第十七章 LS-DYNA 的隱式求解.doc

第十七章 LS-DYNA 的隱式求解LS-DYNA作為著名的顯式求解程序只能求解瞬態(tài)動(dòng)力問題，對(duì)于時(shí)間歷程較長(zhǎng)的靜、動(dòng)力問題， LS-DYNA的顯式中心差分法有它的局限性，而一些與瞬態(tài)動(dòng)力分析緊密相關(guān)的問題要求LS-DYNA也能夠求解，如： 沖壓成型后的回彈計(jì)算 應(yīng)力初始化 沖擊后常時(shí)間低頻動(dòng)力響應(yīng) 靜力分析 特征值分析實(shí)際上從950版本開始，LS-DYNA已增加了隱式求解功能。剛開始的應(yīng)用主要在沖壓成型后的回彈計(jì)算，經(jīng)過960版到970版的發(fā)展，LS-DYNA的隱式求解功能已大增強(qiáng)，已經(jīng)能滿足以上的求解需要。17.1顯式與隱式的區(qū)別：17.1.1 LS-DYNA顯式求解：采用中心差分方法進(jìn)行顯式時(shí)間積分l 方程非耦合，可以直接求解(顯式)l 但需要常小的時(shí)間步保持穩(wěn)定狀態(tài)l 不需要求解剛度矩陣l 適合沖擊、穿透等高頻非線性動(dòng)力響應(yīng)問題17.1.2 LS-DYNA隱式求解：采用Newmark隱式時(shí)間積分l 對(duì)于線性問題，無(wú)條件穩(wěn)定l 可以采用大的時(shí)間步l 對(duì)于非線性問題，需要一系列線性逼近（Newton-Raphson）疊代求解l 需要求解剛度矩陣l 適合靜力問題、低頻動(dòng)力問題及特征值分析。17.2 LS-DYNA中隱式分析的激活及相關(guān)關(guān)鍵字在LS-DYNA中，缺省的求解是顯式求解，可以通過下面的關(guān)鍵字來(lái)激活隱式求解：*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL$ imflag dt0 iefs nstepsb igso 1 0.01 0 0 0其中參數(shù)imflag=1激活全隱式求解imflag=0為缺省的顯式求解。imflag=2為顯式求解后無(wú)縫進(jìn)行隱式回彈求解。該關(guān)鍵字對(duì)于所有隱式求解分析來(lái)說都是必需的。與隱式求解相關(guān)的其它關(guān)鍵字：*CONTROL_IMPLICIT_LINEAR(v960版本改為*CONTROL_IMPLICIT_SOLVER)*CONTROL_IMPLICIT_NONLINEAR(在v960版后改為*CONTROL_IMPLICIT_SOLUTION)*CONTROL_IMPLICIT_AUTO*CONTROL_IMPLICIT_STABILIZATION*CONTROL_IMPLICIT_DYNAMICS*CONTROL_IMPLICIT_EIGENVALUE*CONTROL_IMPLICIT_BUCKLE（v970）*CONTROL_IMPLICIT_MODES（v970）使用*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL激活隱式求解后，還需要與上面的相關(guān)關(guān)鍵字進(jìn)行聯(lián)合，從而對(duì)不同的問題設(shè)置不同的關(guān)鍵字進(jìn)行求解。*CONTROL_IMPLICIT_LINEAR(v960版后改為*CONTROL_IMPLICIT_SOLVER)*CONTROL_IMPLICIT_SOLVER$ lsolver prntflg negeig 0 0 0$該關(guān)鍵字用來(lái)設(shè)置線性方程求解器的相關(guān)參數(shù)，主要用來(lái)求解下列線性方程：要注意的是該關(guān)鍵字不是析激活線性分析，該求解器的功能主要是對(duì)剛度矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)置計(jì)算（線性分析還是非線性分析由下面的關(guān)鍵字指定）。*CONTROL_IMPLICIT_NONLINEAR(在v960版后改為*CONTROL_IMPLICIT_SOLUTION)*CONTROL_IMPLICIT_SOLUTION$ nlsolvr ilimit maxref dctol ectol rctol lstol 0 0 0 0.0 0.0 0 0$ dnorm divflag inistif nlprint 0 0 0 0該關(guān)鍵字是用來(lái)指定是線性分析還是非線性分析，若是非線性分析，則指定非線性疊代求解器類型、控制平衡疊代搜索次數(shù)和各種容限。若設(shè)置nlsolvr=1，則為線性分析，實(shí)際上相當(dāng)于疊代次數(shù)為1的非線性分析。若設(shè)置nlprint=1，則屏幕上輸出如下，在求解過程中，也可以使用CTRL+ nlprint來(lái)輸出。