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沙漏的定义在LS-DYNA里的沙漏控制方法
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 “0 ”,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。
沙漏的影响范围:
沙漏只影响实体和四边形单元以及二维单元,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。
沙漏影响的查看、判断:
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%。
沙漏能量和内能的对比可在ASC Ⅱ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。为确保这些文件中记录沙漏能量结果,注意 EDENERGY 中的
HGEN 应设为1。
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FcompMischourglass energy。
2. 在LS-DYNA 里的沙漏控制方法
1) 细化模型网格:好的建模可以防止产生过度沙漏,基本原则是使用均匀网格。
(一般来说,整体网格细化会明显地减少沙漏的影响。)
2) 避免在单点上集中加载:由于激活的单元把沙漏模式传递给相邻单元,所以
点加载应扩展到几个相邻节点组成的一个面上,施加压力载荷优于在单点上
加载。
3) 使用全积分单元:这是一种完全消除沙漏的方法。[但是,它们会比其它单元
算法花费更多的CPU 时间,并且对于一些不可压缩行为、金属塑性和弯曲问
题,它们可能导致不切实际的刚度结果(锁定)。]
4) 软件的内部沙漏控制:如下。
软件的内部沙漏控制思想:
ANSYS/LS-DYNA 提供了一些内部沙漏控制。这些方法的思想是:
(1)增加抵抗沙漏模式的刚度但不增加刚体运动和线性变形;
(2 )在沙漏方向上的速度施加阻尼。
粘性沙漏控制仅仅是抑制沙漏模式的进一步发展,刚性沙漏控制将控制单元朝未
变形的方向变形。
LS-DYNA里的控制卡片:
LS-DYNA 的沙漏控制有*CONTROL-HOURGLASS 和*HOURGLASS 卡片,前者用于整
体的沙漏控制,后者用于各个 part 的沙漏控制,后者的所针对的part 沙漏控制
定义将覆盖前者的整体控制定义。
LS-DYNA里的控制算法的介绍:
*HOURGLASS 里的控制算法 (对应于IHQ):
a) Type1 、2、3 为基于粘性的沙漏控制;
b) Type4 、5、6 为基于刚性的沙漏控制;
c) Type 8 沙漏控制:仅用于单元类型16 的壳。
各个控制算法的讨论:
Type1 :
缺省的算法(type 1)通常不是最有效的算法,但却是最经济的。
Type 4 :
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。
Type 6:
对于单元类型1 的体和减缩积分2D 体(shell types 13 15)Type 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Type 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Type 6 的沙漏控制(实际上,
在V970 里面这是自动设置的)。
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Type 6 的沙漏控制。Type 6 的沙漏控制通常对软的
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