06.沙漏控制方法
在显式分析中应用缩减积分单元进行非线性动力分析可以极大地节省计算机时，也有利于大变形分析。但是缩减积分单元（单点积分）应用时，单点积分的积分点上会出现应力分量都为零的情况，出现没有刚度的零能模式，这就是所谓的“沙漏模式”。
一、沙漏概念（Hourglass）
定义：沙漏模式是缩减积分单元积分点较少导致的一种非物理的、变形的零能模式；沙漏模式会产生零应变和零应力，从而使单元过于柔软。
沙漏模式导致一种在数学上是稳定的、但在物理上无法实觋的状态。它们通常没有刚度，变形呈现锯齿形网格，单点实体单元的沙漏模式如下图所示。
实体单元沙漏模式
总体表现形式：
壳单元 实体单元
应用：沙漏模式只出现在缩减积分（单积分点）的四边形和六面体单元中。
影响：是由于Dyna采用单点（缩减）高斯积分，沙漏模态丢失，在动力学计算时，其将不受控制，产生数值震荡，导致较大的求解误差。
二、LS-DYNA的沙漏控制方法
在仿真分析中沙漏变形的出现会使结果无效，所以应尽量减小和避免。如果总体沙漏能超过模型总体内能的10％，那么分析可能就是无效的，有时侯甚至5％的沙漏能也是不允许的。所以非常有必要对它进行控制。
LS-DYNA控制沙漏的方法主要有两种：【1】基于阻尼控制；【2】基于刚度控制【3】其他方法。
【1】基于阻尼控制
① 通过关键字*CONTROL_HOURGLASS设置（IHQ选择1#，2#，3#），或者控制阻尼系数VDC（IHQ为6#、7#）。
② 通过*CONTROL_BULK_VISCOSITY控制整体模型的体积粘度。
基于阻尼控制可以减少沙漏变形，建议在快速变形的问题中（例如激振波）使用粘性沙漏控制。人工体积粘度本来是用于处理应力波的问题，因为在快速变形过程中，结构内部产生应力波，形成压力、密度、质点加速度和能量的跳跃，为求解的稳定性，加进人工体积粘性，使应力波的强间断模糊成在相当狭窄区域内急剧变化但却是连续变化的。由于沙漏是一种以比结构全局响应高得多的频率震荡，调整模型的体积粘度能减少沙漏变形。
【2】基于刚度控制
① 通过关键字*CONTROL_HOURGLASS设置（IHQ选择4#，5#）。
② 采用全积分单元；由于沙漏是单点积分导致的，所以可以使用相应的全积分单元来控制沙漏，此时没有沙漏模式，但在大变形情况下模型过于刚硬。
基于刚度的沙漏控制（4＃和5＃）比基于黏度的沙漏控制更为有效。通常，使用基于刚度的沙漏控制，会减小沙漏控制系数范围 0.03～0.05，这样可以在将非物理质量的影响降至最低的同时抑制沙漏模式。对于高速碰撞，基于黏性的沙漏控制更为推荐1＃、2＃和3＃，即使对于体单元结构零件。
【3】其他方法
除通过刚度和阻尼对沙漏进行控制之外，还可以通过采用细化网格、避免集中加载、夹杂种子单元等方式控制沙漏。
关键字：*CONTROL_HOURGLASS
关键字
DYNA中IQH选择：
IHQ类型解释：
IQH=8的沙漏控制仅用于 ELFORM=16 的壳单元，8＃沙漏控制方式激活了ELFORM=16壳单元的翘曲刚度，所以单元的翘曲不会降低解决方案的有效性。ELFORM=16 的壳单元如果定义了8＃沙漏控制，可以解决所谓的扭曲梁的问题。
IQH=6的沙漏控制在隐式分析中用于ELFORM=1的体单元，沙漏系数一般在0.1～1之间。对于弹性材料，沙漏系数使用1.0。
黏性阻尼系数（VDC）：
*hourglass卡片中，HG选择6和7两种类型时，有可选择的阻尼系数VDC。如果阻尼为20%，则设置VDC=0.2。
三、输出及应用
【1】输出设置
为了评估沙漏能量，在*control_energy 卡片中设置 HGEN=2 并定义*database_glstat和*database_matsum，可以输出整个系统和各个零件各自的沙漏能量。问题在于确认非物理沙漏能量相对于各个零件的内能峰值是否足够小（按经验＜10%）。
通过定义*hourglass或*part卡片中的HGID，可以在matsum文件中查看沙漏能量。
【2】应用
准静态工况：
在准静态或汽车低速碰撞仿真中，推荐选择基于刚度的沙漏控制方式。
高速爆炸工况：
在高速爆炸等仿真中，推荐选择基于黏性的沙漏控制方式。
四、沙漏出现负值
使用LS-DYNA进行整车碰撞分析，有时会出现负的沙漏能，主要有以下三个原因：
（1）某些零件使用单排壳单元模拟，如冷却风扇。
（2）某些区域三角形网格与四边形单元混用。
（3）某些区域四面体、五面体与六面体单元混用。
解决办法：
（1）避免单排壳单元的使用。
（2）量不要出现三角形单元与四边形单元混用，尽量不要出现四面体、五面体单元与六面体单元混用。
（3）如果出现负沙漏能的零件单元数量不多，可以考虑使用全积分单元以避免沙漏能的出现。
