简介：这份资源面向使用 LS-DYNA 进行非线性动力学仿真的工程师与研究人员，聚焦求解过程中单元体积变为负值这一常见报错，帮助读者从计算稳定性角度定位问题并恢复求解。压缩包仅含 1 个 docx 文档，约 32KB，篇幅精炼，便于随时查阅对照。内容从成因与对策两条线展开：一方面梳理材料参数与状态方程定义不当、人工时间步长设置偏大、模型边界约束不足、网格质量欠佳等诱因；另一方面给出可落地的处理思路，包括核对材料属性、适当调小 CONTROL_TIMESTEP 的第二个参数（如由 0.9 改为 0.7）、补齐固定约束与接触条件、优化单元形状，以及借助体积修正算法和过程监控及早发现异常。文档还提示了负体积修正后可能出现速度无穷大的连带现象，便于读者少走弯路。目前已有 1221 人学习下载，适合需要排查仿真不收敛问题、积累排错经验的中高级用户参考。

1. 负体积报错：算到 12% 单元体积变负，重跑一次还是同一个位置

某开发者跑一套压缩工况算例，求解到 12% 突然停住，messa 里一行Error negative volume in solid element #10023 of part #2，重跑一次还是差不多的步数崩，换台机器也一样。负体积（negative volume）这类故障在显式动力学里出现的频次很高，也容易反复出现：报错只给一个单元号和一个 part 号，不告诉你是材料生硬、步长偏大还是网格畸变。新手容易被这一行字带偏，直接去调时间步长，结果只是把崩溃点往后推了几毫秒；老手则会先判断单元是被压扁、被删掉，还是根本没约束住。这篇笔记按「报错长什么样 → 根因在哪 → 改哪张卡 → 以后怎么快速定位」走一遍，适合正在盯着 messenger 文件发愁的人。

2. 材料参数与状态方程：负体积的第一嫌疑

2.1 参数填错时，负体积报错集中在哪几个 part

材料参数填错引发的负体积有一个很典型的分布特征：报错单元集中在某一个或某两个 part 上，而不是随机散布在整个模型里。原因不复杂，显式求解里单元的声速是c = sqrt(E/ρ)，刚度 E 和密度 ρ 任何一个填错，声速就跟着错，单元在当前时间步里能承受的体积应变也跟着错。E 填小了一个数量级，材料显得极软，压缩波还没传出去，单元已经被邻居压成了负体积。

我一般先做一件事：把报错的 part 号记下来，回到关键字文件里找到对应的*MAT_卡片，逐字段核对密度、弹性模量、泊松比。常见翻车点是单位制没统一——几何用毫米画、材料按米制填，密度写成 7850 而不是 7.8e-9，声速直接被拉低三个数量级，时间步长算出来偏大，第一步就开始积累误差。还有一种是失效应变 FS 留空或者填成 0，材料该断不断，单元被无限拉伸压缩，最后体积变负。

提示：报错单元号在 messag 里通常只打前若干个，别只看第一条。把全文的 part 号统计出来，集中在一处的，基本就是材料或网格的问题；东一个西一个的，往约束和接触上找。

2.2 状态方程和本构对不上，体积应变会先跑到负值

涉及高压、大变形、泡沫、橡胶、混凝土这类材料时，光有本构不够，还要配状态方程。状态方程描述的是压力与体积应变的关系，本构描述的是偏应力与应变的关系，两者是分开的两块。状态方程填错，体积应变会在很小的压力扰动下就跑到负值区间，单元体积算出来是负的，求解器直接报错。

判断方法看状态方程里的声速参数 C。以常用的多项式或 Gruneisen 形式为例，C 应该约等于材料在参考状态下的体积声速，也就是sqrt(K/ρ)，K 是体积模量。如果 C 填成了 1.5e3（按 m/s 想当然填的），而模型是 t-mm-s 单位制，真实声速应该是 5.19e6 mm/s，两者差三个数量级，压力-体积关系完全失真。这类错误在混用两套单位制的模型里特别常见，尤其是从别的项目里拷一段材料卡片过来的时候。

还有一种情况：本构用的是带失效应变的塑性模型，但状态方程用的是理想气体或者空的 EOS，拉伸段没有截止。单元被拉开时压力算成很大的负值，下一时刻又被接触推回来压缩，来回震荡几次体积就变负了。常见做法是给这类材料补一条拉伸截止，或者干脆换成带拉伸失效标志的本构。

