About Hourglass
Hourglass 是什麼?
Hourglass(HG) 模式是非物理性的,零能量變形模式(zero-energy modes of deformation),產生零應變和無應力。Hourglass模式只發生在under-integrated (單積分點)的實體元素,殼元素和厚殼元素中。
預設算法1雖然成本最便宜,但通常不是最有效的算法,完全消除Hourglass的一種方法是切換到具有全積分或選擇性降低(S / R)積分的元素方法,此方法可能有一些缺點,如下 所述:
需花費更多時間計算
它們在大變形應用中更不穩定(更有可能產生負體積)
實體的算法2具有“剪切鎖定”的傾向,因此在元素品質差(element shape is poor)的應用中表現得過於僵硬(stiff)。
Hourglass 注意事項
三角形殼體和四面體實體元素沒有Hourglass模式,但在某些應用中認為過於僵硬的行為是有缺陷的。
載重方法會影響Hourglass的程度。例如,設定壓力比對單一節點載重更好,因為後者更有可能產生Hourglass模式。
要評估Hourglass能量,請在*control_energy中將HGEN設定為2,並使用*Database_glstat和*Database_matsum分別得到系統和各零件的HG能量。重點是確認非物理HG能量相對於每個零件的峰值內部能量較小(按照經驗法則<10%)。對於只有殼體,您可以在後處理得到沙漏能量密度雲圖(Fringe),透過先在LS-DYNA輸入卡片中設置SHGE = 2(*DATABASE_EXTENT_BINARY)。然後,在LS-Prepost中,選擇Fcomp >> Misc >>hourglass energy。
對流體零件來說,預設的HG係數通常不適合(太高)。因為對流體來說,HG係數大小通常要縮小幾個數量級。對流體只使用基於黏度的HG控制。預設的HG方法(類型1)通常適用於流體。請注意,在971 R3中,ALE零件(ELFORM 11)的預設HG係數是1.e-6。 要覆蓋該預設值,可能適用於非流體材質,請使用* HOURGLASS和* PART中的HGID。通過MATSUM檢查HG能量。
Hourglass (HG) 類型
IHQ =HG控制類型
QH=HG係數
對結構零件使用基於剛度的HG控制(類型4,5)通常比黏性HG控制更有效。通常情況下,當調用基於剛度的HG控制時,我喜歡降低HG係數,通常在.03到.05的範圍內,以盡量減少響應的非物理強化,同時有效抑製HG模式。對於高速沖擊,建議使用基於黏度的HG控制(類型1,2,3),即使對於固體/結構零件也是如此。
類型8的HG控制僅適用於*SECTION_SHELL的算法16。此HG類型使得SHELL的翹曲不會降階求解(degrade the solution) ,可以用來解決所謂的扭力梁(Twisted Beam)問題。
類型6的HG控制為*SECTION_SOLID的算法1、SHELL算法13、算法15,調整應變共旋轉方法(assumed-strain co-rotational formulation)。 在隱式模擬中,類型6的HG控制應總是用於形式1的固體,類型6的HG係數通常從0.1(預設值)到1.0,對於彈性材料請使用1.0,其他材料則HG係數的選擇並不明顯,太低的值可能導致可見的HG變形(不太可能),太高的值可能會導致表現過於僵硬的行為,可能需要對模型進行2次計算以查看結果是否對HG係數有任何敏感性。檢查HG能量是一個好方法。
預設HG係數(0.1)會被* CONTROL_HOURGLASS中為QH給出的任何非零值所取代。
補充
(1)
Hourglass control是使用減少積分,將黏度或硬度加入四邊形殼體元素和六面體固體元素。在沒有Hourglass control的情況下,這些元素將具有零能量變形模式,其可能變大並破壞解決方案。* CONTROL_HOURGLASS可以用於重新定義Hourglass control類型和係數的預設值。
如果省略或IHQ = 0,預設的Hourglass control類型如下:
a)用於SHELL:粘性類型用於顯式;剛體類型為隱式。
