解决‘Snap-through’的快速增量/迭代方法

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"M.A.Crisfield的文章‘A Fast Incremental/Iterative Solution Procedure that Handles "Snap-through"’是关于非线性有限元分析中处理‘Snap-through’问题的一个经典研究。Snap-through是指结构在非线性加载过程中,由于过度变形而突然穿越稳定状态的现象,常见于大位移、大应变的结构分析。文章提出的解决方案是基于Riks的方法,通过添加一个约束方程来固定加载步长,使加载水平成为额外的变量,以克服极限点问题。" 在非线性有限元分析中,解决Snap-through现象是一项挑战。传统的增量迭代方法可能会在结构达到极限状态时遇到收敛困难或停滞不前。Riks的方法引入了一个新的概念,即在标准平衡方程之外添加一个约束方程,这个约束直接控制了加载步长,确保在位移-荷载空间中的增量步不越过极限点。这种方法使得结构能够在不稳定的边缘继续进行迭代,从而有效地处理Snap-through问题。 Crisfield在此基础上对Riks的方法进行了改进,使其适应有限元方法的框架。他将这种改良的Riks方法与修改后的牛顿-拉弗森方法结合,既包括原版也包括加速形式。修改后的牛顿-拉弗森方法是一种强大的非线性求解策略,通过迭代更新节点的残差和刚度矩阵,逐步逼近解。当与Riks的加载步长控制结合时,可以显著提高算法的收敛性能,尤其在处理涉及Snap-through的复杂非线性问题时。 文章通过一系列示例验证了该技术的有效性,这些示例可能包括大变形情况,如薄壳结构的弯曲、桥梁的弹性后屈曲等,这些情况在实际工程中都可能出现Snap-through现象。通过这些实例,Crisfield展示了新方法如何不仅能够成功地穿越极限点,而且还能改善传统无约束迭代过程的收敛特性。 这篇文章为非线性有限元分析提供了一种快速且有效的解决方案,特别是在处理结构可能出现Snap-through行为的情况下,具有重要的理论和实际意义。这一方法的实施和优化对于提升工程计算的效率和准确性至关重要。