LS-DYNA FAQ -8.Hourglass control 沙漏控制

2016-11-15 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

沙漏(hourglass)模式是一種非物理的零能變形模式,產(chǎn)生零應(yīng)變和應(yīng)力。沙漏模式僅發(fā)生在減縮積分(單積分點(diǎn))體、殼和厚殼單元上。LS-DYNA里面有多種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,但卻是最經(jīng)濟(jì)的。

一種完全消除沙漏的方法是轉(zhuǎn)換到全積分或者選擇減縮積分(S/R)方程的單元。但這種方法是一種下策。例如,第一,類(lèi)型2體單元比缺省的單點(diǎn)積分體單元計(jì)算開(kāi)消大; 其二,在大變形應(yīng)用時(shí)更不穩(wěn)定(更容易出現(xiàn)負(fù)體積);其三,類(lèi)型2體單元當(dāng)單元形狀比較差時(shí)在一些應(yīng)用中會(huì)趨向于剪切鎖死(shear-lock),因而表現(xiàn)得過(guò)于剛硬。

三角形殼和四面體單元沒(méi)有沙漏模式,但缺點(diǎn)是在許多應(yīng)用中被認(rèn)為過(guò)于剛硬。

減小沙漏的一個(gè)好的方法是細(xì)化網(wǎng)格,但這當(dāng)然并不總是現(xiàn)實(shí)的。

加載方式會(huì)影響沙漏程度。施加壓力載荷優(yōu)于在單點(diǎn)上加載,因?yàn)楹笳吒菀准て鹕陈┠Ｊ健?

為了評(píng)估沙漏能,在*control_energy卡片中設(shè)置HGEN=2,而且用*database_glstat和*database_matsum卡分別輸出系統(tǒng)和每一個(gè)部件的沙漏能。這一點(diǎn)是要確認(rèn)非物理的沙漏能相對(duì)于每一個(gè)part的峰值內(nèi)能要小(經(jīng)驗(yàn)上來(lái)說(shuō)<10%)。對(duì)于殼單元,可以繪制出沙漏能密度云圖,但事先在*database_extent_binary卡中設(shè)置SHGE=2。然后在LS-Prepost中選擇Fcomp>Misc>hourglass energy。

對(duì)于流體部件,缺省的沙漏系數(shù)通常是不合適的(太高)。因此對(duì)于流體,沙漏系數(shù)通常要縮小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)流體用基于粘性的沙漏控制。缺省的沙漏方程(type 1)對(duì)流體通常是可以的。

對(duì)于結(jié)構(gòu)部件一般來(lái)說(shuō)基于剛性的沙漏控制(type 4,5)比粘性沙漏控制更有效。通常,當(dāng)使用剛性沙漏控制時(shí),習(xí)慣于減小沙漏系數(shù)到0.03~0.05的范圍,這樣最小化非物理的硬化響應(yīng)同時(shí)又有效抑制沙漏模式。對(duì)于高速?zèng)_擊,即使對(duì)于固體結(jié)構(gòu)部件,推薦采用基于粘性的沙漏控制(type 1,2,3)。

粘性沙漏控制僅僅是抑制沙漏模式的進(jìn)一步發(fā)展,剛性沙漏控制將使單元朝未變形的方向變形。

類(lèi)型8沙漏控制僅用于單元類(lèi)型16的殼。這種沙漏類(lèi)型激活了16號(hào)殼的翹曲剛度,因此單元的翹曲不會(huì)使解退化。如果使用沙漏控制8,16號(hào)殼單元可以用于解被稱(chēng)為扭曲梁(Twisted Beam)問(wèn)題。

對(duì)于單元類(lèi)型1的體和減縮積分2D體(shell types 13 & 15)類(lèi)型6沙漏控制調(diào)用了一種假設(shè)應(yīng)變協(xié)同轉(zhuǎn)動(dòng)方程。使用沙漏控制類(lèi)型6和系數(shù)1.0,一個(gè)彈性部件在厚度方向僅僅需要?jiǎng)澐忠粚宇?lèi)型1的體單元就可以獲得正確的彎曲剛度。在隱式計(jì)算里面,對(duì)于類(lèi)型1的體單元應(yīng)該總是使用類(lèi)型6的沙漏控制(實(shí)際上,在V970里面這是自動(dòng)設(shè)置的)。

(More on type 6 HG control from Lee Bindeman)
類(lèi)型6的沙漏控制與類(lèi)型4,5不在于它用了一個(gè)假設(shè)應(yīng)變場(chǎng)和材料屬性來(lái)估算出假設(shè)應(yīng)力場(chǎng)。這個(gè)應(yīng)力在單元封閉域內(nèi)進(jìn)行積分得到沙漏力,因此單元表現(xiàn)的像一個(gè)有同樣假設(shè)應(yīng)變場(chǎng)的全積分單元。這種假設(shè)應(yīng)變場(chǎng)設(shè)計(jì)成用來(lái)阻止純彎曲中不真實(shí)的剪切變形和近似不可壓材料中的體積鎖死。

類(lèi)型4和5的沙漏控制基于單元體積,波速和密度像在LS-DYNA理論手冊(cè)中方程3.21那樣來(lái)計(jì)算沙漏剛度。

沙漏類(lèi)型6主要的改進(jìn)是應(yīng)力場(chǎng)在單元域內(nèi)積分。這使得當(dāng)使用大的長(zhǎng)細(xì)比或者歪斜形狀的體單元時(shí)沙漏控制非常魯棒。類(lèi)型4和5的沙漏控制對(duì)大長(zhǎng)細(xì)比和歪斜形狀單元反應(yīng)變不好,它趨向于對(duì)某些沙漏模式反應(yīng)的過(guò)于剛硬而對(duì)其它模式反應(yīng)得過(guò)弱。

沙漏控制類(lèi)型6另一個(gè)理論上的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)在厚度方向只有一個(gè)單元的梁可以在彈性彎曲問(wèn)題中得到準(zhǔn)確的解。要做到這一點(diǎn),設(shè)置沙漏剛度參數(shù)為1.0。同樣,對(duì)彈性材料方形截面桿的扭曲問(wèn)題,當(dāng)沙漏系數(shù)設(shè)為1.0時(shí)可以用很少的單元來(lái)解。然而,對(duì)于非線性材料,用粗糙的網(wǎng)格得到好的結(jié)果是不可能的,因?yàn)閼?yīng)力場(chǎng)不是像沙漏類(lèi)型6假設(shè)的那樣線性變化的。在梁厚度方向上如果沒(méi)有更多積分點(diǎn)的話,沒(méi)有辦法捕獲應(yīng)力場(chǎng)的非線性狀態(tài)。

對(duì)于選擇沙漏控制,下面幾個(gè)問(wèn)題要考慮。對(duì)于單元有大的長(zhǎng)細(xì)比或者明顯歪斜(不管是初始還是變形過(guò)程中),推薦采用類(lèi)型6的沙漏控制。類(lèi)型6的沙漏控制通常對(duì)軟的材料更好,像泡沫或蜂窩材料在計(jì)算中會(huì)有非常明顯的變形。

在材料不是特別軟或者單元有合理的形狀且網(wǎng)格不是太粗糙時(shí),類(lèi)型4,5和6沙漏控制似乎都能得到同樣的結(jié)果。這種情況推薦用類(lèi)型4的沙漏控制,因?yàn)樗绕渌母臁?

類(lèi)型6的沙漏控制在LS-DYNA User’s Manual中參考的Belytschko和Bindeman的論文中有更詳細(xì)的描述。

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