2.3 一套按单位制反查参数的检查动作

手工翻关键字文件容易漏，我一般用几条命令把材料和状态方程先列出来，看它们是不是成对出现、数量对不对得上。

# 列出所有材料卡片与状态方程卡片的行号，确认有没有 MAT 没配 EOS grep -n -E "^\*(MAT_|EOS_)" model.k | head -40 # 抠出报错 part 对应的材料段，重点看密度和模量两个字段 awk '/^\*MAT_PLASTIC_KINEMATIC/{f=1} f&&NR<=200{print NR": "$0} /^\*EOS_/{if(f)exit}' model.k

第一条命令的作用是建立一张索引：每个*MAT_后面应该跟着它自己的参数行，如果某个高压材料后面没有*EOS_，就得问一句为什么。第二条是把某一段材料连同它后面的参数行打出来，方便对照单位制。

参数核对不要凭记忆，按下面的对照表把密度和模量两列填一遍，填完再看声速对不对：

表里最后一行是算出来的，不是查出来的：c = sqrt(E/ρ)。如果你的模型里钢的声速算出来跟 5.19e6 mm/s 差了一个数量级，那负体积几乎是必然的，改步长只能延后，不能解决。

3. 时间步长与 *CONTROL_TIMESTEP：0.9 改成 0.7 之后为什么速度变成无穷大

3.1 TSSFAC 从 0.9 改到 0.7，缩的到底是什么

显式求解的稳定步长是dt = TSSFAC × min(L_e / c_e)，L_e 是单元特征长度，c_e 是单元声速，TSSFAC 就是*CONTROL_TIMESTEP第二个字段那个缩放因子，默认 0.9。把 0.9 改成 0.7，步长只缩小了约 22%，它不会改变模型的物理行为，只改变数值积分的稳定裕度。

这解释了一个很常见的困惑：改完 TSSFAC，负体积报错往后推了一段，然后变成速度无穷大。推后说明步长确实参与了失稳，但从 0.9 到 0.7 只多撑了 22% 的裕度，说明真正的失稳源还在。速度无穷大这种表现，八成不是步长本身，而是单元被删掉了。

修改材料之后出现速度无穷大，因果链通常是这样的：你把失效应变调小或者换了本构，单元在更早的时刻满足失效条件被删除，删除单元的节点质量从系统里消失，剩下的节点承受原来的接触力和惯性力，加速度a = F/m里分母骤降，速度自然就飙上去了。这时候降 TSSFAC 只是让每一步小一点，掩盖了质量不守恒这件事。

3.2 卡片怎么改：*CONTROL_TIMESTEP 与配套的三张卡

改步长不是只动一个数字，至少要把下面这几张卡一起看一遍，否则改完不知道是哪个生效了。

*CONTROL_TIMESTEP $# dtinit tssfac isdo tslimt dt2ms lctm erode ms1st 0.0 0.7 0 0.0 0.0 0 0 0 *CONTROL_TERMINATION $# endtim endcyc dtmin endeng endmas 0.0020 0 0.0 0.0 0.0 *CONTROL_CONTACT $# slsfac rwpnal islchk shlthk penopt thkchg orien enmass 0.1 0.0 1 1 1 1 1 0

dtinit留 0 表示由程序自己按最小单元算初始步长，一般不建议手填，除非你明确知道最小单元在哪。tssfac就是这次要调的 0.7，注意下限别低于 0.6，再往下时间步太小、累积误差和计算量都会明显增加。dt2ms是质量缩放的时间步目标，填负值表示只对小于目标步长的单元加质量，这是控制步长最直接的手段，但加了质量就要盯附加质量占比。endcyc和dtmin用来兜底，dtmin一旦被触发，求解器会直接终止而不是继续算下去。

调的顺序我一般是这样：先确认最小单元的尺寸，算出理论步长；再决定是缩 tssfac 还是加质量缩放；最后用能量曲线验证。反过来先调 tssfac、再看单元，很容易调到一个「能跑完但结果不可信」的参数上。

