沙漏模式
關注創建者：卓雅 創建時間：2020-07-11
沙漏模式的視頻教程
沙漏模式的實例教程
沙漏模式：
哪種單元出現：線性減縮積分單元的應力/位移場分析中；
何為沙漏模式：因線性減縮積分單元積分點較少，可能出現沒有剛度的零能量模
式（沙漏模式），網格較粗時，零能模式會通過網格擴展出去，
是計算結果無意義；
判斷：
方法1：查看單元的變形情況，如果單元變成交替出現的梯形形狀，就可能出現沙漏模式，如下圖：
方法2：result-history output，繪制ALLAE（偽應變能）和內能ALLIE曲線，
ALLAE占ALLIE的1%時，表明沙漏模式對計算結果影響不大；超過10%
時，分析認為無效。
沙漏控制：
沙漏控制：abaqus中的偽應變能或沙漏剛度主要用來控制沙漏變形能量；
措施：
l 細化網格：線性減縮積分單元要避免過于粗糙的網格，如結構發生彎曲變形，則在厚度方向上至少劃分4個單元；
l 設置沙漏控制：引入少量的人工“沙漏剛度”來限制沙漏模式的擴展。網格足夠細化時，方法非常有效，可獲得足夠精確的計算結果。enhanced、relax stiffness、stiffness、viscous、combined。
? 沙漏控制時，所設置的沙漏控制選項數值大于默認值，可能導致沙漏剛度過大而出現數值不穩定；
? 一般采用默認，默認出現沙漏模式，往往是由于網格太稀疏，最好修改網格。
l 選擇其他單元類型：非協調單元不會出現沙漏模式問題，適用于abaqus/standard各種分析；
l 避免將載荷或邊界條件只定義在一個節點上。將點載荷或點上的邊界條件定義在一個包含該點的小區域上，有利于避免沙漏模式的擴展。
展開 沙漏模式是怎樣產生的？
沙漏模式指的是非物理的零能變形模式，簡而言之有變形沒有應力或應變。如果采用單點積分（積分點在等參元中心），在某些情況下節點位移不為零，即單元有形變，但插值得到的應變卻為零。主要出現在CPS4R、CAX4R、C3D8R等線性減縮積分單元中，因為線性減縮積分在每個方向上只有一個積分點，應變插值后有可能為零。打個比方說，一個正方體單元變形為等腰梯形，節點位移相等卻方向相反，各點的形函數為零，所以插值結果為零，這樣內能計算結果也為零，即計算認識單元沒有變形，與事實相反。
如何判斷出現沙漏模式？
方法一：
在Visualization功能模塊中選擇菜單Result、History Output，繪制偽應變能ALLAE(artificial strain energy)和內能ALLIE(internal energy)的曲線，當偽應變能ALLAE約占內能ALLIE的1%時，表明沙漏模式對計算結果影響不大；當偽應變能超過內能10%時，分析就是無效的，必須采取措施加以解決。
方法二：
查看單元變形過程：如果有單元變形明顯異常，或有單元變成交替出現的梯形形狀，一般是出現沙漏模式。
應該怎樣避免？
細化網格。
展開 2) 避免在單點上集中加載：由于激活的單元把沙漏模式傳遞給相鄰單元，所以點加載應擴展到幾個相鄰節點組成的一個面上，施加壓力載荷優于在單點上加載。
3) 使用全積分單元：這是一種完全消除沙漏的方法。[但是，它們會比其它單元算法花費更多的CPU時間，并且對于一些不可壓縮行為、金屬塑性和彎曲問題，它們可能導致不切實際的剛度結果（鎖定）。]
4) 軟件的內部沙漏控制：如下。
ANSYS/LS-DYNA提供了一些內部沙漏控制。這些方法的思想是：
軟件的內部沙漏控制思想：
（1）增加抵抗沙漏模式的剛度但不增加剛體運動和線性變形；
（2）在沙漏方向上的速度施加阻尼。
粘性沙漏控制僅僅是抑制沙漏模式的進一步發展，剛性沙漏控制將控制單元朝未變形的方向變形。
LS-DYNA的沙漏控制有*control_hourglass和*hourglass卡片，前者用于整體的沙漏控制，后者用于各個part的沙漏控制，后者的所針對的part沙漏控制定義將覆蓋前者的整體控制定義。
LS-DYNA里的控制卡片：
*HOURGLASS里的控制算法（對應于IHQ）：
LS-DYNA里的控制算法的介紹：
a) Type1、2、3為基于粘性的沙漏控制；
b) Type4、5、6為基于剛性的沙漏控制；
c) Type 8沙漏控制：僅用于單元類型16的殼。
各個控制算法的討論：
缺省的算法(type 1)通常不是最有效的算法，但卻是最經濟的。
Type1：
在材料不是特別軟或者單元有合理的形狀且網格不是太粗糙時，類型4,5和6沙漏控制似乎都能得到同樣的結果。這種情況推薦用類型4的沙漏控制，因為它比其它的更快。
展開 3.控制沙漏的方法
