沙漏的实质及其控制

沙漏的实质总能量=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在的。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，如果这个比值太大（一般在5%-10%之间），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、过刚等一些问题。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！）。显然，麻烦来了。所以必须避免这种情况的出现。沙漏的产生是一种数值问题，单元自身存在的一种数值问题，举个例子，对于单积分点线性单元，单元受力变形没有产生应变能--也叫0能量模式，在这种情况下，单元没有刚度，所以不能抵抗变形，不合理，所以必须避免这种情况的出现，需要加以控制，既然没有刚度，就要施加虚拟的刚度以限制沙漏模式的扩展---人为加的沙漏刚度就是这么来的。关于沙漏现象的判别，也就是出现0能量模式的现象最简单的是察看单元变形情况，就像刚才所说的单点积分单元，如果单元变成交替出现的梯形形状，如果多个这样的单元叠加起来，就像是我们windows中的沙漏图标一样，由此可判断沙漏是否产生。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。控制沙漏：首先，您的模型如果是很多PART组成的装配体，那么您需要找出沙漏能最大的PART。然后，才能进行一些适当的控制。第一：从载荷入手，避免集中载荷；第二：从网格入手，尽量做到网格协调；第三：从沙漏控制入手，采用不同的控制方法；第四：从单元算法入手，不行就将一个PART化分为多个PART，除了单元算法不同以外，其他相同。沙漏及其控制沙漏(hourglass)模式是一种非物理的零能模式，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(type1)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。因为：第一，类型2体单元比缺省的单点积分体单元计算量大;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。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(type1)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(type4,5)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。对于高速冲击，即使对于固体结构部件，推荐采用基于粘性的沙漏控制(type1,2,3)。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朝未变形的方向变形。类型8沙漏控制仅用于单元类型16的壳。这种沙漏类型激活了16号壳的翘曲刚度，因此单元的翘曲不会使解退化。如果使用沙漏控制8，16号壳单元可以用于解被称为扭曲梁(TwistedBeam)问题。对于单元类型1的体和减缩积分2D体(shelltypes13&15)类型6沙漏控制调用了一种假设应变协同转动方程。使用沙漏控制类型6和系数1.0，一个弹性部件在厚度方向仅仅需要划分一层类型1的体单元就可以获得正确的弯曲刚度。在隐式计算里面，对于类型1的体单元应该总是使用类型6的沙漏控制(实际上，在V970里面这是自动设置的)。类型6的沙漏控制与类型4,5不在于它用了一个假设应变场和材料属性来估算出假设应力场。这个应力在单元封闭域内进行积分得到沙漏力，因此单元表现的像一个有同样假设应变场的全积分单元。这种假设应变场设计成用来阻止纯弯曲中不真实的剪切变形和近似不可压材料中的体积锁死。类型4和5的沙漏控制基于单元体积、波速和密度像在LS-DYNA理论手册中方程3.21那样来计算沙漏刚度。沙漏类型6主要的改进是应力场在单元域内积分。这使得当使用大的长细比或者歪斜形状的体单元时沙漏控制效果很好。类型4和5的沙漏控制对大长细比和歪斜形状单元反应变不好，它趋向于对某些沙漏模式反应的过于刚硬而对其它模式反应得过弱。沙漏控制类型6另一个理论上的优点是对在厚度方向只有一个单元的梁可以在弹性弯曲问题中得到准确的解。要做到这一点，设置沙漏刚度参数为1.0。同样，对弹性材料方形截面杆的扭曲问题，当沙漏系数设为1.0时可以用很少的单元来解。然而，对于非线性材料，用粗糙的网格得到好的结果是不可能的，因为应力场不是像沙漏类型6假设的那样线性变化的。在梁厚度方向上如果没有更多积分点的话，没有办法捕获应力场的非线性状态。对于选择沙漏控制，下面几个问题要考虑。对于单元有大的长细比或者明显歪斜(不管是初始还是变形过程中)，推荐采用类型6的沙漏控制。类型6的沙漏控制通常对软的材料更好，像泡沫或蜂窝材料在计算中会有非常明显的变形。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和6沙漏控制似乎都能得到同样的结果。这种情况推荐用类型4的沙漏控制，因为它比其它的更快。沙漏能的评估为了评估沙漏能，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FcompMischourglassenergy。