09.能量守恒介绍
能量守恒定律（Law of Conservation of Energy）是物理学中最基本的定律之一，其核心内容是：在一个孤立系统中，总能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，而总能量保持不变。
能量可以表现为多种形式，例如动能、势能（重力势能、弹性势能等）、热能、化学能、电磁能、核能等。能量在不同形式之间转化时，总能量始终保持不变。
一、LS-DYNA 中能量守恒介绍
在CAE碰撞仿真中，能量守恒是验证仿真结果物理合理性的核心准则。通过跟踪系统能量的转化与平衡，工程师能够判断仿真的准确性，避免因数值误差导致虚假结果。
LS-Dyna中的能量数据在d3hsp和glstat⽂件中输出，在分析中能量的变化遵循以下能量守恒等式：
Ekin+Eint+Esil+Erw+Edamp+Ehg=E0kin+E0int+Wext
Ekin：即时动能，Currnt Kinetc Energy。物体运动所具有的能量，碰撞中逐步转化为其他形式。
Eint：即时动能，Currnt Internal Energy。
Esil：即时接触滑移能，Current Siding Interface Energy。接触摩擦、穿透罚函数产生的能量。默认情况下接触滑移能并不包含在总能量中，需要设置关键字＊CONTROL_ENERGY>SLNTEN=2将其包含在内。
Erw：即时刚性墙能量，Current Rigid Wall Energy。刚性墙能量并不包含在总能量中，需要设置关键字＊CONTROL_ENERGY>RWEN=2 将其包含在内。
Edamp：即时阻尼能，Current Damping Energy。通过将*CONTROL_ENERGY关键字中的RYLEN选项设置为2还可以激活计算瑞利阻尼能量的耗散，激活后，这种能量耗散会添加到内能中。
Ehg：即时沙漏能，Current Hourglass Energy。如果将*CONTROL_ENERGY中的HGEN选项设置为2将包含沙漏能。
E0kin：初始动能。
E0int：初始内能。
Wext：外力作功。包括由速度、位移或加速等初始边界条件所产生的能量和通过施加力或压力产生的能量。
即时总能量：Etotal=Ekin+Eint+Esil+Erw+Edamp+Ehg
初始总能量：E0total=E0kin+E0int+Eext
能量比：Eratio=Etotal/(E0total+Wext)，理论上能量比为1，可以通过＊CONTROL TERMINATION>ENDENG变量控制计算过程中模型能量的波动，超过规定的能量比则计算中断并退出。
二、LS-DYNA能量结果
整个仿真历程中模型也是遵循能量守恒，总能量=内能+动能+接触滑移能+刚性墙能+阻尼+沙漏能。随着碰撞的进行，动能转换成内能。通过能量变化可以判断模型设置是否合理，可以通过以下几点判断。
① 总能量的变化一般也应该在5%以内。
② 界面滑移能是否有较大变化。接触的不合理设置将有可能产生较大界面滑移能。
③ 沙漏能是否有较大的变化。合理的沙漏能加接触能（界面滑移）应该非常小，需要控制在总能量占比的5%以内。
④ 如果是用显式分析准静态力学问题，则需要控制动能/内能小于5%。
LS-DYNA的能量输出可以通过*DATABASE_GLSTAT和*DATABASE_MATSUM等选项输出能量的时间历程，其中记录了系统的能量变化情况。可以使⽤Hyperview/LS-Prepost等后处理软件在ASCII数据库和glstat数据库中绘制能量曲线图，通过能量曲线图可以很方便地查看分析过程中能量是否守恒。
能量不守恒常见的原因：
LS-DYNA通过显式积分、沙漏控制、接触算法等机制维护能量守恒。用户需结合输出数据，综合分析各能量项，确保模拟的物理合理性和数值稳定性。能量守恒不仅是软件算法的体现，更是验证模型正确性的重要依据。
三、失效单元能量（eroded）
LS-DYNA的失效与侵蚀机制通过动态移除失效单元，平衡了计算稳定性与物理真实性,用户需根据材料行为合理选择失效准则，并通过参数调谐确保模拟精度与效率。以下会介绍失效单元（eroded）的概念、机制、应用场景及能量等概念。
1.、失效单元的基本概念
定义：失效单元是指在仿真过程中达到预设失效准则（如应力、应变、损伤阈值等）的单元。这些准则由用户选择的材料模型定义。
失效准则类型：
应力/应变准则：例如最大等效塑性应变（Johnson-Cook模型）、最大主应力或应变。
复合准则：考虑应力三轴度、应变率效应（如Johnson-Cook动态失效模型）。
损伤力学模型：基于累积损伤值（如Bridgman、Gurson-Tvergaard模型）。
2.、侵蚀（Erosion）机制
作用：当单元满足失效条件时，LS-DYNA通过“侵蚀”将其从计算中移除，避免因严重变形导致的数值不稳定（如负体积、网格畸变）。
