LS-DYNA跌落仿真Sliding Energy问题与解决方法（附视频直播）

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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一、写在前面

在ANSYS LS-DYNA中，经常遇到Sliding Energy异常，以笔者曾经做过的跌落仿真为例，谈一谈解决办法。本文分析计算跌落模型常出现的2种情况，一是初始穿透导致Sliding Energy异常，二是由于SEGMENT接触导致的Sliding Energy异常，并给出解决方法。

二、问题提出

在仿真过程中，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，在CAE工程师利用ANSYS LS-DYNA进行计算时，很多同行会碰到图-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，导致整个跌落模型能量异常，计算结果不可信。

图-2 第二种能量异常图

三、解决方法

1、在跌落仿真模型中出现初始穿透，导致初始的滑移能为负值。跌落仿真穿透模型如图-3所示。产生机理即LS-DYNA在进行接触搜索时，发现存在网格穿透问题，其需要把穿透部分的节点移到**透的位置，移动这些节点，需要能量，而这些是在由LS-DYNA软件设置定义的，不属于模型设置的边界条件导致，因此这部分能量设置为负值。当把初始穿透清除后（如图-4所示），其滑移能和整个跌落模型能量表现正常（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

初始穿透解决方法有以下几种：

（1）手动调整单元节点

在进行跌落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文件中的使用搜索关键字“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。在一些专门前处理软件中，例如ANSA，HYPERMESH、SpaceClaim在提交计算前对跌落模型进行穿透检查，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

a) 调整*CONTACT中的SFST和SFMT，即调整该接触对的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

b) 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

2、第二种情况解决方法

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，主要用于整个跌落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。其输出关键字即*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET ，其set类型为segment set。对于2个segment进行接触搜索时，在交界处的节点是检查不出穿透产生，导致节点滑到接触厚度中，此时才发现穿透的节点存在，必定会给该节点施加一个力，把它拉回到接触面上，因此，必须系统给该节点做功，消耗其接触势能，其表现为负的滑移能。

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

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，其目的把以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，可以切换*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET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（黑色部分为接触域）

（a）

（b）

图-11 不同接触算法下的能量平衡图

注释：（a）采用*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFSET，（b）采用*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE

Bond接触推荐使用类型：

（a）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。

（b）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。

（c）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。

四、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。