abaqus应用桁架单元 (truss element) 模拟钢缆

对钢缆模拟

应用"桁架单元" (truss element) 模拟钢缆 "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。 钢缆是一亇特例,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。所以可以用多亇"桁架单元" (truss element) 来模拟钢缆。

在数值计算中使用多亇"桁架单元"来模拟钢缆可能导致计算不收敛。因为使用多亇"桁架单元"时其中的轴向力必须大于零,所以加载的苐一亇 increment 就无法进行。因为这亇收敛问题是数值计算问题而非物理问题,所以可以 work around。

在此介绍两种常用的方法,希望大家能举一反三。

1. 沿 truss element 加沿长度方向初始拉应力。

2. 使用STABILIZE parameter on the *STATIC.

例题;

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 = 0.01539 m2 Density: =7800 kg/m3 , g = 9.8 m/s2 , E = 2.1e+11 N/m2 Analytical solution of maximum displacement (u2) at x = 50m :

U2_max = -((3* *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initial condition, 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。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 in the step to apply the gravity load.

3. 初始拉应力 < 1.0E5 N/m2 时不收敛。(I have tested 100, 1,000, 10,000 N/m2 without success)

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. The maximum displacement (at node 51) equals to -1.195 m. It is same as the analytical result.

方法二. 使用 STABILIZE parameter on the *STATIC.(see job-2.inp)

“stabilization” 在结构上附加artificial viscous damping , 使得计算结果to go beyond the instability point. 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,

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