4. 单元类型与网格策略

金属成形仿真中，单元类型和网格策略直接决定计算能否收敛、结果是否可信。LS-DYNA 显式求解以中心差分法推进时间步，临界时间步长 Δt 与单元特征长度和材料波速相关，因此单元尺寸、厚度方向积分方式和沙漏控制方式会同时影响精度与效率。本节围绕壳单元、实体单元、厚壳单元的选择依据，以及网格密度、沙漏控制、自适应网格与重划网格的工程做法展开。

一、三类单元的适用边界

壳单元（*SECTION_SHELL）适用于厚度远小于面内尺寸的薄壁件，典型如汽车覆盖件、电池壳、饮料罐拉深件，厚度通常在 0.5～2 mm，面内尺寸可达数百毫米。壳单元通过面内网格描述几何，厚度方向用积分点处理，常用 ELFORM=2（Belytschko-Tsay）或 ELFORM=16（全积分）。Belytschko-Tsay 单点积分效率高，但需要沙漏控制；全积分壳无沙漏，却在弯曲主导问题中易出现剪切锁定，且计算量明显增加。

实体单元（*SECTION_SOLID）适用于厚向变形不可忽略、或需要精确捕捉厚度方向应力梯度的场合，例如厚板冲压、锻造、挤压、轧制以及体积成形。常用 ELFORM=1（单点积分六面体）配合沙漏控制，或 ELFORM=2（全积分六面体）。单点积分实体计算快，但同样存在沙漏风险；全积分实体在近不可压缩塑性变形中可能出现体积锁定，此时可考虑 ELFORM=-1 或 -2 等带选择性缩减积分的格式。

厚壳单元（*SECTION_TSHELL）介于两者之间，适用于厚度与面内尺寸比值处于中等范围（约 1/10～1/5）的构件，如厚壁管、某些结构件。它保留壳的拓扑效率，同时考虑厚度方向应力，但工程中使用频率低于壳与实体，需谨慎验证。

二、网格密度：从几何特征反推单元尺寸

网格密度不是越密越好，而是要在关键变形区保证足够分辨率。工程上常用经验规则：单元面内尺寸取模具最小圆角半径的 1/3 左右。例如某拉深件凹模入口圆角 R=6 mm，则板料在该区域单元尺寸约 2 mm；若整体板料为 1000 mm×800 mm，全用 2 mm 网格将产生约 20 万单元，计算量过大。合理做法是分区：圆角与拉深筋附近 2 mm，大平面区 5～8 mm，通过过渡网格连接，长宽比控制在 5 以内，翘曲角小于 5°。

厚度方向同样需要关注。壳单元通过 *INTEGRATION_SHELL 设置厚度积分点，金属成形建议不少于 5 个，以捕捉弯曲与回弹引起的厚度方向应力分布。实体单元在厚度方向至少布置 3 层，否则弯曲刚度会被高估。对于板料，若厚度方向应力确实可忽略，用壳单元比实体单元更经济。

三、沙漏控制：单点积分的必要代价

单点积分单元只有一个积分点，在弯曲或扭曲变形下可能产生零能模式，即沙漏。判断沙漏是否失控，最直接的指标是沙漏能与内能之比。在 LS-DYNA 的 glstat 文件中查看“hourglass energy”和“internal energy”，若沙漏能超过内能的 5%，结果通常不可信；超过 10% 则必须处理。

控制手段包括：使用 *HOURGLASS 关键字，IHQ=4 为刚度型沙漏控制，对金属成形较适用，系数 QM 常取 0.03～0.1；也可用 IHQ=5 的修正刚度型。此外，细化网格、避免过度扭曲单元、在关键区改用全积分单元，都能降低沙漏。注意沙漏控制本身会引入人工刚度，系数过大会使结果偏硬，需通过能量比和变形形态综合判断。

四、自适应网格与重划网格

金属成形常伴随大变形，初始网格可能在局部严重畸变，导致时间步骤降甚至负体积。自适应网格通过 *CONTROL_ADAPTIVE 在变形剧烈区自动细化，关键字中 ADPASS 控制细化等级，通常 1～3 级；同时需设置 *ADAPTIVE 卡片指定板厚方向与面内细化规则。自适应能提升局部精度，但会改变单元数量与接触搜索，需监控计算时间与能量守恒。

重划网格（*CONTROL_REMESHING）则是在网格畸变到阈值时重新生成网格并映射历史变量，适用于锻造、挤压等体积成形。重划会引入映射误差，应尽量在变形尚可接受时触发，并检查映射后的应力、应变是否连续。对于板料冲压，若采用自适应已能控制畸变，通常不必再叠加重划。

五、一个可复用的检查清单

单元与网格策略没有唯一答案，核心是让离散模型在关键变形区具备足够分辨率，同时把沙漏、锁定和畸变控制在可接受范围。实际项目中，建议先用较粗网格快速试算，确认接触与载荷路径正确后，再对关键区加密并复核能量指标，这样能在精度与效率之间取得平衡。