显式动力学 ·

质量缩放与时间步长:
先看它改变了模型什么

质量缩放通过增加质量来抬高稳定时间步,也会改变惯性、固有频率和动态响应。碰撞模型能不能用,取决于这些变化有没有进入你关心的载荷路径与评价指标。

阅读时间约 8 分钟·适用范围LS-DYNA 显式分析

时间步为何这么小

显式积分每一步直接用当前时刻的力更新速度和位移。算法不需要每一步迭代求解刚度方程,但它必须满足稳定条件。对常见结构单元,可以把临界时间步理解为“特征长度除以材料波速”的量级:

Δtcrit≈Lcharc
临界时间步与特征长度成正比,与材料波速成反比。

单元越小,材料越硬,材料波速越高,允许时间步越小。求解器会由全模型中最小的稳定时间步控制计算循环。一个局部小焊点梁、过渡区畸形实体单元,或者失效后突然扭曲的壳单元,都可能让整车模型多跑数倍循环。

先确认这个小时间步有没有物理意义。碰撞吸能区的细网格、连接附近的真实局部刚度、泡沫或橡胶的材料响应,可能确实需要小时间步。清理重复节点、初始穿透、劣质单元和不合理的连接定义,通常比直接增加质量更值得优先处理。

质量缩放实际改了什么

质量缩放通过提高部分单元的密度,使它们的稳定时间步达到目标值。对同一单元形式和材料刚度,时间步与密度平方根同量级变化。因此,想把一个单元的时间步提高一倍,增加的质量并不小。

你增加的是参与运动方程的惯性。碰撞中的加速度、接触力、力传递时序与模态特征都可能随之变化。

质量加在什么位置,比全车增加了多少更重要。把 1% 的质量加到对整体运动影响很小的局部小单元,与把同样质量加到前纵梁、轮端、约束系统或乘员舱关键载荷路径上,结果不能等同。车身碰撞模型中尤其要警惕连接件、轮胎、悬架、转向和假人接口附近的增质量。

准静态成形与低速压溃可以容忍更大的质量变化,因为分析人员会同时控制加载速率和动能占比。瞬态碰撞不适合拿“总增质量低于某个固定百分比”作为放行条件。官方文档给出的 5% 到 10% 只是瞬态问题中的一般参考范围,具体可接受程度仍取决于载荷路径、工况与结果敏感性。

DT2MS 怎么理解

*CONTROL_TIMESTEP 中的 DT2MS 用于自动质量缩放。对碰撞类瞬态分析,常见做法是使用负值。求解器只对原本无法满足目标的单元增加质量,而不是把所有单元拉到相同时间步。

*CONTROL_TIMESTEP
$ 示例只表达关键字段含义,完整字段顺序以当前版本 Keyword Manual 为准
$    TSSFAC       DT2MS
       0.90      -1.0e-6

当 DT2MS < 0 时,求解器将 TSSFAC × |DT2MS| 视为允许的最小时间步,并在满足 Courant 稳定条件所必需的单元上实施质量缩放。TSSFAC 与 DT2MS 不能拆开孤立地看:两者的乘积关系到目标时间步,二者的组合又会影响所需增加的质量与稳定裕度。

正的 DT2MS 会把所有单元的时间步调到同一水平,更适合惯性影响可以忽略的准静态问题。对车身碰撞这类瞬态分析,优先从负值方式开始,并把目标时间步控制在基线模型的合理倍数内。

MS1ST 决定求解器只在初始化时增加一次质量,还是在后续计算中按需要继续增加。这个选择会影响质量随时间的历史。设置前先阅读所用版本的 Keyword Manual,并把质量增长曲线一起纳入结果审查。

该检查哪些输出

不要只在 d3hsp 里看一个“added mass percentage”。至少把下面几类证据放在同一轮审查中:

  1. 时间步历史。确认基线模型由哪些零件控制,缩放后时间步是否达到预期,计算量是否真的下降。
  2. 全模型质量与动能。用 GLSTAT 看总增质量、动能、内能及其时间演化。对于准静态问题,动能与内能的关系必须单独审查。
  3. 分零件质量。用 MATSUM 找到增加质量的零件。总量看似很小,也可能集中在一个关键部件。
  4. 局部位置。对壳单元模型,可通过 *DATABASE_EXTENT_BINARY 的 STSSZ=3 输出,在 LS-PrePost 中查看单元增质量分布。先看位置,再讨论比例。
  5. 工程结果的差值。比较侵入量、加速度脉冲、关键截面力、吸能、接触力、失效时序和目标部件变形。每个项目应明确自己的主判据。

如果 ENDMAS 可用,给自动质量缩放设置一个终止上限。它不能证明结果可信,但能阻止模型在你没有注意到时持续累积非物理质量。

一套可执行的使用流程

01

跑基线。关闭自动质量缩放,保留 GLSTAT、MATSUM 与必要的 d3hsp 输出。

02

定位控制源。确认最小时间步来自哪类单元、哪个零件、哪个时刻。

03

先修模型。排除畸形网格、错误连接、初始穿透和无意义的小单元。

04

小步设置目标。以负值 DT2MS 起步,记录目标时间步与计算时间的变化。

05

看质量落点。在 MATSUM 和后处理里确认增质量没有进入关键载荷路径。

06

做敏感性对比。至少比较基线、当前目标和更保守目标三组结果,再决定是否放行。

质量缩放的价值在于把计算资源从无意义的小时间步中释放出来。它不能替代网格、材料、连接和接触的基本判断。模型没有基线对照时,增质量百分比本身不构成结论。

参考与版本边界

本文围绕常规显式质量缩放讨论。选择性质量缩放、变质量控制、SPG、气囊、假人和特殊连接件会引入额外约束。使用前请核对当前求解器版本的 Keyword Manual。