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应用"桁架单元" (truss element) 模拟钢缆

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"桁架单元" (truss element) 是 1D element, 只能计算轴向(长度方向)的应力但是不能计算弯矩。所有的结点均为"绞结点",不是"钢结点" (不能传递弯矩)。所以用来模拟杆件之间用绞接 (结构力学中的桁架). 在结构力学中, 假如桁架模型不是几何不变体系,则不能运算 (无唯一确定解)。 几何自由度 < = 0 是几何不变体系的必要条件,但非充分条件。

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.  

例题

100 m 长钢缆水平放置从 x = 0 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 ALLIEALLSD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, *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 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

来源:ABAQUS仿真世界
理论
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首次发布时间:2023-08-17
最近编辑:1年前
yunduan082
硕士 | 仿真主任工程... Abaqus仿真世界
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