第十七章LS-DYNA的隱式求解

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)動力問題，對于時間歷程 較長的靜、動力問題，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? 沖擊后常時間低頻動力響應(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：

2、采用中心差分方法進(jìn)行顯式時間積分£ extr intMa n f nf n方程非耦合，可以直接求解（顯式）但需要常小的時間步保持穩(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力響應(yīng)問題17.1.2 LS-DYNA 隱式求解：采用Newmark隱式時間積分M an K Un 1fnex；fMa”對于線性問題，無條件穩(wěn)定可以采用大的時間步對于非線性問題，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題、低頻動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

3、激活隱式求解：*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL$ imflag dt0 iefs nstepsb igso10.01000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為顯式求解后無縫進(jìn)行隱式回彈求解。該關(guān)鍵字對于所有隱式求解分析來說都是必需的。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_IM

4、PLICIT_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_IM

5、PLICIT_SOLVER）*CONTROL_IMPLICIT_SOLVER$ lsolver prntflg negeig000$該關(guān)鍵字用來設(shè)置線性方程求解器的相關(guān)參數(shù)，主要用來求解下列線性方程：K un R要注意的是該關(guān)鍵字不是析激活線性分析，該求解器的功能主要是對剛度矩 陣進(jìn)行轉(zhuǎn)置計(jì)算（線性分析還是非線性分析由下面的關(guān)鍵字指定）。*CONTROL_IMPLICIT_NONLINEAR（在 v960版后改為*CONTROL_IMPLICIT_SOLUTION）ectol rctol0.00lstol0*CONTROL_IMPLICIT_SOLUTION$ nlsolvrilimitmax

6、refdctol0000.0$dnormdivflag inistifnlprint0000該關(guān)鍵字是用來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來輸出。auronatic tine step size TNGfEHSE：dt<oia?dt<ncw>1.t0489E 82? I 1.09OOE-02 Al 1.93E-02 write

7、dBplvt fllnREGTNI inpldcit time step1 turrit ion ：1t曰2曰七inn：1 tcrAt lvii J tenatinfi ：EquiliiJi1 iu(ntime2 .50«9E 021.E8489E-02established -after6_£353852E-014,3a7A927F-n32.5flll423E-03九 724696。£修44 Keratlon*ElzEB*Ei>mxEi/EB1.00eO00E*9D2,141 79MF-B42.iae631E 052與2醛SM3E-蝴autonatic t

8、ine stop sise INCHLflSE：dc<oLd)L.5848fE-e2Z.51189E-8215 t 2.584?E0Z At 1-5BE-02 wpix;e d3pLot file*CONTROL_IMPLICIT_AUTO*CONTROL_IMPLICIT_AUTO$ iauto iteopt itewin dtmin dtmax1000.00.0該關(guān)鍵字控制激活自動步長控制，缺省是固定時間步長，當(dāng)平衡疊代失效后， 可以試著改為自動時間步長。*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

9、體應(yīng)用見沖壓成型分析章節(jié)。*CONTROL_IMPLICIT_DYNAMICS*CONTROL_IMPLICIT_DYNAMICS$ imass gamma beta00.00.0該關(guān)鍵字激活是靜力還是動力分析的選項(xiàng)。Imass=M靜力分析Imass=1低頻動力分析（采用Newmark時間積分）Imass=2低頻動力分析（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

10、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號殼單元公式（下面有具體說明）： 求解完后自動生成兩個文件：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)積分單元來求解隱式問題，LS-DYNA開發(fā)

11、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 來定義。17.3.1 隱式殼單元公式：1. S/R Hughes-Liu單元：6號單元公式2 x2選擇性縮減積分每個節(jié)點(diǎn)6個自由度（dx, dy, dz, rx, ry, rz）在*CONTROL_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開銷很大2 .快速殼：16號單元公式每個節(jié)點(diǎn)6個自由度(dx, dy, dz, rx, ry, rz)面內(nèi)2 x2積分點(diǎn)，厚方向建議5個積分點(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號單元公

12、式每個節(jié)點(diǎn)6個自由度(dx, dy, dz, rx, ry, rz)面內(nèi)2 x2積分點(diǎn)由于是線彈性，厚度方向2個積分點(diǎn)足夠包含三角形殼公式僅應(yīng)用于線性問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號單元公式每個節(jié)點(diǎn)3個自由度(dx, dy, dz)2 x2 x 2選擇性縮減積分CPU開銷大2.線性體單元：18號單元公式每個節(jié)點(diǎn)3個自由度(dx, dy, dz)2 x2 x 2積分點(diǎn)僅應(yīng)用于線性問題和特征值分析必須使用雙精度求解器1.1.3 3隱式梁單元公式:每個節(jié)點(diǎn)6個自由度(dx, dy, dz, rx, ry, rz)長度方向一積分點(diǎn)截面積分橫向剪

13、切修正因子可移動的中面方式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號單元公式:1.1.5 5隱式軸對稱單元：15號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號單元的對稱軸2個自由度(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：3D Solid 單元1,2,3,4,5,6,7,9,12,13,18,

14、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1,3,4,6,9,18,20,24,1002D 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：SU R FACE_TO_SUR F ACENODES.TOSURFACLONE_W AY_S U RE，ACE_TO_SURJ ACEbORM

15、ING_SU 3AC L_TO_5URFAC'EIORMJhKi_N()DES_TO_SLkFACEFORM1NG_ONE_WAYJ；URFACE_TO_SUR 卜 ACKAUTOMATlC_SURFACfc_TQ_SURFACEAUTOMATIC NODES TO SURWAC1AirrOMATIC_ONt_WAY_SLJ RI ACE_TO_S URI ACEA LTOM AT1C_S1NG LE_S URFACET1HI?_SURFACE_T()_SURFACE_OSkT TIED_NQl)FJy_TO_SURFACH_C)FFSET 2D_ALrTOMATIC_SUR.FACE

16、_T0_SlJRI ACH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： 到達(dá)平衡疊代步數(shù)一不滿足位移和能量容限，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

17、轉(zhuǎn)置剛度矩陣時出現(xiàn)的錯誤，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輸出開關(guān)（NLPRINT=1 ）或CTRL+CNLPRINT 得至U診 斷信息。負(fù)的特征值開關(guān)可以使程序在遇到負(fù)的特征值時立即用更小的時間步去 計(jì)算。CTRL+CCONV可以采用力收斂容限CTRL+CITER倉I建每次疊代的D3ITER數(shù)據(jù)庫文件17.6.2 解決收斂問題的步驟：決定終止的原因（檢查錯誤文件）激活輸出開關(guān)得到更多的信息（NLPRINT=1 ）在疊代過程中使用D3ITER檢

18、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題的解決方法：17.6.3 到達(dá)平衡疊代步數(shù)錯誤信息：觀察位移和能量規(guī)范的收斂過程（查看 D3HSP文件，或激活NLPRINT）如果發(fā)現(xiàn)收斂容限幾乎要滿足：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間步長如果收斂過程不穩(wěn)定一降低接觸剛度(10倍量級縮放因子)一降低時間步尺寸17.6.4 發(fā)散和能量爆炸錯誤信息：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)庫文件在疊代過程中觀察模型的變形情況檢查是否有過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，是否有過大的滲透降低時間步尺寸17.6.5 負(fù)的特征值錯誤信息：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