载荷增量法

Autodesk 翘曲和应力分析提供了两种载荷增量法进行大变形分析:载荷控制和位移控制。

载荷控制

在载荷控制下,每个步骤都对应一个特定的载荷增量。载荷增量可以自动调整,也可以在准备翘曲或应力分析的输入文件时指定。在每个步骤中,执行平衡迭代时载荷都会保持恒定。随着解逐渐接近极限点(局部最大或最小载荷点),该算法将变得不稳定并且会出现收敛困难。即使很小的不平衡载荷也会导致位移的巨大变化。

为了成功穿过极限点并研究后挫曲行为,必须放弃恒定载荷(载荷控制)方法下的迭代,而采用恒定位移(位移控制)方法下的迭代。

位移控制

位移控制方法需要引入基于位移的约束方程,以使加载参数 在迭代过程中变为附加变量。

在位移控制下,每个步骤都对应模型中一个特定节点(称为控制节点)的特定位移增量。与载荷控制相同,增量(这种情况下为位移增量)可自动调整,也可以在准备翘曲或应力分析的输入文件时指定。位移控制方法有两种形式:手动或自动。

在手动位移控制中,选择将用于整个分析的控制节点和位移方向。尽管该选项在很多情况下运行良好,但它缺乏普遍性,在所选的控制位移分量的平衡路径为垂直或接近垂直时会完全失效。这与载荷控制方法在平衡路径接近水平时失效类似。

在自动位移控制中,分析会在第一步开始时施加一个初始的载荷微小增量,以找出移动最多的节点及其移动方向。该节点将成为所选控制节点,并开始执行位移增量方法。该分析可能会根据分析的当前条件动态更改控制节点以及控制方向。这对效率(收敛速度)和鲁棒性(跟踪任意载荷路径的能力)都会产生有利影响。

参考 1 包含了程序中使用的自动位移控制方法的详细说明。该方法的强大之处在于它具有完全的普遍性,并且只需要了解很少的结构响应知识。原则上,如果将该方法与第 26 页上“自动控制技术”部分所述的自动策略控制系统相结合,则几乎可以自动跟踪任何载荷-变形解路径,包括那些体现出分叉、极限点、跳跃和回跃的路径。

控制方法的选择

选择合适的控制方法取决于正在运行的分析的类型(具有规定位移的翘曲)以及问题的非线性程度。两种方法各有优缺点,其中最重要的部分将在本节介绍。

载荷控制的优点/位移控制的缺点

对于轻度非线性问题,载荷控制效率更高,因为它的计算密集度比位移控制方法低。挫曲分析可指示在所分析的载荷范围内是否预期会出现高度的非线性。

载荷控制方法在分析的最后一步可提供更好的载荷级别控制。例如,如果在位移控制分析中将最大载荷因子设为 1,则位移的最后一步将正好超过载荷因子 1。最后的载荷可能刚刚超过 1(假设 1.01)或远远超过 1(假设为 1.2),具体取决于位移步长。如果您对正好 100% 载荷时的偏移形状感兴趣,位移控制分析中缺少此项控制可能是一个缺点。另一方面,如果接受保存临时文件的选项,则可以通过以下输入来运行重新启动分析:

  • 在超过 100% 载荷的最后一步指定重新启动
  • 选择载荷控制方法
  • 指定初始载荷增量,该增量不能大于达到 100% 载荷所需的载荷增量
  • 指定最大载荷因子为 1

与载荷控制相比,为位移控制分析选择合适的初始增量和最大增量值通常要困难得多且直观性较差。至于载荷控制,增量过小会导致分析步骤过多,而增量过大可导致对非线性行为的预测不准确。一个例外情况是使用手动位移控制的规定位移应力分析。在这种情况下,位移增量比载荷增量更具意义,位移控制将成为首选方法。

位移控制的优点/载荷控制的缺点

对于高度非线性问题,位移控制方法更强大,因为它可以自动跟踪任何载荷-变形路径。相反,如果路径中存在极限点,载荷控制必定会失败。

位移控制是规定位移分析的首选方法,因为与载荷增量相比,位移增量与问题的相关性更高。

参考

  1. Trueb, U., “Stability problems of elasto-plastic plates and shells by finite elements”, Ph.D. Thesis, University of London, 1983.