3.3 改完步长还是崩，说明问题不在步长

有个很实用的判据：如果 tssfac 调到 0.6 甚至更低，负体积还是出现在同样的单元、同样的时刻，那时间步长基本可以排除。这时候把注意力放回三件事上——单元本身畸变到什么程度、这个单元附近的接触力有多大、材料在这一时刻是不是刚好进入失效。

我通常会在崩溃时刻前后各输出一帧结果，看报错单元的形状。如果它已经被压成一条缝，长宽比超过 10，那问题在网格和载荷；如果它形状还算正常但速度突然变大，问题在质量删除或接触力尖峰。同样的报错，两种根因，处理方式完全不同，靠猜是猜不出来的。

4. 约束不足、网格与接触：负体积的另三个入口

4.1 未约束自由度：先看刚体位移和反力

模型没约束好导致负体积，表现和材料问题很像，但有一个区别：报错往往出现在加载初期，甚至第一步。缺少约束的部件在惯性力作用下整体飘移，几个部件互相穿透，单元在两块刚体之间被反复挤压，体积很快变负。

定位方法不复杂。在*BOUNDARY_SPC_SET里核对每一个 set 的节点范围，特别是有对称面和刚性墙的模型，容易漏掉某个方向的转动自由度。另一个办法是看反力：给模型施加位移载荷，输出约束点的反力曲线，如果反力在初始阶段是 0 或者剧烈震荡，说明约束没吃上力，载荷在推一个自由体。

常见做法是先只算前几十步，把速度云图打开。正常模型的速度分布是渐变的，缺少约束的部件会出现一整块同向平移的速度场，一眼就能看出来。这一步花不了几分钟，比事后猜材料省事得多。

4.2 网格畸变：最小单元尺寸决定了你能跑多快

网格质量和负体积的关系是直接的：特征长度 L_e 越小的单元，稳定步长越小；形状越扁的单元，在大变形下越早变负。一块区域里如果既有 5 mm 的六面体又有 0.2 mm 的楔形过渡单元，整个模型的步长被最小的那个卡住，而那个小单元往往就是第一个报负体积的。

检查动作分两步。先看最小单元尺寸，从 d3hsp 里能直接读到初始步长和对应单元；再看长宽比和翘曲度，超过 5 的长宽比在压缩工况里就要留意，超过 10 基本等于给自己埋雷。

# 从 d3hsp 里读初始时间步与最小单元信息，确认步长是不是被个别单元拖住 grep -i -A4 "smallest time step\|smallest element" d3hsp | head -30

命令输出里会给出最小单元的编号和尺寸，把它跟报错单元号对一下。如果报错单元就是最小单元，且形状很差，处理方式是在这一块重新划分网格，用过渡更平缓的单元，而不是全局缩步长——全局缩步长会让整个模型陪你一起慢。

注意：局部加密网格是控制精度的常规手段，但加密之后最小单元尺寸下降，稳定步长同步下降，计算量可能翻几倍。加密前后一定重新看一遍时间步，别让加密动作本身变成新的负体积来源。

4.3 初始穿透与接触刚度：一上来就被压扁的单元

接触设置不当导致的负体积有个很明显的特征：报错出现在求解刚开始的极短时间内，而且报错单元集中在接触面附近。原因通常是初始穿透——两个部件在建模阶段就已经重叠，求解器第一步要强行把它们推开，接触力在一步之内从 0 跳到极大，界面单元直接被压扁。

处理手段是先做一次初始穿透检查，把重叠量算出来。如果重叠是建模误差，直接改几何；如果是公差累积，用接触卡里的偏移量修正。*CONTROL_CONTACT里的penopt控制惩罚刚度，默认值在大变形下可能偏硬，适当降低惩罚刚度可以让初始阶段平滑一些，但降太多会带来新的穿透，属于两害相权。

软约束选项也值得一试。把接触刚度按材料刚度缩放而不是按几何缩放，界面上刚度差别大的两个部件（比如金属对泡沫）接触时，接触力不会因为一侧极硬而出现尖峰。这一改动能解决相当一部分「刚起步就报负体积」的案例，尤其是多材料装配模型。

