1、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(wèn)題，對(duì)于時(shí)間歷程較長(zhǎng)的靜、動(dòng)力問(wèn)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(wèn)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(kāi)始，LS-DYNA已增加了隱式求解功能。剛開(kāi)始的應(yīng)用主要在沖壓成型后的回彈計(jì)算，經(jīng)過(guò)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(mǎn)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

2、時(shí)間積分£extrintManfnfn方程非耦合，可以直接求解（顯式）但需要常小的時(shí)間步保持穩(wěn)定狀態(tài)不需要求解剛度矩陣適合沖擊、穿透等高頻非線性動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題17.1.2 LS-DYNA隱式求解：采用Newmark隱式時(shí)間積分ManKUn1fnex；fMa”對(duì)于線性問(wèn)題，無(wú)條件穩(wěn)定可以采用大的時(shí)間步對(duì)于非線性問(wèn)題，需要一系列線性逼近(Newton-Raphson)疊代求解需要求解剛度矩陣適合靜力問(wèn)題、低頻動(dòng)力問(wèn)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(guò)下面的關(guān)鍵字來(lái)激活隱式求解：*CONTROL_IMPLICI

3、T_GENERAL*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL$imflagdt0iefsnstepsbigso10.01000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(shuō)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_IMPLI

4、CIT_AUTO*CONTROL_IMPLICIT_STABILIZATION*CONTROL_IMPLICIT_DYNAMICS*CONTROL_IMPLICIT_EIGENVALUE*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(wèn)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$lsolverprntflgnegeig00

5、0$該關(guān)鍵字用來(lái)設(shè)置線性方程求解器的相關(guān)參數(shù)，主要用來(lái)求解下列線性方程：KunR要注意的是該關(guān)鍵字不是析激活線性分析，該求解器的功能主要是對(duì)剛度矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)置計(jì)算（線性分析還是非線性分析由下面的關(guān)鍵字指定）。*CONTROL_IMPLICIT_NONLINEAR（在v960版后改為*CONTROL_IMPLICIT_SOLUTION）*CONTROL_IMPLICIT_SOLUTIONectolrctol0.00lstol0$nlsolvrilimitmaxrefdctol0000.0$dnormdivflaginistifnlprint0000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

6、線性分析，則指定非線性疊代求解器類(lèi)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(guò)程中，也可以使用CTRL+nlprint來(lái)輸出。auronatictinestepsizeTNGfEHSE：dt<oia?dt<ncw>1.t0489E82?I1.09OOE-02Al1.93E-02writedBplvtfllnREGTNIinpldcittimesteptime2.50«9E021.E8489E-021turrition：6_£353852

7、E-01*ElzEB1.00eO00E*9D1t日2曰七inn：4,3a7A927F-n3*Ei>m2,14179MF-B41tcrAtlvii2.5flll423E-03xEi/EB2.iae631E05Jtenatinfi：EquiliiJi1iu(nestablished-after九724696。£修44Keratlon2與2醛SM3E-蝴autonatictinestopsiseINCHLflSE：dc<oLd)L.5848fE-e2Z.51189E-8215t2.584?E0ZAt1-5BE-02wpix;ed3pLotfile*CONTROL_IMPLICI

8、T_AUTO*CONTROL_IMPLICIT_AUTO$iautoiteoptitewindtmindtmax1000.00.0該關(guān)鍵字控制激活自動(dòng)步長(zhǎng)控制，缺省是固定時(shí)間步長(zhǎng)，當(dāng)平衡疊代失效后，可以試著改為自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)。*CONTROL_IMPLICIT_STABILIZATION該關(guān)鍵字僅用于多步回彈分析，施加人工粘度，提高回彈分析的收斂性，具體應(yīng)用見(jiàn)沖壓成型分析章節(jié)。*CONTROL_IMPLICIT_DYNAMICS*CONTROL_IMPLICIT_DYNAMICS$imassgammabeta00.00.0該關(guān)鍵字激活是靜力還是動(dòng)力分析的選項(xiàng)。Imass=M靜力分析Imass=1

9、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$neig15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(shuō)明）：求解完后自動(dòng)生成兩個(gè)文件：D3EI

10、GV: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(zhuān)門(mén)的示例來(lái)說(shuō)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(wèn)題，LS-DYNA開(kāi)發(fā)有專(zhuān)門(mén)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：1. S/RHughes-Liu單元：6號(hào)單元公式2x2選擇性縮減積分每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度（dx,dy,dz,rx,ry,rz）在*CON

11、TROL_SHELL中設(shè)置統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)法向可以退化為三角形單元公式CPU開(kāi)銷(xiāo)很大2 .快速殼：16號(hào)單元公式每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度(dx,dy,dz,rx,ry,rz)面內(nèi)2x2積分點(diǎn)，厚方向建議5個(gè)積分點(diǎn)不能退化為三角形利用沙漏控制8增加翹曲剛度，改善收斂性非常適合用于回彈計(jì)算3 .線性殼：18號(hào)單元公式每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度(dx,dy,dz,rx,ry,rz)面內(nèi)2x2積分點(diǎn)由于是線彈性，厚度方向2個(gè)積分點(diǎn)足夠包含三角形殼公式僅應(yīng)用于線性問(wèn)題和特征值分析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)單元公式每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度(dx,dy,dz)2 x2x2選擇性縮減積分

