LS-DYNA操作指南：应变率与质量缩放设置详解

一、应变率（Strain rate）

应变率效应不仅与加载速率有关，还与试件的尺寸、形状有关。在单轴拉伸试验中，假如试件发生均匀变形，也就是没有颈缩等局部化现象，那么应变率在试件中的分布是均匀的，此时有：

长度的变化为deltaL = r * time

工程应变为deltaL/L = r * time/L

工程应变率为strain per time = r/L

真实应变为ln(1+ engineering strain) = ln(1+ r*time/L)

真实应变率随时间的导数为d(true strain)/dt  = [ln(1+r*time2/L) - ln(1+r*time1/L)]/(time2-time1)

其中，L为试件长度；r为加载速率。

当然,事实上试件中的应变率并不是均匀分布的，所以我们需要在分析中给定一个应变率的变化范围。为了估算应变率，我们可以针对有代表性的单元进行高精度的预分析，并输出应变率（set STRFLG=1 in *DATABASE_EXTENT_BINARY）。还可以使用*DATABASE_BINARY_D3THDT 和 *DATABASE_HISTORY_SHELL这两个关键字来辅助完成这一目标。（建议使用*DATABASE_EXTENT_BINARY中的N3THDT=1来使D3THDT文件的大小降为最低）

绘制应变率曲线的两种方法

1.使用*DATABASE_EXTENT_BINARY中的STRFLG=1直接将应变信息输出到文件中。针对关键单元，我们可以以非常高的精度来输出D3THDT 或 ELOUT文件，其中选择单元是利用*DATABAE_HISTORY_...关键字来完成。将关键字  *DATABASE_EXTENT_BINARY中的N3THDT=1设为1可以最小化输出文件的大小。计算完成后，在LS-Prepost中读取D3THDT文件，并绘制应变的时程曲线。点击曲线窗口上的Oper按钮，并选择differentiate按钮，最后点击apply即可。这一过程会需要你在壳单元厚度方向上选取位置（lower, middle, upper）。

2.Fcomp > SRate可以显示出通过节点位移计算而来的应变率云图。History > Scalar则可以绘制应变率的时程曲线。此时的应变率为中面处的应变率，要获得其他位置处的应变率只能使用方法1。

以上两种方法的精度都取决于计算程序的输出精度，单位是每时间单位。

绘制局部壳单元系统（local shell element system:）应变率的方法与上文类似，略。

二、质量缩放（Mass scaling）

质量缩放是通过向结构增加虚拟的质量来加大显式计算时间步长的技术。

在任何情况的动力学分析中，为了提高时间步长而向结构增加虚拟质量都会对计算结果产生影响，但是有时这种影响是微乎其微的，从而质量缩放也就是可以接受的了。对于仅在不重要区域对一定数量单元的质量进行增加的模型以及速度非常低且动能与内能峰值相比非常小的准静态模型中，质量缩放一般是可以接受的。模拟完成后，我们还需额外运行不施加质量缩放（或很小的质量缩放）的模型计算，来判断质量缩放的实际影响。

用户可以通过设置某一部件的材料密度来手动实现质量缩放，这个方式和自动质量缩放是相互独立的（DT2MS in *CONTROL_TIMESTEP）。

当DT2MS是负值时，质量缩放只施加在时间步长小于|DT2MS|的那些单元之上，使其时间步长等于|DT2MS|。DT2MS和TSSFAC这两个参数有无数种组合，但是其乘积为时间步长，这个值是不变的。但是对于每一种组合而言，其增加的质量是不同的。因此|DT2MS|越大（即TSSFAC越小），增加的质量越大。而在无质量缩放模型中，TSSFAC越小，模型越稳定。如果分析模型运行过程中出现稳定性问题，那么可以将TSSFAC从默认的0.9降到0.8,0.7等。在降低TSSFAC时，可以同时按比例增加|DT2MS|，这样他们的乘积所表示的时间步长就可以保持不变。（注：本段原文描述比较混乱）

要想知道质量缩放过程中的具体信息，可以查看GLSTAT和MATSUM文件，从这两个文件中可以输出整体模型或单个部件所增加的质量随时间的变化规律。如果想要显示包括壳单元在内的各个部件中增加质量的云图，可以在*DATABASE_EXTENT_BINARY中设置STSSZ=3；然后就可以在LS-POST通过Fcomp > Misc > time step size按钮来查看每个单元增加的质量（这里time step size就是表示单元所增加的质量）。

*CONTROL_TIMESTEP中设置DT2MS为正值或负值的区别

负值：

质量缩放只施加在时间步长小于TSSF*abs(DT2MS)的那些单元之上。

正值：

通过增加或减小单元质量来保证每一个单元的时间步长是一致的。

*CONTROL_TIMESTEP中MS1ST=1时，程序只会在初始化计算时对单元增加一次质量；MS1ST=0时，程序会在任何必要时候对单元增加质量。

还可以通过ENDMAS这一参数来指定一个停止计算的质量增加阈值（只限自动质量缩放）。

可变形焊点梁的质量缩放

关键字*MAT_SPOTWELD中的质量缩放控制参数DT只对焊点起作用。当*CONTROL_TIMESTEP中的质量缩放参数DT2MS为0，且时间步长由可变形焊点控制时，DT可以用来在程序初始化时将焊点的惯性增加，使其时间步长增加到DT这个值。此时d3hsp文件会记录焊点梁增加的质量。MATSUM文件中的动能KE和转矩不会考虑焊点增加的质量；而GLSTAT中的总动能则会考虑增加的质量。

当模型中的焊点进行了质量缩放，需要注意：

1.当DT2MS为负值，且DT=0时，尽管d3hsp文件中Deformable Spotwelds这一项下的percentage mass increase是错误的，但是下面这些数据是正确的：d3hsp文件中的added spotweld mass；程序进行了第一个时间步计算后的d3hsp文件中的added mass 和 percentage increase以及glstat 和 matsum文件中的added mass。

2.不要使用负的DT2MS和DT=0来控制焊点的质量缩放。

3.在使用质量缩放后，初始时间步不会考虑增加的焊点质量，但是每一个循环的时间步长会增加10%，直到时间步长增加到指定的值（考虑增加了的质量）。

可选质量缩放

LS-DYNA V971 R3版本后增加了可选质量缩放，可以通过*CONTROL_TIMESTEP中的IMSCL参数来激活。当IMSCL为0时，质量缩放施加到所有部件；当IMSCL为负值时，质量缩放施加到指定部件（ abs(IMSCL) 表示部件集合ID（ part set list））。建议使用这种可选质量缩放，因为质量缩放是很耗费计算资源的。

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