钢缆是一个特例,它不是结构力学中的几何不变体系。在工程上,钢缆的细长比较大,故其弯,剪,扭力通常可以略去不计,只需考虑拉力。所以可以用多个"桁架单元"(truss element) 来模拟钢缆。
在数值计算中使用多个"桁架单元"来模拟钢缆可能导致计算不收敛。因为使用多个"桁架单元"时其中的轴向力必须大于零,所以加载的苐一个 increment 就无法进行。因为这个收敛问题是数值计算问题而非物理问题,所以可以进行调试。
在此介绍两种常用的方法,希望大家能举一反三。
1. 沿 trusselement 加沿长度方向初始拉应力。
2. 使用STABILIZE parameteron the *STATIC.
100 m 长钢缆水平放置从 x = 0到 x = 100,两端固定。无初始拉力,计算重力下垂量。
截面; A = 0.01539m2 ,Density: r =7800 kg/m3,g = 9.8 m/s2,
E = 2.1e+11 N/m2
解析解最大位移 (u2)at x = 50m :
U2_max = -((3*r*g*L^4)/(64*E))^(1/3)= -1.194944005 m
方法一. 沿truss element 加沿长度方向初始拉应力 (see job-1.inp)
此文件中使用了initialcondition, type = stress方法加初始拉应力。因工程上无此初应力, 更好的方法是使用降温法,算完后再升温。
NOTE:
1. 多加一步用以平衡内应力。
2. 必须使用nlgeom=YES。
3. 初始拉应力 < 1.0E5 N/m2 时不收敛。(个人测试经验值)
4. 最终拉应力 (= 8E7 N/m2) >> 初始拉应力 (=1.0E5 N/m2), 所以初始拉应力影响不大。
5. 求解的最大位移在51号节点(中间位置)约 -1.195m,与解析解一致。
方法二. 使用 STABILIZE parameter onthe *STATIC. “stabilization” 在结构上附加artificial viscous damping , 使得计算结果to go beyond the instabilitypoint. 但计算结果必须验证,并必须保证 ALLSD 比内能ALLIE 小很多。
NOTE:
1. 分析共有二步。第一步用*Static, stabilize=2E-10。笫二步不用stabilize (相当于*Static, stabilize=0)。
2. 在施加重力载荷步使用nlgeom=YES.
3. 最终拉应力 = 8E7 N/m2 与方法一相等。
4. 最大位移与解析解也一致。.
5. 检查ALLSD and ALLIE,ALLSD远小于ALLIE(或比值小于<5%)。
Figure 1. ALLIE and ALLSD 能量曲线
6. 为清楚的看变形图,需放大形变比例系数。
7. 使用此法必须极端谨慎,否则结果会完全不对。For example, 用*Static, stabilize=2E-4 (default value of the stabilize parameter)重算此题。其结果如下;ALLSD大于ALLIE,不满足要求。
使用 stabilize parameter 学问很多,一般是越小越好。因为stabilize parameter 是 artificial value, 无法确定理论上的最佳值。通过尝试,从开始 default value(2.0e-4) 往下减 (2.E-6,2.0E-8,..),直到不收敛(2.0E-12). 经过验证结果我决定在计算中使用 2.0E-10。