📚 课程目录第4章单元类型选择与网格策略

4. 单元类型选择与网格策略

在LS-DYNA跌落仿真中，单元类型与网格策略直接决定计算能否稳定收敛、结果是否可信。包装与产品往往由多种结构组成：泡棉缓冲垫、瓦楞纸箱、塑料外壳、金属支架、薄壁卡扣等，不同部件需要匹配不同的单元公式与网格尺度。本节从单元选择、壳厚判定、网格密度、沙漏控制以及包装与产品之间的网格过渡五个方面展开，给出可落地的建模判断依据。

一、单元类型的选择逻辑

LS-DYNA中常用的结构单元包括实体单元（Solid）、壳单元（Shell）、梁单元（Beam）和厚壳单元（TSHELL）。选择的核心依据是部件的几何特征与受力形式：

实体单元：适用于三个方向尺寸相近、需要表现厚度方向应力梯度或压缩大变形的主体，如泡棉缓冲块、EPS泡沫、橡胶垫、厚塑料块。常用公式为*SECTION_SOLID的ELFORM=1（单点积分）或ELFORM=2（全积分）。单点积分计算快但需沙漏控制，全积分无沙漏但易剪切自锁，泡棉类大变形推荐ELFORM=1配合沙漏控制。
壳单元：适用于一个方向尺寸远小于另外两个方向的薄壁结构，如纸箱壁、塑料外壳、金属薄板。常用ELFORM=2（Belytschko-Tsay）计算效率高，ELFORM=16（全积分壳）适合需要精确弯曲的场景。
梁单元：适用于细长杆件，如支架、加强筋、捆扎带。用*SECTION_BEAM定义截面，ELFORM=1为Hughes-Liu梁，ELFORM=2为Belytschko-Schwer梁。
厚壳单元：TSHELL介于实体与壳之间，厚度方向只有一个单元但保留厚度应力，适合中等厚度壁（如厚塑料箱体），用*SECTION_TSHELL定义。

二、厚壳与薄壳的判定

壳单元与厚壳、实体的分界通常以厚度t与特征长度L的比值判断。工程上常用经验阈值：t/L < 1/20 视为薄壳，用Shell；1/20 ≤ t/L ≤ 1/10 视为中厚壳，可考虑TSHELL；t/L > 1/10 或厚度方向存在明显压缩梯度时，改用Solid。例如纸箱壁厚约3 mm、面内尺寸约400 mm，t/L≈0.0075，属于典型薄壳，用Shell即可；而20 mm厚的EPE泡棉垫，面内尺寸200 mm，t/L=0.1，且压缩变形主导，应使用Solid。

三、网格密度与沙漏控制

网格密度需在精度与效率间平衡。跌落仿真关注接触区域的局部变形与应力波传播，一般建议：接触区域沿厚度方向至少2～3层实体单元，壳单元面内网格尺寸控制在特征尺寸的1/10以内。泡棉类材料在压缩时会出现大变形，网格过粗会导致沙漏能异常升高。

沙漏控制是单点积分单元的关键。判断标准：沙漏能应小于总内能的5%，超过10%则结果不可信。常用措施包括：

使用*HOURGLASS关键字，TYPE=4（Flanagan-Belytschko刚度形式）或TYPE=6（刚度与粘性混合），对泡棉推荐TYPE=6，系数QM默认0.1，可调至0.05～0.15。
细化网格，增加单元数量可显著抑制沙漏。
对泡棉使用ELFORM=1时，配合*MAT_LOW_DENSITY_FOAM或*MAT_SOFT_TISSUE等材料模型，并开启*CONTROL_ENERGY中的HGEN=2输出沙漏能。

四、包装与产品网格过渡

包装（泡棉、纸箱）与产品（外壳、支架）之间往往存在网格尺寸差异。若直接共节点，小尺寸产品网格会拉低整体时间步；若完全分离，接触搜索可能不稳定。推荐策略：

包装与产品分别独立划分网格，不强制共节点，通过*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE或*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE定义接触。
接触区域网格尺寸比控制在2:1以内，避免过大差异导致穿透。
对产品外壳用壳单元时，泡棉用实体单元，接触采用*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE，将壳节点设为主面、实体面设为从面。
若必须过渡，可在交界处设置一层过渡单元，或使用*CONSTRAINED_INTERPOLATION约束实现非匹配网格连接。

时间步由最小单元尺寸控制。若产品网格过细，可对产品局部使用*CONTROL_TIMESTEP的TSSFAC缩放，或采用质量缩放DT2MS，但需监控质量增加不超过5%。

五、实操示例：手机包装跌落模型

以手机包装跌落为例，说明参数设置。手机外壳用Shell单元，ELFORM=2，网格尺寸2 mm；内部泡棉缓冲垫用Solid单元，ELFORM=1，网格尺寸3 mm，厚度方向3层；纸箱壁用Shell，ELFORM=2，网格尺寸5 mm。接触定义：泡棉与手机外壳用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，静摩擦系数0.3，动摩擦系数0.2；纸箱与泡棉用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE。沙漏控制：泡棉*HOURGLASS TYPE=6，QM=0.1；纸箱Shell用TYPE=4，QM=0.05。时间步由最小单元2 mm控制，约0.4 μs，总跌落时间0.02 s，计算步数约50000步。结果判断：沙漏能占比应低于5%，若超过则细化泡棉网格或调整QM。

注意：泡棉材料在压缩时若网格过粗，会出现负体积或沙漏能突增。建议在*CONTROL_TIMESTEP中开启DT2MS质量缩放，但质量增加控制在5%以内，并监控*DATABASE_GLSTAT中的沙漏能曲线。

综上，单元类型与网格策略需结合几何特征、受力形式与计算效率综合决定。实体单元用于厚实缓冲件，壳单元用于薄壁结构，梁单元用于细长杆件，厚壳用于中等厚度壁。网格密度以接触区局部细化为主，沙漏控制通过*HOURGLASS与网格细化协同实现，包装与产品之间采用独立网格加自动接触，网格尺寸比控制在2:1以内，即可在保证精度的同时获得稳定的跌落仿真结果。