b)對於SOLID:類型2用於顯式;類型6為隱式。
這些預設值被套用在整個模型上,除非* PART上的HGID被用來指向* HOURGLASS數據,該零件的IHQ才會覆蓋預設值。
對於顯式分析,殼元素可以與粘性沙漏控制(IHQ = 1 = 2 = 3)或剛度沙漏控制(IHQ = 4 = 5)一起使用。只有殼形式(element formulation)16使用由IHQ = 8調用的翹曲剛度。對於隱式分析,粘性形式是不可用的。
對顯性分析, 六面體元素可以用於任何hourglass除IHQ = 8以外的控制類型。對隱式分析,只能用IHQ = 6,7,9和10。
IHQ的設定可能會對模型中的某些元素無效。如果發生這種情況,那麼這些元素的沙漏控制類型會自動重置為有效值。為了進行顯性分析,如果IHQ = 6,7,9或10,那麼殼元素將被切換到形式(element formulation)4,除了殼形式(element formulation)16被切換到類型8。如果設定 IHQ = 8,那麼不是形式16的實體元素和殼元素將會是切換到形式4。 對於隱式分析,如果IHQ = 1~5,則實體元素將被切換到形式6,並且如果IHQ = 1,2,3,6,7,9或10,則殼元素將切換到形式4。
(2)
當基於剛度的沙漏控制的響應過於僵硬時,粘性沙漏控制已成功地用於殼元素。隨著模型變得越來越細緻,並且能夠更好地捕捉變形模式,對粘性形式的需求就越來越少。為了保持後兼容性(back compatibility),粘性沙漏控制仍然是顯性分析的預設選項,但是可能有更好的選擇,特別是HG的新形式(6,7,9和10)。
(3)
QH是一個可以調整沙漏粘度或剛度的係數。 IHQ = 1~5,IHQ = 8時,QH值超過0.15可能會導致不穩定。HG類型6,7,9和10在具有較大的QH時將保持穩定,且對於許多材料,QH = 1.0時就可以計算得很好。然而,對於塑性模型,由於HG剛度是基於彈性屬性(elastic properties)的,所以較小的值(例如QH = 0.1)更好計算。
(4)
用於六面體元素的沙漏類型6,7,9和10是基於物理穩定性(使用增強假設應變方法enhanced assumed strain method)。當元素網格不特別傾斜或扭曲時,它們的行為可能非常相似,可以為QH = 1.0的彈性材料產生精確的粗網格彎曲結果。然而,形式9可以為失真或偏斜的元素提供了更準確的結果。 另外,對於材料3,18和24,可以選擇對QH使用負值。使用此選項,HG剛度基於當前的材料屬性,即塑性切線模量(plastic tangent modulus),並由| QH |縮放。
(5)
HG類型7是類型6的變化。不是使用當前剛度和變形增量逐步更新沙漏力,而是每個循環評估總沙漏形變。這確保了:如果負載被移除且材料未經歷非彈性變形,則這些元素一定會彈回到它初始的幾何形狀。使用* INITIAL_FOAM_REFERENCE_GEOMETRY的foam建議使用HG類型7。但是類型7的CPU時間大約是類型6的兩倍,所以只有當使用者需要時才推薦使用。
(6)
對1節點或算法16的10節點四面體使用HG類型10,是基於Cosserat點理論(Cosserat point theory)的結構元素,其允許對於一般元素形狀和超彈性(hyperelastic)材料,準確地表示基本變形模式(拉伸,彎曲和扭轉)。
為此,Jabareen和Rubin [2008]以及Jabareen等人[2013]的理論說明任何材料的反應,變形分成均質和非均質的零件,前者使用構成法(constitutive law),後者使用超彈性公式建立,來對照上述提到的變形模式的分析結果。 測試顯示,對於小的變形問題和一般更實際的行為來說,元素比其他六面體元素給出更準確的計算結果。
翻譯自 http://www.dynasupport.com/howtos/element/hourglass
LS-DYNA_MANUAL_VOLUME 1>>*CONTROL_HOURGLASS>>Remark
keyword : *hourglass、沙漏控制、元素沙漏