Lsdyna显示与隐式计算基本理论及区别&常见报错问题及解决办法

概述

LS-DYNA 程序是功能齐全的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（140 多种材料动态模型）和接触非线性（50 多种）程序。它以 Lagrange算法为主，兼有 ALE 和 Euler 算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能（如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算）；军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。

一、LS-DYNA显式算法

1.1 LS-DYNA显式算法基本理论

如图所示，先考虑简单的单自由度线性弹簧阻尼系统，根据达朗贝尔动力学原理可得： mu&&+ uc &+ ku = p(t) 

u&& 为加速度，u&为速度，u 为位移， p(t) 为外力。

大家知道，对于该线性问题，可以用解析方法来求解该常微分方程。若为非线性问题，

比如 k 为位移 u 的函数，方程为：

mu&&+ uc &+ k(u)u = p(t)

此时用解析方法一般很难求解，所以应用数值解法来求解，常用的为有限差分法和有限

元法。上述公式具有普遍意义，对于有限元法而言，上述运动方程的矩阵形式为： MU&&+ CU&+ KU = P(t) 

式中U&&为节点加速度列阵，U&为节点速度列阵，U 为位移列阵，P(t) 为外力向量列阵，M

为质量矩阵，C 为阻尼矩阵， K 为刚度矩阵。

求解该运动方程目前有两种方法用的较多，一种是振型叠加法，一种是逐步积分法，对

于复杂问题，一般采用逐步积分法，大体可分为增量法，迭代法和混合法。

隐式的求解方法一般是采用增量迭代法，需要转置换刚度矩阵，通过一系列线性逼近

(Newton-Raphson) 来获得解，对于存在内部接触这样的高度非线性动力学问题往往无法保证收敛。LS-DYNA 采用显式中心差分法来进行时间积分，在已知 0，……，t n 时间步解的情况下，求解t n+1时间步的解，运动方程为：

1.2 LS-DYNA显式算法计算模型一般要求

a) 质量缩放导致的质量增加小于5%

对于时间步长小于控制卡片中设置的最小时间步长的单元，我们通常根据根据质量缩放方法增加单元材料密度的方法来增加其时间步长，以减短计算时间。

b) 总沙漏能小于5%

沙漏能的出现是因为模型中采用了缩减积分单元引起的，我们通常将2D、3D单元常设置成面内单点积分，这种方式会引起沙漏效应（及零能模式）。

c) 滑移界面能

滑移界面能是由摩擦和阻尼所引起的，剧烈的滑动摩擦会引起大的正值的滑移界面能；未能检测到的穿透常常会引起大的负值的滑移界面能，所以尽量将初始穿透控制在较小范围。

d)模型各部件之间连接无缺漏、错误，模型完整

模型的连接检查及完整性检查一般有两种方式，一种是模型搭建时进行初步检查，另一种是根基计算结构的变形云图以及应力云图来判断，通常采用二者相结合的方式进行。

1.3 LS-DYNA显式算法常见问题及解决办法

症状一:   出现了很大的，并且为负值的sliding interface energy

原因分析: 通常是由于模型中存在的初始穿透，而Dyna计算的初始化中无法消除掉这些初

始穿透。

诊断手段: 删除掉模型中所有的接触定义，提交计算，再查看sleout文件查看穿透情况。

查看d3hsp文件中关于初始穿透的警告信息。

解决对策: 如果是两层板的穿透，Dyna的初始穿透纠正功能可以自动解决部分问题。如果是多层板的穿透，其将无能为力。此时需要手动的消除模型的初始穿透。

症状二:模型的初始动能明显不合理

诊断手段：

1）检查d3hsp中模型的总质量

2）检查模型的三个方向的速度

3）检查d3hsp中各个部件的质量

4）刚体的质量会合并到master部件中

5）*PART_INERTIA中定义的速度优先级高于*INITIAL_VELOCITY

6）检查 matsum中各个部件的能量（动能、沙漏能)

7）确认定义为*PART_INERTIA的部件都定义了初速度

8）确认定义为*PART_INERTIA的部件没有作为合并刚体中的slave(可作为master)

9）部件出现很高的速度，通常是由于接触中的初始穿透引起。

症状三:计算异常终止

原因:计算终止通常只有以下4个原因

1）输入文件关键字定义错误。LS-DYNA对输入文件的格式要求十分严格，除默

认值外，空白行是不被允许的。注释行必须以符号“$”开始。

2）单元负体积。

3）节点速度无限大。

4）网格畸变严重，计算不收敛。5．硬盘空间不足。

诊断手段;

除最后一个原因外，其他的错误原因都可以在message文件中找到解释。

症状四:体单元出现负体积

现象描述:LS-dyna计算时报错:Error:Negative volume

原因:常出现在泡沫、橡胶材料定义中。

1）加载在体单元上的载荷远大于单元的刚度

2）应力应变曲线定义出问题，当dyna外推该曲线是出现异常

3） Foam单元在回弹时出现负体积，在材料mat_low_density上增加一定的阻尼会

有帮助。

4）使用Contact_Interior定义在 FOAM模型上。

5）在实体单元上附一层 Null壳单元，而后使用automatic single surface contact6. Foam材料的应力-应变曲线需要是平滑的

症状五:节点速度无限大

现象描述:在动画模型中表现为节点突然从表面呈爆炸状飞出。

LS-dyna计算时报错Error: Node velocity out of range原因:

一般是由于材料参数的单位不一致引起的，在建立模型时应注意单位的统一;在本该发生接触的地方没有定义接触或者接触及连接定义错误。

诊断手段:按照以下的步骤

1）显示碰撞动画的最后一步;

2) 取出带有发散点的部件

3) 在前处理中，检查该部件的网格，包括模型中的裂缝、单排单元等

6) 检查对应部件的异常出现的过程，找到最初出现异常的位置

7) 检查部件的材料和属性

9) 检查接触定义，若此部件有球铰连接检查球铰设置，

二、LS-DYNA隐式算法

2.1 LS-DYNA显式与隐式的差别

从 950 版本开始，LS-DYNA 已增加了隐式求解功能。刚开始的应用主要在冲压成型后的回弹计算，经过 960 版到 970 版的发展，LS-DYNA 的隐式求解功能已大大增强。

1.  LS-DYNA 显式求解： 

采用中心差分方法进行显式时间积分

方程非耦合，可以直接求解(显式) 

不需要求解刚度矩阵

适合冲击、穿透等高频非线性动力响应问题

1.  LS-DYNA 隐式求解： 

采用 Newmark 隐式时间积分

可以采用大的时间步

对于非线性问题，需要一系列线性逼近（Newton-Raphson）叠代求解

需要求解刚度矩阵

适合静力问题、低频动力问题及特征值分析。

2.2 LS-DYNA隐式算法开关

在 LS-DYNA 中，缺省的求解是显式求解，可以通过下面的关键字来激活隐式求解：

*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL

其中参数

imflag=1 激活全隐式求解

imflag=0 为缺省的显式求解

imflag=2 为显式求解后无缝进行隐式回弹求解

该关键字对于所有隐式求解分析来说都是必需的