Ls-Dyna|质量缩放的前世今生

20天前浏览8165

本文摘要（由AI生成）：

文章介绍了质量缩放技术，这是一种通过增加材料密度来提高显式分析时间步长的方法，从而减少计算总时间。质量缩放的原理是通过在结构某些位置添加非物质质量来提升显式分析的时间步长，但需小心使用。质量缩放可通过手动增加物体的密度和通过关键词*CONTROL_TIMESTPE自动来实现。质量缩放在动态分析中会对仿真结果产生影响，但在准静态分析中影响较小。质量缩放对提升计算效率有显著的作用，但其对结果的影响如何，必须要进一步检验。在准静态下使用质量缩放比动态过程效果更好。当模型包含多个组件时，可只对某些次要部件进行质量缩放以减弱质量缩放对仿真结果的影响。最后，若无法评估质量缩放的影响，慎用！

引言

有限元模型复杂、计算资源不足、计算效率低是我们做有限元工程师经常面临的问题。在无充足计算资源和保持计算精度的情况下，如何提高计算效率，是我们十分感兴趣的焦点之一。文章《子模型技术让你的仿真速度飞起来！》提到了代理模型技术、并行计算和子模型技术可提高复杂部件的仿真效率。这些技术是从计算资源和局部模型来解决计算效率的问题。今天再给大家介绍另一个技术手段——质量缩放（Mass Scaling），从增大分析时间增量步的角度来考虑减少计算总时间。

质量缩放原理

文章《Ls-Dyna|聊一聊显式计算时间》提到了分析时间步长受单元尺寸和材料声速的影响：

因此，可增大材料密度来提高时间步长，从而减少计算总时间。增大密度就是质量缩放的手动方法。

质量缩放背后的思想是通过在结构某些位置添加非物质质量来提升显式分析的时间步长，但是必须要小心使用。在动态分析中，任何时候添加质量缩放对仿真结果都具有影响,可从动力学方程看出：

公式前面两项为质量惯性和阻尼项，对于动力学过程，当增加不合理的质量时，可能会对结果造成较大的影响，但是对于准静态分析，由于加速度和速度可忽略不计，因此质量增加对结果影响比动态过程小。通常质量缩放增加的质量不能超过总质量的10%，准静态分析中模型由于增加的质量其动能与内能的比值为5%~10%。但这些数值通常是经验值，在进行质量缩放后，为了判断质量缩放对结果造成的影响，还需再次运行程序，并评估质量增加对结果的敏感度。

Ls-Dyna质量缩放设置

质量缩放可通过手动增加物体的密度和通过关键词*CONTROL_TIMESTPE自动来实现，这两种方法是独立的，互不影响。前者是针对整个模型，而后者可对部分结构或单元实现质量缩放，因此推荐后者。质量缩放卡片如下图所示，主要是设置TSSFAC和DT2MS。

TSSFAC取值范围为0.67~0.9，默认的是0.9，若采用默认值，模型出现不稳定时可设置成0.8或0.7,甚至更小。

当DT2MS<0时，计算只对时间步长小于TSSFAC*|DT2MS|的单元进行质量缩放，根据公式：

TSSFAC*|DT2MS|=*(minimum values)

其中为放大系数，通常取值为2~4，minimum values为最小时间步长，与单元尺寸相关。如何确定DT2MS和minimum values的值呢？可在Hypermesh中先根据单元情况找到minimum values然后计算出DT2MS。

确定minimum values：

Tool-check elems-time-check elems-minimum values-failure criteria

这个步骤很实用，通常在动力学中添加的质量不超过5%~10%。添加的质量越小理论上越接近真实结构，越准确。为了保证添加的质量不超过总质量的5%~10%，可让进行质量缩放的单元不超总数的5%~10%，当设置了failure criteria后（一般比minimum values大，大多少，依据缩放单元占总单元数的比例决定）缩放单元将会高亮显示并显示缩放单元的个数，以此评估，可减少试算的次数。

确定DT2MS：

根据上述公式计算出DT2MS。

当DT2MS>0时，质量缩放将会应用到所有单元上。

为了确定计算过程中质量缩放的变化情况，需要输出GLSTAT和MATSUM。同时在*database_extent_binary设置STSSZ=3,LS-PrePOST后处理可显示每个单元质量增加的云图（Post-FriComp-misc-time step size）。为了绘制模型质量增加的百分比，设置MSSCL=2，可输出节点增加的百分比（ASCII-GLASTAT-% Mass Increase）。