Abaqus-位移控制的大挠度仿真
几天前，收到一个问题，关于如何定义某个问题的条件。起初，这似乎是一项基本任务，但当我思考它时，我意识到它并不是那么简单，而且有很多事情可能会做错。因此，在此将这个问题的方案总结如下。
即使您从未面临过完全相同的任务，您也可能会通过这篇文章了解一些有关 Abaqus 如何工作的知识。并在最后给您一个提示，大多数 Abaqus 用户甚至没有意识到，但这可能会产生巨大的影响。
那么问题出在哪里呢？我将问题简化为梁（壳）弯曲问题。想象一个细长的梁，我们希望通过在尖端施加负载来使梁弯曲翻转（尖端移动 180°）。材料为弹塑性铝。在尖端施加力并激活“Follower”选项很简单，因此力随尖端旋转并保持垂直于尖端。但这不是用户的问题。这个问题可以概括为三个条件：
运行位移控制进行弯曲模拟。
仅强制尖端绕旋转轴移动，不要限制尖端处的其他 5 个自由度。
强制运动的反作用力应可提取。
为什么是位移控制而不是力控制，因为后者会容易得多？我不知道用户为什么这么要求 - 可能有几个原因。最明显的两个是：
更好的收敛性，非线性静态分析通常在位移控制下运行得更好。
没有稳定性问题，当分析过程中结构的阻力下降时，力控制的非线性静态分析就会出现问题。解算器无法自动减小施加的力。通常，在这些情况下分析会中止。两种替代方法是使用弧长方法 (Riks) 或以位移控制方式运行。其他人也许会采用稳定/阻尼和/或动态计算运行它。
无效方法:
“Follower” displacement “跟随”位移
不，位移加载不存在此选项。我想大多数用户都知道这一点。
Cylindrical Coordinate System 圆柱坐标系
我想这将是大多数新手用户首先尝试的选项，但这并不能解决问题。假设您在旋转轴处创建了一个圆柱 CSYS（CSYS = 坐标系），在尖端参考节点处应用位移时请参考此并使用切向 DOF (DOF2)。首先，您将为位移输入什么值？其次，梁尖端实际上并不是在圆形路径上移动，因此强制执行的想法 会产生错误的结果。但最重要的是，这种方法实际上不会强制尖端节点进行圆周运动。为什么？在 Abaqus 中，每个节点（除了少数例外）在分析开始时都会获得自己的直角坐标系。当引用本地 CSYS（例如圆柱形）时，这可能会受到影响，但这只会影响生成的矩形 CSYS 的方向。强制运动基于矩形节点 CSYS 的 DOF，因此在分析过程中运动仍将是直线。即使 NLGEOM 处于活动状态，CSYS 也不会随节点旋转。
分多个步骤分段施加尖端位移
这里的想法是什么：定义三个非线性静态步骤，例如在第一步中，仅向上施加位移以获得弯曲的第一部分（约 70°）。在第二步中，释放该自由度并横向应用运动以获得弯曲的下一部分。必须使用速度 BC，因为您事先不知道起始位置。在第三步中再次更改 BC，将节点下推到位置零。为什么这个方法不是一个好主意？与参考解决方案相比，您可以获得大致相同的尖端移动，但这取决于您在每个步骤中为移动选择的值。当您没有参考解决方案进行比较时，这是不可能评估的。另一个问题是，用这种方法无法获得所需的反作用力。每一步中的反作用力始终沿运动方向，而不是垂直于梁的尖端。
耦合
这实际上可以工作，但不满足条件 #3 。您可以定义尖端处的参考节点和旋转轴处的参考节点之间的运动学耦合。仅激活耦合内的一个“切向”平移自由度。现在将中心参考节点限制在 5 DOF 中并应用 3.14 的旋转。这将产生正确的运动和变形。但现在你无法直接获得尖端所需的力。您可以获得轴上的反作用力矩，但没有有关两个参考节点之间的当前距离的信息来计算该力矩的力。需要额外的定义和操作来获得不断变化的距离（连接器、COORD 输出、脚本编写……）。
子程序 DISP 和/或 ORIENT
难度大大增加，但是，这是行不通的。您可以轻松地使用 DISP 强制执行循环路径，但这不是我们需要的。DISP 仍然需要使用矩形 CSYS 中节点的 DOF，我们已经讨论过这个问题。添加 ORIENT 子程序也无济于事，因为该子程序仅在模型初始化期间被调用。它不能用于在运行期间更新 CSYS 方向。
“好的”方法（也可能不是最好的方法）：
可以使用接触定义。不是很优雅，但可能有用。创建一个刚性表面并将其参考节点放置在旋转轴上。定义曲面和尖端参考节点之间的接触，然后旋转曲面。不要激活摩擦力并使用 CFN 等接触输出变量来获取尖端参考节点处的力。从 GC 中排除刚性表面，以免出现其他不需要的接触情况。
我的首选方法：
使用连接器单元。有经验的用户可能从一开始就想到了这一点。连接器单元允许连接两个节点的 DOF，并且这些 DOF 随元素旋转。不同的连接器类型在节点的某些自由度之间创建了关系，并且某些相对运动可能已经受到限制。那么哪种连接器类型是最佳选择呢？“Slide-Plane”连接器将是最佳选择。它在所有三个平移 CORM（相对运动分量）中创建了一种关系，但仅限制一个分量 (=CORM1)。在两个引用节点之间创建连接器时，请确保首先选择中心引用节点。然后请求连接器的历史输出。我激活了 CTF1 和 CP2，稍后解释了如何处理它们。使用边界条件将中心参考节点限制在 5 DOF 中，并应用 3.14rad (= 180deg) 的旋转。您还可以请求中心节点的 RM（反应力矩）的历史输出。现在，这在后处理中提供了两种获得力的选项。直接的方法是绘制连接器的CTF1。这是通过连接器中的约束 CORM1 的力，相当于尖端节点所需的力。另一种选择是使用中心节点处的反作用力矩和连接器长度（连接器的 CP2 输出）来计算力。使用 Abaqus/CAE 后处理中的“Operate on XY data”选项来生成该曲线。正如预期的那样，它与 CTF1 的曲线相同。尖端节点的 COORD2 与 COORD3 的 xy 图允许查看该节点的轨迹/路径，这也很有用。任务完成。
提示：在这种情况下，有一个选项可以提高收敛性并减少运行时间。默认情况下，牛顿-拉夫森方法中使用线性外推法来估计增量开始时的新位移校正。当进行涉及较大旋转运动的模拟时，切换到抛物线外推法。在这个小示例中，该设置将运行时间减少了 3.4 倍，大大节省了时间。你会想到这个选择吗？
