ANSYS LS-DYNA常見問題之Sliding Energy問題
作者：吳華春 上海安世亞太結構應用工程師
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編者按
在ANSYS LS-DYNA中，經常遇到Sliding Energy異常，作者在本文中分析了計算模型常出現的2種情況——初始穿透導致的Sliding Energy異常和由于SEGMENT接觸導致的Sliding Energy異常，并給出了對應的解決方法。
問題提出
負的滑移能存在2種情況：
■ 第一種情況：GLSTAT中的滑移能在初始狀態就出現負值，如圖-1所示。
▲ 圖-1 第一種能量異常圖
■ 第二種情況：CAE工程師在利用ANSYS LS-DYNA進行計算時，很多時候會碰到圖-2所示的狀況，嚴重的能量不平衡。內能、滑移能在計算前期表現還算正常，但是到計算后期，內能、動能、滑移能嚴重偏離，導致整個模型能量異常，計算結果不可信。
▲ 圖-2 第二種能量異常圖
解決方法
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第一種情況的解決方法（初始穿透）
在仿真模型中出現初始穿透，導致初始的滑移能為負值。仿真穿透模型如圖-3所示。
產生機理：LS-DYNA在進行接觸搜索時，發現存在網格穿透問題，需要把穿透部分的節點移到不穿透的位置，這可以在LS-DYNA軟件中設置。如圖-4所示，當把初始穿透清除后，其滑移能和整個模型能量表現正常（如圖-5所示）。
▲圖-3 存在初始穿透模型
▲ 圖-4 清除初始穿透模型
▲ 圖-5 第一種能量正常圖
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初始穿透解決方法有以下幾種
① 手動調整單元節點
在進行模型網格劃分和設置零件厚度時必須確認是否存在干涉，即必須考慮殼單元的接觸厚度。
如果發生穿透，可以從計算出的message或d3hsp文件中對關鍵字“initial penetrations”進行搜索，找到相關單元，然后調整單元節點，消除初始穿透。
在一些專門的前處理軟件中，例如ANSA，HYPERMESH、SpaceClaim在提交計算前對模型進行穿透檢查，可以查出初始穿透的單元，然后進行節點移動，消除穿透。
▲ 圖-6在message文件中查找初始穿透
② 調整關鍵字參數
■ 調整*CONTACT中的SFST和SFMT，即調整該接觸對從面和主面的接觸厚度的比例因子。該方法對微小的初始穿透效果很明顯，但是對于初始穿透值很大，效果不好，容易導致計算結果錯誤。
▲ 圖-7 接觸卡片中的SFST和SFMT
■ 設置*CONTACT中的IGNORE參數，該參數默認值為0，即采用*Control_CONTACT中IGNORE的值。可以對每個接觸對進行修改，建議修改值為1或者2。
▲ 圖-8 接觸卡片中的IGNORE
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第二種情況的解決方法
眾所周知，ANSYS LS-DYNA存在2種方式設置接觸，即有Contact Region和Body Interaction。
■ Body Interaction接觸即LS-DYNA接觸關鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，主要用于整個模型的接觸或自接觸。
■ Contact Region用于建立接觸對，當幾何模型導入到ANSYS以后，Mechanical默認對每個零件建立bond接觸。其輸出關鍵字為*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET ，其set類型為segment set。
對于接觸面和目標面這兩個segment進行接觸搜索時，在交界處的節點無法檢查出穿透，然而當節點滑到接觸厚度中時，就會發現穿透節點的存在，因此系統必定會給該節點施加一個力，把它拉回到接觸面上，在這個過程中系統對該節點做功，消耗其接觸勢能，能量曲線輸出表現為負的滑移能。
① 其解決方法之一是擴大主段的接觸面。
由*CONTACT中的關鍵字MAXPAR進行調整。MAXPAR默認值為0，即表示設置值為1.025，其LS-DYNA推薦值為1.2。
▲ 圖-9 接觸卡片中的MAXPAR
② 其解決方法之二是調換接觸算法。
ANSYS LS-DYNA在Mechanical中設定的bond接觸是*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET。在LS-DYNA接觸選項中帶OFFSET，其目的是把基于約束類型的接觸算法切換到基于罰函數的接觸算法。
因此，當出現滑移能異常，可以把*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET切換為*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE。
下文是一個簡單的對比，使用bond接觸的模型如圖-10所示，其采用不同的接觸算法的能量圖如圖-11所示。
▲ 圖-10 使用Bond接觸的模型（黑色部分為接觸區域）
（a）采用*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET
（b）采用*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE
▲ 圖-11 不同接觸算法下的能量平衡圖
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Bond接觸推薦使用類型
① 實體單元到實體單元的bond接觸
也就是說，對于沒有節點具有旋轉自由度的情況，使用TIED_NODES_TO_SURFACE和TIED_SURFACE_TO_SURFACE類型的接觸。這些接觸類型可能包括OFFSET或CONSTRAINED_OFFSET選項。
② 殼單元與殼單元、beam與殼單元的bond接觸
也就是說，對于所有節點都具有旋轉自由度的情況，可以使用TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE類型的接觸。此接觸類型可能包括OFFSET、CONSTRAINED_OFFSET或BEAM_OFFSET選項。
③ TIED_SHELL_EDGE_TO_SOLID
用于將殼單元邊與實體單元或beam端與實體單元綁定，即只有從端節點具有旋轉自由度的情況。
此部分，需要用戶使用Mechanical中的Contact Property設置接觸屬性。
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總結和建議
在使用ANSYS LS-DYNA中總是不可避免遇到能量問題，因其涉及判斷模型是否正常，計算結果是否正確，所以對能量的判斷必須符合要求。
■ 對于小的初始穿透，在對模型與試驗對標后，沒有出現誤差，可以采用IGNORE進行處理；但如果影響計算結果，請務必調整初始穿透，這要求CAE工程師在網格處理時必須進行網格檢查。
■ 對于第二種情況，利用GLATAT和SLEOUT查出那一對接觸出現能量異常，然后修改參數或者接觸算法。
參考文獻：
①LS-DYNA?Theory Manual 07/24/19 (r:11261) [M] 2019
②LS-DYNA_Manual_Volume_I_R11 [M] 2018
③趙海鷗LS-DYNA 動力分析指南[M] 北京：兵器工業出版社，2003
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