LS-DYNA FAQ -8.Hourglass control 沙漏控制

2016-11-15 by:CAE仿真在線來源: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,類型2體單元比缺省的單點(diǎn)積分體單元計算開消大; 其二,在大變形應(yīng)用時更不穩(wěn)定(更容易出現(xiàn)負(fù)體積);其三,類型2體單元當(dāng)單元形狀比較差時在一些應(yīng)用中會趨向于剪切鎖死(shear-lock),因而表現(xiàn)得過于剛硬。

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

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

加載方式會影響沙漏程度。施加壓力載荷優(yōu)于在單點(diǎn)上加載,因為后者更容易激起沙漏模式。

為了評估沙漏能,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)和每一個部件的沙漏能。這一點(diǎn)是要確認(rèn)非物理的沙漏能相對于每一個part的峰值內(nèi)能要小(經(jīng)驗上來說<10%)。對于殼單元,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)。因此對于流體,沙漏系數(shù)通常要縮小一到兩個數(shù)量級。對流體用基于粘性的沙漏控制。缺省的沙漏方程(type 1)對流體通常是可以的。

對于結(jié)構(gòu)部件一般來說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,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)同時又有效抑制沙漏模式。對于高速沖擊,即使對于固體結(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。

類型8沙漏控制僅用于單元類型16的殼。這種沙漏類型激活了16號殼的翹曲剛度,因此單元的翹曲不會使解退化。如果使用沙漏控制8,16號殼單元可以用于解被稱為扭曲梁(Twisted Beam)問題。

對于單元類型1的體和減縮積分2D體(shell types 13 & 15)類型6沙漏控制調(diào)用了一種假設(shè)應(yīng)變協(xié)同轉(zhuǎn)動方程。使用沙漏控制類型6和系數(shù)1.0,一個彈性部件在厚度方向僅僅需要劃分一層類型1的體單元就可以獲得正確的彎曲剛度。在隱式計算里面,對于類型1的體單元應(yīng)該總是使用類型6的沙漏控制(實際上,在V970里面這是自動設(shè)置的)。

(More on type 6 HG control from Lee Bindeman)
類型6的沙漏控制與類型4,5不在于它用了一個假設(shè)應(yīng)變場和材料屬性來估算出假設(shè)應(yīng)力場。這個應(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)的像一個有同樣假設(shè)應(yīng)變場的全積分單元。這種假設(shè)應(yīng)變場設(shè)計成用來阻止純彎曲中不真實的剪切變形和近似不可壓材料中的體積鎖死。

類型4和5的沙漏控制基于單元體積,波速和密度像在LS-DYNA理論手冊中方程3.21那樣來計算沙漏剛度。

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

沙漏控制類型6另一個理論上的優(yōu)點(diǎn)是對在厚度方向只有一個單元的梁可以在彈性彎曲問題中得到準(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,對彈性材料方形截面桿的扭曲問題,當(dāng)沙漏系數(shù)設(shè)為1.0時可以用很少的單元來解。然而,對于非線性材料,用粗糙的網(wǎng)格得到好的結(jié)果是不可能的,因為應(yīng)力場不是像沙漏類型6假設(shè)的那樣線性變化的。在梁厚度方向上如果沒有更多積分點(diǎn)的話,沒有辦法捕獲應(yīng)力場的非線性狀態(tài)。

對于選擇沙漏控制,下面幾個問題要考慮。對于單元有大的長細(xì)比或者明顯歪斜(不管是初始還是變形過程中),推薦采用類型6的沙漏控制。類型6的沙漏控制通常對軟的材料更好,像泡沫或蜂窩材料在計算中會有非常明顯的變形。

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,類型4,5和6沙漏控制似乎都能得到同樣的結(jié)果。這種情況推薦用類型4的沙漏控制,因為它比其它的更快。

類型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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