沙漏
關注創建者：Martin007 創建時間：2019-05-31
沙漏的視頻教程
Abaqus DEM專題-沙漏+高爾頓板+噴丸處理（2萬+顆粒噴丸強化案例）
本課程是USim專題視頻課程系列之DEM專題，詳細地講解2種常用的DEM顆粒建模方法： 一、Python腳本 二、*particle generator（粒子生成器） 通過三個案例（沙漏+高爾頓板+噴丸強化）step by step講解、演示，對這兩種方法的詳細操作步驟進行教學。
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沙漏的實例教程
沙漏的定義
沙漏hourglassing一般出現在采用縮減積分單元的情況下：
比如一階四邊形縮減積分單元，該單元有四個節點 ，但只有一個積分點。而且該積分點位于單元中心位置，此時如果單元受彎或者受剪，則必然會發生變形。
很小的擾動理論上可以讓單元無限地變形下去，而不會消耗任何能量，這就是所謂的沙漏的零能量模式。這時就要對沙漏進行控制，比如人為地給單元加上一定的剛度。
沙漏只影響實體和四邊形單元，而四面體單元、三角形殼單元、梁單元沒有沙漏模式，但四面體單元、三角形殼單元缺點是在許多應用中被認為過于剛硬。
沙漏的影響范圍：
當顯式動態分析使用縮減積分單元時，應判斷沙漏是否會顯著的影響結果。一般準則是，沙漏能量不能超過內能的10％。
沙漏影響的查看、判斷：
沙漏能量和內能的對比可在ASCⅡ文件GLSTAT和MATSDM中看出（這兩個需要在前處理時設置，或在K文件中設置：在*control_energy卡片中設置HGEN＝2，而且用*database_glstat和*database_matsum卡分別輸出系統和每一個部件的沙漏能），也可在POST20中畫出。為確保這些文件中記錄沙漏能量結果，注意EDENERGY 中的HGEN應設為1。
對于殼單元，可以繪制出沙漏能密度云圖，但事先在*database_extent_binary卡中設置SHGE=2。然后在LS-Prepost中選擇Fcomp>Misc>hourglass energy。
2. 在LS-DYNA里的沙漏控制方法
1) 細化模型網格：好的建?？梢苑乐巩a生過度沙漏，基本原則是使用均勻網格。（一般來說，整體網格細化會明顯地減少沙漏的影響。）
展開 沙漏控制是在進行有限元分析時常見的一個概念，涉及到數值計算中的穩定性和精度問題。
沙漏控制（Hourglass Control）：在有限元分析中，沙漏控制是一種用來減少或消除稱為“沙漏模態”或“沙漏變形（通常沒有剛度，網格變形呈現鋸齒狀）”的數值不穩定性的技術。
圖1. 沙漏模態示意圖
當使用某些類型的有限元單元（如四面體單元）時，會出現一種不希望的扭曲模態，表現為模擬結構內部出現了一些異常的、不符合物理規律的形變或運動（其在數學上是穩定的），導致計算結果不準確甚至失真。
沙漏控制技術通過添加額外的數學約束或控制力來抑制這種不穩定性，以保證計算的準確性和可靠性。
可以通過以下方法對計算沙漏進行相關的控制：
使用合適的有限元單元：一些有限元單元在處理某些類型的加載時可能更容易出現計算沙漏，因此在選擇單元類型時需要考慮加載情況和模擬對象的幾何形狀。
增加材料的阻尼：在有限元模擬中，通過增加材料的阻尼可以減小計算沙漏的發生。可以通過修改材料的材料參數或者添加合適的阻尼模型來實現。
改進網格質量：確保網格的質量良好，盡可能使用均勻的網格劃分，避免出現過大或者過小的單元，以及不良的網格變形。一般來說，整體網格細化會明顯減少沙漏的影響。
使用沙漏控制算法：許多有限元分析軟件提供了專門的沙漏控制算法，可以在模擬過程中自動檢測和控制計算沙漏。這些算法通常會在模擬中自動調整加載、約束或材料參數等，以減小計算沙漏的影響。
增加約束條件：增加適當的約束條件可以幫助減小計算沙漏的發生。例如，通過增加固定邊界條件或者添加額外的約束來限制結構的自由度，從而減小計算沙漏的影響。