12、CPU開(kāi)銷(xiāo)大2.線性體單元：18號(hào)單元公式每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度(dx,dy,dz)2x2x2積分點(diǎn)僅應(yīng)用于線性問(wèn)題和特征值分析必須使用雙精度求解器1.1.3 3隱式梁?jiǎn)卧?每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度(dx,dy,dz,rx,ry,rz)長(zhǎng)度方向一積分點(diǎn)截面積分橫向剪切修正因子可移動(dòng)的中面方式5, t方向由向節(jié)點(diǎn)n3控制1.1.4 4隱式平面應(yīng)變單元：13號(hào)單元公式:1.1.5 5隱式軸對(duì)稱(chēng)單元：15號(hào)單元公式特殊條件下的4節(jié)點(diǎn)殼單元X-Y平面建模Y軸為15號(hào)單元的對(duì)稱(chēng)軸2個(gè)自由度(dx,dy)建議約束自由度DOF(dz,rx,ry,建議設(shè)置NIP=4非常快，很好的收斂特性17.4 LS-DYNA隱式

13、求解材料:LS-DYNA開(kāi)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：3DSolid單元1,2,3,4,5,6,7,9,12,13,18,20,24,26,30,49,57,63,91,92,103,104,106,115Shell單元1,2,3,4,6,9,18,20,24,36,37,49,91,92,103,104,106,116,117,118Beam單元1,3,4,6,9,18,20,24,1002DSolid單元1,2,3,4,5,6,7,9,12,13,18,20,24,

14、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：SURFACE_TO_SURFACENODES.TOSURFACLONE_WAY_SURE，ACE_TO_SURJACEbORMING_SU3ACL_TO_5URFAC'EIORMJhKi_N()DES_TO_SLkFACEFORM1NG_ONE_WAYJ；URFACE_TO_SUR卜ACKAUTOMATlC_SURFACfc_TQ_SURFACEAUTOMATICNODESTOSURWAC1AirrOMATIC_ONt_WAY_SLJRIACE_TO_SURIACEALTOMAT1C_S

15、1NGLE_SURFACET1HI?_SURFACE_T()_SURFACE_OSkTTIED_NQl)FJy_TO_SURFACH_C)FFSET2D_ALrTOMATIC_SUR.FACE_T0_SlJRIACH所有的隱式接觸除了TIED方式外都使用罰函數(shù)方式節(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)建議使用重定向法向矢量(ORIEN=1或2)自動(dòng)接觸類(lèi)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(wèn)題：應(yīng)用LS-DYNA進(jìn)行隱式求解常遇到的問(wèn)題就是收斂問(wèn)題，如：到達(dá)平衡疊代步數(shù)

16、一不滿(mǎn)足位移和能量容限，放棄該子步發(fā)散一不平衡力增加（而不是減?。?，重新構(gòu)造剛度矩陣，繼續(xù)疊代能量爆炸一能量相比初始值增加百萬(wàn)倍，放棄該子步負(fù)的特征值一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)算線性搜索子步尺寸為零一新的位移不降低不平衡力；在沒(méi)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：使用NLPRINT輸出開(kāi)關(guān)（NLPRINT=1）或CTRL+CNLPRINT得至U診斷信息。負(fù)的特征值開(kāi)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。CTRL+CCONV可以采用力收斂容限CTRL+CITER倉(cāng)I建每次疊代的

17、D3ITER數(shù)據(jù)庫(kù)文件17.6.2 解決收斂問(wèn)題的步驟：決定終止的原因（檢查錯(cuò)誤文件）激活輸出開(kāi)關(guān)得到更多的信息（NLPRINT=1）在疊代過(guò)程中使用D3ITER檢查幾何體變形情況仔細(xì)堅(jiān)持關(guān)鍵字輸入文件上述收斂問(wèn)題的解決方法：17.6.3 到達(dá)平衡疊代步數(shù)錯(cuò)誤信息：觀察位移和能量規(guī)范的收斂過(guò)程（查看D3HSP文件，或激活NLPRINT）如果發(fā)現(xiàn)收斂容限幾乎要滿(mǎn)足：一增加更多的疊代步數(shù)一稍微放寬收斂容限一使用CTRL+CCONV采用力收斂容限如果收斂過(guò)程非常緩慢一改為全牛頓疊代方法(ILIMIT=1)一檢查是否有不正確的材料特性一增加時(shí)間步長(zhǎng)如果收斂過(guò)程不穩(wěn)定一降低接觸剛度(10倍量級(jí)縮放因子)

18、一降低時(shí)間步尺寸17.6.4 發(fā)散和能量爆炸錯(cuò)誤信息：一些PART模型可能變形太快使用CTRL+CITER創(chuàng)建每次疊代的D3ITER數(shù)據(jù)庫(kù)文件在疊代過(guò)程中觀察模型的變形情況檢查是否有過(guò)大的載荷檢查是否有不正確屈服應(yīng)力或硬化特性檢查接觸定義，是否有過(guò)大的滲透降低時(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：負(fù)楊氏模量，負(fù)的應(yīng)力應(yīng)變斜率等檢查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)：在初始網(wǎng)格中有極度變形的單元接觸初始化過(guò)程中由于節(jié)點(diǎn)的重新分布導(dǎo)致網(wǎng)格變形由于過(guò)度的變形導(dǎo)致單元扭曲3 .剛體模式檢查邊界條件和約束條件關(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當(dāng)使用非法的特征時(shí)，警告信息并不總是出現(xiàn)參考戶(hù)手冊(cè)仔細(xì)檢查關(guān)鍵字文件5 7.7LS-DYNA隱式分析舉例：特征值分析如圖所示，對(duì)一個(gè)頂端周支的薄板進(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得至IJ的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。MnnilrwfsrfidlJiiiGlI噩IripHrn#lor知道應(yīng)用LS-DYNA做特征值分析，需要3個(gè)關(guān)鍵字