ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题
2021年1月6日 17:02作者：吴华春 上海安世亚太结构应用工程师
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本文共计1559字，阅读时间预计5分钟
编者按
在ANSYS LS-DYNA中，经常遇到Sliding Energy异常，作者在本文中分析了计算模型常出现的2种情况——初始穿透导致的Sliding Energy异常和由于SEGMENT接触导致的Sliding Energy异常，并给出了对应的解决方法。
问题提出
负的滑移能存在2种情况：
■ 第一种情况：GLSTAT中的滑移能在初始状态就出现负值，如图-1所示。
▲ 图-1 第一种能量异常图
■ 第二种情况：CAE工程师在利用ANSYS LS-DYNA进行计算时，很多时候会碰到图-2所示的状况，严重的能量不平衡。内能、滑移能在计算前期表现还算正常，但是到计算后期，内能、动能、滑移能严重偏离，导致整个模型能量异常，计算结果不可信。
▲ 图-2 第二种能量异常图
解决方法
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第一种情况的解决方法（初始穿透）
在仿真模型中出现初始穿透，导致初始的滑移能为负值。仿真穿透模型如图-3所示。
产生机理：LS-DYNA在进行接触搜索时，发现存在网格穿透问题，需要把穿透部分的节点移到不穿透的位置，这可以在LS-DYNA软件中设置。如图-4所示，当把初始穿透清除后，其滑移能和整个模型能量表现正常（如图-5所示）。
▲图-3 存在初始穿透模型
▲ 图-4 清除初始穿透模型
▲ 图-5 第一种能量正常图
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初始穿透解决方法有以下几种
① 手动调整单元节点
在进行模型网格划分和设置零件厚度时必须确认是否存在干涉，即必须考虑壳单元的接触厚度。
如果发生穿透，可以从计算出的message或d3hsp文件中对关键字“initial penetrations”进行搜索，找到相关单元，然后调整单元节点，消除初始穿透。
在一些专门的前处理软件中，例如ANSA，HYPERMESH、SpaceClaim在提交计算前对模型进行穿透检查，可以查出初始穿透的单元，然后进行节点移动，消除穿透。
▲ 图-6在message文件中查找初始穿透
② 调整关键字参数
■ 调整*CONTACT中的SFST和SFMT，即调整该接触对从面和主面的接触厚度的比例因子。该方法对微小的初始穿透效果很明显，但是对于初始穿透值很大，效果不好，容易导致计算结果错误。
▲ 图-7 接触卡片中的SFST和SFMT
■ 设置*CONTACT中的IGNORE参数，该参数默认值为0，即采用*Control_CONTACT中IGNORE的值。可以对每个接触对进行修改，建议修改值为1或者2。
▲ 图-8 接触卡片中的IGNORE
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第二种情况的解决方法
众所周知，ANSYS LS-DYNA存在2种方式设置接触，即有Contact Region和Body Interaction。
■ Body Interaction接触即LS-DYNA接触关键字*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，主要用于整个模型的接触或自接触。
■ Contact Region用于建立接触对，当几何模型导入到ANSYS以后，Mechanical默认对每个零件建立bond接触。其输出关键字为*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET ，其set类型为segment set。
对于接触面和目标面这两个segment进行接触搜索时，在交界处的节点无法检查出穿透，然而当节点滑到接触厚度中时，就会发现穿透节点的存在，因此系统必定会给该节点施加一个力，把它拉回到接触面上，在这个过程中系统对该节点做功，消耗其接触势能，能量曲线输出表现为负的滑移能。
① 其解决方法之一是扩大主段的接触面。
由*CONTACT中的关键字MAXPAR进行调整。MAXPAR默认值为0，即表示设置值为1.025，其LS-DYNA推荐值为1.2。
▲ 图-9 接触卡片中的MAXPAR
② 其解决方法之二是调换接触算法。
ANSYS LS-DYNA在Mechanical中设定的bond接触是*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET。在LS-DYNA接触选项中带OFFSET，其目的是把基于约束类型的接触算法切换到基于罚函数的接触算法。
因此，当出现滑移能异常，可以把*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET切换为*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE。
下文是一个简单的对比，使用bond接触的模型如图-10所示，其采用不同的接触算法的能量图如图-11所示。
▲ 图-10 使用Bond接触的模型（黑色部分为接触区域）
（a）采用*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET
（b）采用*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE
▲ 图-11 不同接触算法下的能量平衡图
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Bond接触推荐使用类型
① 实体单元到实体单元的bond接触
也就是说，对于没有节点具有旋转自由度的情况，使用TIED_NODES_TO_SURFACE和TIED_SURFACE_TO_SURFACE类型的接触。这些接触类型可能包括OFFSET或CONSTRAINED_OFFSET选项。
② 壳单元与壳单元、beam与壳单元的bond接触
也就是说，对于所有节点都具有旋转自由度的情况，可以使用TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE类型的接触。此接触类型可能包括OFFSET、CONSTRAINED_OFFSET或BEAM_OFFSET选项。
③ TIED_SHELL_EDGE_TO_SOLID
用于将壳单元边与实体单元或beam端与实体单元绑定，即只有从端节点具有旋转自由度的情况。
此部分，需要用户使用Mechanical中的Contact Property设置接触属性。
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总结和建议
在使用ANSYS LS-DYNA中总是不可避免遇到能量问题，因其涉及判断模型是否正常，计算结果是否正确，所以对能量的判断必须符合要求。
■ 对于小的初始穿透，在对模型与试验对标后，没有出现误差，可以采用IGNORE进行处理；但如果影响计算结果，请务必调整初始穿透，这要求CAE工程师在网格处理时必须进行网格检查。
■ 对于第二种情况，利用GLATAT和SLEOUT查出那一对接触出现能量异常，然后修改参数或者接触算法。
参考文献：
①LS-DYNA®Theory Manual 07/24/19 (r:11261) [M] 2019
②LS-DYNA_Manual_Volume_I_R11 [M] 2018
③赵海鸥LS-DYNA 动力分析指南[M] 北京：兵器工业出版社，2003
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