LS-DYNA显式时间步长与沙漏控制
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。
ansys-lsdyna知识
一、关于dyna中材料失效准则的定义有些材料类型中有关于失效准则的定义，但是也有些材料类型没有失效准则的材料类型，这时需要额外的失效准则定义，与材料参数一块定义材料特性。
需要用到*mat_add_erosion关键字，对于这个关键字有几个需要注意的地方。
1、材料的通用性破坏准则：`材料通常为拉破坏或者剪切破坏，静水压是以压为正，拉为负，所以静水压破坏就是给出最小的承受压力，当然需要小于0（即拉力），如果静水压小于该值，则材料破坏。
相反，应力则是以压为负，拉为正，故最大主应力或最大等效应力或最大剪应力破坏等等都是给出最大的应力极限，当然大于0，如果拉应力大于该值，则材料破坏，无论是*MAT_ADD_EROSION，还是材料内部自带的破坏准则还是其他软件，都遵循以上准则。
注意：屈服不是失效。
2、单元失效模拟的功能与目的单元删除功能是为了克服有限元本身的缺陷而提出的一项方法，由于有限元本身是基于连续介质力学的，而在连续介质力学中，所研究的物体需要是连续的，既物质域在空间中连续。
在这样的理论假设框架下，单元本身是不会消失的。
然而在实际情况下，由于损伤断裂的存在，势必会使得一些单元消失或者完全的失效，所以为了能够模拟这种情况，DYNA 提供了单元失效功能。
破坏、失效、断裂，都是工程性的概念，它表示在达到某一准则后，结构、构件、或者构件中的某一部分，从结构中退出工作，不再影响整体结构的受力。
而从有限元概念上说，对上述机制的模拟，基本手段都是一样的，就是当满足某一指标（比如某个应变大小）后，将一个单元或者一个积分点的质量、刚度和应力、应变都设为零（或者非常接近与零），这样它在整体结构计算中就不再发挥作用，进而实现了退出工作机制的模拟。
所以，无论是把纤维模型中的某个纤维、或者分层壳模型中的某一层、或者实体模型中的某个积分点，或者结构中的某个单元，让其不再参与整体结构计算，都可以达到模拟破坏退出工作的目的。
而所谓单元生死技术，是上述基本概念在有限元程序中的一个“打包”应用。
[LS-DYNA]有限元仿真中的沙漏现象及其控制
![[LS-DYNA]有限元仿真中的沙漏现象及其控制](https://img.taocdn.com/s3/m/8be7e4cd0c22590102029df0.png)
总能量=内能+动能+滑移界面能+。
能量之间是可以相互转化的，但是对于动力学问题，总能量一般是不太变的。
也就是能量守恒原理。
沙漏模式也就零能模式，他在理论上是一种存在的一种变形模式，但是在实际模型中是不可能存上的。
零能模式就是指有变形，但是不消耗能量。
显然是一种伪变形模式，若不加以控制，计算模型会变得不稳定，并且计算出来的结果也是没有多大意义的。
要加抵制这种变形模式就得相应的消耗一定的能量，也就是沙漏能，如果这个比值太多，就说明模型和实际的变形有很大的差别，当然是不正确的。
这也是缩减积分所付出的代价。
用全积分单元可以解决这个问题，但是效率不高，有可能导致体积锁死，过刚的一些问题。
1. 沙漏的定义沙漏hourglassing一般出现在采用缩减积分单元的情况下：比如一阶四边形缩减积分单元，该单元有四个节点“o”，但只有一个积分点“*”。
而且该积分点位于单元中心位置，此时如果单元受弯或者受剪，则必然会发生变形，如下图a所示。
但是，现实的情况却是在这三种情况下，单元积分点上的主应力和剪应力状况都没有发生变化，也就是说该单元可以自由地在这三种形态之间转变而无需外力。
很小的扰动理论上可以让单元无限地变形下去，而不会消耗任何能量，这就是所谓的沙漏的零能量模式。
这时就要对沙漏进行控制，比如人为地给单元加上一定的刚度。
沙漏只影响实体和四边形单元，而四面体单元、三角形壳单元、梁单元没有沙漏模式，但四面体单元、三角形壳单元缺点是在许多应用中被认为过于刚硬。
沙漏的影响范围：当显式动态分析使用缩减积分单元时，应判断沙漏是否会显著的影响结果。
一般准则是，沙漏能量不能超过内能的10％。
沙漏影响的查看、判断：沙漏能量和内能的对比可在ASCⅡ文件GLSTAT和MATSDM中看出（这两个需要在前处理时设置，或在K文件中设置：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），也可在POST20中画出。
