沙漏和零能模式

文摘   2024-10-11 23:20   安徽  
前面讨论过网格体积锁定(volumetric locking)和剪切锁定(shear locking)问题。这里探讨网格的其他两个问题,沙漏(Hourglassing)和零能模式(Zero Energy Mode)。特别是在显示式动力学分析中,常使用四边形或六面体低阶减缩单元,以提高计算效率(因为减少了高斯积分点的数量),但不可避免地遇到这两个问题。这些问题与低阶单元在数值积分时的某些特性相关。

1、沙漏(Hourglassing)

沙漏问题主要出现在采用一阶(线性)减缩单元和显式积分法的情况下,尤其是在单积分点的四节点四边形单元和八节点六面体单元中。由于单元内部可以发生不需要任何外力或应力的无应变形变。沙漏现象的典型特征是单元内出现了类似沙漏形状的无物理意义的形变模式,如下图所示。
这个问题产生的根源在于,使用完全积分法时,单元的刚度矩阵通过单元内部的多个积分点进行计算,单元内部的应力和应变场能够较为精确地被描述。而在减缩积分单元(如下图单积分点单元)中,由于积分点数量减少,单元太软,引发了“非物理形变”的出现。这种非物理的形变不伴随应力增加,表现为沙漏状的无应力形变,通常表现为单元节点以局部方式运动,而没有伴随整体应力场变化。

沙漏问题会导致计算结果的不准确,能会产生无物理意义的变形,导致全局变形和应力场计算结果的失真;在严重情况下,数值解会发散,无法获得收敛解。

解决沙漏问题的常见方法是沙漏控制(Hourglass Control),如ANSYS Workbench中提供的沙漏控制算法。这些算法通过增加额外的刚度项或阻尼项来抑制单元内部的沙漏模式,常见的方法有基于应力、应变或能量的沙漏控制。
在非线性大变形分析中,使用更高阶的单元(如二次单元)可以减少甚至避免沙漏问题,因为它们具有更多的节点,可以更好地描述单元内部的应力和应变场,但计算成本更高。全积分单元在单元内采用更多的积分点来捕捉复杂的变形模式,可以有效避免沙漏问题。然而,全积分单元的计算成本较高,且在大变形情况下可能会出现体积锁定(volumetric locking)和剪切锁定(shear locking)中所述的剪切锁定问题。
在显式动力学分析中,因计算效率,不可避免使用一阶减缩单元,这时需要合理细化网格,尤其是大应力、应变梯度区,同时外荷载避免使用集中荷载。如果结构会发生弯曲变形,则在厚度方向应至少划分4层单元。
2、零能模式(Zero Energy Mode)
零能模式通常是有限元分析中的一种非物理性变形模式。因为这些模式不会导致任何内部能量的增加(即不会增加应力或应变能)。它们与上述的沙漏问题密切相关,尤其在低阶减缩单元中更为常见。另外一种最常见的零能模式表现是模型的刚体运动,即模型可以在没有约束的自由度上无阻力地平移或旋转。
在简缩积分单元中,尤其是单积分点的情况下,一些单元可能会表现出零能模式。这意味着这些单元可以在保持零应力的情况下发生某些变形,在某些应力场中容易产生非物理的能模式,如上图所示。在某些情况下,结构模型的约束条件设置不当,单元不充分约束,导致零刚度方向或刚体运动未被完全限制,也会造成零能模式的出现。

零能模式会导致计算发散,无法收敛到合理的物理解。另外,由于模型中存在能模式,结果的应力和应变场会受到影响,出现不真实的局部变形。

解决零能模式的方法,提高积分精度,使用完全积分法而非简化积分法可以避免零能模式的产生。确保结构的边界条件设置正确,消除不必要的刚体运动。使用高阶单元可以帮助减少这些数值问题,因为它们能够更精确地描述单元内部的变形,但需要注意平衡计算效率。

3、沙漏和零能模式

沙漏问题和零能模式虽然都是有限元分析中的数值问题,但它们有不同的成因和表现形式。二者之间有一定的联系,但它们并不是完全相同的问题。

1)相同

数值问题本质,沙漏问题和零能模式都是由于有限元模型中出现了不物理的形变模式。这些形变不会产生任何应力或应变,因此称为“零能模式”或“无应力变形”。

无应力形变,在两种情况下,单元都可能表现出无应力的形变模式,这种形变并不反映真实的物理行为,主要是由数值积分的不足或自由度不受约束引起的。

与单元的自由运动有关,在这两种问题中,单元或结构可以在没有外部作用力的情况下产生自由运动或形变,导致结果的偏差。

可以说,沙漏问题能模式的特殊形式。

2)区别
a、成因不同

沙漏问题主要发生在减缩积分单元中,由于这些单元的积分点较少,无法捕捉到复杂的变形模式。这会导致单元内部出现一种无应力的、与真实变形无关的“沙漏模式”。沙漏问题是典型的数值积分问题,通常与特定的单元公式和积分方法有关。

而零能模式更多与模型的边界条件不充分或单元自由度未被正确约束有关。它通常出现在刚体运动的情况下,即模型可以自由地在空间中移动或旋转,而没有产生应力或应变。零能模式不仅仅涉及单元的内部形变问题,更多的是整个模型或局部区域的自由运动问题。

b、表现形式不同

沙漏问题的形变模式通常局限在单个单元内部,表现为一种虚假的局部形变模式,类似沙漏的形状。会造成单元的局部失真。

零能模式通常还涉及整个结构或局部结构的自由运动,表现为整个模型可以无应力地发生平移、旋转等刚体运动。这种模式会影响整个结构的响应,导致模型解不收敛或出现奇异解。

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