4. 单元类型选择与网格策略
在跌落与冲击仿真中，单元类型和网格策略往往比材料参数更早决定结果的成败。一个薄壁卡扣用实体单元逐层剖分，可能因厚度方向单元过少而严重高估弯曲刚度；一个厚实的缓冲块用壳单元近似，又会丢失厚度方向的压缩波传递。本节围绕“选什么单元、划多密、怎么控制沙漏”三个问题展开，目标是让读者能针对典型零部件做出可辩护的建模决策。
一、三类单元的适用边界
LS-DYNA 中用于零部件冲击的单元主要是实体单元（solid）、壳单元（shell）和梁单元（beam）。选择依据不是“哪个更精确”，而是零部件的几何特征与受力模式。
实体单元适合三维尺寸相近、需要捕捉厚度方向应力梯度的构件，如橡胶缓冲垫、泡沫吸能块、厚壁塑料壳体、金属铸件。冲击问题中常用单点积分实体单元（ELFORM=1），它计算高效，但必须配合沙漏控制。若构件以弯曲为主且厚度方向只划 1～2 层单元，实体单元会表现出“过刚”，此时应改用壳或增加厚度方向层数。
壳单元适合一个方向尺寸远小于另外两个方向的薄壁件，如手机中框、电池盖、钣金支架、塑料面板。壳单元通过厚度参数和积分点描述面外弯曲，常用 Belytschko-Tsay 公式（ELFORM=2），对薄壳效率高。冲击中若出现明显面内剪切或厚壳效应，可考虑 ELFORM=16 等全积分壳，但计算量上升。
梁单元适合一个方向尺寸远大于另外两个方向的细长件，如加强筋、线束、细长支架、焊点简化。梁单元用截面属性描述轴向、弯曲和扭转刚度，在跌落中常用于连接件或骨架。需要注意的是，梁单元与实体/壳连接处容易产生刚度突变，应通过共用节点或约束处理。
二、网格密度：冲击波与弯曲波的分辨要求
冲击仿真的网格密度不能只按“好看”来定，而应由需要捕捉的最短波长决定。对于应力波传播问题，单元特征长度 L 应满足每个波长至少 8～10 个单元。以钢中声速约 5000 m/s、冲击脉冲上升时间 20 μs 为例，最短波长约为 100 mm，则单元尺寸约 10 mm 即可；但若关注局部接触应力，接触区网格需细化到 1～2 mm。
对于弯曲主导的薄壁件，厚度方向至少 3～5 个壳积分点或实体层数，才能较准确地描述塑性铰。工程上常用做法是：先按零件最小特征尺寸的 1/3～1/5 划全局网格，再在接触区、圆角、预期失效区做局部细化。网格从粗到细过渡时，相邻单元尺寸比不宜超过 2:1，否则会引入虚假应力集中。
网格质量同样关键。冲击中严重畸变的单元会拉低时间步长甚至导致负体积。应控制雅可比、翘曲角、长宽比：壳单元长宽比建议小于 5:1，翘曲角小于 15°；实体单元雅可比大于 0.6。时间步长由最小单元尺寸控制，过度细化局部会使显式积分步长骤降，计算时间成倍增加，因此细化要“精准”而非“全面”。
三、沙漏：单点积分的代价与控制
单点积分实体和壳单元只有一个积分点，计算快，但会产生零能变形模式，即沙漏。沙漏表现为网格出现交替的锯齿状变形，能量不真实地累积，导致结果偏软或出现虚假振荡。判断沙漏是否失控，最直接的指标是沙漏能占总内能的比例。工程经验认为，冲击过程中该比例应控制在 5% 以内；若超过 10%，结果可信度明显下降。
控制沙漏的常用手段有三类。第一，使用 *CONTROL_HOURGLASS 选择控制类型，实体常用 IHQ=4（Flanagan-Belytschko 刚度形式），壳常用 IHQ=4 或 5，系数 QH 取 0.05～0.10。第二，细化网格，让沙漏模式难以在多个单元间协调发展。第三，对关键区域改用全积分单元（实体 ELFORM=2，壳 ELFORM=16），但需注意全积分在冲击大变形下可能出现剪切锁定，且计算成本更高。
需要强调的是，沙漏控制系数并非越大越好。系数过大相当于人为增加刚度，会使结构响应变硬，吸能偏小。建议做法是：先取默认值 0.10 试算，观察沙漏能曲线；若沙漏能偏高，优先细化网格，其次再适度提高系数，并对比接触力峰值和吸能量是否稳定。
四、网格密度对结果的具体影响
以某塑料卡扣跌落为例，假设冲击速度 3 m/s，材料为 ABS，屈服强度约 40 MPa。当全局网格从 2 mm 粗化到 4 mm 时，接触力峰值可能下降 10%～20%，因为粗网格无法准确描述圆角处的应力集中，塑性铰位置偏移。反之，若把整个零件都细化到 0.5 mm，时间步长从 0.4 μs 降到 0.1 μs，计算时间增加约 4 倍，而接触力峰值变化可能不到 3%。这说明细化应集中在接触区、圆角和预期失效区，而非全模型均匀加密。
另一个常见问题是网格密度与失效准则的匹配。若使用等效塑性应变失效，单元尺寸越大，积分点越少，达到失效应变的路径越短，可能过早删除单元。此时应通过单元特征长度修正失效应变，或保证失效区至少有 3～5 层单元。
五、可执行的建模检查清单
下面给出一份针对零部件跌落的单元与网格检查清单，可在提交计算前逐项核对。
| 检查项 | 推荐值/做法 | 判断依据 |
|---|---|---|
| 实体单元公式 | ELFORM=1，配合 IHQ=4 | 沙漏能 < 5% 总内能 |
| 壳单元公式 | ELFORM=2，厚度方向 3～5 积分点 | 弯曲变形无过刚 |
| 梁单元连接 | 共用节点或 *CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY | 连接处无异常应力集中 |
| 全局网格 | 最小特征尺寸的 1/3～1/5 | 波长分辨 8～10 单元 |
| 局部细化 | 接触区、圆角、失效区 1～2 mm | 接触力峰值收敛 |
| 网格质量 | 壳长宽比 < 5:1，翘曲 < 15°，实体雅可比 > 0.6 | 无负体积、无畸变警告 |
| 时间步长 | 由最小单元控制，必要时质量缩放 | 质量增加 < 1%～2% |
实际建模时，可先按上表完成一轮试算，再根据沙漏能、接触力和吸能量的变化决定是否调整。单元类型和网格策略没有唯一正确答案，但每一次选择都应有明确的物理依据和可验证的数值指标。把“为什么选这个单元、为什么划这么密、沙漏控制到什么程度”讲清楚，冲击仿真结果才具备工程参考价值。