Hourglass 可通過引入內部節點力來控制，相關的關鍵字有CONTROL Hourglass,*Hourglass 等，但是這就有了另一個問題，既然是人為的引用了節點力，那么這個人為的力所產生的能量(Hourglass energy)就得越小越好，一般要求沙漏能要小于總能量的 5% 才認為結果是可靠的。
能量之間是可以轉化的。但是，對于動力學問題，總能量一般是不變的，也就是能量守恒原理。沙漏模式也就是零能模式在理論上是存在的，大多數實際的模型中是不可能的。
零能模式是指有變形，但不消耗能量。顯然，這是一種偽變形模式，若不加以控制，計算模型會變得不穩定，并且計算出來的結果是沒有意義的。
要抵制這種變形模式就需要消耗一定的能量，也就是沙漏能。
如果，這個比值太多，就說明計算模型與實際模型的變形有很大差距，當然結果也就是不正確的。這也是使用縮減積分所付出的代價。
用完全積分單元可以解決這個問題，但是計算效率不高，還有可能導致單元鎖死，過剛度等問題。
展開 雅閣比矩陣的行列式值為負值就是負體積,雅閣比矩陣的行列式值為負值就是沙漏控制
沙漏(hourglass)模式是一種非物理的零能變形模式，產生零應變和應力。沙漏模式僅發生在減縮積分(單積分點)體、殼和厚,
殼單元上.沙漏模式也就零能模式
沙漏要控制的，沙漏能一般不大于總能量的10%。
沙漏現象的判別最簡單的是察看單元變形情況，如果如果單元
變成交替出現的梯形形狀，就是由沙漏
沙漏控制.rar
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沙漏模式的最新內容
翹曲殼單元的算法公式選擇11個月前
</em></p><p><br></p><p><br></p><p><strong style="color: rgb(41, 41, 41);"><em>建議配合——沙漏變形模式。通常來說，單點積分單元偏軟，通過使用基于剛度的沙漏控制（HG為4）和一個小的沙漏系數（如0.03～0.05），表現就變得稍剛了些。這個沙漏公式也推薦用在單點積分的大多數應用上。
17）沙漏模式問題：如果在Visualization模塊中看到單元變為交替出現的梯形形狀，說明出現了沙漏模式的數值問題，應盡量使用非協調模式單元。
18）有限滑移與主面法線：對于有限滑移，從面節點應始終處于主面法線的覆蓋范圍內，且從面應盡量小，不應包含不可能發生接觸的區域。
例如，如果沙漏能量過高，這表明需要太多能量來控制沙漏現象，或者沙漏模式很顯著。此外，初始能量加上外部功在任何時候都應幾乎等于系統總能量。
d. 明智地使用質量縮放。在準靜態分析中，質量縮放是一種經過驗證的減少運行時間的方法，在這種分析中，速度較低且動能相對于內能非常小。如果在特定情況下謹慎應用，它也可以用于真正的動態分析。
4.分配控制以抑制沙漏模式
a. 避免將載荷和約束應用于孤立節點。
b. 在接觸區域增加網格細化。
c. 添加沙漏控制。這些通常在抑制沙漏模式方面非常出色。常用的類型包括 Flanagan - Belytschko 粘性或剛度形式，或者 Belytschko - Bindeman 方法。
有可能的原因和解決的方法大概有幾種：</p><p>（1）材料參數設置有問題，選擇合適的材料模式)</p><p>（2）沙漏模式的變形積累，嘗試改為全積分單元</p><p>（3）太高的局部接觸力（不要將force施在單一node上，最好分散到幾個node上以pressure的方式等效施加），嘗試調整間隙，降低接觸剛度或降低時間步。</p><p>（4）在容易出現大變形的地方將網格refine。
2.如何判斷是否出現沙漏模式？
方法一： 查看單元變形過程。如果有單元變形明顯異常，或有單元變成交替出現的梯形形狀，一般是出現沙漏模式。
方法二：查看沙漏能在總內能中所占比例。當沙漏能約占總內能的 1% 時，表明沙漏模式對計算結果的影響不大;當其超過總內能的 10% 時，分析就是無效的，必須采取措施加以解決。
所以這時候用戶必須使用“*HOURGLASS STIFFNESS”選項來定義具有沙漏模式的單元的沙漏控制剛度，使用“*TRANSVERSE SHEAR STIFFNESS”選項來定義板、殼、梁單元的橫向剪切剛度。
通過學習有限元方法的理論基礎，就不難理解剛度矩陣、位移、支反力、應變、應力等的數值計算過程和剪切鎖定、體積鎖定、沙漏模式等有關的概念。了解這些以后，做有限元分析心里會更加有底氣也會更加自信。
軟件操作方面，建議沒有軟件操作基礎的技術人員花一周左右的時間系統了解一下軟件的基本概念術語和基本操作方法。
LS-DYNA中減小沙漏能的方法有：
（1）尺寸均勻的網格
（2）避免將集中力施加在單個節點上，因為這會激發沙漏模式。
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。
