Ansys Mechanical|绳索仿真技术

绳索,俗称绳子,是通过扭或编等方式加强后,连成一定长度的纤维。其拉伸强度很好但没有压缩强度,可用来做连接、牵引的工具。绳索的用途数不胜数:从建筑中的材料固定、到岩土工程中的柔性锚索、汽车门窗的升降拉索、电缆导线等等。如何在仿真中高效准确地模拟绳索,对很多行业都有着实际的意义。


下面就以笔者在工作中遇到的一个绳索仿真问题为例,说明在ANSYS Mechanical中新的绳索技术。



以往ANSYS缺乏专门的绳索单元,通常会以Link180单元模拟杆件,设定关键字选项KEYOPT来模拟受拉/拉压/受压等不同特征。特殊情况下,也有工程师以Beam188单元模拟线缆。版本更新之后正式加入了新的绳索单元cable280,可以分析上述斜拉绝缘子、线缆等结构。



CABLE280适用于分析中等至极细的缆索结构(如海底缆索)。该单元是三维空间中的二次三结点线单元。每个节点有三个自由度:x、y和z方向上的平移。相比于传统的线单元link180、beam188,cable280收敛性更好,也更贴近实际。


首先选择一根斜拉绝缘子做测试,测试模型由一根线体和两端面体构成,几何模型共享节点。斜拉绝缘子材料如下表所示。固定约束面体两端,施加重力加速度,并打开大变形(下同)。



ANSYS2020R1之后的版本,在线体下方的model type即可选择cable(默认为beam),如下图所示。



即便选择cable类型,软件自动指定为只受拉不受压的LINK180杆单元,而非Cable280单元。想必很多同学在这里会很疑惑,不妨可以选用下面的方法来使用cable单元。即在线体下方插入command snippet:



然后就可以回到最初的阀塔装配体模型,在该复杂装配体中采用cable单元与link单元进行对比计算。



经验告诉我们,对于只受拉不受压的柔索结构,施加预应变有助于收敛,甚至可以说是收敛的先决条件。在此,我们建议采用cable单元时施加预应变。在/solu中施加预应变或预应力inistate命令如下:



在实际工作中常常会遇到下面的情况,大型装配体中多个重复部件,使问题变得复杂。



其实,ACT的脚本很多时候可以很方便地帮助用户处理重复性的工作,有兴趣的读者可以回复,查看这里的脚本命令。但此处,我们对比计算后,推荐下面的方式。



显然,采用Cable280单元只需要19个迭代步即可收敛,而Link180单元则需要33个迭代步。

在2020年7月份,ANSYS2020R2版本发布,进一步提升了cable单元的易用性。在ANSYS2020R2之后的版本,需要在Workbench Options中打开beta选项,并在Mechanical的Betafeature selection勾上“Use Cable higher order element”框。如下所示。



此处也可以理解,“UseCable higher order element”的同时还需要用户在Mechanical中强制定义cable几何为高阶单元(即二次单元),否则软件依然会自动赋予Link180单元。此处可以用mesh method automatic单独指定线体的二阶单元,也可以设定全局为二阶单元,推荐前者。最后,将Model Type设定为Cable。注意:选用Cable单元需要打开几何大变形,否则求解会报错。

Model Type下面就无需定义beam也无需command snippet,就自动赋予了cable单元,还是很方便的。



总结:

在斜拉绳索的模拟中,绳索单元Cable280收敛性能普遍优于只受拉不受压的Link180单元。

当复杂装配体包含多条只受拉不受压的绳索/拉杆时,考虑采用多个载荷步,并在第1个载荷步施加极小的预紧长度值,可以大大提升收敛性能,无论是采用Cable280单元还是Link180单元。

当在Mechanical中使用Cable单元时,可以将线体设定为Beam类型(节点数和cable单元一致)并用command更改单元类型为Cable。