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
第6章-LS-DYNA壳单元、沙漏备课讲稿
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
*CONTROL_ACCURACY 不变的节点编号 Invarient node numbering -对复合材料很重要 2阶应力更新 - 对涡轮叶片，旋转轮胎这样的部件 - 有时对于刚度沙漏控制 - 每一步有大应变的隐式求解
壳单元参数
积分点 厚度方向
•积分点个数： 1 – 膜现象 (忽略弯曲刚度) 2 – 体现线弹性行为 (缺省) 3 或更多 -更高的 CPU 开销 - 增加精度
壳单元参数
*SECTION_SHELL . 单元公式: 通过elform参数选择单元算法 . 厚度方向积分点数 (缺省 = 2) . 每一节点的厚度 . 基准面- 顶，中，底面(仅对Hughes-Liu 壳) *CONTROL_SHELL . 设置全局单元公式 (缺省 = B-T, type 2) . 把退化单元处理为 C0 三角形单元：通过theory参数选择 . 膜应变导致厚度改变 . 对 B-T壳的B-W-C 翘曲刚度：通过BWC参数选择 . 单元翘曲警告
10. Belytschko-Wong-Chiang
13. Plane strain
11. Fast (co-rotational) Hughes-Liu
ansys-lsdyna知识
一、关于dyna中材料失效准则的定义有些材料类型中有关于失效准则的定义，但是也有些材料类型没有失效准则的材料类型，这时需要额外的失效准则定义，与材料参数一块定义材料特性。
需要用到 *mat_add_erosion关键字，对于这个关键字有几个需要注意的地方。
1、材料的通用性破坏准则：`材料通常为拉破坏或者剪切破坏，静水压是以压为正，拉为负，所以静水压破坏就是给出最小的承受压力，当然需要小于0（即拉力），如果静水压小于该值，则材料破坏。
相反，应力则是以压为负，拉为正，故最大主应力或最大等效应力或最大剪应力破坏等等都是给出最大的应力极限，当然大于0，如果拉应力大于该值，则材料破坏，无论是 *MAT_ADD_EROSION，还是材料内部自带的破坏准则还是其他软件，都遵循以上准则。
注意：屈服不是失效。
2、单元失效模拟的功能与目的单元删除功能是为了克服有限元本身的缺陷而提出的一项方法，由于有限元本身是基于连续介质力学的，而在连续介质力学中，所研究的物体需要是连续的，既物质域在空间中连续。
在这样的理论假设框架下，单元本身是不会消失的。
然而在实际情况下，由于损伤断裂的存在，势必会使得一些单元消失或者完全的失效，所以为了能够模拟这种情况，DYNA 提供了单元失效功能。
破坏、失效、断裂，都是工程性的概念，它表示在达到某一准则后，结构、构件、或者构件中的某一部分，从结构中退出工作，不再影响整体结构的受力。
而从有限元概念上说，对上述机制的模拟，基本手段都是一样的，就是当满足某一指标（比如某个应变大小）后，将一个单元或者一个积分点的质量、刚度和应力、应变都设为零（或者非常接近与零），这样它在整体结构计算中就不再发挥作用，进而实现了退出工作机制的模拟。
所以，无论是把纤维模型中的某个纤维、或者分层壳模型中的某一层、或者实体模型中的某个积分点，或者结构中的某个单元，让其不再参与整体结构计算，都可以达到模拟破坏退出工作的目的。
而所谓单元生死技术，是上述基本概念在有限元程序中的一个“打包”应用。
关于lsdyna求解控制
关于求解控制——很多时候，在显式分析中要说明的求解控制参数与隐式分析中的控制参数非常相似。
——显式求解中要说明的基本参数：1:TIME代表实际的物理时间。
实际求解时间应该很短，通常为毫秒级。
solution : time controls>solution time2: EDINT 积分点数（对）。
壳单元需要至少3－5 个积分点，这样才能捕捉到塑性效应。
solution : output control:Integ Pt Storage …3: EDRST,EDHTIM将时间步结果写入到.rst和.his文件的个数。