*CONTROL_IMPLICIT_AUTO*CONTROL_IMPLICIT_AUTO$ iauto iteopt itewin dtmin dtmax 1 0 0 0.0 0.0該關(guān)鍵字控制激活自動(dòng)步長(zhǎng)控制，缺省是固定時(shí)間步長(zhǎng)，當(dāng)平衡疊代失效后，可以試著改為自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)。*CONTROL_IMPLICIT_STABILIZATION該關(guān)鍵字僅用于多步回彈分析，施加人工粘度，提高回彈分析的收斂性，具體應(yīng)用見沖壓成型分析章節(jié)。*CONTROL_IMPLICIT_DYNAMICS*CONTROL_IMPLICIT_DYNAMICS$ imass gamma beta 0 0.0 0.0該關(guān)鍵字激活是靜力還是動(dòng)力分析的選項(xiàng)。Imass=0為靜力分析Imass=1低頻動(dòng)力分析（采用Newmark時(shí)間積分）Imass=2低頻動(dòng)力分析(采用模態(tài)綜合法）*CONTROL_IMPLICIT_EIGENVALUE*CONTROL_IMPLICIT_EIGENVALUE$ neig 15該關(guān)鍵字激活特征值分析，可輸出各階模態(tài)，neig=15表示輸出前15階模態(tài)。不同的應(yīng)用需要的關(guān)鍵字不一樣，如做特征值分析，需要3個(gè)關(guān)鍵字：*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL*CONTROL_IMPLICIT_EIGENVALUE*CONTROL_TERMINATION建議使用雙精度的求解器，單元公式用18號(hào)殼單元公式（下面有具體說明），求解完后自動(dòng)生成兩個(gè)文件：D3EIGV：與D3POLT文件一樣的二進(jìn)制輸出文件，包含每一模態(tài)下的振型，可以用LS-PREPOST顯示。EIGOUT：ASCII文件，是所有輸出模態(tài)的文檔總結(jié)。后面有專門的示例來(lái)說明這種分析并怎樣進(jìn)行后處理17.3 LS-DYNA隱式單元公式：一般情況下，不建議使用LS-DYNA缺省的顯式單點(diǎn)積分單元來(lái)求解隱式問題， LS-DYNA開發(fā)有專門的各種隱式單元應(yīng)用于隱式分析中，下面具體介紹各種單元：使用*SECTION_OPTION來(lái)定義。17.3.1隱式殼單元公式：1S/R Hughes-Liu單元：6號(hào)單元公式l 2 x2選擇性縮減積分l 每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度(dx, dy, dz, rx, ry, rz)l 在*CONTROL_SHELL中設(shè)置統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)法向l 可以退化為三角形單元公式l CPU開銷很大2快速殼：16號(hào)單元公式l 每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度(dx, dy, dz, rx, ry, rz)l 面內(nèi)2 x2積分點(diǎn)，厚方向建議5個(gè)積分點(diǎn)l 不能退化為三角形l 利用沙漏控制8增加翹曲剛度，改善收斂性l 非常適合用于回彈計(jì)算3線性殼：18號(hào)單元公式l 每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度(dx, dy, dz, rx, ry, rz)l 面內(nèi)2 x2積分點(diǎn)l 由于是線彈性，厚度方向2個(gè)積分點(diǎn)足夠l 包含三角形殼公式l 僅應(yīng)用于線性問題和特征值分析l 必須使雙精度求解器17.3.2隱式體單元公式：1積分S/R體單元：2號(hào)單元公式l 每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度(dx, dy, dz)l 2 x2 x 2選擇性縮減積分l CPU開銷大2線性體單元：18號(hào)單元公式l 每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度(dx, dy, dz)l 2 x2 x 2積分點(diǎn)l 僅應(yīng)用于線性問題和特征值分析l 必須使用雙精度求解器17.3.3隱式梁?jiǎn)卧剑簂 每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度(dx, dy, dz, rx, ry, rz)l 長(zhǎng)度方向一積分點(diǎn)l 截面積分l 橫向剪切修正因子l 可移動(dòng)的中面方式l s，t方向由向節(jié)點(diǎn)n3控制17.3.4隱式平面應(yīng)變單元：13號(hào)單元公式：17.3.5隱式軸對(duì)稱單元：15號(hào)單元公式l 特殊條件下的4節(jié)點(diǎn)殼單元l X-Y平面建模l Y軸為15號(hào)單元的對(duì)稱軸l 2個(gè)自由度(dx,dy)l 建議約束自由度DOF (dz, rx, ry, rz)l 