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A1. 索膜
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急救:索膜找形中的概念疑惑
liuxiaochun
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#1
2003-6-6 10:31
在索膜找形中建立的有限元方程,有些参考书建立的是全量方程即KU=R,有些则建立的是增量方程K▲U=R,我参考殷有泉编著的《固体力学非线性有限元引论》一文中有提到:”与变形历史相关的问题必须用增量法求解。”
问题一:索膜找形到底应建立全量还是增量方程,找形过程算不算与变形历史相关?
问题二:如果是全量方程KU=R,其中R是外荷载等效结点力向量,在找形过程中,没有外荷载R=0,且另弹模为零的话,刚度K只剩下由初应力s引起的几何刚度,这样方程岂不是变成:K(s)U=0,这样不对吧?
问题三:如果建立的是增量方程(UL法),同样外荷载弹模均为零,但方程却是K▲U=-F,其中F是由初应力s引起的等效结点力,但算出来的▲U只是一个增量步的位移增量,我想请问有关增量步的概念,是不是事先定好的分为几个特定的增量步(例如10步),下一步的U是前一步的U加上前一步算出来的 ▲U,一共算10次的▲U,最后累加10次的▲U,得结点的总位移?到底算几步是我们自己定的吗?如果是:那定的依据是什么?
问题在大侠眼里看来可能非常浅显,但却一直阻碍我对几何非线性问题或者说是非线性问题的理解,望编辑和高手伸手救救我!
skyland
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#2
2003-6-6 13:07
看了你的叙述后,感觉首先要弄清几个概念:
(1)全量方程和增量方程在本质上是相同的,只不过全量方程是一步直接求解,而增量方程是分成若干个加载步来完成。实际上,每一个增量步内的增量方程就是一个全量方程。因此,对于线性问题两者完全等价;对于非线性问题(加载或变形与时间相关),采用全量方程当然不合适,因此通常采用增量方程来分步求解,其过程相当于用若干个切线段来拟合一条曲线。
(2)TL法和UL法是非线性问题中对结构位形度量的两种不同方式,前者是以初始位形作为参考位形,后者是以现时位形作为参考位形,两者都可以用于膜结构的计算。但应该注意不同方法所对应的有限元方程是有差别的,而且还要注意与所选择的应力、应变形式之间的匹配关系。
好了,有以上概念,再回答你的问题就很容易了。
(1)索膜结构的找形具有很强的几何非线性,当然要用增量方程。虽然此时的外荷载为零,但是由于需要提升某些关键点,因此相当于在不断的施加不平衡节点力。
(2)当采用支座提升法找形时,采用全量法是不不合适。但对于某些已基本拟合出初始曲面的膜结构找形时,采用全量法也是可以的。但应该注意,此时的K(s)U≠0,因为此时右端的荷载项中还有不平衡节点力。
(3)对于增量步的选择,可以自己设定,也可以由程序自动设定。当然前一种方法比较简单,而后一种方法的收敛性更好。不过对于初学者,采用前一种方法就可以了。至于选多少个增量步,主要是凭经验。太少了,结果自然不够精确;但是选多了,由于数值误差的累积,也会带来解的漂移。我一般是选择在10步左右。
liuxiaochun
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#3
2003-6-8 00:50
首先非常感谢skyland兄!
我还想请问:
(1)我参照的大变形有限元,其全量方程等式右边就只有外荷载一项,对于膜找形,外荷载为零,所以方程右边就是零。我可不可以这样理解:初始方程右边是为零,但在求解迭代过程中会产生结点不平衡力,该力就相当于增量方程中的等式右边项,即BL矩阵与应力矩阵相乘再积分?
(2)当采用支座提升法找形时,采用10个增量步,若对于一个四点马鞍面,两个对角点z在零处,另外两个对角点z在5米处,是不是意味着,在每一增量步将支座提升0.5米,然后循环迭代出一个收敛解,在此基础上再提升0.5米,依次下去。可不可以在初始网格划分时就将支座直接设在5米处,也采用10个增量步,这样就不要在每个增量步将支座提升0.5米,这种方法是不是也属于支座提升法的一种特例?
skyland
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#4
2003-6-8 11:43
(1) 正确。
(2) 找形的方法不是唯一的,可以采用支座提升法,也可以像你说的,直接将支座点设在目标点上。不过要注意,由于此时的四个支座点不在一个平面上,所以你在进行初始有限元网格划分时,也必须是3维的,而且要保证网格面的连续性,否则会带来很大的数值误差。
支座提升法的优点是,初始有限元网格的划分是在平面进行的,这就要简单得多。此外这种方法相当于模拟了实际施工中的提升过程,可谓一举两得。它的缺点是,结构变位较大,因此找形后的网格点可能出现畸变,特别是在支座点处。
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