5. 负体积排查避坑：五条血泪踩坑记录

5.1 只改 TSSFAC 就当作修好了

现象：把 0.9 改成 0.7，负体积报错从 12% 推到 30%，以为搞定了，结果换个工况又崩，而且崩得更早。

原因：TSSFAC 只提供稳定裕度，不改变模型的物理行为。原模型里单元已经接近畸变极限，缩步长只是让它在崩溃前多算几步。

解决：把 tssfac 当临时手段，同时检查最小单元形状和材料失效应变。真正修好之后，tssfac 应该能调回 0.9 附近还稳定运行；调回去就崩，说明根因还在。

5.2 单位制混用，声速算错三个数量级

现象：材料参数看着都对，密度和模量也是从手册上抄的，但一加载就报负体积，报错 part 和材料卡一一对应。

原因：几何按毫米建模，材料按米制填写。密度写成 7850 而不是 7.8e-9，声速被低估，稳定步长偏大，第一步就开始积累误差。这类错误不会报参数非法，只会以负体积的形式表现。

解决：按 2.3 的对照表把密度、模量、声速三列全部重算一遍，声速用sqrt(E/ρ)现算，不查表。算完跟模型里填的比，差一个数量级就是它。

5.3 失效应变删除单元后质量丢失，速度变无穷大

现象：先报负体积，改了材料参数之后负体积没了，但求解中期出现速度无穷大，能量曲线内能突然掉一块。

原因：失效应变调小后单元更早被删除，节点质量从系统中消失，剩余节点的加速度F/m因分母骤降而飙升。质量不守恒，速度自然发散。

解决：优先用侵蚀接触或单元删除后的质量补偿，避免大面积删除；确实需要删除的，把失效应变调回接近材料真实延伸率的值，并在*DATABASE_MATSUM里盯附加质量和总质量曲线，质量掉超过 1% 就要回头查。

5.4 初始穿透没检查，第一步就被压扁

现象：报错出现在第 1 到第 10 步之间，报错单元全在接触面上，改材料没有任何效果。

原因：两个部件在建模阶段已经重叠，求解器第一步强行推开，接触力一步内从 0 跳到极大，界面单元直接被压成负体积。

解决：先算一遍初始穿透量，能改几何就改几何；改不了的用接触偏移量修正，配合软约束选项。改完再跑前 20 步，看接触力曲线是否平滑起步。

5.5 用质量缩放硬撑步长，结果能量对不上

现象：为了不崩，把dt2ms设成一个比较大的目标步长，模型的单元被统一加质量，能跑完了，但结果和试验对不上，内能偏高。

原因：质量缩放改变了模型的惯性，附加质量占比过大时，动态响应失真。它能解决的是步长问题，不是负体积的根因。

解决：dt2ms填负值，只对小于目标步长的单元生效，并实时监控附加质量占总质量的比例，一般控制在 1% 以内。缩放到 5% 以上，结果基本只能看趋势，不能看数值。

6. 快速定位负体积：从 messag 和 d3hsp 里三分钟找到源头

真正卡住人的时候，往往不是不知道怎么改，而是不知道该先改哪个。我的习惯是三步：定位、分类、验证，全程不打开图形界面也能完成大半。

6.1 三个文件按顺序看

第一步看 messag，把报错单元号和 part 号统计出来，判断是集中还是分散：

# 统计报错集中在哪些 part，集中说明是材料或局部网格，分散说明是整体约束或接触 grep -i "negative volume" messag | grep -o "part #[[:space:]]*[0-9]\+" | sort | uniq -c | sort -rn

第二步看 d3hsp，确认最小单元尺寸、初始时间步，以及有没有质量缩放被触发的提示。第三步看能量文件，盯内能、沙漏能和附加质量三条曲线，如果内能在崩溃前出现尖峰或者突然下坠，说明单元在剧烈变形或者被删除。

6.2 一条可复用的判断顺序

我现在遇到负体积，固定按这个顺序走：先确认报错是集中还是分散，集中的查材料，分散的查约束和接触；再看报错时刻，初期查接触穿透，中期查网格畸变和材料失效，末期多半是累积误差，回头查步长和能量；最后一定用 tssfac 回 0.9 复算一遍，能稳定跑完才算真修好，跑不完就说明只是把问题推后了。

从那以后我每次改材料参数，都会先把声速现算一遍再填卡，跑之前强制走一遍「最小单元尺寸 → 理论步长 → 报错 part 对应材料」的检查，这三步花不到五分钟，省下的是反复重跑的一整天。希望帮到你。

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