LS-DYNA中各算法的重力初始化方法

引言

在LS-DYNA仿真分析中，重力初始化（Gravity Initialization）是模拟结构在自重作用下初始应力与变形状态的重要环节，尤其对于涉及几何非线性、接触相互作用或长期动态响应的工程问题（如土木建筑、汽车碰撞、金属成型及地质力学分析等）具有关键意义。合理的重力初始化能够有效消除因瞬时载荷施加导致的非物理振荡，确保模型在计算初始阶段即达到稳定的力学平衡，从而显著提升仿真结果的可靠性和计算效率。

本文将系统介绍LS-DYNA中实现重力初始化的主流方法：

l 动态松弛法（Dynamic Relaxation）——通过虚拟阻尼迭代逼近平衡状态，适用于显式分析；

l 隐式初始化法（Implicit Initialization）——基于隐式求解快速获得静态解，兼顾效率与精度；

l INITIAL_HYDROSTATIC_ALE关键字——专用于ALE流体域的重力场与静水压力初始化；

内容涵盖关键字参数配置、典型应用场景、收敛性控制技巧以及常见错误排查方法，旨在为用户提供从基础理论到工程实践的完整指导。通过本文的学习，读者将能够针对不同仿真需求（固体力学、流固耦合、粒子方法等）选择最优初始化策略，为后续复杂工况分析奠定准确的数值基础。

隐式初始化方法

通过隐式算法的重力初始化可通过两种方法实现：

1) dynain 文件法

当后续显式动力分析需对模型进行较大修改时，可采用LS-DYNA的"Dynain文件法"实现应力状态的高效传递，具体流程如下：

Step 1. 生成Dynain文件

通过隐式分析（静力/动力、线性/非线性）获取初始应力场：

· 在LS-DYNA隐式求解中，通过关键字*INTERFACE_SPRINGBACK_LSDYNA输出Dynain文件（ASCII格式）；

· 本例采用静力非线性分析生成初始应力；

· 替代方案：亦可基于ANSYS APDL脚本或自定义程序生成Dynain文件。

Step 2. 应力初始化与显式分析

将Dynain文件作为初始条件导入显式分析：

· 使用*INCLUDE关键字加载Dynain文件；

· 关键说明：显式分析中需保持重力载荷的持续作用（通过*LOAD_BODY等关键字实现）；

优势：此方法避免了重复计算初始平衡状态，显著提升复杂工况（如碰撞、冲击等）的分析效率，同时确保应力初始化的物理合理性。

2) 隐式-显式无缝转换法（"On-the-Fly"模式）

当仿真模型在隐式与显式分析间无需大幅修改时，可采用LS-DYNA特有的"On-the-Fly"隐式-显式无缝转换技术。该方法通过单一求解器实现隐式到显式的自动切换，避免中间文件传递，显著提升计算效率并确保分析连续性。

隐式显式转换设置

通过关键字*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL激活转换功能（通过曲线的方式设置IMFLAG项，其中0为显式算法，1为隐式算法，通过曲线来设置不同时间段内的算法来实现显隐转换），该方法支持静力/动力分析、线性/非线性分析。自动继承隐式分析的应力、变形等状态变量无需人工干预转换过程（"On-the-Fly"核心优势）

虽然隐式求解能够高效获取重力作用下的预应力场，但在处理高度非线性问题时存在显著局限性，典型失效场景包括：

1) 涉及复杂接触条件（如多体碰撞、自接触等问题）

2) 采用强非线性本构模型（如岩土/混凝土分析中的RHT、KCC模型）

3) 大变形导致的几何非线性效应

隐式算法在这些工况下常因雅可比矩阵奇异或迭代发散而失效，此时传统隐式初始化方法将难以实施。

动态松弛方法

针对于上述隐式初始化存在的问题可引入动态松弛法（Dynamic Relaxation, DR）解决，该方法是一种准静态求解技术，用于在显式动力学框架下模拟结构的平衡状态。其核心思想是通过人为引入阻尼来耗散系统的动能，使模型逐渐收敛至静力平衡位置。本身该方法属于显式算法所以该方法特别适用于隐式算法难以收敛的高度非线性问题。

在LS-DYNA中实现动态松弛主要用过CONTROL_DYNAMIC_RELAXATION关键字来实现。在模型中初始化应力和变形以模拟预加载。预加载的例子包括重力引起的载荷、恒定角速度引起的载荷以及螺栓扭转引起的载荷。通过以下方法之一（见字段IDRFLG)达到预加载状态后，时间重置为零，解的正常阶段自动从预加载状态开始。

其中，DRTOL：动能收敛容差（默认0.01，越小精度越高）。DRFCTR：阻尼因子（0.99~0.999，接近1表示高阻尼）。DRTERM：最大迭代步数（需根据模型复杂度调整）。TSSFDR：时间步缩放因子（通常0.9~1.0）。NRCYCK：用于动态松弛选项的收敛检查之间的迭代次数（一般默认250即可）。其余参数项在显式问题中无需额外更改默认即可。

动态松弛法虽然在处理复杂非线性问题时表现优异，但其仍存在一些较为严重的弊端：

l 精度与收敛性问题：

虚假平衡风险，系统可能停滞于局部能量极小值，而非全局平衡状态。

l 不适用于高频动态问题： 

动态松弛仅适用于准静态初始化，无法直接用于动态响应分析。

INITIAL_HYDROSTATIC_ALE

需要特别说明的是，上文所述动态松弛法和隐式初始化法属于全局应力初始化方法，其应用范围不仅限于重力引起的应力场初始化，还可扩展至惯性力、角加速度等各类准静态载荷工况的应力初始化。对于ALE与SPH法这类单元算法采用上文方法成本较高且存在不兼容的情况，针对于这两种单元算法存在相应的关键字直接实现重力初始化，不需要额外的计算，且该方法主要应用于流体问题。

对于ALE或SALE流体域包含一个或多个规则流体部分（ELFORM = 11和AET = 0）时，INITIAL_HYDROSTATIC_ALE关键字可用于初始化由于重力作用而在规则ALE区域中的静水压力场。必须定义*LOAD_BODY_关键字（既重力载荷关键字）。需要注意的是该关键字定义的初始化对象仅支持本构方程为MAT_NULL，状态方程为*EOS_GRUNEISEN和*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL，并且EOS_LINEAR_POLYNOMIAL的参数需满足：

使用该关键字描述重力初始化的多层ALE流体的模型，将顶层流体层顶部表面的压力设置为PBASE，并计算静水压力如下：

该关键字的具体每一项参数的含义大家可从关键字手册中查找，但在关键字设置时需要注意的是，NID与MMGBLO两项参数既顶层坐标节点与相对应的材料需要按照在VECID项中规定的向量方向按从上到下的顺序依次设置。重力初始化后的压力云图如下图所示，可看出随着深度的增加压力值呈现梯度变化。