建議設(shè)置NIP=4l 非常快，很好的收斂特性17.4 LS-DYNA隱式求解材料：LS-DYNA開發(fā)的材料主要應(yīng)用于顯式分析，并不全部支持隱式功能（但在970中大多數(shù)材料都支持隱式功能） 不同的單元公式材料支持的程度也不一樣，下面為960的材料支持程度：l 3D Solid單元1,2,3,4,5,6,7,9,12,13,18,20,24,26,30,49,57,63,91,92,103,104,106,115l Shell單元1,2,3,4,6,9,18,20,24,36,37,49,91,92,103,104,106,116,117,118l Beam單元1,3,4,6,9,18,20,24,100l 2D Solid單元1,2,3,4,5,6,7,9,12,13,18,20,24,26,57,6317.5 LS-DYNA隱式接觸界面：LS-DYNA能用于隱式求解的接觸界面如下：l 所有的隱式接觸除了TIED方式外都使用罰函數(shù)方式l 節(jié)點(diǎn)發(fā)射邏輯在隱式分析中自動(dòng)失效（可選卡片B中參數(shù)SNLOG=1）l 建議使用重定向法向矢量（ORIEN=1或2）l 自動(dòng)接觸類型在隱式求解中常失效，不建議使用其他邊界條件、約束條件、載荷、輸出文件等與顯式分析大同小異，這里不再詳述。17.6隱式求解非線性收斂問題：應(yīng)用LS-DYNA進(jìn)行隱式求解常遇到的問題就是收斂問題，如：l 到達(dá)平衡疊代步數(shù)不滿足位移和能量容限，放棄該子步l 發(fā)散不平衡力增加（而不是減小），重新構(gòu)造剛度矩陣，繼續(xù)疊代l 能量爆炸能量相比初始值增加百萬(wàn)倍，放棄該子步l 負(fù)的特征值 這是在使用線性方程求解器在轉(zhuǎn)置剛度矩陣時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，缺省狀態(tài)下忽略，試著繼續(xù)運(yùn)算l 線性搜索子步尺寸為零 新的位移不降低不平衡力；在沒有到達(dá)最后疊代容限情況下重新構(gòu)造剛度矩陣，否則放棄該子步17.6.1幾種診斷工具：l 使用NLPRINT輸出開關(guān)（NLPRINT=1）或CTRL+CNLPRINT得到診斷信息。l 負(fù)的特征值開關(guān)可以使程序在遇到負(fù)的特征值時(shí)立即用更小的時(shí)間步去計(jì)算。l CTRL+CCONV可以采用力收斂容限l CTRL+CITER創(chuàng)建每次疊代的D3ITER數(shù)據(jù)庫(kù)文件17.6.2解決收斂問題的步驟：l 決定終止的原因（檢查錯(cuò)誤文件）l 激活輸出開關(guān)得到更多的信息（NLPRINT=1）l 在疊代過程中使用D3ITER檢查幾何體變形情況l 仔細(xì)堅(jiān)持關(guān)鍵字輸入文件上述收斂問題的解決方法：17.6.3到達(dá)平衡疊代步數(shù)錯(cuò)誤信息：l 觀察位移和能量規(guī)范的收斂過程（查看D3HSP文件，或激活NLPRINT）l 如果發(fā)現(xiàn)收斂容限幾乎要滿足： 增加更多的疊代步數(shù) 稍微放寬收斂容限 使用CTRL+CCONV采用力收斂容限l 如果收斂過程非常緩慢 改為全牛頓疊代方法（ILIMIT=1） 檢查是否有不正確的材料特性 增加時(shí)間步長(zhǎng)l 如果收斂過程不穩(wěn)定 降低接觸剛度（10倍量級(jí)縮放因子） 降低時(shí)間步尺寸17.6.4發(fā)散和能量爆炸錯(cuò)誤信息：l 一些PART模型可能變形太快l 使用CTRL+CITER創(chuàng)建每次疊代的D3ITER數(shù)據(jù)庫(kù)文件l 在疊代過程中觀察模型的變形情況l 檢查是否有過大的載荷l 檢查是否有不正確屈服應(yīng)力或硬化特性l 檢查接觸定義，是否有過大的滲透l 降低時(shí)間步尺寸17.6.5負(fù)的特征值錯(cuò)誤信息：出現(xiàn)負(fù)的特征值有四種可能性：1. 不正確的材料特性：l 負(fù)楊氏模量，負(fù)的應(yīng)力應(yīng)變斜率等l 檢查D3HSP文件確保LS-DYNA正確讀入輸入關(guān)鍵字文件2單元法向翻轉(zhuǎn)：l 在初始網(wǎng)格中有極度變形的單元l 接觸初始化過程中由于節(jié)點(diǎn)的重新分布導(dǎo)致網(wǎng)格變形l 由于過度的變形導(dǎo)致單元扭曲3剛體模式l 檢查邊界條件和約束條件l 關(guān)注梁?jiǎn)卧@軸的自由旋轉(zhuǎn)4模型中的某些特征在隱式分析中并不支持l 當(dāng)使用非法的特征時(shí)，警告信息并不總是出現(xiàn)l 參考戶手冊(cè)仔細(xì)檢查關(guān)鍵字文件17.7 LS-DYNA隱式分析舉例：特征值分析如圖所示，對(duì)一個(gè)頂端固支的薄板進(jìn)行特征值分析，輸出前15階模態(tài)：使用LS-DYNA的隱式求解進(jìn)行分析，并和ANSYS得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。知道應(yīng)用LS-DYNA做特征值