.rst文件记录了整个模型的结果，可供通用后处理器使用，一般典型的输出步数为10－100个（缺省为100）。
.his 文件记录了模型的一个子组的结果，可供时间历史后处理器使用。
一般输出步数为 1 000－ 1 000000（缺省为1000）――除写出.his和.rst二进制结果文件以外，还可以用EDOPT命令确定写出结果文件d3plot 和d3thdt 。
――用户还可以输出一系列包含特定信息的ASCII文件：GLSTA■全局模型数据，BNDOU边界条件力与能量，RWFOF刚性墙力，DEFOR离散单元力，MATSU材料能量，NCFOR节点界面力，RCFOR界面反作用力，DEFGE变形几何数据，SPCFORC 单点约束力，SWFOF节点约束反力（点焊），RBDOU刚体数据，GCEOU 几何接触实体，SLEOU滑移面能量，JNTFOR节点数据，ELOU■单元数据。
――使用三种高级求解控制选项：1, CPC控制：说明CPU限制。
2,质量缩放：调整单元质量，增加时间步长。
3,子循环：调整模型以减少CPU时间（不推荐）。
――通过调整每个单元的密度，质量缩放（根据单元的大小调整任何单元的密度）从而对每个单元调整合适的时间步。
――初始的时间步长与最小的单元有关，使用质量缩放初始时间步长加长，CPU计算时间减少68％，具有质量误差，质心坐标也会发生变化。
汽车碰撞分析LS_DYNA控制卡片设置
控制卡片参数说明
*CONTROL_TIMESTEP(时间步长控制卡片) $ DTINIT TSSFAC ISDO TSLIMT DT2MS LCTM ERODE MSIST 0.0 0.9 2 0.0 -0.001 0 1 1 $ DT2MSF DT2MSLC 计算所需时间步长时，要检查所有的单元。出于稳定性原因，用0.9（缺省）来 减小时间步：Δt = 0.9 l/c ，特征长度l，和波的传播速度c，都与单元的类型有关。 DTINIT：初始时间步长，如为0.0，由DYNA自行决定初始步长； TSSFAC：时间步长缩放系数，用于确定新的时间步长。默认为0.9，当计算不稳定时，可以减小该值，但同时 增加计算时间； ISDO：计算4节点壳单元时间步长的（不同的值对应特征长度的不同算法，推荐使用2，因为此选项可以获得 最大的时间步长，但有三角形单元存在时会导致计算不稳定）； TSLIMT：壳单元最小时间步分配 ,使单元的时间步长控制在最小时间步长之上；只适用于使用 *mat_plastic_kinematic,*mat_power_law_plasticity*mat_strain_rate_dependent_plasticity,*mat_piecewise_linear_pla sticity等材料模型的壳单元，不建议使用该选项，因为使用DT2MS选项更好。 DT2MS：因质量缩放计算得到的时间步长。当设置为一个负值时，初始时间将不会小于TSSFAC*|DT2MS|。质 量只是增加到时间步小于TSSAFC*|DT2MS|的单元上。当质量缩放可接受时，推荐用这种方法。用这种方法时 质量增加是有限的，过多的增加质量会导致计算终止。当设置为正值时，初始时间步长不会小于DT2MS。单 元质量会增件或者减小以保证每一个单元的时间步都一样。这种方法尽管不会因为过多增加质量而导致计算终 止，但更难以作出合理的解释。默认为0.0，不进行质量缩放； LCTM：限制最大时间步长的Load-curve,该曲线定义最大允许时间步长和时间的关系（可选择） ； ERODE：当计算时间步长小于TSMIN（最小时间步长）时体单元和t-shell被自动删除。
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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）
• 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
– FORMING_NODES_TO_SURFACE 金属成型分析常用
– ERODING_NODES_TO_SURFACE – CONSTRAINT_NODES_TO_SURFACE
ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE
