LS-DYNA沙漏的控制方法

沙漏模式是一种非物理的零能变形模式，有变形却产生零应变和应力，它发生在减缩积分即单点积分的体、壳和厚壳单元上。沙漏模式导致一种在数学上是稳定的、但在物理上无法实现的状态。它们通常没有刚度，变形呈现锯齿形的网格。在动力响应计算时，沙漏模态将不受控制，从而出现计算的数值振荡，使计算结果失真乃至失效。基于此，要努力控制沙漏模式，减少或消除沙漏的产生。

1、沙漏控制的理论基础

首先从单元的类型来考虑，三角形壳单元和四面体单元是不会出现沙漏模式的。但是这两种单元类型被认为过于刚硬，如果本身就是比较刚硬的结构部件，可以考虑采用这两种类型的单元进行划分，就会避免出现沙漏的可能性。

若单元类型必须要选用六面体或者四边形壳单元，可以通过控制积分算法来避免沙漏。在LS-DYNA里面有多种算法用于抑制沙漏模式。如果用全积分算法，可以完全消除沙漏，但是这种算法 会引起很多负面效果。如果模型较大，采用全积分算法 会大大增加计算时间，非常不经济；如果是体单元，采用了全积分类型2，那么在大变形应用时更不稳定，容易出现负体积。在另外的一些应用中还会趋于剪切锁死，表现的过于刚硬。这些不良影响告诉我们，采用完全消除沙漏的方法也并非是最优选择，而实际经验又告诉我们沙漏能在模型总能量的5%以内，分析结果是有效和可接受的。基于这些理论基础，我们重点探究减小沙漏即沙漏控制的方法。

2、沙漏控制方法

2.1 沙漏类型的选择

在LS-DYNA中关键字*HOURGLASS是专门用来对沙漏能过大的PART进行沙漏控制的，目前有八种类型公式可以参考选择，针对不同的分析变形模式，需要选择合理的沙漏控制类型。沙漏的出现本身就不可控，选择合理的控制方法更加困难，但是有一些基本的原则可以参考。

沙漏是一种变形后的结果状态，而非是一个中间过程，也不是变形前的初始状态，这就需要我们根据经验预判其变形结果的沙漏形式。例如高速冲击，如爆炸这种变形结果会是一种怎样的状态——由一个坚固的整体瞬间变成一堆散沙，散沙的状态就类似于流体的状态，这种流体或者类似流体的结果状态就要选择粘性沙漏控制，IHQ=1，2，3即为粘性沙漏控制类型。对于低速碰撞，一辆汽车以50Km/h的速度撞到一个墙上，汽车内部的很多零件会有变形，但是会固连在一起，不会粉碎成一堆散沙状态，类似这样的变形结果状态就要采用刚性沙漏控制，即IHQ=4，5，6。沙漏控制大体就分为粘性和刚性这两个方向。

2.2 沙漏控制参数设置

沙漏系数QH不能设置过大，如果超过0.15可能引起计算不稳定，缺省值为0.1，粘性沙漏控制时可以采用QH的缺省值；选用刚性沙漏时，需要适当降低该值，一般设置在0.03~0.05的范围，这样能够最小化非物理的硬化响应同时有效抑制沙漏模式。选用沙漏控制类型6，可以对在厚度方向只有一个单元的梁在弹性弯曲问题中得到准确的解，沙漏系数为1.0。同时对弹性材料方形截面杆的扭曲问题也可以用很少的单元来解。

2.3 一些选择沙漏控制算法的建议

对于结构部件一般来说基于刚性的沙漏控制(type 4,5)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(type 1,2,3)。一些选择沙漏控制算法的建议：对于流体部件，缺省的沙漏系数 HGCO（对应于*HOURGLASS 里的 QM 值） 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。缺省的沙漏算法(Type 1)对流体通常是可以的。