位移控制 — CAE术语解说

这是非线性FEM分析边界条件给定方法的区别。荷载控制（力控制）是"给定荷载，求解位移"，位移控制是"给定位移，求解对应的反力"。在结构试验中，万能试验机的位移控制模式就是这样。位移控制重要的情况是"荷载-位移曲线有极大值的问题（snap-through）"或"破断后的软化行为"。在荷载控制中，超过snap-through点时解会跳跃而不稳定，但位移控制可以光滑地追踪。在屈曲后行为分析和压缩破坏分析中，位移控制是必不可少的。

当单向加载时，在某个点会突然"啪"地反转并跳跃到另一个稳定形状的现象。例如，用力从上往下压圆顶形薄板，在压入过程中突然变形跳跃到向下的圆顶——儿童玩具中的"翻转杯盖"或"啪啦啪啦板"就是这样。在荷载控制FEM中，即使增加荷载也无法追踪超过"极限点（Limit Point）"的解，但使用位移控制或弧长法（Riks法）可以通过不稳定路径。在Abaqus中，static步骤配合弧长法（RIKS选项）可以实现这一点。

位移控制是"单调增加一个方向的位移"，所以无法追踪卸载（unloading）路径。Riks法（Modified Riks法、弧长法）把荷载和位移同时作为参数，以"弧长（arc length）"作为控制变量，这样可以追踪荷载-位移曲线的折返。只有Riks法才能追踪屈曲后荷载下降而位移增加的"snap-back"。在Abaqus中做屈曲后分析时，标准做法是使用*RIKS选项，调节INCMAX和ARC INCREMENT SIZE是分析的关键。

从材料试验的安全性来说，位移控制更安全。在荷载控制中，超过极限点时样品会急速破断，能量一下子释放——试验机会受到冲击。位移控制中位移按小的增量增加，样品在逐步软化的过程中破断，可以观察破坏过程。混凝土和复合材料的压缩破坏试验采用位移控制是标准做法。在FEM中也使用位移控制分析来重现这种试验条件——"试验和FEM使用相同的荷载条件"是V&V的基础，正确地在FEM中反映试验的控制方法是精度的关键。