• 类似于NODES_TO_SURFACE CONTACT,除了…
– AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE（推荐使用） – AIRBAG_SINGLE_SURFACE – ERODING_SINGLE_SURFACE – AUTOMATIC_GENERAL – AUTOMATIC_GENERAL_INTERIOR
SINGLE SURFACE CONTACT
显式时步计算
• 时间步长＝tssf*L/c
– Tssf=时间步长缩放因子（default=0.9） – L=单元的特征长度 – C=材料的声速
• L/c表示一个弹性应力波传过这个单元的时间
• 时步和最高的频率成反比
– ω＝sqrt(k/m) – 例如：梁单元的轴向模态
k=EA/L; m=ρAL ω＝sqrt(EA/ρAL^2)= sqrt(E/ρ)/L=c/L
– 使用two-way treatment
• 总是考虑壳的偏置厚度
• 没有数据写到RCFORC输出文件中。
– 必须设置力传感器 *CONTACT_FORCE_TRANSDUCER_PENALTY来输出接触力
SINGLE SURFACE CONTACT
• 类型
– SINGLE_SURFACE（不推荐使用，“老的”基于节点 的搜索方式）
– 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
• 高密度高刚度材料有高的声速
材料
声速（m/s)
STEEL ALUMINUM TITANIUM PLEXIGLASS
WATER AIR
5240 5328 5220 2598 1478 331
材料声速
• 体单元或厚壳单元
– L=volume/areamax side
• 壳单元
– L=area/lengthmax edge (Default) – L=area/lengthdiagonal – L=area/lengthmin side
LS-DYNA 显式时间步长与沙漏控制
• 基于时间积分的中心差分法 • 时刻tn的运动方程（无阻尼）
显式时间积分
Man=Pn-Fn+Hn
M－对角质量阵 P－外部载荷＋体力 F－内力（stress divergence vector） H－沙漏阻力
显式时间积分
an=(Pn-Fn+Hn)/ M accelerations at tn Vn+1/2=Vn-1/2+anΔtn velocities at tn+1/2 un+1=un+ Vn+1/2 Δtn+1/2 displacements at un+1
• 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
缩短运行时间
• 有些模型，运行时间短，不是问题。对于大模型或准静态 模拟，运行时间是重要的。通常，可采用下面几个步骤来 减少显式仿真的运行时间。
– 当求解不正常时及早中断 – 避免不必要的小单元 – 软化材料（不建议使用） – 使用单点积分单元公式（推荐的公式） – 删除引起时步减少的单元 – 时间缩放（增大载荷，减少载荷作用时间） – 质量缩放（增加质量）
• 有时使用隐式分析是一种高效的方法
终止控制
• *CONTROL_INATION
– 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>
• 因为单元删除后，从节点将变为自由节点，这些节点可以 在接触中继续考虑（质量守恒）
• AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE是碰撞模拟中应用最多 的接触
• 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
（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
• 梁单元
– L=beam length
特征长度L
显式时间步长的计算
• 离散的弹簧
– 和长度无关（刚度直接给定） – 和节点质量和弹簧刚度有关系
• 时步缩放因子（tssf)
– 本质上来说，安全因子是确保计算的稳定 – 默认是0.9（爆炸模型取0.67） – 如果计算不稳定或结果有疑问，可减小到0.8或更小