優化加載條件：某些加載條件可能會導致計算沙漏的出現（如單點載荷），因此可以通過優化加載條件來減小計算沙漏的影響。
展開 沙漏的定義
沙漏（hourglassing）的產生是一種數值問題，是單元自身存在的一種數值問題。一般出現在采用縮減積分單元的情況下：
比如一階四邊形縮減積分單元，該單元有四個節點 “o”，但只有一個積分點“*”。而且該積分點位于單元中心位置，此時如果單元受彎曲或者受剪切作用，則必然會發生變形，如下圖所示。
對于單積分點線性單元，單元雖然受力后產生變形，但并沒有產生應變能--也叫零能量模式。在這種情況下，單元沒有剛度，所以不能抵抗變形，顯然這樣的結論是不合理的，所以必須避免這種情況的出現，需要加以控制，既然沒有剛度，就要施加虛擬的剛度以限制沙漏模式的擴展---人為加的沙漏剛度就是這么來的。
2.沙漏的控制方法
目前常用的沙漏控制算法大致分為兩類：粘性阻尼算法和彈性剛度算法。這兩種算法分別通過引入沙漏變形方向上的阻尼約束力和剛度約束力來控制沙漏變形。
由于引入了沙漏控制力，同時就會產生沙漏能量損失，對于系統的能量平衡產生影響。在某些工程問題中，采用沙漏控制方法并不能完全解決沙漏問題，對于這類問題，可采用多點積分的單元來解決，當然計算成本也會大大增加。
3.ABAQUS中沙漏的設置
在ABAQUS/CAE中，可以方便地在Element Type界面下進行沙漏的設置。
1、Distortion control：只用于explicit分析。
當選擇 YES時，激活防止負體積單元出現或其他可壓縮材料的過度變形，這對超彈材料是默認的。Distortion control參數對線性動力學不可用，并且不能防止單元由于時間不穩定、沙漏不穩定或不切實際的物理變形造成的扭曲。
展開 這是由于出現了所謂沙漏現象的原因。這樣的變形不產生應力和應變。
這種現象只會發生在單點積分的殼單元和實體單元上，這些單元也稱之為減縮積分單元。四面體單元和三角形單元沒有沙漏模式，全積分的殼單元和實體單元也沒有沙漏。
不使用沒有沙漏單元的理由：
1：單點積分計算更快，同時也可以控制或減小沙漏的出現；
2：單點積分比大變形更容易處理大變形問題；
3：四面體和三角形單元更容易自鎖。
沙漏控制是通過施加力進行抵制沙漏出現。沙漏類型是以力的計算方式進行命名:
? 剛性模式: 基于位移場計算力。
? 粘性形式: 基于速度場計算力。
沙漏控制類型可在兩處進行定義:
? *HOURGLASS, 在關鍵字*PART中引用 (零件這一級)
? *CONTROL_HOURGLASS, 這是一個全局的設置(IHQ)
沙漏的推薦值：首要法則：在任何時候都保持沙漏能< 內能的10%。 這些適用于：
? 整個系統 (查看glstat 文件)
? 每個零件 (查看matsum 文件)
在遠離主要關注區域的粗網格中，中等程度甚至嚴重的沙漏可能可以接受
? 施加分布力而不是節點集中力(不容易激發沙漏模式)
? 對于結構零件設置沙漏類型 4 并采用系數為 0.03。如果這是一個殼單元零件，沙漏類型 4 不起作用，則把殼類型更改為 16號單元 并且設置沙漏類型為 8。
? 對于泡沫問題設置沙漏控制類型 5 或者 6，系數采用默認設置。
展開 如果使用了減縮積分的線性單元，即使不是在純彎曲加載模式下，其得到的應力應變值相比理論預示值應該要?。ㄎ彝茰y的^_^，沒空詳細證實），所以用這樣的數據構造的切線剛度矩陣相比其他單元構造的切線剛度矩陣要小，這也許就是通常所說的出現沙漏問題的單元“太軟”的緣故。
結語：本文算不得什么，只是從公式上加深了商業軟件使用者對沙漏這一現象的了解，稍微知其所以然罷了。如果要進一步探究如何防止沙漏問題，要構造怎樣的位移模式，需要更多功夫，可見如下博文：
FEMer，公眾號：易木木響叮當
減縮積分單元、沙漏控制與自定義單元：與Abaqus C3D8R單元的精度對比之旅
參考資料：
《有限元分析及應用》曾攀，清華大學出版社，2004.