实现方式：
刚度清零：失效单元的刚度被设为零，不再参与力学计算，但其质量可能保留以维持动量守恒。
质量处理：可选择完全移除质量或将其分配到相邻节点，后者更有利于守恒。
接触更新：侵蚀后，接触界面会动态调整，避免穿透或非物理相互作用。
3、 用户设置与参数
材料卡设置：在材料模型中定义失效参数（如
FAIL、DAMAGE关键字）。Johnson-Cook失效需设置失效应变、应力三轴度系数等。侵蚀控制：
ERODING选项：指定哪些材料允许单元侵蚀。
时间步控制：通过
TERODED参数限制侵蚀发生的时刻，避免过早失效。输出设置：通过
DATABASE_EROSION输出侵蚀单元信息，便于后处理观察。
4.、对计算的影响与注意事项
守恒问题：直接移除单元可能导致质量、能量损失，需根据问题重要性选择质量处理方式。
稳定性：大量单元突然侵蚀可能引起显式积分不稳定，需调整时间步缩放因子（
DT2MS）。后处理可视化：侵蚀单元通常被隐藏或高亮显示，可通过后处理软件（如LS-PrePost）观察失效扩展过程。
5.、典型应用场景
冲击与爆炸：弹体穿透靶板时，靶板材料因塑性应变过大被侵蚀。
金属成型：模拟冲压过程中材料的撕裂失效。
生物力学：骨骼或软组织在极端载荷下的断裂行为。
6、失效单元的能量
glstat/matsum中的内能、动能只包含未失效单元的内能和动能；侵彻的单元（eroded）可以通过ASCII→glstat绘制为“eroded kinetic energy”和“erodedinternal energy”进行查看。侵蚀能量(Eroded energy)是与删掉的单元相关的内能和删掉的节点相关的动能。 如果没有单元删掉”energy ratio w/o eroded energy”等于1，如果有单元被删掉则小于1。删掉的单元与”total energy/initial energy”比率没有关系。总能量比率增加要归于其它原因，比如增加质量。
将一个单元删掉时，文件glstat中的内能和动能不会反映能量的丢失。取而代之的是能量的丢失记录在glstat文件的”eroded internal energy” & “eroded kinetic energy”中。 如果用内能减去”eroded internal energy”将得到分析中还存在的单元的内能。对动能也一样。
四、负能量介绍
1、壳的负内能
壳单元零件在分析过程中会出现不真实效应，会导致出现负内能现象。为了克服这种现象，通常可以采取以下应对措施：
① 关掉考虑壳的减薄，在*control_shell关键字中，关掉ISTUPD选项。
② 调用壳的体积粘性，在*control_bulk_viscosity关键字中，将SET TYPE设置为-2。
③ 对在matsum中显示为负的内能的parts使用*DAMPING_PART_STIFFNESS调用刚性阻尼；建议先用一个小的值进行验证，比如0.01。如果在*control_energy中设置RYLEN=2，因为刚性阻尼而能会计算且包含在内能中。
2、接触能
① 正的接触能
当在接触定义中考虑了摩擦时将得到正的接触能。摩擦将导致正的接触能。如果没有设置接触阻尼和接触摩擦系数，你将会看到净接触能为零或者一个很小的值(净接触能＝从边和主边能量和)。 所说的小是根据判断－在没有接触摩擦系数时，接触能为峰值内能的10%内可以被认为是可接受的。
② 负的接触能
接触滑移能（Sliding Interface Energy）为负值，能可能是由于初始穿透和在计算中因受力变形而导致产生穿透造成的。所以应对措施可以从初始穿透、消除接触过程中的穿透方面解决。
在定义初始几何时考虑壳的厚度偏置通常是最有效的减小负接触能的步骤。负接触能有时候因为parts之间的相对滑动而产生。这跟摩擦没有关系，这里说的负接触能从法向接触力和法向穿透产生。当一个穿透的节点从它原来的主面滑动到临近的没有连接的主面时，如果穿透突然检测到，则产生负的接触能。
克服负接触能的措施：
【1】消除初始穿透(initial penetration)。(在message文件中查找”warning”)
【2】检查和排除冗余的接触条件。不应该在相同的两个parts之间定义多于一个的接触。
【3】减小时间步缩放系数
【4】设置接触控制参数到缺省值，SOFT=1 & IGNORE=1除外(接触定义选项卡C)
【5】对带有尖的边的接触面，设置SOFT=2(仅用于segment-to-segment接触)。而且，在版本970中推荐设置SBOPT(之前的EDGE)为4对于部件之间有相对滑移的SOFT=2的接触。为了改进edge-to-edge SOFT=2接触行为，设置DEPTH=5。请注意SOFT=2接触增加了额外的计算开消，尤其是当SBOPT或者DEPTH不是缺省值时，因此应该仅在其它接触选项(SOFT=0或者SOFT=1)不能解决问题时。
