沙漏控制
關注創建者：向陽-在讀博士 創建時間：2020-12-07
沙漏控制的視頻教程
ABAQUS裂紋專題片--脆性斷裂
詳細講解了abaqus/explicit 中脆性開裂模型的適用對象（混泥土、陶瓷、巖石等脆性材料），脆性開裂模型在abaqus中相關卡片設置（理論+實際講解）、使用該模型時應該注意的事項、顯示分析有關沙漏控制的相關方法等。附帶卡片介紹，供下載。
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ABAQUS實例彈簧篇--復合材料--彈簧壓縮
詳細講解了復合材料彈簧一鍵建模；詳細的講解了復合材料的鋪層方法；詳細的講解了各部件間的接觸設置；詳細的講解了顯式動力學分析中沙漏控制；講解了收斂性調節的方法，以及操作過程中注意的事項等。附上CAE文件。
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Workbench LS-DYNA 快速入門視頻2020 - 劉堯
Workbench 2020R1 主講人：劉堯 博士 / ANSYS高級應用工程師 / ANSYS高級培訓師 1 ANSYS2020-Workbench LS-DYNA簡介-劉堯 2 ANSYS2020-Workbench LS-DYNA泰勒沖擊案例-劉堯 3 ANSYS2020-Workbench LS-DYNA顯式動力學基礎-劉堯 4 ANSYS2020-Workbench LS-DYNA沙漏控制與時間步長
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沙漏控制的實例教程
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 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 abaqus中沙漏的產生是一種數值問題，單元自身存在的一種數值問題，舉個例子，對于單積分點線性單元，單元受力變形沒有產生應變能，也叫0能量模式，在這種情況下，單元沒有剛度，所以不能抵抗變形，不合理，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。下面，小編就給大家分享一下"Abaqus有限元仿真分析中的沙漏控制方法與設置"。
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。
單元原始狀態、單元受剪切作用變形、單元受彎曲作用變形
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。
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。
ABAQUS中沙漏的設置
在ABAQUS/CAE中，可以方便地在ElementType界面下進行沙漏的設置。
展開 ==以往的系列文章==
第一篇：S4殼單元剛度矩陣研究 http://www.yqgqt.org.cn/content/post/338859
研究基于Mindlin厚殼理論的S4殼單元的剛度矩陣在Abaqus中的實現方式
第二篇：S4殼單元質量矩陣研究 http://www.yqgqt.org.cn/content/post/343905
研究一致質量矩陣和集中質量矩陣在Abaqus的S4殼單元和Nastran的Quad4殼單元中的實現方式
==第三篇：S4殼單元剪切自鎖和沙漏控制==
商用有限元軟件的健壯性體現在對各種特殊情況，求解過程和解的正確性依然能得到保證，而這些特殊情況在自編程序中如果沒有考慮到，那么結果就可能相差極大。其中剪切自鎖和沙漏現象是最常見的會影響正確性的兩個特殊情況。這兩者具有相似性，所以我們在本文中一起研究Abaqus中線性殼單元S4針對這兩種情況下的內部實現方式。剪切自鎖和沙漏現象影響的是剛度矩陣和應力，我們研究方式是在自編程序iSolver中根據成熟的消除剪切自鎖和沙漏控制的理論實現剛度矩陣的修正，通過比較同一模型的Abaqus的剛度矩陣結果，結合幫助文檔猜測Abaqus軟件單元消除剪切自鎖和控制沙漏的內部實現方法。
圖1：剪切自鎖
圖2：沙漏
===S4殼單元剪切自鎖和沙漏控制研究總結===
完全積分單元才有剪切自鎖，雖然Abaqus的S4單元是完全積分，但內部已經做了修正完全消除了剪切自鎖，所以不需要用戶做任何設置。
減縮積分單元才有沙漏現象，Abaqus的S4R默認增加一個人工的沙漏剛度來控制沙漏現象，如果發現結果還是不理想，那么需要采用其它建模方法才能控制沙漏了。
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
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確保用于控制沙漏的“人工能量”遠小于模型的“內能”（例如，小于5%-10%），這是判斷沙漏控制是否有效且未過度影響結果的重要指標。
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。
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。
積分方案：SC8R 采用減縮積分 (1×1 高斯積分)，計算效率高，但需注意沙漏控制；通過 "增強應變" 技術緩解彎曲閉鎖。這種積分方案使得 SC8R 單元在計算效率上具有明顯優勢，但可能在某些情況下出現沙漏問題。
核心優勢：SC8R 單元建模簡單 (無需三維實體網格)，計算成本低，適合常規薄壁結構 (如金屬薄板、簡單復合材料層合板) 的線性 / 非線性分析。
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。
*SECTION_SHELL10個月前
需配合沙漏控制（HOURGLASS類型通常設為4或5）。 </li></ul><p><span style="color: rgb(255, 169, 0);">ELFORM=16**（全積分殼單元）： </span></p><ul><li>特點：4點積分，避免沙漏問題，精度高但計算成本增加。
翹曲殼單元的算法公式選擇11個月前
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。
看注釋1】，這個PID是需要新建一個part，或者多個part，這個part可以將材料和沙漏控制加進去，與前者相比，前者無法增加對ALE流體的沙漏控制
【注釋1】ALE算法中是的AMMG是自動分配的AMMG ID，按順序 1 2 3 4……（每個AMMG會根據其在輸入面板中出現的先后順序自動分配一個ID ( AMMG ID )。