《基于ABAQUS的有限元分析和應用》莊茁等，清華大學出版社2008.
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一個粗網格（分析COARSE_CS）采用了組合沙漏控制進行分析。
一個粗網格（分析COARSE_ENHS）和一個細網格（分析FINE_ENHS）采用了基于增強應變法的沙漏控制進行分析。
在顯式動力學或偽靜態分析中，由于引入了人工阻尼或沙漏控制，必須監控“偽能 (Artificial Energy)”與“內能 (Internal Energy)”的比值。通常要求該偏差控制在5%以內，否則結果不可信。
4?? 增量步控制 (Increment Control)
非線性計算不是一次完成的，而是切分成多個增量步。自動步長算法會根據收斂的難易程度自動縮放。
http://www.yqgqt.org.cn/content/post/343905
第三篇：S4殼單元的剪切自鎖和沙漏控制。
http://www.yqgqt.org.cn/content/post/350865
第四篇：非線性問題的求解。
http://www.yqgqt.org.cn/content/post/360565
第五篇：單元正確性驗證。
Abaqus吸盤
還可以模擬顆粒流系統，比如沙漏運行過程中的重量變化。
Abaqus“時間”的重量
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11月7-9日，我將杭州濱江區與你面對面，系統講解技術鄰主辦的高級仿真技術課程《Abaqus流固耦合專題培訓》，幫你打通從理論到仿真的關鍵一步！
沙漏官方注意事項8個月前
LSDYNA Hourglass --- LSDYNA Hourglass
單元類型
材料本構類型
積分方案
是否減縮積分
沙漏控制
厚度方向積分點
關鍵區別：
材料本構：CSS8 和 C3D8I 需定義三維材料屬性（包括橫向剪切模量 G??、G??等）；而 SC8R 和 S4R 使用二維層合板本構，無需輸入這些參數。
C3D8R < C3D8 < C3D8I，C3D8R 表現出沙漏但計算成本低，其余兩個沒有沙漏問題但計算成本更高，因為它們是完全積分的。
SC8R 單元的計算成本：
SC8R 單元由于采用減縮積分，計算成本最低。減縮積分單元比完全積分單元在每個方向上少用一個積分點，線性減縮積分單元只在單元的中心有一個積分點。
圖3 C30混凝土材料屬性
圖4 鋼筋屬性構建
圖5 鋼筋-混凝土接觸屬性
（3） 網格劃分
對鋼筋與混凝土接觸界面附近區域進行局部網格加密，混凝土和鋼筋均采用采用 C3D8R：八結點線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制。
可通過沙漏控制選項（如增強沙漏控制、剛度沙漏控制等）減輕沙漏問題，但應謹慎使用，過度控制可能導致單元過剛。
在 Abaqus/Explicit 中，線性縮減積分單元是動態分析的首選，因為它們具有集中質量公式，模擬應力波的效果優于二次單元所采用的一致質量公式。
其次，我們還能獲取汽車零件的動能、內能、沙漏能等參數的變化曲線，這里要注意沙漏能需要小于總能量的 5%。
另外，指定點的速度加速度等變化曲線也能精準獲取。?
在行業標準中，駕駛人員的加速度和空間擠壓變形情況是主要的考察點，而通過這樣的仿真，我們能為汽車安全性的提升提供有力的參考。?
