个比较好的计算结果。对于某些刚度是基于弹性常数的材料，若是柔软 材料，则QM应定义为小于1，若是各向异性材料，则取弹性常数的平均值。对于零材料的
09.11.2015
*HOURGLASS
• HGID: Hourglass ID; • IHQ: Hourglass control
Type; • QM: Hourglass coefficient; • IBQ: Bulk viscosity type; • Q1: Quadratic bulk viscosity coefficient; • Q2: Linear bulk viscosity coefficient; • QB: Hourglass coefficient for shell bending, default QB=QM; • VDC: Viscous damping coefficient for type 6, 7 hourglass control: • QW: Hourglass coefficient for shell warping, default QB=QW.
09.11.2015
Hourglass 沙漏
• 有限元分析中的沙漏模式是一种非物理的零能变形模式，即有变形无应力或应变。
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Hourglass仅发生在缩减积分单元体（单积分点），例如一个四边单元，如果只定义 一个积分点，那么在计算过程中只要这四个边在这个积分点四周即可，而当它们的 形状发生畸变时，LS-DYNA却不会采取措施。这种畸变就是产生沙漏的原因。 LS-DYNA中的三角型壳单元，四面体体单元没有沙漏，但缺点在于过于坚硬。细化 网格也是消除沙漏方法之一，但受资源限制不是最现实的方法。 在LS-DYNA中引入内部节点力来控制畸变，关键字为*control_hourglass, *hourglass。 并有多种算法用于抑制沙漏，缺省的算法（TYPE 1）是最经济的。 因此产生的问题就是这种节点力会产生能量，hourglass energy。为了评估hourglass energy, 需要在*control_energy 中设置HGEN=2，再结合*database_glastat, *database_matsum 分别输出系统及每个part的沙漏能。一般要确认非物理的沙漏能 小于每个part的内能峰值的10%。 对于结构部件，采用TYPE 4/5 比TYPE 1/2/3 更有效。通常使用刚性沙漏控制是，沙 漏系数减小到0.03-0.05，这样可以最小化非物理的硬化响应同时又可以有效的控制 沙漏模式。 对于高速冲击，推荐采用粘性的沙漏控制TYPE 1/2/3. 粘性沙漏控制仅仅是抑制沙漏模式的进一步发展，刚性沙漏控制将使单元象未变形 的方向变形。 对于流体，沙漏系数通常要设置为比缺省沙漏系数低1-2个数量级。
流体模型，此控制类型为粘度方式(见*MAT_NULL)。
09.11.2015
*HOURGLASS - IHQ 沙漏控制类型 02
7：类型6的线性全应变类型。 它是专门为粘弹性材料所设计的，能不管某个元素在任何严重变形下都保证它恢复最初的几何形状。 8：适用于壳单元类型16的全积分单元。此控制类型为了计算结果的精确，将激活翘曲刚度的全投影，同 时计算速度会降低25%。 9：适用于3D 六面体元素的应变刚度方式。此方式适用于显性，隐性算法，所以对于隐性算法(Implicit)它 也是除了类型6以外的另一个选择。 此类型基于使用了假定增强应变理论的一种物理稳定方法。它类似于类型6，但对于扭曲网格能提供 更高的精度。如果QH=1.0，此类型对于大弯曲变形的弹性材料有更精确的计算结果。因为在默认参数下， 此类型的沙漏刚度是基于弹性的，所以对于塑性材料为了避免塑性变形下结构刚度被提高，QH 应该被定 义在0.1左右。 对于材料类型3/18/24，可以选择将QH定义为一个负值。这样沙漏刚度就基于材料属性，即塑性切向 模量*IQHI。 粘性沙漏控制推荐一般在高速度下变形的问题分析上。 刚度沙漏控制类型适合于低速度问题上的分析，尤其是时间步很大时。 对于体单元，精确体积积分适合于高变形的元素。 在汽车行业的碰撞计算中大部分用户对于刚度控制类型的QM 选取0.05。 对于体单元及仅实施在体单元上的情况，IBQ 体积粘度类型必须要定义。除了在压力很大的情况下， 一般计算中默认类型即可满足要求，或稍高的定义值也可。对于低密度的泡沫材料，因为要注意粘 性压力，应该降低粘度值。 对于网格单元有大的长细比，或者明显歪斜，推荐使用TYPE 6的沙漏控制。它也更适用于软的材料。
09.11.2015
*HOURGLASS
• HGID: 沙漏 ID; • IHQ: 沙漏控制类型;Leabharlann • • • • • • •
类型1，2，3 是基于粘性的沙漏控制； 类型4，5，6 是基于刚性的沙漏控制；对于TYPE 1的体单元，TYPE 13/15的壳单元(缩 减积分的2D单元)，使用TYPE 6的HG + 系数1.0，就可以在厚度方向仅划分1层的体单 元(TYPE 1)上获得正确的弯曲刚度。 类型8 只用于单元类型为16的壳单元；它激活了TYPE16壳单元的翘曲刚度，因此这 种壳单元的翘曲不会造成求解的退化。在这种沙漏控制下，TYPE16的壳单元可以用 来求解扭曲梁的问题(twisted beam). 类型9 适用于3D 六面体元素单元。 QM: 沙漏系数；Hourglass coefficient; 默认值0.1，如果在*CONTROL_HOURGLASS 中QH被定义了非零值，此系数则被QH替 代。 IBQ: 体积粘度类型；Bulk viscosity type; Q1: Quadratic bulk viscosity coefficient; Q2: Linear bulk viscosity coefficient; QB: Hourglass coefficient for shell bending, default QB=QM; VDC: Viscous damping coefficient for type 6, 7 hourglass control: QW: Hourglass coefficient for shell warping, default QB=QW